尺寸效应对吹填软土固结特性影响的试验研究

雷华阳，贺彩峰，仇王维，陈 丽

（1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072）



尺寸效应对吹填软土固结特性影响的试验研究

雷华阳1, 2，贺彩峰2，仇王维2，陈 丽2

（1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072）

摘 要：利用改装后的固结仪，针对天津地区真空预压处理后的吹填软土，开展了一系列固结特性试验研究，着重研究了试样尺寸对吹填软土固结特性的影响.结果表明，不同尺寸试样的e-lg,p曲线均表现为结构较完整、结构破坏、趋于重塑土3个阶段；在同一等级荷载作用下，稳定应变随着试样高度的增加而线性减小；固结系数和次固结系数均随荷载先增大后减小，最后趋于稳定，固结系数的峰值随着试样尺寸的增大而减小，次固结系数的峰值则相反.基于试验结果建立了一维应变预测模型，模型考虑了尺寸效应，具有参数少、易确定的优点.

关键词：吹填软土；尺寸效应；固结系数；次固结系数；应变预测模型

随着城市发展和土地资源短缺之间矛盾日益明显，吹填造陆成为开发土地资源的主要途径.目前，天津滨海新区已先后在临港工业区、东疆港区等实施了数百平方公里的围海造陆工程，大面积的新近吹填土地将投入建设和使用.由于吹填土地基工程性质复杂[1-2]，故随之产生的岩土工程问题也逐渐被重视.

为了更好地了解吹填软土的工程特性，很多学者及工程技术人员对此进行了大量试验及理论研究.诸如，Nash等[3]对 Bothkennar 土进行了一系列一维固结试验研究，得出不同深度、应变速率对屈服应力的影响规律；邱长林等[4]对天津典型吹填土进行室内真空固结试验，指出真空压力为体积力，吹填土在此体积力作用下不仅会产生竖向应变，还会出现较大的径向应变；王常明等[5-6]对上海、珠海、深圳等典型地区的海积软土进行蠕变试验研究，得出海积软土的一维固结蠕变的应力-应变关系是非线性、不可逆、与时间有关的；孙立强等[7]、闫澍旺等[8]通过对新近吹填土进行室内试验，建立固结系数为变量的改进巴隆固结理论以及软黏土抗剪强度折减率的规律性曲线；刘汉龙等[9]采用改进的、可施加负压的三轴仪开展了真空预压、堆载预压以及真空-堆载联合预压作用下软土的固结蠕变试验；张中琼等[10]针对天津吹填土进行了3 阶段（静水沉降、自重排水、真空加压排水阶段）的固结试验；王建华等[11]通过对原状海滩黏土进行了三轴循环不排水不固结试验，提出了一种能够考虑动静耦合效应的循环强度曲线表示方法.周秋娟等[12]对广州南沙原状软土进行了室内三轴压缩试验、三轴蠕变试验和一维固结试验，系统地探讨了吹填土的固结变形特性.

综上所述，已有的试验研究中通常采用2,cm试样进行单向固结和压缩试验、剪切蠕变和三轴蠕变等试验，然而，实际工程中，吹填土层的深度往往到达5,m以上，用常规2,cm的试样代表实际土样，这种差异目前一般称为尺寸效应或缩尺效应[13-15]，这种尺寸效应在岩石、混凝土等固体材料引起的测试结果差异已经得到广泛关注，研究相对成熟[16-18].但目前为止，对土体尤其是吹填软土，有关尺寸效应方面的研究较少，对其影响的认识尚不足以定量评估，因此，有必要进行深入探讨.

因此，本文结合天津地区真空预压处理后吹填软土，开展4种不同尺寸试样的原状吹填软土固结特性试验研究，探讨不同尺寸试样所表现出的应力-应变关系、固结特性以及次固结系数等方面的差异，为工程实践提供理论支持.

1　试验方案

试验选用了4种不同尺寸的试样，其直径均为6,cm.试验所用土样取自天津滨海区围海造陆真空预压处理后吹填场区地基土，具体物性指标见表1.取土时为减小土样的扰动，采用薄壁取土器，且在制样的过程中，为了避免减环刀与土样的侧壁摩擦力影响试验结果，采取新定制环刀，确保其表面光滑无痕，并且在装样前均匀涂抹凡士林.

试验仪器采用改装的WG型三联高压单杠杆固结仪.具体改装后的仪器如图1所示.

图1　改装后的固结仪Fig.1 Modified oedometer

试验在常温双面排水的条件下进行，对于不同尺寸的试样（见表2）均进行分级加载试验.每级荷载以定时观测变形小于0.005,mm/d为稳定标准，待一级荷载下变形稳定后加下一级荷载；数据采集记录采用TWJ微机数据采集处理系统.

表2　试验加载方案Tab.2 Test loading plan

2　试验结果

2.1压缩曲线

分级加载条件下不同尺寸试样的e-p和e-lg,p关系曲线分别见图2和图3.

图2　不同尺寸试样的e-p关系曲线Fig.2 e-p curves of samples with different sizes

由图2和图3可知，不同尺寸的试样，土样的压缩曲线关系变化规律相同，符合土样e-lg,p关系曲线的3阶段：第1阶段曲线平缓，此时土的变形主要为弹性变形，结构性比较完整；第2阶段土体结构性遭到破坏，变形主要为颗粒间的结构塌陷；第3阶段的曲线与重塑土相近，变形主要是颗粒间的滑移.在第1阶段孔隙比变化较小，不同尺寸试样孔隙比变化基本无差别；第2阶段当荷载达到某一值时，孔隙比迅速减小，不同尺寸试样孔隙比变化值有较大的差距，孔隙比变化值随着试样尺寸的增大而减小；第3阶段土体趋于重塑土，压缩曲线趋于直线变形较大，孔隙比变化值随着试样尺寸的增大基本无差别.

图3　不同尺寸试样的e-lg p关系曲线Fig.3 e-lg p curves of samples with different sizes

2.2应变曲线

各级荷载作用下土样的稳定应变与试样尺寸关系曲线如图4所示.

图4　不同尺寸试样在各级荷载下的稳定应变Fig.4 Stable strain of samples with different sizes under different loads

由图4可见，在同级荷载作用下，试样尺寸对土体的稳定应变的影响关系基本为线性关系，随着试样尺寸的增大，土样的稳定应变量随之减小，在荷载等级较小时，减少量不明显，在荷载等级较大时，减少量较大.随试样尺寸的增加，稳定应变变化量见表3.从表中可以看出，在各级荷载作用下，试样2,cm 和4,cm、4,cm和6,cm稳定应变量变化值较大，而试样尺寸分别为6,cm和8,cm时，各级荷载下的稳定应变变化不大，说明试样尺寸对软土的稳定应变存在影响，当试样高度增大到一定值后，这种影响会逐渐减小.

表3　不同试样尺寸下稳定应变的变化量Tab.3 Variation of stable strain under different sample sizes

3　试验结果分析

3.1结构屈服应力

土体的结构屈服应力σk是指先期固结压力pc和结构强度q之和，本文采用由Butterfield等提出的ln（1＋e）-lg,p双对数坐标法来求取结构屈服应力，不同尺寸试样的ln（1＋e）-lg,p关系曲线见图5.采用双对数坐标来表示压缩曲线，压缩曲线可以由两条直线很好地线性表示.结构屈服应力可通过两条近似线性曲线的交点得到（如图5所示），对不同尺寸试样数据进行处理，得到其结构屈服应力，见表4.

图5　不同尺寸试样的ln（1＋e）-lg,p关系曲线Fig.5 ln（1＋e）-lg,p curves of samples with different sizes

表4　不同尺寸试样的结构屈服应力Tab.4 Structural yield stress of samples with different sizes

由表4可知，随着试样尺寸的增大，土样的结构屈服应力差别不大，出现这种现象的原因是：土体的结构屈服应力是土体结构性强弱的指标，对于某一种土体而言，其结构性强弱取决于组成土体的土颗粒的性质、联接、排列，与试样的尺寸没有太大的关系. 压缩指数Cc是压缩曲线e-lg,p的斜率，工程中采用的是结构破损阶段近似直线段的斜率，不同尺寸试样的压缩指数如表5所示（选用24,h的试验数据）. 由表5可知，压缩指数随着试样尺寸的增加差别不大.

表5　不同尺寸试样的压缩指数Tab.5 Compression index of samples with different sizes

综上所述，尺寸效应对于吹填土压缩特性指标的获取影响较小，利用室内试验确定吹填土一些参数，可以忽略尺寸效应的影响，这种现象不同于混凝土、岩石等材料.

3.2固结特性

固结系数Cv是Terzaghi一维固结理论中的一个重要参数，其大小能够直观地反映出土层固结快慢的程度，准确地测定固结系数Cv对于预测土层的排水固结速率和土体固结度有着重要的意义.笔者通过“时间平方根法”得出不同尺寸试样在各级荷载下的固结系数Cv，不同尺寸试样的Cv-p关系曲线见图6.

图6　不同尺寸试样的Cv-p关系曲线Fig.6 Cv-p curve of samples with different sizes

从图6可以看出，对于不同尺寸试样，其固结系数的变化规律大致是一样的，固结系数在固结压力低于结构屈服应力时，土体的固结系数相对较大，且变化幅度不大；当固结压力接近结构的屈服应力时，固结系数值急剧降低，最后趋于稳定.分析其原因，是因为试样的结构屈服应力是与e-lg,p 关系曲线上的转折点相对应的，当固结压力小于该点时，土样的孔隙比相对较大，此时土体的高孔隙性得以维持，而高孔隙性对应较强的透水能力，因而试样的固结系数较大且变化幅度较小；固结压力大于该转折点时，土体的压缩变形迅速增加，孔隙比迅速减小，此时土样的高孔隙性遭到破坏，颗粒间的联通性迅速变差，导致土样的渗透性必然发生相应的变化，即透水能力迅速降低，因而土样的固结系数大幅度降低.

同时，从图6还可以发现，对于不同尺寸的试样，其固结系数的最大值其随试样尺寸的增大而减小，如2,cm、4,cm、6,cm、8,cm高度试样的最大固结系数分别为0.006,85、0.005,93、0.005,10、0.004,35.这是由于土样的固结系数是反映土体排水固结快慢的一个参数，排水固结速度越大，固结系数越大.相同荷载增量下，土体内超静孔隙水压力的增量相同，但是随着土样高度的增加，排水高度进而增大，因而排水固结速度随土样高度的增大而减小，即固结系数随土样高度的增大而减小，从而得出不能将2,cm常规土样的试验结果用于实际工程中的结论，要充分考虑尺寸效应对结果的影响.

3.3次固结系数

根据Buisman提出的次固结系数Ca计算方法，有

式中：Δe为次固结变形计算时间段内土体的孔隙比变化量的大小；t2为次固结需要计算的时间；t1为进入次固结阶段所需要的时间.不同尺寸试样的次固结系数随荷载的变化曲线如图7所示.

图7　不同尺寸试样的次固结系数随荷载的变化Fig.7 Vibration of secondary consolidation coefficient of samples with different sizes with load

由图7可以看到，不同试样尺寸下，软土的次固结系数均表现为随着荷载的增大先增大后减小，最终趋于稳定.次固结系数的最大值出现在荷载约为100,kPa左右.说明土样的次固结系数受到土体结构性的影响.分析其原因，当荷载小于结构屈服应力时，随着荷载的增大，土颗粒间的结构联结逐渐被破坏，次固结变形越来越明显，当荷载大于结构屈服应力时，土体的结构大量破坏，土体越来越接近于重塑土，次固结系数会有所减小，并趋于稳定.

同时，对比不同尺寸土样的次固结系数可以发现，随着试样尺寸的增大，土样的次固结系数峰值随之增大，尺寸为2,cm时，次固结系数的峰值约为0.000,7；尺寸为8,cm时，次固结系数的峰值约为0.001,1，后者约为前者的2.5倍.基于8,cm试样的试验结果所得到的地基土长期沉降预测值远超过基于2,cm试样的试验得到的结论，这说明试验中土样尺寸的不同所得到的试验结果差别较大，所以不能简单地以2,cm常规土样的试验结果去进行长期沉降预测，将试验结果用于工程实践中时应充分考虑尺寸效应的影响.

4　一维固结应变预测模型

不同尺寸试样的ln（ε/t）-ln,t关系曲线如图8所示.其中，ε为试样的应变；t为试样应变对应的时间.图9中利用关系式（1）绘出各尺寸试样截距b与荷载p的关系.

图8　不同尺寸试样的ln（ε/t）-lnt关系曲线Fig.8 ln（ε/t）-lnt curves of samples with different sizes

图9　截距b与荷载p的关系Fig.9 Relationship between intercept b and pressure p

由图8可看出，各级荷载下土体的应变速率的对数与时间对数呈现很好的线性关系，对其进行拟合，得到不同高度试样的应变速率-时间双对数曲线拟合方程为

式中：b为应变速率-时间双对数曲线的截距；ɑ为应变速率-时间双对数曲线的斜率.

由图8可知，各级荷载条件下应变速率-时间双对数线性曲线的截距b随压力的增大而减小.

由图9可知，不同尺寸试样的截距b与荷载p之间有相同形式的拟合曲线.将图10中截距d与试验高度h的曲线进行线性拟合，得出的关系式为

式中：c为不同试样的截距与压力拟合曲线的斜率；d不同试样的截距与压力拟合曲线的截距.其相关系数均在0.96以上.

通过进一步分析笔者发现，式（3）中的截距d与试样高度h有良好的线性关系，如图10所示.将图10中截距d与试验高度h的曲线进行拟合，得到的关系式为

式中m、n为考虑试样尺寸效应对其应变影响的系数，均由试验确定.

图10　截距d与试样高度h的关系Fig.10 Relationship between intercept d and height h of samples

将式（3）、（4）代入式（2）整理得

式中参数ɑ、c均由试验确定.设B＝1＋ɑ，为了使拟合值与试验值有较好的吻合程度，这里对B进行了修正，修正后得A，修正过程为

式中：b1为试验所得的应变时间曲线的斜率；b为通过式（3）得到的计算值.则式（5）可以表示为

新建模型在Mitchell的应变速率-时间双对数的关系基础上，通过对天津滨海软土进行了一系列一维固结试验得到，充分考虑了尺寸效应对于吹填土固结特性的影响，具有参数少、易确定的优点，可用于指导天津滨海软土有关工程.

5　结论

（1）不同尺寸的试样，压缩曲线均出现3个阶段：弹性变形，结构破坏，重塑土阶段.其中，结构破坏阶段孔隙比变化值随着试样尺寸的增大而减小；尺寸效应对土体的应变有一定的影响，土体的稳定应变随着试样高度的增加而线性减小；尺寸效应对于吹填土压缩特性指标（结构屈服应力、压缩指数）有影响，随着试样尺寸的增大而减小.

（2）不同尺寸的试样，其固结系数、次固结系数均随着荷载的增大先增大后减小，最终趋于稳定，但其最大值随试样尺寸的不同而有较大差别，其中固结系数最大值随着试样尺寸的增加而较小，而次固结系数的最大值随着试样尺寸的增大而增大.

（3）在Mitchell的应变速率-时间双对数的关系基础上，建立了一维固结应变经验模型，新建模型考虑了尺寸效应，具有参数少、易确定的优点.

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（责任编辑：樊素英）

Experimental Research on Size Effect Upon Consolidation Property of Hydraulic Reclamation Soft Clay

Lei Huayang1, 2，He Caifeng2，Qiu Wangwei2，Chen Li2
（1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：Using the modified oedometer，a series of consolidation tests with samples of different sizes are performed on hydraulic reclamation soft clay in Tianjin to study the influence of size effect on the consolidation properties. The results show that the e-lg,p curves of samples with different sizes can be divided into three stages：structural integrity stage，structural failure stage，remoulded stage. Under the same loading levels，with the increase of sample size，the stable strain shows a linear decrease. The consolidation coefficient and secondary consolidation coefficient increase first，then decrease，and finally tend to be stable with the increase of load. With the increase of sample size，the maximum value of consolidation coefficient decreases, contrary to the maximum value of secondary consolidation coefficient. Based on the test results，a strain prediction model is proposed，which considers size effect，possesses fewer parameters，and is easy to determine.

Keywords：hydraulic reclamation soft clay；size effect；consolidation coefficient；secondary consolidation coefficient；strain prediction model

通讯作者：贺彩峰，877974724@qq.com.

作者简介：雷华阳（1974— ），女，博士，教授，leihuayang74@yahoo.com.cn.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51378344）.

收稿日期：2014-06-01；修回日期：2014-07-25.

中图分类号：TU47

文献标志码：A

文章编号：0493-2137（2016）01-0073-07

DOI:10.11784/tdxbz201406001