福州软土次固结变形特性试验研究
陈志波1, 2, 3，孔秋平1, 2, 4
(1. 福州大学 环境与资源学院，福建 福州，350116；
2. 福州大学 岩土工程与工程地质研究所，福建 福州，350116；
3. 福建省水土流失遥感监测评估与灾害防治重点实验室，福建 福州，350116；
4. 福建永强岩土工程有限公司，福建 龙岩，364116)
摘要：对福州地区软土进行一系列的固结试验，探讨固结压力、加荷比、超载预压及超压历时对软土次固结的影响。研究结果表明：随加荷比的增大或减小，次固结系数Ca相应增大或减小；次固结系数随固结压力增大而先增大后减小，当试样处于超固结状态时，次固结系数随固结压力增大而增大；次固结系数的减小不仅与超固结比有关，而且与超压历时有关。此外，福州地区软土的次固结系数Ca与压缩指数Cc之比为0.029~0.052。
关键词：软土；固结试验；次固结；次固结系数；固结压力
中图分类号：TU411 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)10-3602-06
Experimental study on secondary consolidation properties of Fuzhou soft soils
CHEN Zhibo1, 2, 3, KONG Qiuping1, 2, 4
(1. College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;
2. Institute of Geotechnical and Geological Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;
3. Fujian Provincial Key Laboratory of Remote Sensing of Soil Erosion and Disaster Protection,
Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;
4. Fujian Yongqiang Geotechnical Engineering Co. Ltd., Longyan 364116, China)
Abstract: Based on a series of consolidation tests for undisturbed samples in Fuzhou, the influence of consolidation pressure, load ratios, overload pre-pressure and overload pre-pressure duration on secondary consolidation properties was studied. The results show that the secondary consolidation coefficient Ca correspondingly increases or decreases with the increase or decrease of the loading ratio. Along with the increase of consolidation pressure, the secondary consolidation coefficient for normally consolidated soil increases at first and then decreases, but it remains increasing for over-consolidated soft soils. The decrease of secondary consolidation coefficient is related not only to the over-consolidation ratio but also to overload pre-pressure duration. For Fuzhou soft soil, the ratio of secondary consolidation coefficient Ca and compression index Cc is 0.029 to 0.052.
Key words: soft soil; consolidation test; secondary consolidation; secondary consolidation coefficient; consolidation pressure
土体的次固结是指土体在外力作用下，体积压缩、超静孔隙水压力消散后，土体骨架随时间发展缓慢变形的蠕变过程。次固结变形占土体固结变形的比例很小，且历时漫长，在以往的工程实践中常不受重视。近年来，随着工程建设的迅速发展，由于软土的次固结变形而引起的工程问题不断出现，软土的次固结变形问题得到重视，不少学者对软土的次固结变形特性展开了进一步的研究。目前，对于软土的次固结变形问题的研究主要从以下几个方面进行。1) 采取室内固结试验，对软土次固结变形特性或次固结变形影响因素展开研究。如文献[1-4]分别采用一维固结试验、三轴压缩试验、三轴蠕变试验，研究了应力历史、加荷比、先期固结压力、加载时间等多种因素对软土次固结的影响。2) 基于次固结变形试验或机理，研究次固结变形计算方法。如文献[5]根据软土长期变形试验，推导了一个三参数的次固结变形速率计算公式；文献[6]采用绝对时间坐标系，建立了一种新的次固结计算方法；文献[7]基于黏弹性模型，推导了次固结沉降速率与沉降之间的线性关系式；文献[8]基于工程实例，对次固结变形与荷载的关系进行了探讨，并推导了正常固结土次固结沉降量随固结压力变化的计算方法。3) 根据工程资料，分析次固结变形特性，反推次固结变形计算公式。如文献[9]利用深圳软土实测资料，推算了黏土卸载后的次固结系数，并应用于工后沉降计算。福州地处沿海，软土发育，福州软土由海相和海陆过渡相组成，且埋深较线，甚至暴露地表；福州地区软土主要表现为压缩性高、承载力低、结构性强等特性。目前，仅有个别学者对福州地区软土的工程特性进行了部分研究，如文献[10]对福州软土的化学成分、矿物成分、易溶盐、粒度成分以及微结构等基本特性进行了研究归纳；文献[11]研究了福州地区浅层软土的结构性特征，并简单探讨了其次固结变形特性。对于福州软土的次固结变形特性，目前的认识尚不完整，有必要进行进一步研究。本文作者在室内一维固结试验的基础上，对福州地区软土的次固结变形特性进行深入研究，全面分析不同因素对软土次固结变形的影响。
1 试验土料与试验方案
1.1 试验土料
试验所用土样为采用薄壁取土器取自福州典型软土层的原状样，从不同钻孔取得4筒原状样，分别以编号A，B，C和D表示，各筒土样的基本物理性质指标如表1所示。
1.2 试验方案
每筒土样用环刀分别切取若干个试样，每个试样高为2 cm，横截面面积为30 cm2。试验在WG型单杠杆三联高压固结仪上进行，采用多级加荷方式进行，试样双面排水。具体固结试验方案详见表2。表2中，加荷比R为加载增量与前一级荷载的比值。
本次试验中，当需要读取次固结变形时，每级加载历时达4~7d，取固结稳定控制标准为1 h变形量不超过百分表最小分格的一半(0.005 mm)，即当沉降速率小于0.005 mm/h时才进行下一级荷载的施加；当不测读次固结变形时，每级荷载维持12 h。
次固结系数Ca按传统方法采用下式计算：
(1)
式中：e1和e2分别对应于孔隙水压力为零情况下t1和t2时刻试样的孔隙比。
2 试验结果及分析
根据一维固结试验，得到了一系列试验成果，其中，A5试样的孔隙比与时间对数关系曲线如图1所示(其他试样曲线类似)。
图1中，各曲线后半部分为直线，其斜率即为次固结系数。由图1可见：各种荷载下，后半部分曲线的斜率基本相同。
表1 土样基本物理性质指标
Table 1 Physical properties of soils
表2 固结试验方案
Table 2 Cases of consolidation tests
图1 试样A5 e-lg t关系曲线
Fig. 1 e-lg t curves of test A5
2.1 次固结系数与固结压力的关系
目前，有部分学者[9, 12-13]认为，土体的次固结系数Ca与固结压力p无关。而次固结系数计算公式即式(1)似乎也表明Ca与p无关。而另有许多学者认为，次固结系数Ca与固结压力p有关。如文献[2, 4, 14-16]认为，Ca随p增大而先增后减。文献[8, 17]认为，对正常固结土或正常固结状态下，Ca随p增大而减小，最终趋于一常数；对超固结土或超固结状态下，Ca随p增大而增大。
本文试验得到的次固结系数Ca与固结压力p的关系曲线如图2所示。
由图2(a)可见：对于试样C1，Ca随p增大而先增大后减小，转折点约为p=200 kPa，这与以往的研究成果一致。而对于试样A5，A6，B7和C5，Ca随p增大呈现先减小后增大、最后再减小的趋势，前面多了一段减小的曲线段；这可能是由于试样的初始加荷比小于1。
图2 Ca-p关系曲线
Fig. 2 Ca-p curves
由图2(b)可见：对于试样D4~D7，试样在预压固结后卸荷，处于超固结状态，Ca随p增大而增大。这与文献[8]中的结论一致。预压固结时间长(如试样D4和D5预压固结时间为3 d，试样D6和D7则为1 d)，则再加载时的Ca相对较小。
2.2 次固结系数与加荷比的关系
对次固结系数Ca与加荷比R的关系，学者们持有的观点并非一致。如文献[6]认为，固结试验在加荷比变小时，次固结系数明显降低，这表明次固结系数与加荷比是有关的。而文献[18-19]却认为，次固结系数与加荷比无关，但取决于最终固结压力。
本文根据试验结果整理得到的次固结系数Ca与加荷比R的关系如图3~7所示。
由图3可知：初始阶段，当荷载按加荷比R为1增加时，次固结系数Ca有所减小，随后增大R，Ca明显增大，之后再减小R时，Ca也随之减小。
由图4可见：当荷载按加荷比R为1增加时，次固结系数Ca有所减小，在R降为小于1时，Ca继续减小，而在R又增大为1后，Ca有所增大。
图3 试样A5不同加荷比R下的次固结系数Ca
Fig. 3 Ca of sample A5 under different load increments
图4 试样A6不同加荷比R下的次固结系数Ca
Fig. 4 Ca of sample A6 under different load increments
图5 试样B7不同加荷比R下的次固结系数Ca
Fig. 5 Ca of sample B7 under different load increments
图6 试样C1不同加荷比R下的次固结系数Ca
Fig. 6 Ca of sample C1 under different load increments
图7 试样C5不同加荷比R下的次固结系数Ca
Fig. 7 Ca of sample C5 under different load increments
由图5可见：在加荷比R小于等于1时，Ca持续减小，增大R时，Ca则有所增大，但R保持为1不变时，Ca有减小的趋势。
由图6可见：在加荷比由3逐步降低时，次固结系数Ca明显降低。同样，图7中曲线也显示了这种规律。
以上分析表明：次固结系数Ca随加荷比R变化而有所增减。当加荷比R为1或小于1时，随荷载增加，次固结系数Ca随之减小，而在加荷比R增大或变小时，次固结系数Ca也会随之增大或减小。
2.3 超载预压对次固结系数的影响
图8所示为在不同超压历时及不同卸荷情况下试样的再压缩次固结系数曲线。
由图8可见：在前期超压固结后，D4~D7试样在加荷比R同样为1的情况下，试样的次固结系数Ca却随后期荷载的增加而增加，但趋势越来越慢，这与前面的试样表现出完全相反的规律。
图8中的曲线也表明：一次卸荷到位，试样的回弹比较明显，从而导致后期再加载时压缩明显，如D4试样(由800 kPa直接卸荷到100 kPa)的次固结系数比D5试样(分三级卸荷到100 kPa)的更大。
此外，在超载预压最大压力时试样超压历时较短，则其固结不完全，卸荷后再加载时的压缩变形更明显，如D6和D7试样(最大超载维持1 d)的次固结系数均比D4和D5试样(最大超载维持3 d)的要大。这是由于固结时间越长，土样越密实，回弹量越小，再加载时，在同一荷载下的次固结系数也就越小。
以上分析说明，次固结系数的减小不仅与超固结比有关，而且与超压历时有关，超压历时越长，次固结系数Ca减小幅度越大。
2.4 次固结系数与压缩指数的关系
Mesri等[18-19]建立了次固结系数Ca与压缩指数Cc的关系为
(2)
式中：
为一常数。
图8 R=1时试样D4~D7在再加载下的Ca-p关系曲线
Fig. 8 Ca-p curves of samples D4-D7 under reload when R=1
自式(2)的次固结系数与压缩指数之比(即Ca/Cc)被提出用于描述次固结沉降后，Ca/Cc的取值被众多学者所关注和探讨。
本文得到的不同次固结时间的压缩曲线如图9所示。由图9可见：不同固结历时下的e-lg p曲线各曲线大体平行，这与前人的研究成果一致。图9中，压力大于100 kPa时，压缩指数Cc可以用直线拟合。不同试样96 h次固结历时下的压缩指数如表3所示。
图9 试样A5不同历时e-p关系曲线
Fig. 9 e-p curves of sample A5
表3 96 h次固结历时下不同试样的压缩指数
Table 3 Compression index of different samples with 96 h of the secondary consolidation
对试验数据进行整理，得到试样的Ca/Cc。各试样的Ca/Cc基本为一常数，且较稳定地保持在0.029~0.052之间，符合文献[18]所指出的Ca/Cc在0.025~ 0.100之间的统计规律。
3 结论
1) 影响次固结系数的主要因素有固结压力、加荷比、超固结比和超压历时等。
2) 次固结系数随固结压力增大而先增大后减小；当试样处于超固结状态时，次固结系数随固结压力增大而增大。
3) 随着加荷比的增大或减小，次固结系数相应增大或减小。
4) 在前期超压固结后，试样的次固结系数随后期荷载的增加而增加；超压后一次卸荷到位的试样其次固结系数比分级卸荷试样的次固结系数更大。此外，次固结系数的减小不仅与超固结比有关，而且与超载历时有关，超压历时越长，次固结系数减小幅度越大。
5) 福州软土的次固结系数与压缩指数有很好的线性关系，其次固结系数与压缩指数之比为0.025~ 0.052。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2013-10-11；修回日期：2013-12-23
基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2013CB036404)；国家自然科学基金资助项目(41102167)；福建省自然科学基金资助项目(2010J05094)；福州大学科技发展基金资助项目(2011-XQ-12) (Project(2013CB036404) supported by Major State Basic Research Development Program; Project(41102167) supported by National Natural Science Foundation of China; Project(2010J05094) supported by Natural Science Foundation of Fujian Province of China; Project(2011-XQ-12) supported by Science and Technology Development Program of Fuzhou University of China)
通信作者：陈志波(1977-)，男，福建仙游人，博士，副教授，从事土体基本特性、土工数值模拟等研究。电话：15980656020；E-mail: czb@fzu.edu.cn
