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结构性软土固结及桩基负摩阻性状研究 摘要 土的结构性是决定软土工程特性的一个内在因素，开展软土结构性方面的试验和理 论研究对进一步弄清软土地基的固结沉降 特性是非常重要。我国东南沿海地区广泛分布 海相淤泥，在该地区桩基础是被普遍采用的处理大型工程软基的常用方法。而当桩周土 的沉降大于桩基的沉积时，就会在桩身产生负摩阻和显著的下拉荷载。本文从土体结构 性的角度，探讨了结构性软土地基及其扰动的固结性状，并对位于结构性软土地基中的 桩基负摩阻性状进行了分析，用于指导工程实践，具有重要的理论和工程意义。 首先，介绍了天然结构性软土的工程特性及其研究现状，并结合温州粘土的薄壁土 样固结压缩试验结果，介绍了原状土的固结和压缩性状，加压率对其性状的影响及原位 压缩曲 线校正方法。 其次，结合结构性软土压缩特性研究，提出了扰动土的原位压缩曲线校正方法，通 过运用多层地基一维固结解析解和迭代法，建立了能考虑土体结构性和土体自 重的非线 性一维固结问题的半解析方法，通过详细的计算，得到了结构性软土的孔压消散曲线和 固结度随时间变化曲线，揭示了结构性软土地基的一维固结沉降规律及地基扰动对固结 和最终沉降量的影响。在此基础上建立了能综合考虑荷载、土的成层性和自 重等因素的 的成层结构性软土地基的固结控制方程，分析了变荷载下成层结构性软土地基一维固结 性状。 最后， 将结构性软土地基固结沉降的求解运用到位于结构性软土地基中的桩基负摩阻 力 求 解中 来， 并 结 合天 然结 构 性软 土 中 静 止 土 压 力 系 数k 。 及泊 松比， 特 性 研究 成 果 探 讨 了考虑结构性的桩基负摩阻力性状。本文最后介绍了桩基负摩阻力的试验研究成果，分 析了不同的成桩工艺对桩基负摩阻力的影响。 关键词:结构性土体;非线性固结:结构强度; 阻力;静止土压力系数;泊松比;冲孔灌注桩: 原位扰动土压缩曲线;多层地基;负摩 现场试验;离心模型试验 on e di me n s i o n a l c o n s o l i d a t a i o n b e h a v i o u r o f s t r u c t u r e d s o i l a n d n e g a t i v e s k i n f r i c t i o n ab s t r a c t s i n c e t h e s o i l s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c i s a n i n t r i n s i c d e t e r m i n a t i v e f a c t o r o f s o ft c l a y e n g i n e e r in g p r o p e r t y , i t i s n e c e s s a r y t h a t e x p e r i m e n t a n d t h e o r y r e s e a r c h o n t h e s o ft c l a y s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c b e c a r r i e d o n i n o r d e r t o e x p l a i n t h e c o n s o l i d a t i o n s e tt l e m e n t p r o p e r t y o f t h e s o ft c l a y g r o u n d . s o ft c l a y e x t e n s iv e ly d i s t r i b u t in g n e a r th e l itt o r a l i n s o u t h e a s t c h i n a , a n d p i l e f o u n d a t i o n s a r e i n c o m m o n u s e in i m p r o v i n g t h e s o ft g r o u n d o f l a r g e - s c a l e e n g i n e e r in g b u i l e i n t h i s a r e a . n e g a t i v e s k i n fr i c t i o n w i ll d e v e l o p w h e n e v e r t h e a d j a c e n t s o i l s e tt l e s m o r e t h a n t h e p i l e .t h e m a g n i t u d e o f d o w n d r a g c a n b e q u i t e s i g n i f i c a n t . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e s t u d y o f o n e d im e n s i o n a l c o n s o lid a t a i o n b e h a v io u r o f s t r u c tu r e d s o i l a n d e v a lu a t io n o f t h e d is t r u b a n c e e ff e c t a n d b e h a v i o u r o f n e g a t i v e s k i n fr i c t i o n s h o u l d b e b a s e d o n t h e s t u d y o f s t r u c t u r e d s o ft c l a y i n o r d e r t o g u i d e t h e p r a c t i c e i n r e a s o n . f i r s t , t h e e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f n a t u r a l c l a y a n d t h e r e s e a r c h a c t u a l it y a r e i n t r o d u c e d . b ase d o n t h e r e s u l t s o f l a b o r a t o r y t e s t s o f we n z h o u c l a y , t h e r e l a t i o n b e t w e e n s t r u c t u r e c h a r a c t e r a n d m e c h a n i c a l p r o p e r ti e s o f s t r u c t u r e d s o ft s o i l i s e x a m i n e d . t h e d i f f e r e n t c o m p r e s s i b i l it y o f u n d i s t u r b e d s o i l a n d r e m o l d e d s o i l i s c o m p a r e d , a n d t h e e ff e c t o f t h e r a t e o f l o a d i n g o n t h e c o m p r e s s i b i l i t y i s a n a l y z e d . t h e m e t h o d t o p r e d i c t t h e v i r g i n c o m p r e s s i b i l i t y c u r v e i s i n t r o d u c e d . s e c o n d , a c c o r d i n g t o t h e c o m p r e s s i b i l i t y o f s t r u c t u r e d s o ft s o i l ,a m e t h o d t o p r e d i c t t h e f i e l d c o m p r e s s i o n c u r v e o f d i s t u r b e d s o i l i s d e v e l o p e d . b as e d o n t h e g e n e r a l a n a l y t i c a l s o l u t i o n a n d i t e r a t i v e m e t h o d s a v a i l a b l e f o r t h e p r o b l e m o f o n e - d i m e n s i o n a l c o n s o l i d a t i o n o f l a y e r e d s o i l s , t h e s e m i - a n a l y t i c a l s o l u t i o n f o r o n e d i m e n s i o n a l n o n - l i n e a r s o i l c o n s o l i d a t i o n c o n s i d e r i n g t h e s t r u c t u r e a n d s e l f - w e i g h t i s p r e s e n t e d . t h e c o m p u t e d r e s u l t s a b o u t t h e p o r e p r e s s u r e a n d t h e d e g r e e o f c o n s o l i d a t i o n d e m o n s t r a t e t h e d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e b e h a v i o r o f u n d i s t u r b e d a n d d i s t u r b e d s t r u c t u r a l s o ft s o i l s . t h e c o r r e s p o n d i n g g o v e rni n g e q u a t i o n a r e p r e s e n t e d , i n w h i c h t h e i n fl u e n c e s s u c h a s t i m e d e p e n d e n t l o a d i n g , l a y e r e d s o i l s a n d a c t u a l o v e r b u r d e n p r e s s u r e a r e t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n . t h e b e h a v i o r o f 1 a y e r e d s t ru c t u re d s o ft s o i l u n d e r t i m e - d e p e n d e n t l o a d i n g i s d i s c u s s e d f in a l ly , t h e s o l u t i o n f o r n e g a t i v e s k i n fr i c t i o n b a s e d o n t h e s o l u t i o n o f l a y e r e d s t r u c t u r e d s o ft s o i l c o n s o l i d a t i o n c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c o f凡 a n d p o i s s o n r a t i o i s p r e s e n t e d . t h e n , t h e b e h a v i o r o f n e g a t iv e s k in fr i c t i o n i s d i s c u s s e d . l a s t ly ,t h e s t u d y r e s u l t o f t e s t s o f n e g a t iv e s k i n f r i c t i o n a r e i n t r o d u c e d , t h e i n fl u e n c e o f t h e c o n s t r u c t i o n t e c h n o lo g y o n n e g a t i v e f r i c t i o n i s p r o p o s e d . w o r d s : s t r u c t u r e d c l a y ; n o n l i n e a r c o n s o l i d a t i o n s t r u c t u r a l s t r e n g t h ; fr i c t i o n ; c o e ff e i e n t f i e l d c o m p r e s s i o n e o f d i s tu r b a n c e d c l a y ; l a y e r e d s o i l s ; n e g a t i v e s k i n o f e a r t h p r e s s u r e a t r e s t ;p o i s s o n r a t i o ; i m p a c t - c o n e c o n c r e t e p i l e ; i n - s i t u t e s t s ; c e n t r i f u g a l t e s t s 浙江大学硕士学位论文结构性软土固 结及桩基负摩阻性状研究第一章 第一章绪论 1 . 1研究背景 我国沿海，内河两岸及湖泊等地区，广泛分布着海相，河相和湖相沉积层， 其强度低， 压缩性大，渗透性能差， 承载力低，不能满足工程建设要求。 许多大 型建筑物如高速公路， 机场和油罐等建在软土地基上， 软粘土一般具有高含水量， 大孔隙比， 低强度， 高压缩性， 灵敏性和触变性等特点， 一般含水量高达 4 5 %- 6 0 %，高于液限，孔隙比 大于1 .0 ， 塑性指数约2 0 左右，强度c u = 1 0 - 3 0 k p a ， 灵 敏 度 系 数 约4 - 8 ， 压 缩 系 数。 ， = 。 5 一 1 .2 m p 。 一 ， ， 固 结 系 数 为1 0 -3 - 1 0 c rn / s 量 级 。 此类土压缩量大， 排水固结缓慢， 地基稳定性差， 在建筑物等长期荷载作用下的 变性特征是竖向变形不均， 且变形趋于稳定的时间长， 工后沉降问题突出， 在外 来因素的作用下土体破坏表现比较大的突发性， 给工程建设造成极大的危害， 因 此对软土工程性质的研究具有十分重要的实际意义。 工程实践和试验均表明软土具有结构性， 土结构性是指土体颗粒和孔隙的性 状和排列形式及颗粒之间的相互作用， 是土生成条件、 环境的自 然历史产物。 绝 大数天然土都有一定的结构性 ( m e s r i , 1 9 7 5 ,t a v e n as , l e r o u e i l , 1 9 9 0 ) ， 有些粘土还 具有很强的结构性， 如湛江粘土，日 本的有明粘土和瑞典粘土等， 结构性是软土 的一个重要特 性 ，对土的工程性质有强烈 的影响 ( s . l e r o u e i l a n d p . r . v a u g h a n , 1 9 9 0 ) ， 土结构性是决定软土力学 特性的一个最为根本的内 在因素。 天然土体结构性的成因是多种多样的， 土颗粒的矿物成分， 沉积条件及孔隙水中 的化学成分都会影响土的结构性， 结构性粘土的微结构具有自 相似性不稳定性及 颗粒间存在胶结强度的特征。 天然沉积的软粘土一般具有结构强度， 结构强度是 土的固体颗粒的特定排列及相互接触处由于周围环境的改变， 如物理化学反映引 起的胶结作用等因素产生的附加强度。结构性的强弱可用结构屈服应力比来表 征，我国大部分软粘土的结构屈服应力比为1 . 1 -2 .5 左右，湛江粘土可达 1 0 左 右， 结构性增大了土体的刚度， 使其力学性质与应力水平密切相关， 应力水平较 低时， 土体的压缩性低， 应力水平高时土体的结构受到破坏， 压缩性较高， 二者 相差3 -4 倍甚至更高。土体的结构性是不可逆的，一旦被破坏很难恢复，从而 加大了土体的压缩量， 在此类地基上做工程， 若设计与施工工序不当就会给工程 浙江大学硕士学位论文结构性软土固结及桩基负摩阻性状研究 第一章 带来不利的影响， 甚至造成工程失事， 因此工程设计和施工中就很希望能准确预 测天然软土地基或人工软基加载后的渗透特性， 变性规律以及可能遇到的破坏情 况等，从而为结构软土地基设计提供依据。 近年来土结构性研究引起人们的广泛关注， 关于土结构性研究的重要性， 早 在1 9 2 5 年就由t e r z a g h i 指出， 沈珠江( 1 9 9 6 ) 称之为2 1 世纪土力学的核心， 谢定 义( 1 9 9 9 ) 认为土结构性是决定各类土力学特性的一个最为根本的内在因素， 不 难看出土结构性在土力学学科发展中的重要而独特的地位。 而对位于结构性软土 中的桩基负摩阻研究涉及得还不多， 传统的对负摩阻的研究大多运用太沙基固结 理论计算桩周土的沉降，对桩侧所受土压力也是基于重塑土试验的结果进行计 算。 而负摩阻的问题是学术界和工程界所关注的， 将软土结构性的研究成果运用 桩基负摩阻中来是很有必要的。 1 , 2 结构性软土的研究现状 i .z . t 软土结构性的定义 从土力学的角度， 土的结构性可以看是土中颗粒的排列特征 ( 几何特征) 和 联结特征 ( 力学特征) 。在实际中，该词常被用来概况地指土体所有的不同 于相 应的重塑土的力学性状。 结构性对土的力学性状的影响很早就被认识到 ( c a s a g r a n d e , 1 9 3 2 ; m i t c h e l l , 1 9 7 6 ) o l e r o u e i l ,s . ( 1 9 9 0 ) 通过讨论结构性对天然土和软岩性状的影响， 提出广泛的 “ 结构性”概念。l e r o u e i l , s . ( 1 9 9 0 )指出正确描述土体材料客观 本性的概念性数学 模型是工程科学 在土体性状研究中得以应用的必要前提。 土力 学的经典模型往往只涉及到土体的初始多孔性以 及应力历史修正。 由于颗粒间的 粘结力引起的强度和刚度一直认为是只是岩石力学中的基本特性， 而在土力学中 未予以考虑。 然而，结构性不仅在软岩和风化岩石中存在， 而且在软土、 粒状土 和硬粘土中也同样存在( l e r o u e i l s i l v a , 1 9 7 4 : 浙江大学硕士学位论文结构性软土固结及桩基负摩阻性状研究第一章 s k e m p t o n ，1 9 8 5 ：b u r l a n d ，1 9 9 0 ：l e r o u e i l v a u g h a n ，1 9 9 0 ：) 。关于结构性的一 系列现象应作为力学中的基本内容。 这种不能为多孔性和应力历史所解释的强度和刚度分量可以由多种原因引 起：高压力下颗粒间的粘结，受天气、含水层的改变而引起的碳酸盐、氢氧离子 和有机物质的溶解、再结晶，粘土中颗粒间的相互吸引力等。l e r o u e i l ，s 通过 对大量的实验室数据进行归纳总结，得出尽管结构性由许多不同的因素引起，但 其对土体力学性状的影响是相同的，受力过程中都涉及到同样的一个由刚性变形 到屈服的变形模式，都表现出类似于超固结土的屈服硬化。因此，尽管涉及到不 同的变形机理，但这种屈服行为仍可以采用由于超固结所引起的结构性的描述框 架。在此之前对结构性影响的研究，土力学中往往将不同土体视为一个个特例， 分别考虑它们不同的起因所带来的不同影响。因此，建议应在一个统一的框架中 对不同成因的结构性土的屈服面给予描述。用于形容由沉积土的考虑应力历史的 屈服概念同样可以用于反映结构性的效应。但是，应注意采用一种不同的术语来 形容这种结构效应。目前，还没有统一的术语用来描述上述强度和刚度分量所引 起的效果。为避免涉及其不同的起因，l e r o u e i l ，s ( 1 9 9 0 ) 提出用“结构性” 一词来形容这种现象。而由于应变或重塑所引起的这些性状的消失，称之为“结 构性丧失”。 结构性粘土一般具有高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性等特点，土压 缩量大，排水固结缓慢，地基稳定性差，变形趋于稳定的时间长，工后沉降问题 突出，给工程建设造成极大的危害。近年来，土结构性研究引起人们的广泛关注。 但是对软粘土基本特性的认识与利用，特别是土的结构性对固结压缩特性的影响 还研究得不多，在我国展开这方面的研究也只是近几年的事。研究表明：各地土 的结构性存在较大差异，对其力学性质的影响也不同粘土的结构性使其存在结 构屈服应力，粘土在承受低于和高于结构屈服应力的压力时，力学特性差异较大。 因此，研究各类土的结构性以及粘土的结构屈服应力形成原因对认识粘土的特性 及研究本构模型具有重大的意义，对指导工程勘察及工程实践具有现实价值。 1 2 2 结构性软土的微观研究 土的微观结构概念最早由t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 提出，他把粘粒悬液在电解质和自 重力作用下形成的絮凝沉积物结构称为蜂窝结构，g o l d s c h m i d t ( 1 9 2 6 ) 提出了片架 浙拉犬学硕士学位论文结构性软土固结及桩基负j 掌f 阻性状研究 第一章 排列结构，认为高灵敏性粘土中的粘土颗粒是不稳定的片架结构排列，而低灵敏 性粘土则有较大的密度和较稳定的排列结构。1 9 3 2 年c a s a g r a n d e 发展了t e r z a g h i 的蜂窝结构，把相邻粉砂粒间受有高压作用的那部分粘土排列称为b o n d ，并给 出如图1 1 所示结构。早期的研究以放大镜为工具缺乏有效的微观观测手段，只 能对复杂的土微观结构有一定的感性认识，难以有系统的研究。 图1 1 灵敏粘土的结构 五六十年代，显微镜和x - 射线等技术在土微观结构研究中的应用，使人们 对土微观结构的研究更进了一步。陈宗基( 1 9 5 7 ) 将粘土中片状结构颗粒的接触形 式分为点面接触、边面接触和面面接触，并将粘土片状颗粒的相互作用形象地绘 成三维网格模型。l a m b e ( 1 9 5 8 ) 从胶体化学和双电层理论出发，提出了边边和边 面接触的开放式非盐絮凝结构、面面和边面接触的盐絮凝结构以及面面接触的分 散排列结构。a y l m o r e ( 1 9 5 9 ) 等提出数量级约为ls a n 的“畴”概念。1 9 6 3 年v a n o l p h e n 提出集合体结构模型，标志着团粒结构研究的开始。1 9 7 6 年y o n g 和 m i t c h e l l 借助扫描电镜和其它测试手段，将单粒结构扩展到团粒结构。高国瑞 ( 1 9 8 0 ) 借助扫描电镜对中国黄土的微结构与湿陷性的关系进行研究，提出了黄土 的十二种结构类型，1 9 8 4 年对中国海相沉积土的微结构与工程力学性质关系进 行研究，将中国海相沉积土微结构划分为十种类型，并指出不同的微结构具有不 同的工程力学性质( 部分微结构如图1 2 1 。 浙江大学硕士学位论文结构性软土固结及桩基负摩阻性状研究 第一章 图1 2 中国海相沉积微结构 1 9 8 1 ，1 9 8 2 年罗鸿喜、陈守义及谭罗荣、张梅英分别对结构性较强的湛江 粘士微观结构进行了深入的研究，发现湛江粘土的组构单元是由许多单片堆叠成 的片堆颗粒单元，试样的孔洞中充填着许多规则的多面体晶体。湛江粘土属于灵 敏性土，扫描电镜观测表明它的组构是以絮凝结构为主，这种结构是不稳定的， 易崩溃的，但压缩试验又表明这种结构具有较高的结构强度。当压力小于某临界 应力时，土体结构是稳定的，当压力超过i 临界应力，土体结构将会大量垮塌( 如 图1 1 3 ) 。谭罗荣、张梅英借助e d t a 渗透试验，证明这些晶体主要是晶质铁( 2 4 1 和无定形铁( 7 6 ) ，无定形铁对土的联结强度有很大的影响。 醪癫蠛 e 嘎零 m i ，弹 o 匐哺l 0 t 埘拍蠊 o t t 咄健 口i l 删姊“女 秘整 ( a ) 沉积初期的原始絮凝结构。( b ) 组构单元表面吸附越 来越多的无定形物质，并开始形成含水凝胶胶结键，组 构单y c 在f i 覆筒蕈作用下调整其位置。( c ) 包膜彤成， 定向优势进一步发展，接触点凝胶开始脱水老化。( d ) 接触处凝胶脱水老化成无定形固态和结晶态胶结键，土 体结构稳定下来。( e ) 当外压力超过土体的表观先期圄 结压力时，土体结构崩溃，固态和晶态胶结键太部分破 裂。 图1 3 湛江粘土形成变迁示意图 何开胜( 2 0 0 1 ) 从微观角度认为土骨架的变形过程，先是弹性变形阶段，随着 压力的增加出现土体结构大量破损，进入弹粘塑性压缩阶段。施祖元( 1 9 8 8 ) 通过 s e m 对四种原状结构粘土的表面进行观测分析，发现微结构以片状结构为主的 粘土具有较强的各向异性变形特性。刘松玉( 1 9 9 2 ) 和刘长礼( 1 9 9 3 ) 等则采用了分 浙江大学硕士学位论文 结构性软土固结及桩基负摩阻性状研究第一章 形几何方法对土微结构进行研究。胡瑞林( 1 9 9 5 ，1 9 9 9 ) 认为土的微观结构主要由结 构单元特征、颗粒排列特征、孔隙性和结构联结四个方面来描述，从定义上不难 看出它包括土的几何特性和力学特性两个方面，并提出“土体微结构力学”概念。 夏佳等f 1 9 9 7 ) 通过s e m 和x 一射线衍射等技术对现代河漫滩软土固结压缩时微结 构的变化进行研究，得出现代河漫滩软土的天然微结构为粒片结构，具有一般粘 土的基质结构和海成粘土的絮凝结构特点，强度介于两者之间，承荷微结构改变， 土结构中基本单元由无向排列趋向于垂直于荷载方向的有向排列，其中片状晶体 畴由分散到边面再到面面接触变化。冯晓腊( 1 9 9 1 ) 按大小将孔隙划分为大孔隙 0o ( d 1 0 0 0 0 0 a ) 、中孔隙( d = 1 5 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 a ) 、微孔隙( d = 1 5 0 0 0 6 0 0 a ) 和超微孔隙 ( d 曰 - 二- 一 一 土二 5 0 0 6 0 07 0 0 b 0 0 p ( k p a ) 图2 . 8 9 号土样在不同的加压率下的固结系数随压力的变化 从图中可以看出: ( 1 ) 加压率对重塑土的固结系数随着压力的变化趋势影响不大。不同加压 率下，重塑土体的固结系数随着压力的变化趋势基本一致。 ( 2 ) 加压率对原状土的固结系数随着压力的变化趋势影响较大。加压率越 大， 固结系数越小， 对应于陡降段的应力越小。 说明加压率越大， 对土体的扰动 越严重， 从而造成土体的透水性降低， 固结系数减小; 且相应的结构屈服应力越 小。 本次试验结果与水利部的土工试验规程中指出的固结系数随着加压率的增大 而增大的现象是不一致的，该问题值得探讨。 ( 三)加压率对压缩系数变化特征的影响 9号原状土及其相应的重塑土的在三种不同的加压率下的固结系数分别如 图2 . 9 所示。 浙江大学硕士学位论文 结构性软土固结及桩基负 摩阻性状研究 第二章 一 一万10:s10ulljl。1 颐状土 ( 加压率】 。 ” 的场臼注践 版状土 亡 加压串卜 d 的均沮还经 吐 状士 ( 加压申月125 的峥位连砚 送二 1.绪翻喊漂国 0 一一一 - -l 上 - 一 j 一贾 沈 二 二 二 ， ， 。1 0 0 : 。 。 3 0 0 ; 。 。 5 0 0 6 0 0 p u a 0 0 8 0 0 图2 . 9 9 号土样在不同的 加压率下的压 缩系数随压力的变化 从图中可以看出: ( 1 )原状土和重塑土的压缩系数随着压力的变化趋势不同。 原状土的压缩系数在初始加荷阶段较小， 随着压力的增大逐渐增大到一定的 峰值， 之后开始减小。 当压力增大到一定的值之后， 其减小到与重塑土的压缩系 数接近。而重塑土的压缩系数在初始阶段较大，后逐渐减小到一定的值。 ( 2 ) 加压率对原状土的 压缩系数随 着压力的变化趋势影响较大。 对于同一加压率， 原状土压缩系数的峰值出 现在同一压力水平上。 该峰值所 对应的应力随着加压率的 增大而减小; 且加压率越大， 原状土的 压缩系数超越重 塑土的 压缩系数所对应的应力越小。 这说明加压率越大， 其相应的结构屈服应力 越小，即对土体的扰动越严重。 ( 3 ) 加压率对重塑土的压缩系数随着压力的变化趋势影响不大。 不同加压率下， 重塑土的压缩系数随着压力的变化趋势基本一致。 2 .3原位压缩曲 线确定方法 2 .3 . 1结构性较强土体原位压缩曲线确定方法 以3 号土样为例说明该做法，如图2 . 1 0 所示。图中的a g h k曲线为试验室 压缩曲 线， a b c d e曲线为模拟的原位压缩曲 线。 浙江大学硕 卜 学位论文结构性软十固结及桩纂负 摩阻性状研究 第二章 1一1.一.|一 “ 重 应 力 ” 5 0 p .1 ,! 结 构 。 ， 应 力 ! 10 2 0 . 位压绪曲吐 企教 l5l3 飞 试脸室压缩曲城 e - , 1 0 0 0 p ( k p a ) 0907喊 图2 . 1 0 3 号土样的原位压缩曲线确定方法( 王立忠，2 0 0 4 ) 1 0 0 0 0 通过考察国内外不同地区土样试验结果表明压缩曲线的初始压缩段的延长 线与重塑土的压缩曲线的交点处的孔隙比e 与初始孔隙比的比值e / e o ， 有如下关 系 e 二 - 0 .5 9 x t t) + 0 .9 3 8 2 ( 2 . 1 ) e o 因此得第二段 c d 的做法如下:根据试验室压缩曲线，延长其初始压缩段 g h ，按照计算得到的孔隙比值，直接确定该交点i 。然后连接 c , i 两点;根据 原位压缩曲线上的 c d段的结构破坏相应引起的孔隙变化应该等同于扰动极小 的原 状土样在超过屈服应力段后的孔隙剧减值， 将c d两点间的孔隙比 差值 e c n 取与g h两点间的 孔隙比 差值 从而在c i 直线段上确定下d点， 作做 出第二段c d . 同样通过考察国内外不同 地区土样试验结果表明压缩曲线末段的延长线与 重塑土压缩曲线的交点处的孔隙比e 与初始孔隙比的比值e / e a ，有如下关系 二二 一 。 .7 6 x 。 十 0 .8 6 7 9 e ( 2 2) 因 此， 第三段d e的做法如下: 延长 试验室压缩曲 线的末段， 并根据土体的 含水量，采用式 ( 2 .2 )计算出该末段的延长线与重塑土的交点处的孔隙比，从 而确定j 点。连接d 7 两点并延长，做出第三段d e o 2 .3 .2结构性较弱土体原位压缩曲 线确定方法 以1 9 号土样为例说明该做法，如图2 . 1 1 所示。图中的a g k曲 线为试验室 浙江大学硕士学位论文结构性软土固结及桩墓负摩阻性状研究 第二章 压缩曲 线， a b d e曲 线为模拟的原位压缩曲 线。 对于结构性较弱的土样， 考虑到 c d段较短甚至不存在，应将点c与点j 直接相连，做出d e段，得到土样的原 位压缩曲线。 1 0 0 1 0 0 0 p (k p a ) 2 0 0 0 0 图 2 . 1 1 1 9 号土样的 原位压缩曲 线确定方法 2 . 4小结 ( 1 )原状土的 一 lo g e 压缩曲 线为前缓后陡的曲 线形， 而重塑土的压缩曲 线近 似为一条直线。 结构性土体在应力高于结构屈服应力时的压缩性相应于土体结构 性的 强弱表现出两种形式; 当土体的结构性较强时， 压缩曲线上出现三段。 而当 土体的结构性较弱时，压缩曲 线上只出 现两段。 ( 2 )原状土和重塑土的压缩系数具有不同的变化趋势。 原状土的压缩系数在 初始加荷阶段较小， 逐渐增大到一定的峰值之后开始减小。 当应力超过一定的值 之后，减小到与重塑土的压缩系数接近。而重塑土的压缩系数在初始阶段较大， 后逐渐减小到一定的值。 ( 3 )加压率对原状土的压缩系数随着压力的变化趋势影响较大。 加压率越大， 原状土压缩系数的峰值所对应的 应力越小; 且在较小的应力下大于重塑土的压缩 系数。这说明加压率越大，对土体的扰动越严重，其相应的结构屈服应力越小。 而加压率对重塑土的压缩系数随着压力的变化趋势影响不大。 ( 4 )原状土的原位压缩曲 线的分析， 分别采用三段、 两段折线段模拟结构性 较强、 较弱的土体的原位压缩曲线。 对于结构性较强的土样， 第二段c d位于结 构屈服应力点 c 和试验室压缩曲线初始压缩段的延长线上孔隙比等于 卜 0 .5 9 x w + 0 .9 3 8 2 ) x e 。 的 点i 的 连 线上， 且c d段 孔隙比 差值取与试验室压缩曲 浙江大学硕士学位论文结构性软土固结及桩基负摩阻性状研究 第二章 线g h段的孔隙比差值相等; 第三段d e 通过点d和试验室压缩曲线的孔隙比等 于( - 0 .7 6 x ( 2 ) 在自 重应力作用下的主固结尚未完成就开 始形成， 设 此期间形成的结构强度r 为r 的x %。 则对于第 1 ) 种情况x %二 0 %; 浙江大学硕士学位论文结构性软土固结 及桩基负摩阻性状研究 第三章 对胶结( b o n d i n g ) 全部在自重应力作用下的主固结尚未完成时就形成的情况 x % =1 0 0 % 。 作者假定施工扰动仅使土体颗粒胶结作用减弱，扰动瞬间不会导致土体孔隙 垮落及其土体排水。扰动会产生一定的超静孔压，会使原位压缩从小于自重应力 开始。对于第 ( 1 )种情况来讲该超静孔压等于零;而对于第 ( 2 )种情况，当土 体完全扰动后， 则该超静孔压等于r x x %。 本文在计算中主要针对第 ( 1 ) 种情况 讨论，暂不考虑该超静孔压对固结的影响，原位压缩仍是从自 重应力处开始的。 b al 乙可 结构屈服应力 转折应力 c _ 厂口 长 冷 崖 a m k 411ir-iffidc.3 . / 试 脸 室 压 缩 曲 线 l513 红 =一 0 . 5 9、 w 必 “ + 0. 9 3 8 2 火 、义、 11m 红 =_ 。7 6 e 、 入 “ 。 “” 、 0 . 5一 一晰 一一 一 - - 一 - 1 0 1 0 0 图3 . 1 结构性较强土样试验 1 0 0 0 ( k p a ) e 一 l o g p曲 线及其 校正 ( 王立忠 1 0 0 0 0 2 0 0 4 年) 自重应力 b 扰动土结构屈服应力 kc 压缩性态转折线 愁 一 位 压 曲线 0、卜、线 飞、卜、曲 屯、火、/室 卜.、试 、十 、明 女、里 d吕峨曰j.土q 11口10 p ( k p a ) 0705 1 0 0 0 0 图3 .2 结构性较强扰动土原位压缩曲 线确定方法 根据结构性软土压缩特性的研究，将原状土的原位压缩曲线分为结构性较强 土体和结构性较弱土体两种情况考虑: 结构性较强土体为三段折线式 ( 图3 . 1 , 13 - 浙江人学硕 卜 学位论文 结构性软十固结及桩基负摩阻性状研究第三章 c - d -j ) ，结构性较弱土体为两段折线式。在此基础上，先讨论对于扰动不产生 超静孔压的第 ( i )种情况下扰动土的原位压缩曲线确定方法。如图 3 .2 ,重塑土 样试验室压缩曲 线通过i 点 和j 点 ， 如果将该线平移至b点 模拟完全扰动土原位压 缩曲 线，不难看出，有效应力增大到一个不大程度后，这样得到的完全扰动土原 位压缩量比原状土的原位压缩量还要小，这显然是和工程实践相违背的。所以不 能简单采用平移的方式来模拟扰动土的原位压缩曲线。大量试验研究表明，试验 室受不同扰动土样压缩曲线末段的延长线与重塑土压缩曲线均交于同一点j ， 由此 推断受不同扰动程度的原位压缩曲线末段的延长线也相交于点 j 。因此，将点 b 和点j 相 连得到的 直线即 得土 颗粒 胶结 ( b o n d i n g ) 完全 丧失的 扰动土的 原 位压缩 曲线。 原状土受扰动后结构强度降低， 当有效应力增量没有达到剩余结构强度时， 因为土体颗粒还存在着一定的胶结作用，所以压缩初期仍存在一个弹性压缩段， 只 是 弹 性 压 缩 段 比 原 状 土 缩 短 了 ， 设 扰 动 土 结 构 屈 服 应 力 为 可 ( 如 图3 .2 中k 点 ) ， 弹 性 压 缩从自 重 应力开 始， 仍 沿 着 斜率 为c ， 的b c 段下 滑 落 至k点 。 未 扰动 原 状 土 在 有 效 应 力 大 于。 pc 后 结 构 性 破 坏， 土 体 组 构 ( f a b ri c ) 垮 落至 转 折 应 力 对 应点d 终止，定义d点为垮落终止点。对于扰动土，同样是转折应力所对应的点为垮落 终止点当原状土受扰动至胶结强度为零时，垮落终止点d点和结构屈服应力点 c均退化至b点。在图2 中， 连接b d两点，定义直线b d为压缩性态转折线， 受不同程度扰动的扰动土原位压缩曲线的垮落终止点均落在压缩性态转折线上。 参考试验室压缩曲线的性状，扰动较小土体初始压缩段的延长线均与重塑土交于 同 一点i ， 由 此推断扰动土的原位压缩曲 线初始压缩段的 延长线也与重塑土的压缩 曲线相交于点i ，连接k i 与压缩性态转折线b d的交点为l ，连接l j ，即得到扰 动土的原位压缩曲线b -k -l - j 。 如图3 .3 所示， 结构强度较小的扰动土转折应 力点表现不明显， k l段斜率比较接近于压缩曲线的末段斜率， 和结构性较弱的土 体压缩曲线的两段式相似。 浙江大学硕士学位论文结构性软土固结及桩基负摩阻性状研究 第三章 自重应力 扰动土姑构屈服应力 k c ( d / 原 位 压 缩 曲 线 0 . 7 0 . 5 红 二_ 0 . 7 6 : ，+ 0 .8 6 7 9 e 1 0 1 0 0 1 0 0 0 p (k p a ) 1 0 0 0 0 图3 . .3 结构性较弱扰动土原位压缩曲 线确定方法 结构性较弱的原状土的原位压缩曲线分两段考虑，对于扰动土的原位压缩曲 线模拟也较简单，如图3 .3 ( b - c - j ) 。连接b j 得完全扰动土的原位压缩曲线， 扰 动 土 的 结 构 屈 服 应 力 为弓时 ， 弹 性 压 缩 沿 着b c 段 下 滑 ， 落 至弓对 应 的k 点 。 从压缩性态转折线的意义上讲， k点也落在b c ( d ) 上。 连接k j ，即 得扰动土的原 位压缩曲线b -k -j . 川1 0 0 1 0 0 0 p ( k l s ) 1 , 1 0 0 图3 . 4 第 ( 2 ) 种情况下受完全扰动的结构性较强土体原位压缩曲 线确定方法 第( 2 ) 种情况即 胶结( b o n d i n g ) 在自 重应力作用下的主固结尚 未完成就开始形 成，则扰动会引起超静孔压。当土体受到完全扰动后，孔隙水压力为r x x %，即 相当于此时施加了大小为r x x %的上覆荷载。则压缩是从自重应力减去超静孔压 处，即图3 .4中的e 点开始， 连接e j 即 得完全扰动后的原位压缩曲 线。同 理可 以得到第 ( 2 )种情况下结构性较弱土体完全扰动后的原位压缩曲线。 浙江大学硕士学位论文结构性软土固结及桩基负摩阻性状研究第三章 3 .2 .2原位扰动土计算参数确定方法 结构性较强土体的 扰动土计算参数按压缩曲 线分3 段考虑。由图4 . 1 己 知b c 段 斜 率c i ， c d 段 斜 率c 1, , d j 段 斜 率c , , e b = e u , e c ， e n ， e , ， e j 及。 。 = t o y r 二 6 , , a n ， q , ， q , ， 。 、 = a y , 需 要 确 定b j 段 斜 率 ， b k段 斜 率 c * ， k l 段 斜 率 c ， l j 段 斜 率 c ， 及 转 折 应 力 。 。 根 据 上 文的 假定，c , = c 。 ， ， e 、 二 。 。 一 c , lo g 丘 口。 k i 段的方程为 e * 一 e 一 c ! z 10 9 (o -/ 6 x ) ;6 k u 6 7 ， ， 二 二 。 二( 3 .2 ) k l 段 斜 率 c : z = e , ; 一e , lo g ( 6 , / 二 ; ) b j 段的方程为 e 。 一 。 = c , l o g ( 6 / 0 -, ) ; 。 。 二 。 6 j 压缩性态转折线 b d段斜率 e o 一e , lo g ( 6 , / q o ) ( 3 . 4 ) 压缩性态转折线b d段的方程为 e 。 一 e = c l o g ( 二 ， / 。 。 ) ;。 。 。 。、 。 。( 3 .5 ) 将k i 段 的 方 程和b d 段的 方 程 联 立 得 到l 点的 坐