季冻区湿地软土固结特性与固结压力相关性的试验研究

王宏光，程显东，张 冕，田蕾蕾，马 强，刘红军，韩春鹏

(1.东北林业大学，哈尔滨 150040;2.五邑大学，广东 江门 529020)

软土压缩性大、强度低，在软土地基上修建道路，地基很难满足工程建设的要求，必须采取相应的工程措施，并考虑软土地基在荷载作用下的固结沉降问题。了解软土的固结压缩特性，成为一件必要的工作。

1 试验方案

试验土样取自黑龙江省松嫩平原，松嫩平原位于齐齐哈尔北部，属于季节性冻土区，其大地构造单元为松嫩中央凹陷带，区内堆积有巨厚的第四系河湖相松散物质，常年淤积形成沼泽。土样取土深度为2.0 m，为淤泥质粉质粘土，该土层厚度变化范围在1.5～6.2 m［1］，土样呈黄灰色，软塑状态，干强度与韧性中等，强度较低。按《公路土工试验规程》(JTG E40－2007)试验方法，对所取原状土进行室内试验，并与珠江三角洲软土相应指标进行对比，其相关指标见表1。

由表1试验结果可知，季冻区湿地软土天然含水率较高，接近液限值，孔隙比大于1，压缩系数a1－2＞0.5 MPa－1，为高压缩性土。

从表1可以看出，与珠江三角洲软土指标相比，松嫩平原季冻区软土天然含水率低，压缩系数较低，压缩模量较高，强度指标较高。

为研究季冻区湿地软土固结系数与固结应力之间的联系，对所取土样进行压缩试验。一维固结试验采用的是高压固结仪，土样高为2 cm，面积为30 cm2，模拟软土地基实际工作状态采用双面排水并逐级加荷，加荷等级为 50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa和800 kPa，每一级固结压力荷载从15 s记录变形量，按规定时间记录直至稳定［2，3］。图1所示为季冻区湿地软土e～p变化曲线，从图中可以明显看出，软土的孔隙比随固结压力的增大在逐渐减小。且软土在较小固结压力下孔隙比发生明显的变化，其主要原因是软土为欠固结土，固结压力大于前期固结压力，土体产生较大变形。

表1 软土物理性质Tab.1 Physical properties of soft soil

图1 季冻区湿地软土的e～p曲线Fig.1 e～p curve of wetland soft soil in seasonal frost area

2 试验结果分析

2.1 压缩系数、压缩模量与固结压力的关系

图2和图3所示分别为软土土样的压缩系数与压缩模量随固结压力变化的关系曲线，压缩系数与压缩模量根据相邻荷载计算，从图中可以看出，压缩系数随固结压力增大在减小，而压缩模量随固结压力的增大在增加。在固结压力小于200 kPa时，压缩系数随固结压力的增加明显减少，当固结压力大于200 kPa时，压缩系数虽然在减少但变化并不大，而压缩模量一直随着固结压力的增加而增加，并且其线形接近于线性关系。

2.2 固结系数与固结压力的关系

土的固结是指土在压力的作用下，土体孔隙减小，超孔隙水压力逐渐消散的过程。土的固结一般分为主固结和次固结。主固结是指土体中因超静孔隙水压力逐渐消散和有效应力不断增加而引起的压缩过程，其过程为孔隙水被逐渐挤出，孔隙体积逐渐减小，从而土体压密产生体积变形而引起的沉降，是黏性土地基沉降最主要的组成部分;而次固结是指在超静孔隙水压力基本消散后，在有效应力基本上不变的情况下，随时间继续发生的沉降量，一般认为是在恒定应力状态下，土中的结合水以黏滞流动的形态缓慢移动，造成水膜厚度相应地发生变化，使骨架产生徐变的结果。土体的变形与沉降主要在主固结过程中完成，对于饱和软黏土，次固结沉降量同固结沉降量相比往往是不重要的［4］。

图2 固结压力与压缩系数关系曲线图Fig.2 Curve graph of the relationship between consolidation pressure and compression coefficient

图3 固结压力与压缩模量关系曲线图Fig.3 Curve graph of the relationship between consolidation pressure and compression modulu

在饱和软土的固结过程中，固结系数Cv的表达式为:

式中:k为渗透系数;e0为初始孔隙比;α为压缩系数;γw为水的重度。

太沙基一维固结理论假定土的固结系数在压缩过程中保持不变，这是因为土体在压缩固结过程中，公式 (1)中的渗透系数k和压缩系数α均呈递减趋势，因而计算出来的主固结系数Cv一般被当作常数。国内外大量试验研究已经证明，随着固结应力的变化，固结系数Cv并不是完全保持常数，而是随着固结应力发生变化，所以在计算软土地基固结沉降量时，采用不变的固结系数Cv是不符合工程实际情况的，应考虑固结系数的变化对于计算结果产生的影响并予以修正［5，6］。

图4 软土固结系数与固结压力关系曲线Fig.4 Curve of the relationship between consolidation coefficient and consolidation pressure for soft soil

如图4展示了固结系数与固结压力之间的变化曲线，试验结果表明固结压力从50～800 kPa时，软土固结系数变化范围为1.71～7.11×10－4cm2/s。根据图4所示，固结系数总体上随固结压力的增大逐渐减小。软土在固结压力小于400 kPa时，固结系数变化趋势较快，近似线性变化，固结压力超过400 kPa后，其线形变化趋于平缓，其原因是固结压力超过前期固结压力后，土体固结接近结束，渗透系数与压缩系数变化量不大，固结系数趋于一个稳定值。

3 结论

(1)与珠江三角洲地区软土相比，松嫩平原湿地软土含水率较小，压缩性指标略低，强度指标略高，整体物理力学性质及工程性质稍好。

(2)季冻区软土的压缩系数随固结压力增大而减小，而压缩模量随固结压力增大而增大，其固结系数与固结压力具有一定的相关性，随着固结压力增大，固结系数逐渐减小，当固结压力大于400 kPa时，固结系数趋于一个稳定数值。

［1］程培峰，姜海洋，刘红军.寒区湿地软土固结变形特性试验研究［J］.自然灾害学报，2007，16(2):82－85.

［2］陈晓平，黄国怡，梁志松.珠江三角洲软土特性研究 ［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(1):137－141.

［3］JTG E40－2007公路土工试验规程 ［S］.

［4］袁聚云，钱建固，张宏鸣，等.土质学与土力学［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［5］刘红军.寒区湿地软土地基固结沉降与稳定性研究 ［D］.哈尔滨:中国地震局工程力学研究所，2007.

［6］于颜泉，李新年，邹小兵，等.碎石桩洁处理软土地基在公路工程中的应用［J］.森林工程，2006，22(6):26－27.