尺寸效應(yīng)對吹填軟土固結(jié)特性影響的試驗研究

雷華陽，賀彩峰，仇王維，陳 麗

（1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072）

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尺寸效應(yīng)對吹填軟土固結(jié)特性影響的試驗研究

雷華陽1, 2，賀彩峰2，仇王維2，陳 麗2

（1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072）

摘 要：利用改裝后的固結(jié)儀，針對天津地區(qū)真空預(yù)壓處理后的吹填軟土，開展了一系列固結(jié)特性試驗研究，著重研究了試樣尺寸對吹填軟土固結(jié)特性的影響.結(jié)果表明，不同尺寸試樣的e-lg,p曲線均表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)較完整、結(jié)構(gòu)破壞、趨于重塑土3個階段；在同一等級荷載作用下，穩(wěn)定應(yīng)變隨著試樣高度的增加而線性減??；固結(jié)系數(shù)和次固結(jié)系數(shù)均隨荷載先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定，固結(jié)系數(shù)的峰值隨著試樣尺寸的增大而減小，次固結(jié)系數(shù)的峰值則相反.基于試驗結(jié)果建立了一維應(yīng)變預(yù)測模型，模型考慮了尺寸效應(yīng)，具有參數(shù)少、易確定的優(yōu)點.

關(guān)鍵詞：吹填軟土；尺寸效應(yīng)；固結(jié)系數(shù)；次固結(jié)系數(shù)；應(yīng)變預(yù)測模型

隨著城市發(fā)展和土地資源短缺之間矛盾日益明顯，吹填造陸成為開發(fā)土地資源的主要途徑.目前，天津濱海新區(qū)已先后在臨港工業(yè)區(qū)、東疆港區(qū)等實施了數(shù)百平方公里的圍海造陸工程，大面積的新近吹填土地將投入建設(shè)和使用.由于吹填土地基工程性質(zhì)復(fù)雜[1-2]，故隨之產(chǎn)生的巖土工程問題也逐漸被重視.

為了更好地了解吹填軟土的工程特性，很多學(xué)者及工程技術(shù)人員對此進(jìn)行了大量試驗及理論研究.諸如，Nash等[3]對 Bothkennar 土進(jìn)行了一系列一維固結(jié)試驗研究，得出不同深度、應(yīng)變速率對屈服應(yīng)力的影響規(guī)律；邱長林等[4]對天津典型吹填土進(jìn)行室內(nèi)真空固結(jié)試驗，指出真空壓力為體積力，吹填土在此體積力作用下不僅會產(chǎn)生豎向應(yīng)變，還會出現(xiàn)較大的徑向應(yīng)變；王常明等[5-6]對上海、珠海、深圳等典型地區(qū)的海積軟土進(jìn)行蠕變試驗研究，得出海積軟土的一維固結(jié)蠕變的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性、不可逆、與時間有關(guān)的；孫立強(qiáng)等[7]、閆澍旺等[8]通過對新近吹填土進(jìn)行室內(nèi)試驗，建立固結(jié)系數(shù)為變量的改進(jìn)巴隆固結(jié)理論以及軟黏土抗剪強(qiáng)度折減率的規(guī)律性曲線；劉漢龍等[9]采用改進(jìn)的、可施加負(fù)壓的三軸儀開展了真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓以及真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓作用下軟土的固結(jié)蠕變試驗；張中瓊等[10]針對天津吹填土進(jìn)行了3 階段（靜水沉降、自重排水、真空加壓排水階段）的固結(jié)試驗；王建華等[11]通過對原狀海灘黏土進(jìn)行了三軸循環(huán)不排水不固結(jié)試驗，提出了一種能夠考慮動靜耦合效應(yīng)的循環(huán)強(qiáng)度曲線表示方法.周秋娟等[12]對廣州南沙原狀軟土進(jìn)行了室內(nèi)三軸壓縮試驗、三軸蠕變試驗和一維固結(jié)試驗，系統(tǒng)地探討了吹填土的固結(jié)變形特性.

綜上所述，已有的試驗研究中通常采用2,cm試樣進(jìn)行單向固結(jié)和壓縮試驗、剪切蠕變和三軸蠕變等試驗，然而，實際工程中，吹填土層的深度往往到達(dá)5,m以上，用常規(guī)2,cm的試樣代表實際土樣，這種差異目前一般稱為尺寸效應(yīng)或縮尺效應(yīng)[13-15]，這種尺寸效應(yīng)在巖石、混凝土等固體材料引起的測試結(jié)果差異已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，研究相對成熟[16-18].但目前為止，對土體尤其是吹填軟土，有關(guān)尺寸效應(yīng)方面的研究較少，對其影響的認(rèn)識尚不足以定量評估，因此，有必要進(jìn)行深入探討.

因此，本文結(jié)合天津地區(qū)真空預(yù)壓處理后吹填軟土，開展4種不同尺寸試樣的原狀吹填軟土固結(jié)特性試驗研究，探討不同尺寸試樣所表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、固結(jié)特性以及次固結(jié)系數(shù)等方面的差異，為工程實踐提供理論支持.

1　試驗方案

試驗選用了4種不同尺寸的試樣，其直徑均為6,cm.試驗所用土樣取自天津濱海區(qū)圍海造陸真空預(yù)壓處理后吹填場區(qū)地基土，具體物性指標(biāo)見表1.取土?xí)r為減小土樣的擾動，采用薄壁取土器，且在制樣的過程中，為了避免減環(huán)刀與土樣的側(cè)壁摩擦力影響試驗結(jié)果，采取新定制環(huán)刀，確保其表面光滑無痕，并且在裝樣前均勻涂抹凡士林.

試驗儀器采用改裝的WG型三聯(lián)高壓單杠桿固結(jié)儀.具體改裝后的儀器如圖1所示.

圖1　改裝后的固結(jié)儀Fig.1 Modified oedometer

試驗在常溫雙面排水的條件下進(jìn)行，對于不同尺寸的試樣（見表2）均進(jìn)行分級加載試驗.每級荷載以定時觀測變形小于0.005,mm/d為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，待一級荷載下變形穩(wěn)定后加下一級荷載；數(shù)據(jù)采集記錄采用TWJ微機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng).

表2　試驗加載方案Tab.2 Test loading plan

2　試驗結(jié)果

2.1壓縮曲線

分級加載條件下不同尺寸試樣的e-p和e-lg,p關(guān)系曲線分別見圖2和圖3.

圖2　不同尺寸試樣的e-p關(guān)系曲線Fig.2 e-p curves of samples with different sizes

由圖2和圖3可知，不同尺寸的試樣，土樣的壓縮曲線關(guān)系變化規(guī)律相同，符合土樣e-lg,p關(guān)系曲線的3階段：第1階段曲線平緩，此時土的變形主要為彈性變形，結(jié)構(gòu)性比較完整；第2階段土體結(jié)構(gòu)性遭到破壞，變形主要為顆粒間的結(jié)構(gòu)塌陷；第3階段的曲線與重塑土相近，變形主要是顆粒間的滑移.在第1階段孔隙比變化較小，不同尺寸試樣孔隙比變化基本無差別；第2階段當(dāng)荷載達(dá)到某一值時，孔隙比迅速減小，不同尺寸試樣孔隙比變化值有較大的差距，孔隙比變化值隨著試樣尺寸的增大而減??；第3階段土體趨于重塑土，壓縮曲線趨于直線變形較大，孔隙比變化值隨著試樣尺寸的增大基本無差別.

圖3　不同尺寸試樣的e-lg p關(guān)系曲線Fig.3 e-lg p curves of samples with different sizes

2.2應(yīng)變曲線

各級荷載作用下土樣的穩(wěn)定應(yīng)變與試樣尺寸關(guān)系曲線如圖4所示.

圖4　不同尺寸試樣在各級荷載下的穩(wěn)定應(yīng)變Fig.4 Stable strain of samples with different sizes under different loads

由圖4可見，在同級荷載作用下，試樣尺寸對土體的穩(wěn)定應(yīng)變的影響關(guān)系基本為線性關(guān)系，隨著試樣尺寸的增大，土樣的穩(wěn)定應(yīng)變量隨之減小，在荷載等級較小時，減少量不明顯，在荷載等級較大時，減少量較大.隨試樣尺寸的增加，穩(wěn)定應(yīng)變變化量見表3.從表中可以看出，在各級荷載作用下，試樣2,cm 和4,cm、4,cm和6,cm穩(wěn)定應(yīng)變量變化值較大，而試樣尺寸分別為6,cm和8,cm時，各級荷載下的穩(wěn)定應(yīng)變變化不大，說明試樣尺寸對軟土的穩(wěn)定應(yīng)變存在影響，當(dāng)試樣高度增大到一定值后，這種影響會逐漸減小.

表3　不同試樣尺寸下穩(wěn)定應(yīng)變的變化量Tab.3 Variation of stable strain under different sample sizes

3　試驗結(jié)果分析

3.1結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力

土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk是指先期固結(jié)壓力pc和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度q之和，本文采用由Butterfield等提出的ln（1＋e）-lg,p雙對數(shù)坐標(biāo)法來求取結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，不同尺寸試樣的ln（1＋e）-lg,p關(guān)系曲線見圖5.采用雙對數(shù)坐標(biāo)來表示壓縮曲線，壓縮曲線可以由兩條直線很好地線性表示.結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力可通過兩條近似線性曲線的交點得到（如圖5所示），對不同尺寸試樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，見表4.

圖5　不同尺寸試樣的ln（1＋e）-lg,p關(guān)系曲線Fig.5 ln（1＋e）-lg,p curves of samples with different sizes

表4　不同尺寸試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力Tab.4 Structural yield stress of samples with different sizes

由表4可知，隨著試樣尺寸的增大，土樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力差別不大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力是土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱的指標(biāo)，對于某一種土體而言，其結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱取決于組成土體的土顆粒的性質(zhì)、聯(lián)接、排列，與試樣的尺寸沒有太大的關(guān)系. 壓縮指數(shù)Cc是壓縮曲線e-lg,p的斜率，工程中采用的是結(jié)構(gòu)破損階段近似直線段的斜率，不同尺寸試樣的壓縮指數(shù)如表5所示（選用24,h的試驗數(shù)據(jù)）. 由表5可知，壓縮指數(shù)隨著試樣尺寸的增加差別不大.

表5　不同尺寸試樣的壓縮指數(shù)Tab.5 Compression index of samples with different sizes

綜上所述，尺寸效應(yīng)對于吹填土壓縮特性指標(biāo)的獲取影響較小，利用室內(nèi)試驗確定吹填土一些參數(shù)，可以忽略尺寸效應(yīng)的影響，這種現(xiàn)象不同于混凝土、巖石等材料.

3.2固結(jié)特性

固結(jié)系數(shù)Cv是Terzaghi一維固結(jié)理論中的一個重要參數(shù)，其大小能夠直觀地反映出土層固結(jié)快慢的程度，準(zhǔn)確地測定固結(jié)系數(shù)Cv對于預(yù)測土層的排水固結(jié)速率和土體固結(jié)度有著重要的意義.筆者通過“時間平方根法”得出不同尺寸試樣在各級荷載下的固結(jié)系數(shù)Cv，不同尺寸試樣的Cv-p關(guān)系曲線見圖6.

圖6　不同尺寸試樣的Cv-p關(guān)系曲線Fig.6 Cv-p curve of samples with different sizes

從圖6可以看出，對于不同尺寸試樣，其固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律大致是一樣的，固結(jié)系數(shù)在固結(jié)壓力低于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，土體的固結(jié)系數(shù)相對較大，且變化幅度不大；當(dāng)固結(jié)壓力接近結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力時，固結(jié)系數(shù)值急劇降低，最后趨于穩(wěn)定.分析其原因，是因為試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力是與e-lg,p 關(guān)系曲線上的轉(zhuǎn)折點相對應(yīng)的，當(dāng)固結(jié)壓力小于該點時，土樣的孔隙比相對較大，此時土體的高孔隙性得以維持，而高孔隙性對應(yīng)較強(qiáng)的透水能力，因而試樣的固結(jié)系數(shù)較大且變化幅度較??；固結(jié)壓力大于該轉(zhuǎn)折點時，土體的壓縮變形迅速增加，孔隙比迅速減小，此時土樣的高孔隙性遭到破壞，顆粒間的聯(lián)通性迅速變差，導(dǎo)致土樣的滲透性必然發(fā)生相應(yīng)的變化，即透水能力迅速降低，因而土樣的固結(jié)系數(shù)大幅度降低.

同時，從圖6還可以發(fā)現(xiàn)，對于不同尺寸的試樣，其固結(jié)系數(shù)的最大值其隨試樣尺寸的增大而減小，如2,cm、4,cm、6,cm、8,cm高度試樣的最大固結(jié)系數(shù)分別為0.006,85、0.005,93、0.005,10、0.004,35.這是由于土樣的固結(jié)系數(shù)是反映土體排水固結(jié)快慢的一個參數(shù)，排水固結(jié)速度越大，固結(jié)系數(shù)越大.相同荷載增量下，土體內(nèi)超靜孔隙水壓力的增量相同，但是隨著土樣高度的增加，排水高度進(jìn)而增大，因而排水固結(jié)速度隨土樣高度的增大而減小，即固結(jié)系數(shù)隨土樣高度的增大而減小，從而得出不能將2,cm常規(guī)土樣的試驗結(jié)果用于實際工程中的結(jié)論，要充分考慮尺寸效應(yīng)對結(jié)果的影響.

3.3次固結(jié)系數(shù)

根據(jù)Buisman提出的次固結(jié)系數(shù)Ca計算方法，有

式中：Δe為次固結(jié)變形計算時間段內(nèi)土體的孔隙比變化量的大??；t2為次固結(jié)需要計算的時間；t1為進(jìn)入次固結(jié)階段所需要的時間.不同尺寸試樣的次固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化曲線如圖7所示.

圖7　不同尺寸試樣的次固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化Fig.7 Vibration of secondary consolidation coefficient of samples with different sizes with load

由圖7可以看到，不同試樣尺寸下，軟土的次固結(jié)系數(shù)均表現(xiàn)為隨著荷載的增大先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定.次固結(jié)系數(shù)的最大值出現(xiàn)在荷載約為100,kPa左右.說明土樣的次固結(jié)系數(shù)受到土體結(jié)構(gòu)性的影響.分析其原因，當(dāng)荷載小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，隨著荷載的增大，土顆粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)逐漸被破壞，次固結(jié)變形越來越明顯，當(dāng)荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，土體的結(jié)構(gòu)大量破壞，土體越來越接近于重塑土，次固結(jié)系數(shù)會有所減小，并趨于穩(wěn)定.

同時，對比不同尺寸土樣的次固結(jié)系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著試樣尺寸的增大，土樣的次固結(jié)系數(shù)峰值隨之增大，尺寸為2,cm時，次固結(jié)系數(shù)的峰值約為0.000,7；尺寸為8,cm時，次固結(jié)系數(shù)的峰值約為0.001,1，后者約為前者的2.5倍.基于8,cm試樣的試驗結(jié)果所得到的地基土長期沉降預(yù)測值遠(yuǎn)超過基于2,cm試樣的試驗得到的結(jié)論，這說明試驗中土樣尺寸的不同所得到的試驗結(jié)果差別較大，所以不能簡單地以2,cm常規(guī)土樣的試驗結(jié)果去進(jìn)行長期沉降預(yù)測，將試驗結(jié)果用于工程實踐中時應(yīng)充分考慮尺寸效應(yīng)的影響.

4　一維固結(jié)應(yīng)變預(yù)測模型

不同尺寸試樣的ln（ε/t）-ln,t關(guān)系曲線如圖8所示.其中，ε為試樣的應(yīng)變；t為試樣應(yīng)變對應(yīng)的時間.圖9中利用關(guān)系式（1）繪出各尺寸試樣截距b與荷載p的關(guān)系.

圖8　不同尺寸試樣的ln（ε/t）-lnt關(guān)系曲線Fig.8 ln（ε/t）-lnt curves of samples with different sizes

圖9　截距b與荷載p的關(guān)系Fig.9 Relationship between intercept b and pressure p

由圖8可看出，各級荷載下土體的應(yīng)變速率的對數(shù)與時間對數(shù)呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，對其進(jìn)行擬合，得到不同高度試樣的應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)曲線擬合方程為

式中：b為應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)曲線的截距；ɑ為應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)曲線的斜率.

由圖8可知，各級荷載條件下應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)線性曲線的截距b隨壓力的增大而減小.

由圖9可知，不同尺寸試樣的截距b與荷載p之間有相同形式的擬合曲線.將圖10中截距d與試驗高度h的曲線進(jìn)行線性擬合，得出的關(guān)系式為

式中：c為不同試樣的截距與壓力擬合曲線的斜率；d不同試樣的截距與壓力擬合曲線的截距.其相關(guān)系數(shù)均在0.96以上.

通過進(jìn)一步分析筆者發(fā)現(xiàn)，式（3）中的截距d與試樣高度h有良好的線性關(guān)系，如圖10所示.將圖10中截距d與試驗高度h的曲線進(jìn)行擬合，得到的關(guān)系式為

式中m、n為考慮試樣尺寸效應(yīng)對其應(yīng)變影響的系數(shù)，均由試驗確定.

圖10　截距d與試樣高度h的關(guān)系Fig.10 Relationship between intercept d and height h of samples

將式（3）、（4）代入式（2）整理得

式中參數(shù)ɑ、c均由試驗確定.設(shè)B＝1＋ɑ，為了使擬合值與試驗值有較好的吻合程度，這里對B進(jìn)行了修正，修正后得A，修正過程為

式中：b1為試驗所得的應(yīng)變時間曲線的斜率；b為通過式（3）得到的計算值.則式（5）可以表示為

新建模型在Mitchell的應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)的關(guān)系基礎(chǔ)上，通過對天津濱海軟土進(jìn)行了一系列一維固結(jié)試驗得到，充分考慮了尺寸效應(yīng)對于吹填土固結(jié)特性的影響，具有參數(shù)少、易確定的優(yōu)點，可用于指導(dǎo)天津濱海軟土有關(guān)工程.

5　結(jié)論

（1）不同尺寸的試樣，壓縮曲線均出現(xiàn)3個階段：彈性變形，結(jié)構(gòu)破壞，重塑土階段.其中，結(jié)構(gòu)破壞階段孔隙比變化值隨著試樣尺寸的增大而減?。怀叽缧?yīng)對土體的應(yīng)變有一定的影響，土體的穩(wěn)定應(yīng)變隨著試樣高度的增加而線性減?。怀叽缧?yīng)對于吹填土壓縮特性指標(biāo)（結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力、壓縮指數(shù)）有影響，隨著試樣尺寸的增大而減小.

（2）不同尺寸的試樣，其固結(jié)系數(shù)、次固結(jié)系數(shù)均隨著荷載的增大先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定，但其最大值隨試樣尺寸的不同而有較大差別，其中固結(jié)系數(shù)最大值隨著試樣尺寸的增加而較小，而次固結(jié)系數(shù)的最大值隨著試樣尺寸的增大而增大.

（3）在Mitchell的應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)的關(guān)系基礎(chǔ)上，建立了一維固結(jié)應(yīng)變經(jīng)驗?zāi)Ｐ停陆Ｐ涂紤]了尺寸效應(yīng)，具有參數(shù)少、易確定的優(yōu)點.

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（責(zé)任編輯：樊素英）

Experimental Research on Size Effect Upon Consolidation Property of Hydraulic Reclamation Soft Clay

Lei Huayang1, 2，He Caifeng2，Qiu Wangwei2，Chen Li2
（1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：Using the modified oedometer，a series of consolidation tests with samples of different sizes are performed on hydraulic reclamation soft clay in Tianjin to study the influence of size effect on the consolidation properties. The results show that the e-lg,p curves of samples with different sizes can be divided into three stages：structural integrity stage，structural failure stage，remoulded stage. Under the same loading levels，with the increase of sample size，the stable strain shows a linear decrease. The consolidation coefficient and secondary consolidation coefficient increase first，then decrease，and finally tend to be stable with the increase of load. With the increase of sample size，the maximum value of consolidation coefficient decreases, contrary to the maximum value of secondary consolidation coefficient. Based on the test results，a strain prediction model is proposed，which considers size effect，possesses fewer parameters，and is easy to determine.

Keywords：hydraulic reclamation soft clay；size effect；consolidation coefficient；secondary consolidation coefficient；strain prediction model

通訊作者：賀彩峰，877974724@qq.com.

作者簡介：雷華陽（1974— ），女，博士，教授，leihuayang74@yahoo.com.cn.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51378344）.

收稿日期：2014-06-01；修回日期：2014-07-25.

中圖分類號：TU47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0493-2137（2016）01-0073-07

DOI:10.11784/tdxbz201406001