路堤荷载作用下考虑土体固结系数变化的软基固结规律

陈永辉，周建华，蔡锐，徐锴，陈庚，彭中浩

（1.河海大学岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098；3.温州市交通工程质量监督局，浙江 温州 325000；4.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

0 引言

我国软基分布广泛。目前高速公路软基处理中，采用竖向排水体加速下覆软土地基固结是常用方法之一，如砂井、塑料排水板等。在软土地基中按一定的间距和布置形式插设塑料排水板，在软土层内形成排水通道，增加了土体的有效排水途径，缩短了排水距离，在上部荷载的作用下，可以加速孔隙水的排出和地基的固结，减少工后沉降，从而提高了地基土的承载力。塑料排水板法处理地基成本低廉、施工快、工期短，是处理深厚软基最经济、有效、可行的方法之一。

对于高速公路的软土地基处理，合理设计塑料排水板的打设深度、打设间距及预压期设计是重要参数，直接影响到工程造价及工期。基于竖向排水体土体固结的巴隆固结理论及Hansbo理论，诸多学者已对其进行了进一步的研究，高长胜[1]研究认为：打设排水井时必然会使排水井周围的土体产生不同程度的扰动，从而在板周围形成一层涂抹区，土的渗透系数变小，我们称此为涂抹作用。邓岳保博士[2]通过研究后认为相对于采用短期通水量恒定值进行计算的竖井固结理论，变井阻固结理论得到的固结速率减缓；当考虑通水量随地基深度减小时，地基深部土层的超静孔压消散变得更加缓慢；当竖井渗透性减小到与井周土体相当，此时竖井不再起排水通道作用，径向固结将停止。周开茂[3]研究表明：未打穿砂井地基的固结速率随砂井长度的增大而增大，砂井长度超过一定值后，固结速率增长减慢。王守林[4]认为砂井处理软基简化为平面应变问题的方法主要有两种：一是将砂井地基转换为可考虑成平面应变问题的砂墙地基；二是将砂井地基转换成渗透系数较大的天然层状地基。土体固结过程中，诸多因素的作用，使得随时间的推移，软基固结速率较理论计算速率产生较大偏差，致使其设计预压期与实际预压期有一定的差异。考虑到影响竖向排水体的众多因素，推算理论实际固结期较为困难。

在土体固结理论方面，太沙基固结理论是目前广为应用的固结理论，其有很强的合理性，且算法简单，应用性强。固结系数Cv是该理论的一个重要参数。固结系数定义为：

式中：k为渗透系数，mv为体积压缩系数，γw为水的重度。

在太沙基基本假定中，假定土的渗透系数、压缩系数等均视为常数，因此根据公式（1），固结系数Cv也就是一个常数。事实上，土的渗透系数是一个与土体的性质、孔隙度、孔隙联通情况等等相关的参数，在土体固结过程中，土的渗透系数应该是每时每刻都发生着变化。同样，体积压缩系数mv也会随着固结应力的变化而变化。因此，固结系数在土体固结过程中应当是一个时刻变化的数值，并不是固定不变的。固结系数作为土体计算的重要参数，被广泛应用于竖向排水体的等效计算。本文将通过对固结系数随有效应力变化的理论分析入手，通过室内试验分析说明固结系数在淤泥土固结过程中的变化，并采用土体等效固结系数分析某一工程实例，说明考虑土体固结系数变化的必要性。

1 固结系数随有效应力变化的分析

随着有效应力σ'的增加，渗透系数k和体积压缩系数mv都将减小，因此，固结系数Cv的变化将有3种可能性。分别如下：此时固结系数Cv将不随着有效应力σ'的变化而变化，Cv为定值，这种情况也就是太沙基固结理论假定的情况；，此时固结系数Cv随着有效应力σ'的增加而增加；此时固结系数C

v随着有效应力σ'的增加而减小。

Abuel-Naga，H.M.和 Pender，M.J.[5]通过数值模拟分析研究后认为，Cv随着σ'的增加而减小比Cv随着σ'的增加而增加对Uavg-Tv的关系影响更大。即固结系数随着有效应力的增加而减小对固结度的影响更大。

庄迎春[6]等在考虑固结系数随应力变化的情况下，通过严格的理论推导，得出固结系数的理论公式如下：

式中：Cv0为初始固结系数；σ'0为土体初始有效应力；σ'为有效应力；Cc、Ck分别为压缩指数和渗透指数。

其中渗透指数Ck是根据大量试验数据发现的固结过程中渗透性的变化规律，可表示为如下具有广泛代表性的非线性经验公式，即

渗透指数Ck就是孔隙比e-渗透系数k半对数曲线的斜率。

式（2）表明，固结系数是压缩指数、渗透指数和有效应力的函数，与固结时间相关，随着土体固结过程中土体渗透性、压缩性的变化而不断变化。

由此可知，固结系数随有效应力的变化趋势受多因素控制，本文主要讨论某单一土体在固结过程中固结系数变化趋势。

2 现场试验和室内试验结果分析

2.1 现场试验及结果分析

现场试验场地依托浙江省77省道延伸线龙湾至洞头疏港公路工程，工程位于温州市，该高等级公路连接温州陆域与洞头县海域，海域为东海。公路设计为双向四车道，设计时速80 km/h。具体现场试验断面号为K25+300。

现场地质条件概况如下：K25+300断面处表层为流泥，中上部为海相淤泥，下部为淤泥质黏土，软土总厚度达60 m。软土具极高压缩性，极高含水量，强度极低。土层的物理力学指标如表1所示。

表1 K25+300断面处土质物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soilson section K25+300

沉降仪器观测布置如图1所示，K25+300位置的路中、右路肩以及一级平台中心处埋设了3块沉降板。在该断面铺完80 cm排水垫层后即埋设了沉降板，并进行测量，塑料排水板在2个月后进行打设。

图1 K25+300断面试验仪器布置表Fig.1 Position of measurement elementson section K25+300

仪器测试频率为3~7 d，并根据现场填土施工情况及测试结果及时动态调整。填土时，保障填土前后至少进行一次观测，并在填土初期增加观测频率。当观测结果出现较大波动或发生骤变情况时，同样进行加密观测。加密观测期间，观测周期为1~2 d。

从2012年8月27日埋设第一块沉降板开始至2013年11月20日期间，沉降观测所得的荷载-时间-沉降量曲线见图2。

其中，ET1位于6 a前已完工老海堤的一级平台上，该处地基6 a前进行了抛石预压处理，地基情况相对较好，所以ET1处沉降也相对较小，在15个月内，累计沉降796 mm。ET2、ET3位于新建路基之上，原地基为海域滩涂，未进行任何处理，软土层极厚，从荷载-时间-沉降量图上可以看出，ET3沉降最大，达到2 508 mm。该位置设计4 a施工期内总沉降为2 500 mm，而在施工后仅15个月沉降量就已经达到了设计值，且该位置处仍有2 m的填土高度未施工，还有1 m的预压高度以及1 a的超载预压时间。所以，该位置的最终沉降量将远远大于设计值。

造成这一现象的原因可能有很多种，笔者认为海域公路的深厚软基不同于吹填土等超软土的性质，采用大变形固结理论时带来诸多工程上的不便。若要考虑采用传统固结设计计算理论，则需考虑有效应力变化下固结系数的变化。加了荷载之后，使得有效应力增加，引起渗透系数k和体积压缩系数mv都减小，两者的变化，最终使渗透系数Cv的值与原值产生了很大的变化。

根据下列式（4）、式（5）可知，固结系数Cv变大，从而Tv变大，所以固结度U也就变大，所以沉降量也就相应增加。

其中：m=1，3，5，7…。

塑料排水板打设前后土体沉降随时间变化曲线如图3。

图3 K25+300断面初期阶段荷载-时间-沉降量曲线Fig.3 Curvesof load-time-settlement on section K25+300 in the early stages

从图3可以清楚看出在此过程中，除了初始加载的80 cm碎石垫层外，没有再进行过加载。而ET2、ET3沉降曲线却在11月17日时有明显的拐点。该断面塑料排水板的打设时间正是11月17日。所以，沉降速率的突然增加正是由于塑料排水板打设所引起。塑料排水板打设后，土体中突然形成竖向排水通道，缩短了土中孔隙水的排水路径，将土体中的超静孔隙水排出。李豪[7]等提出了简化的砂井等效方法。即砂井的主要作用是缩短土体的排水距离，从而达到加速固结的目的，而增加土体的渗透系数也可以达到同样的效果，因此李豪等提出根据固结度等效的原则，得出与有砂井时等效的竖向渗透系数，将用砂井加固的地基可以等效为较大渗透系数的天然地基。根据这一理论，在塑料排水板打设后，土体等效的渗透系数将会变大；另外，由于超静孔隙水的排出，土体中的有效应力必然增加，有效应力的增加会引起体积压缩系数mv的减小。根据固结系数的定义公式（1），此时固结系数必然变大。这与实测结果十分吻合。

2.2 室内试验及结果分析

为了进一步研究有效应力对固结系数的影响，分别取K25+300断面处ET2和ET3处原状土进行室内试验。因为原土样下不含超静孔隙水压力，所以不同深度下土样就分别对应了不同的固结应力。同时，分别测定不同压力下土的渗透系数并进行固结试验即可根据公式（1）计算得到固结系数。固结系数随固结应力的变化曲线如图4。

图4 固结系数随固结应力的变化关系Fig.4 The relationship between C v andσ

从图4中可看出，在开始阶段，固结系数随着固结应力的增加而逐渐增加，当固结应力达到约75 kPa时，固结系数达到峰值。此后，固结系数迅速下降。当固结应力达到约150 kPa时，固结系数趋于平缓。通过固结系数变化过程，可以从侧面说明在开始填筑后，尤其是打设排水板后，沉降迅速变大的原因。在这一过程中，固结系数一直变大，且均大于初始固结系数，从而沉降量远远大于设计沉降量，加上海域土体本身十分软弱，多种因素使得施工1 a时间沉降量就达到设计4 a施工期的沉降量。

由此可见，本工程所设计的淤泥固结系数随有效应力的增大呈现出先增大后减小的趋势，但各类土体差异较大，对应的变化过程是十分复杂的，故针对不同类型的土体尚需进行大量的室内试验予以分析。

3 结论与建议

本文通过理论分析、室内及现场试验结果分析，研究了固结系数随有效应力变化的影响，通过研究，得出以下初步结论并提出相关建议：

1）在土体固结过程中，固结系数是一变量，会随着土体有效应力、土体渗透性和压缩指数等的变化而变化，其随有效应力的变化趋势也呈现多样性。

2）考虑固结系数随时间变化，采用等效固结系数法对竖向排水体处理的软土特性进行分析，结果表明：对海域深厚超软土，当固结应力增大时，土体固结系数开始阶段会有明显的变大，达到某一峰值后，固结系数随固结应力的增大而减小，最后会逐渐趋于平缓。

3）打设塑料排水板后，土体突然形成竖向排水通道，土体排水路径大大减小，可以通过沉降固结度等效为土体的渗透系数变大。根据固结系数定义公式，此时固结系数会变大，且变化值较大。此时不能再按照原先的固结系数进行计算，否则会产生很大的误差。

4）在工程施工中，土体固结系数是随着环境不断发生变化的。建议在海域深厚软基进行软土设计、沉降预测时，需考虑土体固结系数随有效应力变化趋势，并进行相应的修正。

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