从室内土工试验成果分析超固结土的性质

张梅静,陈 亮

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 问题的提出

在浙江沿海地区广泛分布着一种淤泥 (或淤泥质土),这种土和正常固结土的力学性质有着明显的差异,具有良好的结构性,在一定的压力范围内具有较高的抗压缩、抗剪切能力,但当压力超过一定值时,迅速产生破坏,这种土称之为超固结土。这种土在浙江省沿海地区分布广泛,尤以温州地区最为典型,本文以温州地区所取土样的室内土工试验成果来分析超固结土的性质。

所谓固结应力就是指使土体产生固结或压缩的应力,土在历史上曾受到过的最大有效应力称为先期固结应力,试样的室内再压缩曲线比初始压缩曲线要平缓得多,表明试样经历的应力历史不同将使其具有不同的压缩特性,先期固结应力与现有有效应力之比定义为超固结比,对于天然土,当超固结比＞1时,该土是超固结的,当超固结比=1时为正常固结土,还有一种土在自重应力作用下没有完全固结,尚有一部分超孔隙水应力没有消散,它的现有有效应力即为先期固结应力,它的超固结比＜1,称为欠固结土[1]。

2 工程实例

本文以温州某渔港所取土样为例进行阐述,为更直观地展现超固结土与正常固结土的区别,本文采用正常固结和超固结土土样进行对比分析。

2.1 土样的开土描述

ZK102-9(正常固结土):淤泥,灰色,饱和,软塑;ZK106-12(超固结土):黏土,灰色,可塑,扰动后变为软塑。从土样的开土记录中可以清楚地看出:ZK106-12土样的结构性明显好于ZK102-9土样,在未扰动前表现出较好的可塑状态。

2.2 土样的物理性质指标

土样的物理性质指标见表1。从表1中可以看出,2种土的物理性质指标是比较接近的。

表1 土样物理性质成果表

2.3 土的固结特性

土体在外荷作用下压缩量随时间增长的过程称为固结,饱和土的压缩主要是由于在外荷作用下孔隙水被挤出,空隙体积减小引起的,饱和土空隙中自由水的挤出主要取决于土的渗透性,由孔隙水的排出引起的土的固结称为主固结,土的压缩还与土颗粒的蠕变性能、矿物颗粒的重新排列和自身变形以及土粒间结合水的黏滞性有关,由这些因素所决定的压缩过程称为次固结[2]。固结系数是反映土体固结快慢的指标,它与试样的渗透系数K,体积压缩系数mv和水的密度有关,室内土的固结试验所得的固结系数Cv主要是由孔隙水的排出引起的主固结。Cv值越大,在其它条件相同的情况下,土体完成固结所需的时间越短。

从图1和图2的曲线形状对比来看,图1中土体在各级荷载作用下的固结系数曲线较平缓,图2中土体在各级荷载作用下的固结系数曲线在压力没达到200 kPa前,曲线较陡,在固结压力达到200 kPa后突然变缓,反映在数值上就是图1中各固结系数较接近,图2中开始时固结系数很大,当压力达200 kPa后骤然变小,当压力超过200 kPa后其固结性状和图1较接近。

正常固结的ZK102-9土样按太沙基理论随着孔隙水的慢慢排出,总应力逐渐转化为有效应力,土体得以固结。由于该土样是淤泥,土的黏粒含量较多,塑性指数高,孔隙水排出较慢,值较小。由于ZK106-12的土样属超固结土,在其受到的压力未超过其先期固结压力前,土体基本不产生变形,即土体内的孔隙水极少排出,从固结试验过程看,就是土样在很短的时间内完成固结,排水完毕,此时的值较大,一旦土样所受的荷载超过其先期固结压力,就在所受的压力下开始排水固结,这个阶段固结系数出现骤然变小的现象,之后压力下的排水固结类似图1中正常固结土的固结过程。

图1 ZK102-9土样的固结系数曲线图(时间平方根法)

图2 ZK106-12土样的固结系数曲线图(时间平方根法)

2.4 土的剪切特性

土体中的结构性与超固结都可以使土体表现出超固结的特性,都会提高土体的强度,超固结土强度高主要表现在内聚力的提高上[3]。

土的抗剪强度与土受力后的排水固结状况相关,黏性土的抗剪强度与垂直压力的关系并不完全符合库伦方程的直线关系,对于正常固结土,在100～400 kPa作用下,可以认为是直线关系,因此常规直剪试验的最大荷载为400 kPa。

从图3可以明显地看出,ZK106-12土样的粘聚力大于ZK109-2土样的粘聚力。将该渔港所取土样中属于超固结的一层土的最大剪切压力加大至400 kPa,对该土层的抗剪强度的影响较小,仅粘聚力略有减小,内摩擦角没出现明显减小的现象。

图3 2种土的直剪试验成果图

3 试验分析成果对勘察指标选取的指导

3.1 渗透系数

渗透系数是土的重要的水理性质指标,在当前广泛进行的基坑工程和地下工程建设中,尤其需要。工程勘察中对于低渗透性的黏性土试验多用变水头渗透试验测定,同时存在预注水饱和、测试历时长及所需不扰动土样个数多的问题。因此,渗透系数的确定主要从固结试验测定固结系数再反算渗透系数:

式中:k为渗透系数,mv为体积压缩系数,Cv为固结系数,ρw为水的密度 (g/cm3)。

从上述公式中可以看出,渗透系数的大小与固结系数成正比,对于超固结土而言,在其受到的荷载没有超过其先期固结压力前,在试验过程中表现出快速完成固结的特性,即固结系数很大;当所受荷载超过其先期固结应力后,试样中的孔隙水缓慢排出,此时固结系数明显变小 (见图2)。如果在用固结系数反算渗透系数时,所用的固结系数是土样所受荷载未超过其先期固结应力时测得的,则渗透系数明显偏大,而实际这种土的渗透性能很低,宜采用所受荷载超过其先期固结应力时所得的固结系数进行反算。

3.2 快剪参数

对于含水率高、凝聚力大的淤泥 (或淤泥质土),不能直接将室内试验检测成果应用于工程实际。因为当土体受到的压力超过其先期固结压力时,土体将产生瞬时的急剧破坏,工程地质人员在将土工检测成果应用于工程实际时,应根据现场试验、工程的实际用途和收集到的相关资料对室内检测成果进行处理,并给出该工程中相关参数的建议值。从表2可以看出,根据土工检测成果统计得出土的快剪参数后,地质人员进行安全化处理给出了工程建议值,建议值=0.8倍统计值。

表2 某工程土层物理力学指标统计值及建议值对照表

4 结 语

(1)由于超固结土在应力历史上受到比当前自重压力大的应力作用,该种土的结构性较好,对现场取样人员的现场定名将产生一定的影响。

(2)固结系数是排水固结法加固软土地基工程的一个重要参数。很多工程采用固结系数反算土层的渗透系数,因超固结土的特殊性,如果按小荷重作用下的固结系数反算土层渗透系数,可能会出现算出的渗透系数偏大的情况。

(3)超固结土的粘聚力比正常固结土的粘聚力大得多,在所受荷载超过其先期固结应力时理论上会出现急剧破坏的现象,因此将室内土工成果应用于统计该层土的抗剪强度时应综合考虑,不能简单地把土工成果直接应用于工程实际,以免降低工程的安全系数。

[1]钱家欢.土力学 [M].2版.南京:河海大学出版社,1998.

[2]宋畅,柴寿喜,王沛.土质试验与试验分析 [M].天津:天津大学出版社,2007.

[3]刘元雪,王培勇,王良.黏土的结构性与超固结[J].后勤工程学院学报,2005(4):1-6.