软土主、次固结变形机理分析及试验研究

冯志刚，朱俊高，刘谢伶，王克东

(1.中国能源建设集团 广西电力设计研究院有限公司， 广西 南宁 530007； 2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室， 江苏 南京 210098； 3.中国能源建设集团 陕西省电力设计院有限公司， 陕西 西安 710054)

软土属于软弱土，在荷载作用下，会产生较大的变形。饱和软土的次固结变形特性，一直受到学者的关注。对次固结变形机理，国内外学者[1-7]提出了自己的理解，但至今没有形成统一的认识。对软土的次固结特性，很多学者也开展了大量的试验研究工作，并总结出了一些规律[8-16]，但对试验规律也存在一定的争议。

基于地下水动力学相关理论，对饱和软土主、次固结机理进行了分析。考虑加荷比等因素的影响，对软土主、次固结特性进行了相关试验，对试验成果进行了探讨。在试验基础上，对软土地区地基施工提出了一些建议。

1 主、次固结变形机理分析

土体是由土颗粒、孔隙水和孔隙气组成的三相体，在饱和软土中，则只有土颗粒和孔隙水。一般认为，在常温状态下，土颗粒和孔隙水均不可压缩，在荷载作用下，土体变形只能先排出水，土体才有变形的空间。土体变形的过程即是孔隙水排出的过程。由地下水动力学理论可知，水的流动即使非常缓慢，也必须有水势差的存在，而水势差的产生只能是由于软土内部存在超静孔隙水压力。

饱和土体受到外荷载作用的瞬间，土体骨架还来不及变形，孔隙水将承担全部的荷载增量，从而产生超静孔隙水压力(称之为初始超静孔压)。随时间的延续，土体中有两个过程同时进行：(1) 初始超静孔压消散的过程：在水势差作用下，孔隙水被排出土体，土体产生变形，土体颗粒之间更为紧密，初始超静孔压逐渐消散为零；(2) 有效应力作用下土体变形的过程：在有效应力作用下，土颗粒产生位移；土体骨架结构总会有局部的缺陷和软弱部位，随土颗粒位移的增加，缺陷会不断累积，达到一定程度就会导致土体局部骨架结构的破坏、坍塌和重新排列，产生微小的超静孔隙水压力，孔隙水被排出土体。过程(2)使土体颗粒接触更加紧密，趋向于定向排列，从而可以承担更大的外荷载。在主固结过程中，过程(1)和过程(2)相互影响，使孔隙水排出土体，土体骨架有效应力增加，土体产生变形。

过程(1)即为主固结过程，主固结结束时，初始超静孔压已完全消散，过程(1)已结束。但过程(2)仍在继续，微小的超静孔压仍不时产生，导致孔隙水缓慢排出土体，产生变形。由过程(2)产生的变形在整个固结过程中始终存在，只是在主固结阶段，过程(1)占主导作用，过程(2)产生的变形量基本上可以忽略不计。在主固结结束后，土体变形则完全是由过程(2)产生，这部分变形就是次固结变形。

2 试验

2.1 土样

自沿海某项目取得三种原状样，每种土样各取1个试样开展高压固结试验，试样编号1#—3#，试样直径61.8 mm，高度20 mm，基本物理性质见表1。

表1 土体基本物理性质

2.2 试验方案

为研究固结压力p和加荷比Δp/p等因素对软土主、次固结特性的影响，对1#—3#试样开展了分级加荷一维固结试验。其中，Δp/p为荷载增量Δp与当前荷载p之比。具体试验方案见表2。

表2 一维固结试验方案

注：变形稳定控制标准为竖向变形速率<0.002 mm/d，且每级荷载持续时间>4 d。

3 试验结果及分析

3.1 压缩指数与液限的关系

图1为1#—3#试样第二级荷载之后的e-lgp关系曲线，由图1可见，e与lgp呈良好的线性关系，其斜率即为压缩指数Cc。将各试样的Cc与液限ωL绘制于图2，Cc与塑限ωP绘制于图3，可知Cc与ωL和ωP之间均具有很好的线性关系，可分别用Cc=a(ωL-b)和Cc=c(ωP-d)表示，相关系数均很高，其他学者也通过试验发现了Cc与ωL之间的线性关系[17]，但变量a、b的数值与本文试验结果有异。变量a～d的数值受到何种因素的影响？因本次试验数量较少，且取自同一场地，未发现相关规律，有待今后进一步试验研究。

图1e-lgp关系曲线

3.2 加荷比对主、次固结阶段土体变形的影响

整理了1#—3#试样以Δp/p=1加荷时，各级荷载下0 min、10 min、100 min、1 000 min和10 000 min对应的e-lgp试验曲线以及以Δp/p<1加荷时对应的e-p试验曲线，列于图4和图5。

图2 Cc-ωL关系曲线

图3 Cc-ωP关系曲线

图4 Δp/p=1时不同加荷持续时间e-lgp试验曲线

由图4可知，以Δp/p=1加荷时，总体上，各加载持续时间的e-lgp曲线近似为一组平行直线，0 min和100 min各自对应的e-lgp曲线之间的间距较大，是100 min到10 000 min间距的数倍。由室内试验，100 min基本可视为主固结完成的时间，说明0 min到100 min的2个对数周期的主固结阶段变形，相对于之后2个对数周期的次固结阶段很大。由图还可以看出，0 min和10 min的孔隙比之差又占到主固结变形的大部分。说明Δp/p=1时，主固结阶段变形相对于次固结阶段很大。而以Δp/p<1加荷时，各相邻e-p曲线之间的间距比较接近，说明Δp/p较小时，主固结阶段变形明显减小。

图5 Δp/p<1时不同加荷持续时间e-p试验曲线

为什么会出现上述现象呢？解释如下：在以Δp/p=1加荷瞬时，土体来不及变形，荷载增量完全由孔隙水来承担，土体中会产生较大的超静孔隙水压力。在此压力作用下，孔隙水以较快的速率排出土体，土体会有一个明显的加速变形过程。之后，超静孔压逐渐转化为有效应力，土体骨架被压密，孔隙水排出的速率变慢，直至超静孔压消散为零。这样，主固结阶段的变形较明显。Δp/p较小时，荷载增量较小，加荷瞬时产生的超静孔压较小，孔隙水排出比较缓慢，相应地，主固结阶段土体变形较小。

3.3 加荷比小于1时固结曲线的形状

图6是1#试样e-lgt试验曲线，从图6中可以看出，在Δp/p=1的荷载下，初始阶段有明显的加速变形阶段，而后趋缓，e-lgt曲线可观察到明显的反弯点，而以Δp/p<1加荷时，则趋近于一条直线，且随时间的发展，一个对数周期内的孔隙比变化量有增大的趋势。将Δp/p<1的几级荷载单独列于图7，由图7可以看到，固结曲线在初始阶段较平缓，但100 min后有一个变形加速的过程，即存在由慢到快的变形趋势。2#和3#试样的试验结果也存在此趋势，不再列出。Δp/p<1的荷载下，固结曲线为什么会有这样的变形趋势呢？在加速变形阶段之后，固结曲线会不会有一个趋于平缓的过程？由于本文试验各级荷载持续时间较短，最长的也仅持续14 d，没有观察到之后的变化过程，故不能给出确定的答案，有待今后展开进一步试验研究。

图6 1#试样e-lgt试验曲线

图7 Δp/p<1时的1#试样e-lgt试验曲线

3.4 加荷比对次固结系数的影响

次固结阶段e-lgt曲线的斜率即为次固结系数Cα。值得指出的是，虽然Δp/p<1时次固结阶段e-lgt曲线斜率大于主固结阶段，但是相较于Δp/p=1的荷载，次固结系数Cα也是减小的。表3中列出了各试样在减小Δp/p前、Δp/p<1时和减小Δp/p后的几级荷载下相应的次固结系数平均值，表中ps为减小Δp/p之前最后一级荷载；Cα1为减小Δp/p前以Δp/p=1加荷时各级荷载下的Cα平均值；Cα2为Δp/p<1时加荷时各级荷载下Cα平均值；Cα3为减小Δp/p后恢复Δp/p=1加荷时各级荷载下的Cα平均值；Rd1为Cα2较之Cα1减小的百分比；Rd2为Cα3较之Cα1减小的百分比。由表可知，Cα2较之Cα1减小了11.6%～33.1%，Cα3较之Cα1减小了6.0%～22.8%，说明减小Δp/p加荷对减少次固结系数是明显的。

表3 Δp/p对次固结系数Cα的影响

4 结 论

对次固结变形机理进行了分析。饱和土体由土体颗粒和孔隙水组成，土体变形只能是由于孔隙水的排出所引起。主固结结束后，在有效应力作用下，土体颗粒会产生位移，导致土体结构软弱部位被破坏，发生重新排列，土体内部产生微小的超静孔隙水压力，在水势差的作用下，孔隙水被缓慢排出土体，产生次固结变形。

对3种原状软土进行了分级加荷一维固结试验，得出以下一些主要结论：

(1)Cc与ωL和ωP均具有良好的线性关系。

(2) 相较于Δp/p=1的情况，Δp/p<1时，土体主固结阶段的沉降变形明显减小。这与减小Δp/p加荷时，荷载增量Δp较小，土体局部结构被破坏、进行重新排列的程度也相应减小，从而导致孔隙水排出土体的速率较慢有关。

(3) 以Δp/p<1进行加荷时，在有限的试验时间内，次固结变形存在由慢到快的变形趋势，但相较于Δp/p=1的荷载，Cα减小明显。

在实际工程尤其是软土路基施工中，在经济和其他条件允许的情况下，建议以较小的Δp/p进行填筑，以减小变形初期土体的变形速率和工后沉降，以保证施工和运行安全。