腐木淤泥混合土层的次固结变形特性试验研究

曾玉莹,郑小战,陈小云

(广州市地质调查院,广东广州 510440)

腐木淤泥混合土层的次固结变形特性试验研究

曾玉莹,郑小战,陈小云

(广州市地质调查院,广东广州 510440)

腐木淤泥混合土层是一类特殊软土层,对腐木工程进行次固结特性研究,能有效地控制工后沉降。通过采用自行加工的大直径固结仪进行了一系列的次固结试验,得到了其次固结系数为0.015 6～0.025 2,超载后的次固结系数为0.001 43～0.009 16,次固结系数与压缩指数之比的范围是0.014 4～0.023 3,为今后类似特殊软土地基设计与施工提供参考。

腐木淤泥混合土;次固结试验;固结特性参数

0 引言

腐木淤泥混合土层(简称腐木土)主要由淤泥、淤泥质土、泥炭质土等软土与腐烂朽木混合组成,在粤东沿海地区(澄海市)和珠江三角洲地区都有发现。腐木土是腐木纤维和淤泥相混合的一种特殊土,该土与通常工程分类上的有机质含量高的泥炭、泥炭土有本质的区别,其最大特点是有明显的未完全分解的植物根茎,分解程度差别很大,植物纤维与淤泥互不掺混。腐木土层多呈深灰、灰黑、黑色,少数出现棕褐色,因层中混有软土,故统称腐木土层。腐木含量多的可达60%～90%,甚至局部岩心全是腐木,常为松软的朽木,肉质较新鲜,基本无碳化,断面呈棕红色或黄褐色。常规取样和室内试验十分困难,不易取得设计需要的相关参数,因此,必须通过加工大直径的固结仪才能进行室内试验。

次固结(也称次压缩)特性,就是说在孔压消散,主固结完成后,仍会有随时间发展的长期压缩,其量值不可忽略。对于有机质含量高的软土,其次固结特性更加明显,次固结变形占工后沉降比例较大。因此,有必要进行腐木土层的次固结特性研究,为更好地控制工后沉降提供依据。

1 室内试验研究

1.1 试验方法

本次试验取样来自某高速公路K36+420处。由于腐木土样中腐木含量较多,常规固结仪无法进行试验,故采用研制加工的大直径固结仪(Ф123.6 mm),试验方法与常规固结试验相同,其基本物理力学性质见表1。

1.2 试验结果分析

通常认为软土的固结变形分为主固结和次固结部分,在次固结阶段,由于土体的粘滞蠕变作用而不断发展变形,次固结变形与时间对数成正比关系。许多试验表明,同一种软土在不同荷载下的e-lgt曲线次固结部分的斜率,即次固结系数Ca=Δe/Δlogt,与荷载无关,即对于同一类土,在不同的荷载增量下,次固结系数为常数。但是,也有偏离这个规律的。墨西哥粘土在某些试验中的压缩速率呈现随时间对数而增长的趋势,有的重粘土的压缩过程明显地与时间对数成非线性关系,并趋于水平渐近线[1]。张惠明在研究深圳软土的变形特性后,结果表明原状试样在不同的时间对数周期内次固结系数是不同的[2]。事实上,次固结不可能无限地发展下去,但可认为在一定的时间内,即在建筑物的使用寿命内,其保持线性规律是可能的。

表1 腐木土样的基本物理力学性质Table 1 Basic physicalmechanical properties of decayed wood soil sample

本次试验采用三种加载方式:一是一个试样只做一级荷载下的次固结;二是一个试样连续做多级荷载下的次固结;三是在不同超载情况下的次固结。试验结果与分析如下:

(1)加载方式对腐木淤泥混合土次固结的影响单级加载和连续多级加载下腐木样次固结变形典型曲线见图1。可以看出腐木土的固结沉降变形曲线与一般软土相类似,加载方式对腐木淤泥混合土次固结没有太大影响。腐木土层的次固结系数的试验成果整理见表2和表3。

图1 NF6-03腐木样主次固结曲线Fig.1 Curve ofNF6-03 main&secondary consolidation of decayed wood soil

表2 腐木样次固结系数统计表Table 1 Statistics table of secondary consolidation coefficient of dacayed wood soil sample

表3 不同超载量作用下的次固结系数Ca′(孔隙比/应变表示)统计Table 1 Statistics of secondary consolidation coefficientCa′under different overload volume

(2)应力水平对腐木纤维、淤泥混合土次固结系数的影响 计算软土次固结的常用方法没有反映荷载变化的影响,即次固结系数与应力水平无关,且为一常数。从腐木纤维、淤泥混合土次固结系数整理结果可以看出,在施加荷载P≤100 kPa时的次固结系数相差不大,可以认为次固结系数与固结压力无关,平均值为Ca=0.015 6;在荷载P>100 kPa时的次固结系数也相差不大,可认为次固结系数与固结压力无关,平均值为Ca=0.025 2;但从整个荷载范围内来看,次固结系数明显与荷载有关:当荷载小于或大于先期固结压力时(由腐木土压缩试验求得其先期固结压力约100 kPa),次固结系数相差较大,与殷宗泽的结论一致[3]。按表中Ca/(1+e)%的值进行次压缩分类(约为0.5%～0.8%),则腐木纤维、淤泥混合土属中等次压缩混合软土。

(3)应力历史对腐木纤维、淤泥混合土次固结系数的影响 应力历史包括两种情况:一是指超固结软土历史上所受到的最大竖向有效固结压力pc(包括结构强度q),二是指通过人工超载后卸除,从而使路基软土呈超固结状态。

对于第一种情况,通过以上多组次固结试验,不难发现:100 kPa以下和100 kPa以上的次固结系数相差较大,结合腐木纤维、淤泥混合土的压缩曲线求得前期固结压力(约100 kPa)。可以看出,先期固结压力对腐木纤维、淤泥混合土的次固结系数影响较大。

对于第二种情况,已有研究结果表明,通过超载预压可以减少次固结系数,减少的程度与超固结比有关[4]。张惠明研究了超载对深圳软土的次固结系数的影响,认为通过超载一倍的预压后,次固结变形减少了67%,重塑土的预压效果更为显著,深圳软土的次固结变形是可以通过超载预压来减少或消除的。超载预压除了可以减少软土的次固结系数外,还推迟了次固结变形的发生时间,其它的粘土也表现出相同的性质[5]。从实用的角度出发,建议采用下式估算卸载后软土的次固结系数:

式中:OCR为超固结比,Ca为软土的次固结系数,β为超载折减系数。

根据表2试验结果,腐木纤维、淤泥混合土也采用上式计算超载卸载后的次固结系数,则次固结系数为100 kPa以下(取平均值)为:Ca1=0.015 6,Ca1′=0.001 43,计算得到超载折减系数β=0.031 7;次固结系数100 kPa以上的次固结系数(取平均值)为:Ca2=0.025 2,0.009 16,计算得到超载折减系数β=0.156 8。

(4)腐木土的次固结系数与压缩指数的关系 通常情况下,软土次固结系数的准确测定是一项费时的工作,因此,要是能通过其它参数来估算次固结系数是个很有实际意义的研究课题。Mesri等总结了22种粘土的次固结试验结果后发现,对于原状软土,次固结系数和压缩指数的比值Ca/Cc是一个常数,并推荐许多类土的比值取值范围在0.02～0.07之间。对于腐木纤维、淤泥混合土固结压力在100 kPa以下时,Ca/Cc=0.014 4;固结压力在100 kPa以上时,Ca/Cc=0.023 3。因此,在没有次固结试验的情况下,可以利用上式估算腐木纤维、淤泥混合土不同压力下的次固结系数。

2 结论

(1)通过采用加工的大直径固结仪进行试验,测得腐木土层的次固结系数与应力水平有关,当荷载P≤100 kPa时,平均值Ca=0.015 6;在荷载P>100 kPa时,平均值Ca=0.025 2。

(2)根据工程实际超载情况,试验在不同超载量(即超载比)情况下腐木纤维、淤泥混合土的次固结系数的变化情况,考虑软土的超固结特性,认为超载后的腐木纤维、淤泥混合土次固结系数为:荷载P≤100 kPa时,平均值Ca′=0.001 43;在荷载P>100 kPa时,平均值Ca′=0.009 16,相同的超载量下,荷载等级越低,次固结系数的改变量越大,均比未超载情况下的次固结系数平均值约小一个数量级。

(3)由于腐木土的次固结系数与应力水平有关,则其次固结系数与压缩指数的关系为固结压力在100 kPa以下时,Ca/Cc=0.014 4;固结压力在100 kPa以上时,Ca/Cc=0.023 3。

(4)腐木土层是一类特殊软土层,含有大量未完全分解的植物根茎,且不同深度的形成时间有别,腐烂程度差别较大,试验均匀性很差,常规试验仪器无法进行试验。采用加工的大直径固结仪,得到以上一些基本变形规律,对以后类似工程的设计和施工具有指导意义。

[1] 魏汝龙.软粘土的强度与变形[M].北京:人民交通出版社,1987:29-33.

[2] 张惠明,徐玉胜,曾巧玲.深圳软土变形特性与工后沉降[J].岩土工程学报,2002,24(4):509-514.

[3] 殷宗泽,张海波,朱俊高,李国维.软土的次固结[J].岩土工程学报,2003,25(5):521-526.

[4] 刘世明.软粘土的次固结变形特性研究[D].杭州:浙江大学,1988.

[5] Mesri G,Feng T.W.Surcharging to reduce secondary settlement[C]∥Proc Int ConfOn Geotech Eng for Coastal Development Theory and Practice.Yokohama,1991:359-364.

(责任编辑:潘 潇)

Testing Research on Secondary Consolidation Deformation Characteristics of Decayed Wood Mixed Silt Soil

ZENG Yuying,ZHENG Xiaozhan,CHEN Xiaoyun
(Guangzhou Geological Survey,Guangzhou,Guangdong510440)

Decayed wood mixed silt soil is a special kind of soft soil.Through a series of secondary consolidation tests conducted by the self-artifactitious large diameter consolidometer,the authors obtain the range of secondary consolidation coefficient from 0.015 6 to 0.025 2,secondary consolidation coefficient after overload from 0.001 43 to 0.009 16,the ratio of secondary consolidation to compression index from 0.014 4 to 0.023 3.It provides reference for the design and construction of similar soft soil foundation.

decayed wood mixed silt soil;secondary consolidation test;consolidation behaviors parameters

TU411.5

A

1671-1211(2010)03-0268-03

2009-11-02;改回日期:2010-02-24

曾玉莹(1976-),女,工程师,硕士,岩土工程专业,从事地质调查、评估与岩土工程勘察设计工作。E-mail:stevenia@163.com