荷载对软土次固结影响的试验研究

1、荷载对软土次固结影响的试验研究摘要：随着社会的发展与进步，我们越来越重视荷载对软土次固结影响，荷载对软土次固结影响的试验研究对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍荷载对软土次固结影响的试验研究的有关内容。关键词荷载；软土；试验；算例；沉降；固结；计算；影响；中图分类号：C33文献标识码：A文章编号：引言软土的次固结是指孔隙水压力完全消散后，仍然不断发展的变形，它是由于土粒表面结合水膜的蠕变、土粒结构的重新排列等因素所引起。近年来，随着工程建设的迅猛发展，对地基变形的控制要求越来越高。次固结变形研究也越来越受到重视，从而对其变形特性认识相对较多，相关试验研究和计算分析方法研究较多。一、次固结

2、的概述沿海软土存在着显著的次固结(也叫次压缩)特性,就是说,在孔压消散,主固结完成后,仍然会有随时间发展的长期压缩,其量值不可忽略。人们早已注意到它,并已提出了许多计算方法其中Crawford的不同历时压缩试验图,Bjerrum等时e-lgp曲线,殷建华等的一维流变模型等都是值得肯定的。然而,还有不少问题没有得到很好回答。软基加固中,有一种方法叫超载预压法,就是将预压荷载加到设计荷载以上,待发生相当大的沉降后再卸荷到设计荷载。这种超载预压法,目前在高速公路建筑中,被广泛采用。超载当然有利于减少工后主固结沉降,但能否也减少工后次固结沉降呢?还有,反复荷载作用后,次固结沉降是否也减少呢?这些还可归

3、结到一个似乎很简单的问题,次固结与荷载有关吗?二、试验内容及方法软土的室内次固结试验方法有分级加载和分别加载两种。本文试验土样为取自某高速公路路基的原状软土，进行了不同加荷历时的分级加载和分别加载两种试验方法的室内单向固结试验。试验仪器用有侧限的常规固结仪，固结压力在400kPa及其以下的用轻便式的固结仪，固结压力大于400kPa的用高压固结仪。为了减小温度对试验结果的影响，试验全部在常年恒温的地下室进行，并对每种土样同时进行平行试验，分级加载试验的荷载比为1，固结压力从25kPa到3200kPa，试验方法按照公路土工试验规程（JTJ05193）进行。试验土样的物理性质指标的平均值如表1所示。

4、三、试验成果及分析通过软土单向室内固结试验，得到了一系列的试验结果，其中该高速公路路基软土桩号为BK0+250的原状土分别加载得到的时间对数与孔隙比关系曲线如图1所示。图1中各曲线后半部分为直线，其斜率为次固结系数。图中可见，当荷载较小或较大时，该斜率均较小。而荷载在100kPa时，斜率最大。将不同压力下的次固结系数点绘于图2（a），由图可见，次固结系数随着荷载的增加起初是上升的，以后下降。笔者还做了汕汾高速公路多个软土的流变试验，其次固结系数与荷载的关系曲线如图2（b）所示。也都存在相同的现象。可见这是一种普遍的现象。这种次压缩量随荷载变化，且次压缩量峰值在前期固结压力处的现象并不是仅仅存在

5、于该地区软土。国外试验资料也是如此，图3为1964年Crawford的试验曲线，其中，曲线a为主固结完成时的压缩曲线即正常压缩曲线，曲线c为次压缩历时7d的压缩曲线。同一荷载下，a和c两线纵坐标之差就是相同历时下的次压缩变形，它反映了次压缩系数的大小。图3中可见，荷载从0.1MPa到0.3MPa，两线纵坐标之差是增大的，超过0.3MPa后逐渐减小。可见该试验结果也存在次压缩系数由小到大再减小的现象。峰值在0.3MPa，这也恰恰是由正常压缩曲线a推得的前期固结压力。本文所做软土的试验结果也是这样，次固结系数的峰值所对应的压力都在前期固结压力附近。如BK0+250试样，其取土深度为4.24.5m，

6、在原地基中的现有固结压力约为60kPa，根据试验资料，整理高速公路软土不同历时的压缩曲线如图4所示，从图4中可见，荷载在50kPa到100kPa时，相同历时所对应的孔隙比变化即次压缩量为最大，随着荷载的增大，相同历时的次压缩量减小。而由主固结完成时（约100min）的压缩曲线可得其前期固结压力为60kPa，可见在前期固结压力处次压缩量达最大。其他几种土也都如此。该试验结果与Crawford的试验结果的规律一致。为什么存在这样的峰值？当荷载小于前期固结压力时为超固结状态，次压缩量小是不言而喻的，在文献4中作了详细分析。随着荷载增加，愈来愈接近正常固结土，因此次压缩系数增加。当荷载超过前期固结压力

7、时为正常固结土，随着荷载的增大，正常固结土逐渐密实，能够压缩的孔隙体积是逐渐减小的，不仅主固结压缩量会减小，次固结压缩量也会减小，相应地次压缩系数也减小。根据Bjerrum理论，不同历时下的elgp线是平行线，如图5所示。这就意味着在很高压力下，尽管土体已经很密实了，仍然有相当大的空间可以产生次压缩量，这显然是不可能的。对于正常固结土，应该修正Bjerrum的模型，用一组斜率随荷载而减小的elgp线来代替平行线，如图4所示。四、次固结沉降量计算由于图4中压力大于100kPa以后可以用直线拟合，经整理可得到不同次固结历时下的压缩指数，见表2所示。根据表2建立历时与压缩指数的关系如图6所示。从图6

8、可知，历时t对数与压缩指数Cct可用直线较好地拟合，拟合线的截距为a，斜率为b，由此可得任一次压缩历时所对应的压缩指数式中，Cct为历时t时的压缩指数，t为次固结历时（min）。对于该地区软土，参数a=0.432，b=0.0017。利用不同历时的压缩指数可推算次压缩量。如图7，正常固结土的当前压力，即前期固结压力为Pc，加荷p求加荷完成主压缩后t时间内的次压缩量。已知Cct和在当前压力Cp下的次压缩系数Cac，Cac可由该压力下的压缩流变试验获得。则t时间内的次压缩孔隙比变化量式中，t1为主固结完成时刻。计算次固结沉降量Ss，即四、算例该高速公路段某断面处路面宽为28m，路堤高度为3.7m，坡

9、比为11.5。淤泥层位于1.66.5m，即厚度为4.9m。路堤填筑高度为359.3cm。该断面3.74.0m处土的基本物理指标如下：天然含水率为97.8%；湿重度为14.1kN/m3；初始孔隙比为2.703；塑性指数为35；液性指数为1.79；由室内压缩试验计算得到主固结线的压缩指数为1.114；主固结完成时间为100min；由卡萨格兰德法计算前期固结压力近似等于60kPa，即约等于土体的自重应力，说明该土层为处于正常固结状态，根据试验得到在压力为100kPa荷载作用下的次固结系数为0.0435。常规计算次固结变形公式式中，Ccs为次固结系数，H为压缩土层厚度，t1为需要计算的时刻，t2为主固

10、结完成的时刻，e0为天然孔隙比。利用常规次固结系数与压力无关的公式计算次固结沉降量时采用的次固结系数为0.0435。经过分析，由本文的计算方法计算得到的次固结沉降量与用常规不考虑压力影响的次固结沉降量有差别，但差别不大，在6%左右。结果表明本文的方法是可行和合理的。结束语综上所述，次固结的计算通常不考虑固结压力的影响。但实际上次固结与固结压力是有关的。本文以试验得到数据分析，提出了考虑压力影响的次固结沉降计算方法，可以用于不同荷载作用下的次固结沉降量计算。使次固结沉降量的计算更符合次压缩的变形机理。参考文献1钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算M.北京:中国水利水电出版社,1996.(QIAN2JT

11、J01796公路软土地基路堤设计与施工技术规范S.北京:人民交通出版社,3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):521526.2003,25(5):521526.(inChinese)4JTJ05193公路土工试验规程S.北京:人民交通出版社.(JTJ/051935CRAWFORDCB.InterpretationofconsolidationtestsJ.SoilMechFoundDiv,ASCE,SM5,1964,90(5):87102.6黄茂松,李进军,李兴照.饱和软黏土的不排水循环累积变形特性J.岩土工程学报,2006,28(7):7李兴照,黄茂松.循环荷载作用下流变性软黏土的边界面模型J.岩土工程学报,2007,29(2):249254.8陈颖平,黄博,陈云敏.循环荷载作用下结构性软黏土的变形和强度特性J.