天津港软土次固结变形特性研究

姜 祺，朱 平，刘春海

（1.天津大学，天津 300072；2.天津北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300452）



天津港软土次固结变形特性研究

姜 祺1，朱 平1，刘春海2

（1.天津大学，天津 300072；2.天津北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300452）

对天津港原状软土进行一维固结试验，研究该地区软土次固结特性。探讨荷载水平、加荷比、加载时间以及应力历史对次固结系数Ca值的影响，得到该地区软土Ca与Cc的关系。试验结果表明：次固结系数Ca随荷载的增大，先增大后减小；超固结状态下土的Ca随荷载的增大而增大；加荷比R改变会造成Ca～P曲线峰值的偏移，Ca随R的变化而变化，加载时间也会对Ca造成影响。该工程软土次固结系数Ca与压缩指数Cc之比在0.023～0.034之间。

软土；次固结；次固结系数；固结压力；加荷比

引 言

土体在外力作用下，孔隙水逐渐排出，土体不断压缩，有效应力与超孔隙水压力相互转化的过程，即为土的固结过程。当土中的超孔隙水压力消散为零时，土体的沉降还在继续，这是土体受有效应力的作用，即土骨架产生蠕变运动所造成的，这种变形称为次固结变形。

天津沿海地区普遍分布浅海相沉积软土，它们具有含水量高、孔隙比大、流变性大、压缩性高、承载力低等工程特点。这些特性会对其宏观力学性质产生不良影响，致使相关工程出现沉降量过大、变形不均匀及长期变形不满足要求等问题。

近年来很多学者对于软土次固结进行了相关研究，并取得了一定成果。殷宗泽［1］等人指出了常规计算软土次固结方法的缺陷，并提出了适用于超固结土的次固结计算方法。高彦斌［2］等人分析了应力历史对饱和软粘土重塑土样次固结系数Ca的影响。周秋娟［3～4］等人分析了加荷比、先期固结压力对软土次固结系数与固结压力的关系的影响。张先伟［5］等人分析了软土结构性对次固结系数的影响。雷华阳［6］等人提出了一种用应变速率-应变变化关系来划分主次固结的方法。余湘娟［7］等人提出了一种用于计算软土次固结的双曲线流变模型。本人在综合已有研究成果的基础上，通过对天津南疆地区东七路加固工程软土的单向固结试验结果分析，研究了该工程软土的次固结特性，分析了加载应力比、应力水平、荷载持续时间以及应力历史对次固结系数的影响，得到了该工程软土次固结系数与压缩指数的比值关系。对于研究该工程所在区域的软土次固结特性，以及工程后期沉降的检测控制有一定参考意义。

1 试验方案

1.1 土的基本物理性质

试验所用土样选取自南疆东七路工程，该工程淤泥层厚度较大，其中海相沉积层稳定分布在4.7～16.9 m深度范围内，从相近深度的不同钻孔土样中筛选出3筒原状土样，分别用编号A、B、C表示，各试验土样的基本物理指标见表1。

表1　土样基本物理性质指标

1.2 一维次固结试验方案

试验所用环刀规格为高 2 cm，横截面积为30 cm2，每筒土样根据不同情况切取2～4个试样。试验在GDG-4S型高压固结仪上进行，加荷方式为多级加载，试样双面排水。本次试验分为A、B、C三组，对应相同编号土样。A组主要以加荷比为变量进行试验，每级加载1天，用以分析不同加荷比对次固结的影响。B组则是通过设定不同的加荷时间来观察其对次固结的影响。C组在试验前先对土样进行预压处理，每级预压应力持续时间 2 h，预压最终应力分别设为100 kPa、200 kPa和400 kPa，待最终荷载稳定后卸荷回弹24 h，再进行分级加载试验，每级加载1天。

2 试验结果及分析

图1 土的一维固结压缩曲线

图1为一般土样的一维固结曲线，反映了土样受外界荷载的作用，产生压缩固结的过程。主次固结分界点tp和土体的先期固结压力pc可以采用Casagrande作图法在e-lgt曲线和e-lgp曲线上来确定。

次固结系数Ca根据下式计算：

式中：t1为主固结完成的时刻，即孔隙水压力为零的时刻；t2为t1后的某一时刻；分别为时刻试样的孔隙比。

图2　A组试样e-lgt关系曲线

将试验结果整理，得到试样孔隙比与加荷时间的关系曲线，其中A组部分如图2所示。对图中曲线分析可以得出：1）各曲线形状近似，都为反 S型，前半部分曲率变化较大，为主固结阶段，后半部分均为直线段，为次固结阶段，且除开始荷载较小的部分，其他各级荷载下的次固结阶段直线的斜率基本相同，为一组相互平行的直线。2）当固结压力较低时，曲线的曲率较大，即主次固结分界比较明显；随着固结压力不断增加，曲线曲率逐渐减小，主次固结趋于不明显，曲线近似为一条直线。

2.1 Ca与固结压力的关系

次固结系数Ca的计算公式表明，土体的次固结系数仅与固结时间t和孔隙比e有关，与固结压力p无关，部分学者［9～11］的研究结果也得到类似结论，而另有许多学者［8，12～15］认为次固结系数Ca与固结压力p是存在一定关系的，本次试验分析也得出了相同的结论。

图3为A、C两组土样试验所得到的次固结系数Ca与固结压力p的关系。

图3　次固结系数与固结压力的关系曲线

由于试样A4主要是通过加荷比的变化来实现影响Ca～p曲线的，所以暂不考虑试样A4。由图3（a）中的A1、A2、A3三组曲线可见随固结压力p的增加，次固结系数Ca先增加至一峰值，然后减少到一相对稳定的值。根据Casagrande作图法计算出土样的先期固结压力pc约为80～90 kPa，这与A1、A3的曲线的峰值所在位置相近，但A2的曲线峰值所在位置大于100 kPa，其原因可能是由于加荷比R＞1的原因，使曲线峰值向后偏移；也有可能是由于试验前期记录点较少，使曲线峰值位置不能正确显示的缘故。

由图3（b）中的三组经不同荷载预压土样的Ca与P的曲线，我们可以得到如下规律：

1）当土体经过预压处于超固结状态时，其Ca～P曲线与常规状态下的不同，曲线不存在峰值，次固结系数Ca随固结压力P的增加而增加，趋于一恒定值。

2）当固结压力小于预压荷载时，Ca值增长缓慢，当固结压力达到并超过预压荷载时，Ca值有明显增加。

3）次固结系数Ca稳定后的值与预压荷载的大小成正比关系，预压荷载越大，Ca稳定后的数值越大。

2.2 Ca与加荷比R的关系

对于次固结系数Ca与加荷比R的关系，其中A组的次固结系数Ca与加荷比R的关系如图4所示。图4（a）中试样A1的加荷比R=1，次固结系数Ca主要受固结压力P的影响，曲线为先增后减，且峰值在先期固结压力Pc附近。

图4　A组次固结系数与加荷比的关系曲线

图4（c）与图4（a）对比可知：在保持R=1不变的情况下，曲线的峰值位置没有改变，仍在先期固结压力pc附近，改变加荷比使R＜1，Ca值随R的减小而减小，且稳定的Ca值要小于图4（a）中R=1的情况。

图4（b）、图4（d）与图4（a）对比可见：1）在R＞1的情况下，曲线的峰值随R的增加而向后偏移，且其数值要大于R=1的情况；2）在图4（b）中曲线到达峰值后继续保持R＞1，次固结系数Ca随R的减小而减小，但稳定后的Ca要略大于图4（a）中R=1的情况；3）在图4（d）中曲线达到峰值后，Ca随R的增大、减小而相应的增大或减小，但曲线的总趋势仍趋向于减小。

根据以上分析得出：1）加荷比R会影响次固结系数Ca，主要体现在每级荷载间R的改变造成Ca的改变，曲线的整体趋势没有变化；2）加荷比R的变化会使曲线峰值造成偏移；3）在Ca到达峰值后，Ca随R的增大、减小而相应的增大或减小。

2.3 Ca与加载时间的关系

为了研究加载时间与次固结系数Ca的关系，将B组试样分为两组如下：1）B1组在保持加荷比R=1的情况下，改变每级荷载的加载时间，土样先在200 kPa荷载下加载5 d，然后在400 kPa荷载下加载10 h，再在800 kPa下加载1 h，确保主固结完成，最后在1 600 kPa下加载1 d。2）B2组在改变加载时间的同时也改变加荷比R，土样在200 kPa荷载下加载1 d，然后在500 kPa下加载10 h，在800 kPa下加载1 h后，再在1 200 kPa下加载5 d，最后在1 600 kPa下加载1 d。

表3　试样B1在不同加载时间下的Ca值

表4　试样B2在不同加载时间下的Ca值

整理试验结果，Ca值如表3、表4所示。从表3中可以看到尽管各级荷载加载时间互有不同，但Ca的值都比较接近一个定值；在表4中可见在加荷比R与加载时间同时改变的情况下，Ca的变化比较复杂，在1 200 kPa前，Ca的变化与A4组试样变化规律近似，但在1 200 kPa加载5 d后，再加载1 600 kPa则得到了一个比较小的Ca值。

2.4 Ca与压缩指数Cc的关系

如图5（a）所示，未进行预压的A组试样的次固结系数Ca与压缩指数Cc的线性关系并不明显，Ca/Cc的值在0.011～0.027之间；如图5（b）所示，进行预压的C组试样的Ca与Cc呈现比较明显的线性关系，Ca/Cc的值在0.023～0.034之间。这符合Mesri和Godlewski［16］提出的对于同一种土，其次固结系数Ca与压缩指数Cc之比在0.025～0.10之间和Castro［17］提出的Ca与Cc之比在0.03～0.05之间的理论。

图5　次固结系数与压缩指数的关系曲线

3 次固结量计算

天津港南疆东部港区东七路工程。其海相淤泥层位于4.7～16.9 m，层厚12.2 m。7号孔断面9.7～9.9 m处土的基本物理性质如下：天然含水率为58.3 %；比重为2.65；密度为1.64 g/cm3；孔隙比e0为1.55；液限为41.3 %；塑限为17.8 %；液性指数为1.72。采用Casagrande作图法计算出土样的先期固结压力pc约为80～90 kPa，对应试验，土样的次固结系数Ca为0.008 3。根据计算7号孔所在区域深度为4.7～16.9 m的软土层260 d时的次固结沉降量为141.9 mm；根据分层沉降监测所得，该区域此软土层260 d的沉降量统计值为1 309～1 646 mm，可见其中由于次固结影响所产生的沉降量占8.6 %～10.8 %，比例并不大。

4 结 论

1）固结压力、加荷比、加载时间和应力历史都会对次固结系数Ca造成影响。

2）次固结系数Ca随固结压力的增加，先增大后减小至一恒定的值，其峰值位于先期固结压力附近。经过预压处于超固结状态的土，其 Ca～p曲线不存在峰值，Ca随p的增加而增加。

3）加荷比R的改变会使Ca～p曲线的峰值偏移，且峰值后的Ca随R的增大、减小而相应的增大或减小。在R≠1的情况下，前一级高压荷载历时比较长会使下一级荷载的Ca值变小。

4）本工程软土在未预压处理下，Ca/Cc的值在0.011～0.027之间；在预压处理下，Ca与Cc呈良好的线性关系，Ca/Cc的值在0.023～0.034之间。

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Research on Secondary Consolidation Characteristics of soft clay in Tianjin Port

Jiang Qi1， Zhu Ping1， Liu Chunhai2
（1.Tianjin University， Tianjin 300072， China； 2.Tianjin Beiyang Water Transport & Hydraulic Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300072， China）

A series of one-dimensional consolidation tests were conducted to study the secondary consolidation characteristics of soft clay in Tianjin Port. Author researched the influence of consolidation pressure， load ratios，loading time， stress history on secondary consolidation coefficient Ca and got the ratio of Ca and compression index Cc. The results show that Ca increases at first and then decrease salong with the increasing of consolidation pressure. For over-consolidation soft clay， Ca correspondingly increases as the consolidation pressure increasing. The changing of load ratios causes the peak position deviation of Ca ～P curve. Loading time also influences Ca. For soft clay of this project， the ratio of Ca and compression index Cc is 0.023 to 0.034.

soft clay； secondary consolidation； secondary consolidation coefficient Ca； consolidation pressure；load ratios

TU472.1

A

1004-9592（2016）03-0082-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160321

2015-12-06

姜祺（1990-），男，硕士，主要从事岩土工程勘察设计工作。