吹填区软土固结及次固结特性试验研究

陈云长,罗庆姿,王 盛,黄井武,*,么振东,陈晓平

(1.广东省水利电力勘测设计研究院，广州 510170；2.广东工业大学 土木与交通工程学院，广州 510006； 3.暨南大学 理工学院，广州 510632)



吹填区软土固结及次固结特性试验研究

陈云长1,罗庆姿2,王 盛1,黄井武1,*,么振东1,陈晓平3

(1.广东省水利电力勘测设计研究院，广州 510170；2.广东工业大学 土木与交通工程学院，广州 510006； 3.暨南大学 理工学院，广州 510632)

对某吹填区软土进行了不同固结压力、固结时间、排水距离、初始孔隙比等的对比性固结试验，研究了软土的固结及次固结特性。试验结果表明：次固结系数与压缩指数呈较好的线性关系，压缩性指标与上覆固结压力密切相关；固结变形与先期固结压力有关，在超固结阶段呈线性变形、正常固结阶段呈黏塑性变形的特征；次固结系数随固结压力变化可分3个阶段，阶段II(pc

固结试验;次固结系数;压缩指数;固结压力

软土变形具有时效性的重要特征，包括孔隙水挤出而压密的固结过程，以及土骨架受压土颗粒平衡位置重新调整的次固结过程。次固结是孔隙水消散后，在有效应力不变情况下土体体积仍随时间增长而减小的过程。在实际工程中往往忽略次固结对沉降的影响，导致工后沉降超出计算值，甚至影响工程正常运行。因此，通过一系列试验研究吹填区软土的固结与次固结变形特性，对科学合理评估吹填区上建筑物的沉降及稳定尤为重要。

国内外学者对软土的变形特性进行了一系列的研究[1-10]，分析了先期固结压力、加荷比、固结压力、应力历史、结构性等因素对固结及次固结系数的影响，得到的结论不尽相同。文献[1-2]通过试验研究和理论分析提出软黏土的次固结系数与其所处的固结状态有关；而Newland等[3]研究显示正常固结的软黏土的次固结系数与固结压力无关；文献[4-5]认为次固结系数随荷载的变化曲线在先期固结压力附近出现转折点；而邵光辉等[6]提出次固结系数随荷载的变化曲线转折点所对应的固结压力为n倍先期固结压力；Ladd[9]则提出正常固结软黏土的次固结系数随着荷载增加的变化规律不是唯一的；雷华阳等[10]研究了软土结构性对次固结系数的影响。可见不同区域的软土，由于矿物成分及结构性等影响，变形特性存在较大差异。

本文基于前人的研究成果，以粤东沿海某吹填区软土作为研究对象，进行了一系列固结试验，系统研究了压缩性指标的影响因素和固结的变形规律，以及固结压力、固结时间、排水距离、初始孔隙比等对次固结系数的影响，所获结论可为工程计算提供科学的建议。

1 试验方案

1.1 物理特性

试验土样为粤东沿海某吹填区的淤泥与淤泥质土，取自吹填土表面以下7～16 m(其中吹填厚度为7 m)。根据Casagrande法所确定的先期固结压力为48～102 kPa，均为欠固结状态，主要物理指标见表1。

1.2 试验方案

一维固结试验在WG型杠杆式三联高压固结仪上完成，土样面积为30 cm2，高度为2 cm或4 cm，为避免温度变化对试验结果造成影响，将试验温度控制在24±1 ℃。试验采用分级加载方式，具体见表2。

2 试验结果及分析

2.1 固结特性

由试验获得的土样孔隙比e随时间t的变化曲线见图1。在超固结阶段曲线的反弯现象不明显，次固结系数较小；在正常固结阶段呈“S”状，有明显的反弯点，且斜率随荷载基本不变。利用陈式加载法对试验结果进行处理，可得土样在分别加载时应力-应变等时曲线，见图2。由图2可见，应力-应变关系为一簇趋势相同的曲线，当上部荷载较小时，土体的应力-应变关系近似呈直线，可认为土体在超固结阶段应力-应变关系为线性相关，但当土体处于正常固结阶段，试样的应力-应变关系曲线向应力轴偏转，非线性特征明显。表明试样具有在超固结阶段为弹性变形、正常固结阶段为黏塑性变形的变形特征，这一特征与先期固结压力有关。

表1 土样物理指标

Table 1 Basic physical indices of soft soil sample

W/%Ρ/(g·cm-3)e0Sr/%ds40.4～54.61.64～1.801.14～1.4491.0～100.02.62～2.67

表2 试验方案

Table 2 Test scheme

(1)分级加载,加荷比=1(2)保持侧向变形=0(3)加载方式:a)12.5→25→50→100→200→400→800→1600→3200,72h/stepb)12.5→25→50→100→200→400→800→1600,48h/stepc)25→50→100→200→400→800,24h/stepd)25→50→100→200→400→800,72h/stepe)25→50→100→200→400→800→1600→3200,96h/stepf)25→50→100→200→400→800→1600,24h/stepg)25→50→100→200→400→800→1600,72h/step

图1 一维固结试验e～lg t曲线Fig.1 Tested e-lg t curves of 1D consolidation test

图2 一维固结等时曲线Fig.2 Isochronal curves of 1D consolidation test

2.2 次固结特性

2.2.1 固结压力对次固结系数的影响

国内外学者对固结压力对次固结系数的影响进行了大量研究，但更多的试验结果表明变化规律并不唯一。Ladd 提出正常固结的软黏土的次固结系数可能随荷载增大不变或增大或减小；殷宗泽、陈晓平等提出次固结系数与所处的固结状态有关。本文通过多组对比试验，发现次固结系数随固结压力的变化除了与固结状态相关外，还与土质有关，对于淤泥和淤泥质土样，可近似归纳出的规律见图3。

图3 次固结系数随固结压力变化规律Fig.3 Curves of Caand p

次固结系数随固结压力的增大而增大，曲线的变化与先期固结压力pc有关。当荷载小于ηpc时，次固结系数随荷载的增长速率极其显著，而当荷载达到这一定值时，次固结系数随荷载的增长幅度则会趋于稳定或非常小。对于淤泥质土样，η≈2.3，对于淤泥土样，η≈3.5。这一现象表明，次固结系数随固结压力变化的转折点并不是出现在先期固结压力附近，而是η倍的pc。这与Nash(1992)、Chen(2014)等认为次固结系数随荷载的变化曲线在先期固结压力附近出现转折点的结论有所不同；但与石井一郎(1984)、Reddy(2014)、邵光辉(2008)等学者提出次固结系数随荷载的变化曲线转折点所对应的固结压力约为1.5～3.5倍先期固结压力的结果相似。可见，仅认为次固结与固结状态有关是不够全面的，还与土质相关，深层次的原因可能与土的结构屈服压力有关，这一现象还有待进一步研究。

由图3可见，次固结系数随固结压力的变化分为3个阶段：Ⅰ阶段pηpc，孔隙已经被不断的压密，土颗粒间及土颗粒与结合水膜间的结构性完全受到破坏，土体越来越接近重塑状态，土体的次固结变形逐步趋于稳定，次固结系数较小。对于淤泥土样，由于其孔隙比较大、含水率高，土颗粒间及颗粒与结合水膜间的作用力被削弱，因此其Ⅱ阶段经历的时间会更长，且Ⅱ阶段内的次固结系数较Ⅲ阶段内的次固结系数反而有所增大。

图4 不同固结时间下的次固结系数 CaFig.4 Caunder different consolidation times

2.2.2 固结时间对次固结系数的影响

通过不同固结时间的对比试验(图4)，结果表明固结时间的长短并不影响次固结系数随固结压力的变化，但在相同的固结压力作用下，次固结系数会随着固结时间的增长而有所降低。

2.2.3 排水距离对次固结系数的影响

通过不同试样高度、不同排水面的对比试验(图5)，结果表明排水距离对次固结系数的影响可以忽略。

2.2.4 初始孔隙比对次固结系数的影响

通过不同初始孔隙比的对比试验(图6)，结果表明在相同荷载作用下，次固结系数随着孔隙比的增长而增大。

2.3 压缩性指标与固结及次固结的关系

根据试验获取的压缩系数av、压缩指数Cc、固结系数Cv和次固结系数Ca等数据，进行整理分析可知：

1)次固结系数Ca与压缩指数Cc具有较好的线性关系，见图7，Ca/Cc为0.028～0.049，平均值约为0.032。这与Mesri[7]归纳的软黏土次固结系数与压缩指数的比值0.025～0.1相符。

2)压缩性指标与上覆固结压力密切相关，见图8。随着上覆压力的增加，压缩系数明显降低(图8(a))；压缩指数和固结系数则相对稳定，但也不是常数(图8(b)、(c))。这一现象与天然沉积的软土大致相同。

(a)不同土样高度

(b)不同排水条件图5 次固结系数Ca随排水距离的变化曲线Fig.5 Caunder different water discharging distances

图6 次固结系数Ca与初始孔隙比的关系Fig.6 Curves of Ca initial void ratio

图7 次固结系数Ca与压缩指数Cc的关系Fig.7 Relationship between Ca and Cc

图8 压缩性指标随固结压力变化趋势Fig.8 Relationship between compressibility index and p

3 结 论

1)固结变形与固结状态有关，在正常固结阶段e-lgt曲线呈“S”状，且次固结系数不随荷载增加产生明显变化，其应力-应变关系为一簇趋势相同的曲线，表明试验土样在超固结阶段具有线性变形、正常固结阶段为黏塑性变形的特征。

2)次固结系数随固结压力的变化分为3个阶段，阶段I和阶段III次固结系数很小，工程问题中可以不考虑；阶段II(pc

3)次固结系数随固结时间、排水距离、初始孔隙比等条件变化而变化，在相同荷载作用下随着固结时间的增长而有所降低，随初始孔隙比增大而增大，而排水距离的影响则可以忽略。

4)次固结系数与压缩指数呈现较好的线性关系，Ca/Cc为0.028～0.049，平均值约为0.032；压缩性指标与上覆固结压力密切相关，随着上覆压力的增加，压缩系数明显降低，这一现象与天然沉积的软土大致相同。

[1] 殷宗泽,张海波,朱俊高，等.软土的次固结[J],岩土工程学报,2003,25(5): 521-526.(Yin Zongze,Zhang Haibo,Zhu Jungao,et al.Secondary consolidation of soft soils[J].Chinese Jounal of Geotechnical Engineering,2003,25(5): 521-526.(in Chinese))

[2] 陈志波,孔秋平.福州软土次固结变形特性试验研究[J].中南大学学报：自然科学版,2014,45(10): 3602-3607.(Chen Zhibo,Kong Qiuping.Experimental study on secondary consolidation properties of Fuzhou soft soils[J].Journal of Central South University：Science and Technology,2014,45(10): 3602-3607.(in Chinese))

[3] Newland P L,Allel B H.A study of the consolidation characteristics of a clay[J].Geotechnique,1960,10:62-69.

[4] 陈晓平,朱鸿鹄,张芳枝，等.软土变形时效特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005,24(12):2142-2148.(Chen Xiaoping,Zhu Honghu,Zhang Fangzhi，et al.Experimental study on time-dependent deformation of soft soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(12):2142-2148.(in Chinese))

[5] 周秋娟,陈晓平.软土次固结特性试验研究[J].岩土力学,2006,27(3):404-408.(Zhou Qiujuan,Chen Xiaoping.Test study on properties of secondary consolidation of soft soil [J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(3):404-408.(in Chinese))

[6] 邵光辉,刘松玉.海相结构软土的次固结研究[J].岩土力学,2008,29(8): 2057-2062.(Shao Guanghui,Liu Songyu.Research on secondary consolidation of structural marine clays[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(8): 2057-2062.(in Chinese))

[7] Mesri G,Castro A.Ca/Ccconcept and K0during secondary compression [J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1987,113(3):230-247.

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[9] Ladd C C.Settlement analysis for cohesive soils[R].Soil publication 272,MIT Department of Civil Engineering,Cambridge,MA,1971.

[10] 雷华阳,张文振,丁小冬,等.考虑软土结构强度的次固结特性试验研究[J].岩土工程学报,2013,35(7): 1221-1227.(Lei Huayang,Zhang Wenzhen,Ding Xiaodong,et al.Experimental study on secondary consolidation considering structural strength of clay[J].Chinese Jounal of Geotechnical Engineering,2013,35(7): 1221-1227.(in Chinese))

Experimental study on consolidation and secondaryconsolidation of soft soil in fill zone

CHEN Yun-Chang1,LUO Qing-Zi2,WANG Sheng1,HUANG Jing-Wu1，*,YAO Zhen-Dong1,CHEN Xiao-Ping3

(1.GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou510170,China；2.SchoolofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China; 3.CollegeofScienceandEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

A series of consolidation tests based on different consolidation pressure,consolidation time,drainage distance and initial void ratio are conducted to investigate the time-dependent deformation characteristics of soft soil in fill zone.In the tests,the secondary consolidation coefficient and compression index has a good linear relationship,the compressibility index is closely related to overburden pressure.The soil consolidation deformation is linear in the over-consolidated stage and viscoplasticity in the normal consolidation,which related to the pre-consolidation pressure.The secondary consolidation coefficient curve divides into three stages by changing with consolidation pressure,phase II(pc

consolidation test;secondary consolidation coefficient; compression index; consolidation pressure

10.13524/j.2095-008x.2016.04.051

2016-11-08

国家自然科学基金资助项目(41472279)；广东水利科技创新项目(2011-04)

陈云长(1963-)，男，广东茂名人，教授级高级工程师，研究方向：水利水电工程地质与水文地质，E-mail：chen.yc@gpdiwe.com;*通讯作者：黄井武(1980-)，男，福建漳州人，高级工程师，博士，研究方向：水利水电工程，E-mail：huang.jingwu@gpdiwe.com。

TU411.5

A

2095-008X(2016)04-0014-06