软土结构性对次固结系数的影响_张先伟
天津软土的结构性及其对工程特性影响的研究
天津软土的结构性及其对工程特性影响的研究摘要：土结构性对工程特性具有重要影响。
通过内、外因对天津软土结构性的成因进行分析以及单向固结试验、直剪试验和常规三轴固结不排水试验,对天津地区典型淤泥质软土试验结果的分析,系统对其结构性引起的压缩特性、剪切特性、孔压特性以及强度特性进行研究,以分析结构性对天津软土工程特性的影响关键词：天津地区淤泥质土结构性成因工程特性0 引言土结构性的概念最早由Terzaghi在1925年提出，它是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙大小、形状、排列及联结等综合特征，表征天然土所具有的结构强度特性。
绝大多数天然土都有一定的结构性，但由于成因和所在环境不同,土的结构性存在较大的差异，因此各地区土的工程特性也不同。
土结构性研究的重要性正越来越受到学者们的认同，其不仅对认识黏土特性和本构模型方面具有重要的理论意义，而且对指导工程勘察和工程实践也具有实际应用价值。
因此，沈珠江院士将它称为21世纪岩土工程学科发展的核心问题[1]。
本文在分析天津地区软黏土结构性的形成原因的基础上，结合室内土工试验方法，系统研究结构性对压缩特性、剪切特性、孔压特性以及强度特性影响的差异，并就天津软土本构模型研究方面提出一些应考虑的问题。
1 天津软土结构性成因1.1 内因软土结构性主要受土中矿物成分影响，黏土中不同的矿物成分及其含量都会影响黏土的结构性尤其是黏土中存在高岭石等膨胀性黏土矿物时，膨胀和收缩会导致土结构性的消失和减少，其他矿物成分也会影响其结构性。
土中水的性质和成分也会对土的结构性产生影响。
对软土而言，由于黏土比表面积很大，土中液相对其性质影响也很大。
液化通过物理和化学作用来改变土颗粒之间以及土中固、液相之间的相互作用从而改变其结构性[2]。
此外,土的沉积过程对土体的结构性形成有较大的影响。
土在沉积过程中，若形成絮凝结构则可能形成结构性强的欠压密土；若形成散絮结构，则土体结构性不会太强。
湛江强结构性黏土的物理力学性质指标及相关性分析
湛江强结构性黏土的物理力学性质指标及相关性分析张先伟;孔令伟;郭爱国;拓勇飞【摘要】湛江黏土具有较强的结构性,结构性对土的力学特性影响不容忽视.对湛江黏土的物理力学指标的相关性和变异性进行统计分析,建立重要指标间的关系经验公式,这可为湛江地区地基基础可靠性设计的参数选取提供依据.结果表明,湛江黏土富含黏粒、黏土矿物含量高、含胶凝状的有机质成分、强胶结特性以及片状颗粒为主的絮凝结构是导致其具有不良物理性质和良好力学特性指标的根本原因.不同区域黏土的力学指标空间变异性较大,但物理指标变异性较小.e-ω、ωL-ω、ωL-e、α1-2-e关系具有线性相关性,但相互关系明显不同于其他地区黏土特征,因此,工程设计中不能简单借鉴其他地区黏土经验公式.%The Zhanjiang clay has noticeable structures of effect to the soil's mechanical characteristics can not be neglected. This paper presents the relevance and correlation analysis on the physical and mechanical indexs of Zhanjiang clay. Furthermore, empirical formula of indexes' relations are established. The results show that the basic reasons for poor physical properties and good mechanical properties of Zhanjiang clay are high clay content,clay minerals, gelatinous organic matter,strong adhesive bonded connection and flocculated structure of flaky grains. The spatial variability of clay mechanical index in different regions is substantial. But,the spatial variability of cla physical index is small. The e-ω、ωL-ω、ωL-e,a1_2-e relationship are linear correlations that are significantly different with other clays in China. Accordingly it can not use the empirical formula developed from other local clays for engineering design. The results presented in thispaper provide the basis of reliable design parameter selection for the Zhanjiang area clay foundation.【期刊名称】《工程地质学报》【年(卷),期】2011(019)004【总页数】8页(P447-454)【关键词】湛江黏土;强结构性;物理力学指标;相关性【作者】张先伟;孔令伟;郭爱国;拓勇飞【作者单位】中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071;中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉430056【正文语种】中文【中图分类】TU411湛江位于广东省西南部，包括雷州半岛全部和半岛以北一部分。
软粘土次固结系数变化特性的试验研究
[ 1]
3 4 3 4 5
术 , 2003, 01- 0034 - 05 . [ 2] 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 , 178- 189. [ 3] [ 4] 陈晓平 , 朱鸿鹄 . 软土变形时效特性的试验研究 [ J] . 岩石力学 与工程学报 , 2005 , 24( 12 ), 2142 - 2148 . M esr,i G. & Castro. The C /C s concept and go during secondary com p ress ion [ J ] . J . G eoteh E ngg, A SCE I12 , 1987 , ( 3 ) : 230 247. [ 5] 雷华阳 , 肖树芳 . 天津软土的次固结变形特性研 究 [ J] . 工程地 质学报 , 2002 , 10( 04 ).
[ 1]
: 麦斯瑞 ( M esr,i 1973)、 拉德和福 特 ( L add and S = S / lg t C = e / lg t = C / ( 1 + e)
0 i
图 1 次固结系数 C a 的求法图
Foot, t 1977) 等: ( 1) ( 2) ( 3) ( 4) ( 5)
2 试验介绍
[ 2] [ 3]
[ 4]
图 2 D 9观测 点累积沉降量预测值与实际值比较
[ 5]
最大沉降量是否满足安全要求, 分析结果能为建设 施工和安全管理提供重要依据。本文所介绍的沉降 监测方案与观测方法是多次工程实践经验的总结 , 观测实施严格按照规范标准 , 监测技术具有一定的 指导性。 ( 2) 通过线性插值将观测获得的监测点非等时 距沉降值转化为等时距沉降数据序列 , 再运用 GM ( 1, 1) 灰色预测模型进行 建模分析。 结果显示 , 监
软土抗剪强度与固结度关系的试验研究
验 。其主要目的在于测定土样在不同压力作用下 , 2. 2 试验方法
固结 度 分 别 达 到 U = 10 % , 20 % , 30 % , 40 % , 60 % , 80 %和近似完成主固结 ( U≈100 %) 所需
1) 考虑到土质较软 ,固结压力分别取 pi = 50 , 100 ,150 ,200 ,250 kPa 。
行了不同固结度或不同加载条件下软土的固结变 形 、渗透及强度特性的试验研究 , 得出软土固结过 程中强度特性 、渗透系数等的变化规律 , 而三轴试 验费时 、费力等缺陷有时难以适应施工现场的需 求 。因此 , 深入细致地开展方便 、快捷的直剪试验 对软土的抗剪强度指标与固结度关系的研究 ,对软 土路基的信息化施工具有指导意义 。本文通过大
16. 28
17. 79
p = 200 kPa
c/ kPa
φ/ (°)
11. 20 9. 68
9. 13 9. 15
10. 09
9. 87
11. 96
13. 94
10. 64 10. 33
14. 17 18. 57
18. 53
18. 82
表 1 原状土物理力学性质指标
Table 1 Physical and mechanical parameters of undisturbed sample
试验值
w
ρ
/ % / (g/ ·cm - 3)
43. 3 1. 755
wp 24. 1
wL 47. 6
Ip
IL
ds
23. 5 0. 817 2. 64
随着我国高等级公路建设的迅速发展 ,在软土 地区 ,公路设计和施工遇到了一些关键性的技术问 题 ,为保证软土路基的安全填筑 , 实际工程中多采 用分级填筑的方法 ,其理论依据是软土地基的抗剪 强度随固结度增长而增长 ,但其增长规律却受土层 条件 、加载方式 、加载时间等因素的影响 ,目前对此 研究甚少 。文献 [ 1～6 ]中均采用三轴试验装置进
软土次固结系数的试验研究
软土次固结系数的试验研究软土是指一种容许有机物质并具有易湿润特性的土壤，在建筑工程中被广泛应用。
随着大规模土地利用和城市化进程的加快，软土地区的工程建设发展迅速，使软土的工程性质受到广泛关注。
而在软土基础设施工程中，软土次固结系数的研究是一个非常关键的课题。
软土次固结系数是指在不改变其他物理机械性质的情况下，通过一次压实试验，将软土表格层的土壤从初始湿度向增重湿度调节的过程中，每次的压实度与湿度之间的从旧状态到新状态的变化率。
通过测定软土次固结系数，可以有效地判断软土次固结状态，从而为软土设计提供有效参考依据。
为了研究软土次固结系数，我们对一个软土片层进行了试验研究，以探究土壤次固结特性和次固结系数变化规律。
试验步骤如下：1、对软土样本进行水分和机械分析，分析其物理机械性质，评价其用在工程中的适用性；2、用相应的设备进行压实性试验，测量软土样本的初始湿度，每次压实度和湿度，记录压实度和湿度之间变化率；3、绘制压实度湿度关系曲线，拟合曲线，计算出软土次固结系数；4、观察软土次固结过程中的变化规律，总结出软土次固结的特性和表现形式；研究结果表明：在同一软土样本的不同湿度和压实度条件下，软土次固结系数有一定的变化规律。
当湿度从25%增加到35%时，软土的次固结系数以5.5%的速度递增，在35%湿度之后，软土次固结系数达到最大值，并有所下降；当湿度大于35%时，次固结系数下降较慢，受压实度的影响较小。
软土次固结系数的试验研究表明，软土基础设施工程中，在相同压实度、湿度和基本物理机械性质的情况下，软土的次固结系数也会发生一定的变化，这些变化与软土水分含量有关，而水分含量则决定了软土的次固结状态，一般情况下，当软土的湿度大于35%时，软土的次固结状态会出现明显的降低。
从研究结果可以看出，软土次固结系数的变化规律与随时间和湿度变化而发生变化，因此，精确测定软土次固结系数，对于工程地质勘察和设计尤为重要。
以上研究表明，对于软土次固结的研究成果是非常宝贵的，它为软土工程设计提供了可靠的参考依据，为避免软土基础设施工程的失败、破坏和延误提供了有力保障。
软土主次固结划分及影响因素探讨
软土主次固结划分及影响因素探讨雷华阳;王学超;丁小冬;刘景锦;陈丽;张文振【摘要】Division of primary-secondary consolidation is one of the key problems of prediction and analysis foundation deformation of soft soil correctly and taking effective engineering measures.A series of one dimensional compression secondary consolidation tests and three-dimensional secondary consolidation tests are performed by using unidirectional consolidation apparatus and triaxial shear apparatus for the typical soft soil in Tianjin.Load, pore ratio and pore water pressure,volume strain and time relationship are obtained.The test results show that:the division point of primary-secondary consolidation should be before the pore water pressure dissipation completely.A new method according to the strain rate and strain curve to differentiate the primary and secondary consolidation is founded.And the new method is suitable for all kinds of load.Primary consolidation time is prolonged along with increasing sample height while shortened along with the strengthening of drainage condition.With the increase of the load level,primary consolidation time is prolonged.When the load is less than the structure yieldstress,the division of the primary-secondary consolidation is less affected by load ratio.While the load is greater than the structure yield stress,the primary consolidation time is prolonged along with the increase of load ratio.The ratio of the primary consolidation strain and the total strain after preloading is increased 30.7%than that of no preloading. Theratio increases along with the increase of the preloading load.%主、次固结的划分是正确预测和分析软土地基变形并采取有效工程措施的关键问题之一。
软土次固结问题新进展
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赵维炳，施建勇（1996）提出用天然含水量估计次固结系数Ca。
C a = 0 .0 1 8 W
C Sekiguchi（1988）提出用塑性指数Ip来表达Ca。 a = 0 .0 0 1 6 8 + 0 .0 0 0 3 3 I p
白冰，周健等（2001）通过收集到的国内的一些资料给出了Ca估计表达式。
C lg （ ti +t ti ） e =
t i = tc (
pc pi
C c -C e
)
C
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陈晓平等（2005）通过一系列室内试验提出土体的变形过程实际是 固结和蠕变共同作用的过程，次固结实际上是主固结完成后的蠕变 变形。他们提出次固结系数与应力历史有关，因OCR成规律性变化 余湘娟等（2007）在殷宗泽研究的基础上考虑了正常固结土中固结 压力对次固结沉降量的影响。他们对等时e-lgp曲线进行修正，用斜 率随荷载减小的曲线代替平行线。
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仪器设备
次固结问题研究热度不高 次固结问题影响因素过多 理论缺乏，机理不明确
不同于太沙基一维固结理论与 次固结与粘土矿物成份和物 比奥固结理论能够很好的解释与 虽然次固结问题已经提出了 理 化学环境有关。固结压力， 很长时间，但是研究热度一直 近似计算土体的固结问题，土体 加荷比，超固结比，孔隙比等 不高。主要是因为次固结一般 产生次固结变形的机理研究至今 多 种因素均对次固结系数有 在软土中比较显著，而工程中 还没取得一致意见。目前也没有 影响。在试验研究时，很难同 对软土地基一般都会进行处 一个为大家所公认的次固结理论。 时考虑多方面因素，从而试验 理，所以对次固结变形计算 由于没有善理论的指导，绝大 结果和结论通常比较片面。并 要求不高从而次固结的研究缺 多数的研究仅局限通过试验得出 且目前关于次固结沉降的大多 乏动力。 若干规律或经验公式，没有有效 数研究仍局限在一维情况。 的成果出现。
软土结构性对土体力学特性的影响
软土结构性对土体力学特性的影响摘要：对软土进行高压固结试验，揭示软土结构对土体力学特性和土体变形的影响，试验结果表明在固结压力相同的情况下，重塑土的竖立变形量大于原状土的竖向变形量，原状土的先期固结压力大于重塑土的先期固结压力，原状土的压缩模量大于重塑土的压缩模量，原状土的压缩系数小于重塑土的压缩系数，压缩模量、压缩系数和固结压力满足乘幂关系。
测得了该软土的灵敏度，软土的结构分类等级灵敏。
关键词：软土结构性；土体结构；力学特性1前言土体的结构性指的是土的物质组成在空间中的排列和土颗粒间的联接特征；土的物理力学性质是微细结构状态的总体反映，是多种结构因素共同作用的综合表现。
天然沉积的软土具有结构性和结构强度，高孔隙度组构受到不大于结构屈服应力的作用时能够保持原状结构不变；受到大于结构屈服应力的作用时，高孔隙度的组构遭受到破坏，孔隙的分布发生了明显的变化，土体的宏观力学性质也随之变化。
所以，土体的结构性对土的工程特性有明显影响。
土体的力学特征指的是土体受到外力影响下呈现出来的物理力学特征，它是由许多力学指标来进行衡量，一般经常用到的力学特征指标有：先期固结压力、竖立变形量、压缩模量、压缩系数、灵敏度等。
下面分别进行说明。
（1）先期固结压力指的是土体承受到的最大的固结压力，又称为前期固结压力，一般通过卡萨格兰德作图法可以获得。
（2）压缩模量指的是在完全侧限情况下，如果土体的应力变化较小，则应力增量和应变增量正相关，两者的比值就是压缩模量，又称为侧限压缩模量，压缩模量可以判断土体的压缩性，也是计算地基压缩变形量的指标。
（3）压缩系数反映土体压缩性的大小，如果土体压力增大之后，孔隙比会减小，压力变化区间不大时，用割线的斜率来表示土体受到压力时的压缩性，这个斜率便是压缩系数。
一般压缩系数越大，土体的压缩性越强。
（4）灵敏度指的原状土和重塑土的无侧限抗压强度的比值，一般用来衡量粘性土的结构对于土壤强度的影响。
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软土在荷载作用下产生较大的变形，可分为主 固结和次固结变形两部分。主固结是指在外荷作用 下，超静孔隙水压力逐渐消散，土骨架有效应力随 之增加的土体固结过程。次固结是在超静孔隙水压 力消散后， 在恒定有效应力作用下土体变形的过程。 对于有机质含量较高、高塑性的软土地基，由于次 压缩引起的工后沉降不容忽视。 为了深入了解结构性土的次固结特性，必须研
第 33 卷第 2 期 2012 年 2 月
文章编号：1000－7598 (2012) 02－0476－07
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.33 No.2 Feb. 2012
软土结构性对次固结系数的影响
张先伟 1, 2，王常明 1
（1.吉林大学 建设工程学院，长春 130000；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）
Ca according to Ca / Cc may have some error. The normally consolidated soft clay may show false over-consolidation because of
soil's structural characteristic, therefore, it is improper to illustrate structural soft clays' Ca by using normally consolidated soft clay; it can be well illustrated according to the damage of soft clay structure under different pressures. Key words: soft clay structure; secondary consolidation coefficient; structural yield pressure
Table 1
地区 漳州 青岛 天然密度 / (g/cm3) 1.54 1.82 含水率 /% 69.7 43.1 干密度d / (g/cm3) 0.92 1.27
表 1 软土物理力学性质指标 Physico-mechanical indexes of soft clay
孔隙比 e 1.91 1.12 液性指数 IL 1.06 0.62 塑性指数 IP 35.8 22.0 饱和度 /% 98 99 压缩系数 a1-2 / (MPa 1)
478
岩
土
力
学
2012 年
性大大增加；随着 P 进一步增大，变形不断增加， 颗粒间滑移成为变形主要原因，表现为原状样压缩 曲线与重塑样压缩曲线趋于一致。而重塑样压缩曲 线基本上为一直线，这是由于重塑样已失去了土的 结构性的影响。
4 结构性软土的次固结系数
本文采用下式来计算次固结系数 Ca ： es Ca lg(t tc ) （1）
-
黏聚力 c / kPa 8 15
摩擦角 / (°) 10 26
1.37 0.94
2.2
试验方法 次固结试验主要是针对原状土和重塑土进行的
的上覆压力是历史上的最大压力， 且 Pc 与 z 数值上 接近，应属于正常固结土。何俊[8]对杭州和汉口地 区正常固结软土通过同样的方法也得到 OCR 1 的 结 论 。 其实 软 土 正 常固 结 的 天 然沉 积 软 土 的
摘
要：天然沉积的软土普遍具有结构性，常规计算软土次固结变形的方法并没有反映结构性的影响。通过对漳州与青岛地
区原状软土与重塑土进行次固结试验， 研究软土结构性对次固结系数 Ca 的影响。 结果表明， 软土的 Ca 随压力 P 增大而增大， 在 P 接近结构屈服压力 k 时达到最大值，此后逐渐减小，受 P 影响减弱，最后与重塑土的 Ca 趋于一致；重塑土的 Ca 受压 力影响很小，可视为常数。根据次固结系数与压缩指数比值 Ca / Cc 确定 Ca 可能存在一定误差。由于结构性的影响，正常固 结软土表现出“假超固结”现象，采用超固结角度对结构性软土 Ca 变化规律进行说明并不合适，而根据不同压力下软土结 构破损的情况可以很好解释这一现象。 关 键 词：软土结构性；次固结系数；结构屈服压力 文献标识码：A 中图分类号：TU 435；TU 413.6
Abstract: The natural sedimentary soft clay behaves the structural characteristic, the influence of which can not be reflected in the process of computing secondary consolidation of soft clay by conventional method. Secondary consolidation test on undisturbed and remolded soil samples from Zhangzhou and Qingdao are performed for researching the influence of soft soil structural characteristic on the secondary consolidation coefficient Ca . It is shown that soft soils' Ca increases with the increasing pressure P, and it gets to maximum while P gets close to yield pressure k , and then it decreases and influenced little by P. Finally, it tends to be consistent with remolded soil clays' Ca . The remoulded soft clays' Ca which is influenced little by P is regarded as a constant. Determing
Effect of soft clay structure on secondary consolidation coefficient
ZHANG Xian-wei1, 2, WANG Chang-ming1
(1. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130000, China; 2. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)
1 引
言
究软土次固结的产生与发展变化。很多学者对软土 次固结特性展开了研究，高彦斌[1]对上海饱和软黏 土的重塑土样进行室内长期一维压缩试验，研究了 应力历史、 加载比以及加载时间对次压缩系数 Ca 值 的影响；殷宗泽[2]重点研究了荷载对次固结特性的 影响；廖红建[3]考察不同最大排水距离和加载时间 间隔对次固结过程的影响；李国维[4]对软土重塑试 样进行了超载卸荷后再压缩过程的一维压缩试验， 讨论了荷载稳定后的工后次压缩沉降问题。但关于 次固结特性的一些结论并不相同，例如次固结系数
第2期
张先伟等：软土结构性对次固结系数的影响
－10]
477
随压应力的增大而表现出不同的变化规律[5
，说
2 土样性质及次固结试验
2.1 土样性质 软土试样取于漳州开发区内、九龙江出海口南 岸深 11～20.5 m，属于第四系全新世海陆交互相软 土，深灰色，滑腻～光滑，含有机质，稍具臭味， 间夹有 1～5 cm 厚的中细砂或贝壳砂薄层，呈流塑 状态；取于青岛市市区内某工地深约 5～6 m，属于 第四系全新世滨海相软土，呈灰色，富含有机质。 土样基本物理性质指标见表 1，其中强度指标通过 三轴固结不排水剪切试验获得。可见，两种试样都 具有软土工程特征，表现为高含水率、大孔隙比、 强度指标低、高压缩性和高饱和度。
高压固结试验与对原状土进行的一维固结蠕变试 验。试验仪器采用杠杆式高压固结仪，试样面积为 32.2 cm ，高为 2 cm，都在双面排水条件下采用逐 级加荷（加荷比为 1）至试验完成。所不同的是高 压固结试验加入卸载再加载过程，每级荷载持续 1 d，一维固结蠕变试验中当试样 1 d 内变形量小于 0.01 mm 时，施加下一级荷载。 高压固结试验加荷方案为： 12.5 → 25 → 50 → 75 →100 →200 →400 →200→100 →0 →100 →200→ 400→800→1 600 kPa；一维固结蠕变试验加荷方案 为： 12.5→25→50→100→200→400→800→1 600 kPa。 施加压力较 考虑当软土结构屈服压力 k 较小、 大时，会很难在压缩曲线上找到明显拐点，难以确 定 k ，因此，设计试验的初始施加几级的压力都比 较小。 2.3 应力历史 土的应力历史状态主要通过先期固结压力 Pc 和超固结比 OCR 等指标来反映的。 根据 Casagrande 法得到漳州软土 Pc 约为 107 kPa，青岛软土 Pc 约为 90 kPa；所受上覆压力 z 分别为：98.2、88 kPa， 由此判定为超固结土。而由收集的地质资料得知， 两种软土都是第四纪后期形成的，在此期间所沉积 的土基本没有受到剥蚀，也未受过人工堆载，所受
明软土次固结特性非常复杂，受土性、试验方法等 因素影响较大，另外一个重要原因是没有考虑软土 的结构性所带来的影响。 天然沉积的软土一般具有结构性，软土的结构 性对固结阶段变形的影响已经有深入了解，而对于 次固结阶段变形，特别是描述次固结特性的重要参 数 Ca 有何影响的研究却很少[11]。 本文通过对漳州与青岛地区软土进行高压固 结试验与一维固结蠕变试验，重点研究软土结构性 对压缩曲线、次固结系数以及次固结系数与压缩指 数关系的影响。