非饱和重塑土固结变形影响因素试验研究

赵晓龙，刘玉海，卞汉兵，邱庆坤，邱秀梅*

1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018

2.东营市河口区水利局，山东东营257200

3.山东水利工程总公司，山东济南250014

非饱和重塑土固结变形影响因素试验研究

赵晓龙1，刘玉海2，卞汉兵1，邱庆坤3，邱秀梅1*

1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018

2.东营市河口区水利局，山东东营257200

3.山东水利工程总公司，山东济南250014

本文通过设计的一系列单向固结试验，分析了荷载、排水条件等因素对非饱和重塑土固结变形的影响。结果表明，随着荷载的增加，土样固结所需要的时间增加；相同荷载下，不能排水的土样固结变形明显小于可以自由排水的土样。土样质量达到稳定的时间要长于土样固结的时间，一定阶段后，土样水分已经很少，土壤基质吸力不再起主导作用，水分的散失不再影响土壤的固结变形，土壤的形变已经达到稳定。不同荷载下土样的相对质量都稳定在约1.041左右，土样质量的最终稳定值并不是取决于所加的荷载，而是由土样内部的性质决定的。不同荷载下非饱和土样的饱和度值都稳定在约18.86%左右。非饱和土样孔隙水的散失受环境温度的影响较大，而受荷载的影响较小。本试验为研究非饱和重塑土固结稳定影响因素提供了一种方法。

非饱和土；固结；饱和度；压缩性；基质吸力

在一定的荷载作用下，饱和土体中会产生超静孔隙水压力，这个压力会促使孔隙水逐步排出，随着时间的推移，超静孔隙水压力逐步消散，而土体中的有效应力逐步增大，直到超静孔隙水压力完全消散，土体受到的荷载完全由有效应力来承担，这个过程就是饱和土的固结［1］。而对于非饱和土，加荷将会产生超孔隙气压力和孔隙水压力。超孔隙压力会随时间增长而消散，最终回到加荷以前的数值，此过程即为非饱和土的固结［2］。非饱和土的固结很大程度上是土骨架的压缩和孔隙气的排出，而且后者往往起着控制作用，这一条件又取决于土体的水—气形态［3］。

在岩土工程中，如公路路基、土石坝粘土心墙等工程中的压实土都属于非饱和土范畴。非饱和土中除了土颗粒、孔隙水和孔隙气三相外，还存在着收缩膜（液气临界面）。通常将作用于收缩膜上的孔隙气压力Pa和孔隙水压力Pw的差值，称为基质吸力Pc，即Pc=Pa-Pw。在非饱和土的固结过程中，孔隙中的孔隙气和孔隙水同时受到挤压，气体在压缩时会有部分溶解于水中，非饱和土的压缩性比饱和土复杂得多。迄今为止，还没有公认为成熟的非饱和土固结理论［4，5］。

按照变形特征，非饱和重塑土的固结沉降过程可分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降指在加荷瞬间，土中孔隙水来不及排出，孔隙体积没有变化即不产生体积变化，但荷载使土产生剪切变形。对于严格的土体一维变形情况，瞬时沉降很小。当土体完全饱和时，由于土中水及土颗粒本身的变形可忽略不计，故瞬时沉降接近于零。固结沉降是由于外荷载引起的超静孔隙水压力的水力梯度促使水从土内排出，而应力增量转移到土骨架上而发生的沉降。这是一个与时间有关的过程，而且主要发生在体积的变化，其中包括剪切变形在内，故导致了进一步的沉降，是粘性土地基沉降的最主要的组成部分。次固结沉降是指超静孔隙水压力基本消散，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。一般认为这是在恒定应力状态下，土中的结合水以粘质流动的形态缓慢移动，造成结合水膜厚度相应的变化，使土骨架产生徐变的结果。

路堤和土石坝等是一类典型的土工结构物［6］，它们既是荷载，又是介质，涉及到多种因素，如填土工况、压实度、填土高度、地基软弱土层厚度、路基填土及地基各层土的土性参数（如土的变形模量、泊松比、土的粘聚力、土的内摩擦角）、交通荷载、修筑时间以及土的应力历史等，这些因素对路基沉降的作用并不是独立的，而是相互制约，共同作用的。路基等土工结构物的沉降主要由两部分组成，包括其上地基土的沉降和路堤填土的沉降。对于软弱地基来说，软弱地基的沉降占主要部分，而对于高填方路堤来说，路堤本身的沉降也占相当大的比例，其影响作用不可忽略［7］。

高速铁路、公路软土路基、高填方路基以及土石坝心墙等的过大沉降往往会导致不均匀沉降，这将严重影响工程体的营运质量，以及上部机构的稳定性。路基的不均匀沉降会导致路面出现裂缝，坑洼，而土石坝心墙的不均匀沉降则会导致裂缝的出现，从而造成诸如防渗体破坏等类似的严重问题［8］。

由于非饱和土内部结构的复杂性，以及外界环境（温度、湿度）常常会引起土体饱和度的变化，进而对土体的工程力学性质产生直接影响，因此深入研究非饱和土的固结压缩特性和变形机理显得尤为重要，对非饱和土在工程实际中的应用具有重要意义。本文通过非饱和重塑土一维固结对比试验，研究了不同因素对土样固结变形的影响规律，较为深入地分析了非饱和土沉降的机理，为以后准确地预测沉降变形，解决不均匀沉降问题提供参考依据，也为非饱和土的进一步研究提供试验方法。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与处理

本试验所用土样取自临沂市蒙阴县某土石坝附近，与该土石坝心墙所用土样基本一致。取回后在试验室烘干粉碎，并过0.5 mm筛备用。经试验分析得到土样的基本物理性质指标见表1。通过表1试验数据可判定土样为低液限粘性土，该土已经作为土石坝心墙填筑材料，可以进行固结形变的相关研究。

表1 本研究土样的基本物理参数Table 1 Essential properties of soil used in this study

1.2 试验方法与测定内容

本试验采用WG-1B型三联中压固结仪进行，将相同的6个土样分为3组，每组两个土样做平行试验，互为对照，以保证试验数据的可靠性。试验过程严格按照《土工试验规程》（SL237-1999）进行，其中第一组土样进行常规的恒压固结试验，记录固结数据，直到土样固结达到稳定；第二组在试验前，先将环刀土样称重，然后在环刀侧面及土样上下表面涂一薄层凡士林，之后用保鲜膜包裹，再用湿润的橡胶膜套上，以防止土样水分的流失，将包有橡胶膜和保鲜膜的环刀土样放入固结仪内加载，记录固结数据；第三组土样状态同第一组，不用保鲜膜包裹，但不记录固结数据，而是每隔一段时间从固结仪中取出称重，称完后立即放回固结仪中继续加载，记录土样随时间的质量变化。

2 试验数据分析

2.1 土样固结稳定物理参数比较分析

为了便于比较分析，将各级荷载下土样的物理参数汇总于表2。

表2 试验土样物理参数汇总Table 2 Summary of physical parameters of soil samples

表2中土样编号1-1代表在50 kPa荷载下所做固结试验六个土样中的第一个。1-1和1-2即为在50 kPa荷载下进行常规恒压固结试验的土样（第一组土样），1-3和1-4为在50 kPa荷载下，裹有橡胶模和保鲜膜的土样（第二组土样），其它各组土样编号以此类推。

从表2中可以看出，（1）不同荷载下土样固结稳定时的饱和度相比初始饱和度都有大幅度降低，这是因为土的固结过程是超净孔隙水压力消散的过程，在水力梯度的作用下，水分从土样孔隙中排出并进一步导致孔隙被压缩，有效应力逐渐由土壤骨架来承担；另外由于土样呈非饱和状态，基质吸力梯度也会促使土样水分向外迁移，导致饱和度的降低，基质吸力梯度的大小受环境温度和湿度的控制；（2）各荷载下的土样最终饱和度都稳定在约15%～20%范围内。土样固结稳定时的孔隙比随着荷载的增加而变小，说明荷载越大，土壤被压缩得越密实。

2.2 不同荷载下土样固结稳定过程曲线分析

从图1中可以看出：

（1）不同荷载下土样的固结曲线形状基本一致，固结曲线并不是常见的那种S型曲线［9］，也就是常说的固结过程中的瞬时沉降部分并不明显。这是因为所谓的瞬时沉降，是在荷载作用下，土颗粒间的孔隙水来不及排出，土体发生侧向变形而引起的剪切变形，这个阶段的沉降应该呈线性增长。而在本设计的试验中，土样是装在环刀内进行固结压缩的，其侧向变形受到环刀的约束而难以发展，另一方面，受试验仪器的限制，无法测出刚开始加载的瞬时沉降量，因此本试验的固结过程曲线在起始部分线性增长部分并不明显。

（2）土样的固结沉降和次固结沉降部分。在最初阶段，荷载在孔隙水、孔隙气和土骨架之间进行重新分配，孔隙水和孔隙气在超净孔隙水压力的作用下逐步排出，土体也随之压密沉降，此时沉降速度较快。随着孔隙压力的逐步消散，荷载渐渐由土壤骨架来承担，土骨架的粘滞蠕变开始出现，沉降增速趋于缓慢，次固结变形所占比例增大。但次固结沉降对总沉降量的影响很小［10］，在该过程中，沉降速度趋于缓慢，并逼近某个最终值。这个最终值与土骨架的最终有效应力有关，与外部荷载的大小和作用形式有关，而与时间无关。土样的次固结阶段是十分缓慢的，其沉降量已经很小，在此阶段通常认为土样已达到固结稳定。另外，学术界对于主固结与次固结的区分方法、次固结的含义和影响评估还没有统一的认识［10］。

图1 不同荷载下土样的固结稳定过程曲线Fig.1 Consolidation curves of soil samples under different load

（3）土样的排水条件对土样的固结过程的影响是很大的。土样在排水受到限制的情况下（1-3、1-4、2-3、2-4、3-3、3-4、4-3、4-4、5-3、5-4），固结曲线反映出一定的特征。土样在开始产生较大的沉降量，这个阶段的变形量主要是非饱和土中的孔隙气的排出和土骨架的压缩，并进一步导致土壤孔隙体积的缩小。在这个过程中，部分孔隙气也会溶解于孔隙水中，土壤的饱和度会相对增大。经过初始几个小时的快速沉降后，土样的固结曲线开始呈现出线性增长，曲线一直以较为稳定的速率发展，但总的沉降量相比可以自由排水的土样来说仍有较大差距。受到排水限制的土样在自由排水土样稳定后的相当长时间内仍未达到固结稳定，沉降得以继续发展。

由于试验的时间较长，每次试验时间长达几十天，裹有橡胶模和保鲜膜的土样难免会有水分的散失，这会进一步导致土样的固结沉降。根据试验结果可以推测，如果试验条件绝对理想，土样中水分完全不会散失，那么经过相当的时间后，土样会以相对较小的沉降量达到稳定。

2.3 不同荷载下土样固结稳定沉降量分析

将不同荷载下土样的常规固结稳定沉降量绘制成图2。

从图2可以看出，虽然试验数据受环境因素的影响，有小规模浮动，但数据整体还是呈现出了规律性。随着荷载的增加，土样固结稳定的最终沉降量有增加的趋势。

土样固结的最终沉降量除了受所加荷载大小和形式的影响外，仅与土骨架的压缩模量有关［11］。

2.4 土样固结质量变化曲线分析研究

图3为不同荷载下土样质量随时间的变化曲线。从图中可以看出，组1和组2（温度约在31℃左右）的质量变化曲线有相似的特征，而组4和组5（温度约在17℃左右）具有相似的特征。试验的环境温度对曲线的斜率变化有重要的影响，而土样所受的荷载对曲线的形状影响却不明显。试验中土样减少的质量即可认为是土样中排出的孔隙水的质量。按照常规的固结理论，土样的固结是其内部孔隙水压力和孔隙气压力消散的过程，所加的荷载越大，产生的超净孔隙水压力应该也越大，孔隙水排出的速度也应越快。但实际却不尽然，在200 kPa和300 kPa荷载压力作用下，土壤孔隙水消散的速度比50 kPa和100 kPa荷载下的速度更缓慢，土样质量达到稳定所需要的时间也更长。温度的差异却可以解释这一现象，50 kPa和100 kPa下进行试验的环境温度在31℃左右，土样中的水分在高温下蒸发速度快，土样的基质吸力梯度相对较大，进一步促进了土样内部孔隙水向外部的迁移扩散，因而土样的质量变化曲线斜率较陡，土样质量达到稳定的时间也相对较短（400 h）；而在200 kPa和300 kPa荷载作用下，超净孔隙水压力固然较大，但环境温度在17℃左右，土样中的水分蒸发速度较慢，基质吸力梯度较小，孔隙水在土样中的迁移扩散速度也减缓了，因而曲线斜率较为平缓，土样质量达到稳定的时间也较长（长达1000 h）。组3前期环境温度在22℃左右，而后期（600 h）温度升高（28℃左右），可以看到后期曲线斜率有明显增大的趋势。

图2 不同荷载下土样常规固结稳定沉降量Fig.2 Consolidation settlement of soil samples under different load

为了更准确地表现不同荷载下土样的质量变化，减少土样个体差异的影响，绘制了土样质量的相对变化曲线图（见图4），纵坐标为土样实际质量与干土质量的比值。

从图4中依然可以看出，组1和组2的曲线斜率较大，而组4和组5的曲线斜率则相对平缓。此外，几组曲线最终的稳定值都接近于一个固定值，这个值约为1.041（见图中的水平虚线）。也就是说，土样质量的最终稳定值并不是取决于所加的荷载，而是由土样内部的性质决定的，受土样内部基质吸力的影响。

图3 不同荷载下土样质量随时间变化曲线Fig.3 Curves of soil samples mass versus time under different load

图4 土样质量的相对变化曲线Fig.4 Curves of relative changes of soil samples mass

2.5 土样固结沉降稳定与质量稳定比较分析

将不同荷载下，土样固结稳定与质量稳定时间绘制成图5。尽管在前面已经提到过，环境温度的提高可以加速土样质量稳定的时间，但从图5中仍可以看出，土样固结稳定的时间要比质量稳定的时间的短。若环境温度降低，土样质量稳定时间延长，二者的时间差距将进一步拉大。土样的固结稳定标志着其内部孔隙水压力和孔隙气压力已消散并到达稳定，荷载已转移到土样骨架上。但从图5中可以看出试验土样的水分仍在散失，这表明在此阶段，土样内部孔隙水的体积变化已经对土体的变形不再产生影响。随着试验的进行，孔隙水不断排出，当水分减少到一定程度后，原来土样内部的连续水膜已经不再存在，孔隙水被孔隙气分隔开来，处于封闭状态，而孔隙气则连续成片，孔隙气逐渐与大气连通。土的透气性远远大于土的透水性，在一定的气压下，孔隙气快速消散，导致土样的固结过程加快。随着孔隙气压力的消散，土的有效应力基本转移到土骨架上，因此试验中水分的散失稳定时间要慢于土样的固结稳定时间。此时基质吸力对土样本身的固结已不再起决定作用。

孔隙水的压缩模量比土骨架的压缩模量要大得多，水本身的压缩是可以忽略的。对于饱和土来说，土中水体积的变化主要源自孔隙水的排出［12］。而对于非饱和土，由于基质吸力的存在，使得非饱和土固结变形特性较饱和土要复杂得多。研究资料［13］表明，基质吸力对土体的压缩变形特性有着不可忽视的作用。由于试验环境的影响而引起的土样饱和度的变化，将直接导致平均净应力和基质吸力发生改变，从而最终造成土体固结特性的改变。

2.6 不同荷载下土样饱和度变化曲线分析

将不同荷载下土样的饱和度变化曲线与固结沉降曲线绘制成图6。与土样的质量变化曲线类似，饱和度变化曲线也表现出了受环境温度影响较大，而受所加荷载影响较小的现象。从图6中可以看出，Group1和Group2土样由于环境温度较高，导致其饱和度变化和固结沉降变化的斜率都较大。二者到达稳定的时间也比较吻合，约在322 h左右；Group4和Group5的环境温度由于相对较低，饱和度变化曲线和固结沉降曲线斜率都较为平缓，和前两组明显不同的是，饱和度变化和固结沉降变化曲线稳定的时间不再吻合，饱和度变化稳定时间明显要长于固结稳定的时间。Group3土样环境温度比Group4和Group5略高，因此曲线斜率比它们略大。此外，虽然所加荷载和环境温度不同，几组土样最终稳定的饱和度数值却大体一致，稳定在约18.28%左右。

图5 不同荷载下土样固结稳定与质量稳定时间Fig.5 Consolidation and mass stable time under different load

图6 不同荷载下土样的饱和度变化与固结沉降变化曲线Fig.6 Curves of degree of saturation and consolidation under different load

3 讨论

Group3、Group4和Group5土样在400 h后固结曲线已趋于平缓，可以认为已经进入次固结阶段，但从图中对比可以看出，400 h后三组的土样饱和度仍在继续降低，孔隙水仍在不断散失。土的主固结过程是排水过程，其沉降变形速率与排水速率是相一致的，这也是研究者们的共识。但在次固结过程中水的作用仍有争议。在不同的次固结定义方式中，有一些描述了土中孔隙水的作用，但人们的认识程度有所不同。陈仲颐［2］给次固结的定义是：在主固结过程（超净孔隙水压力消散过程）结束以后，在有效应力不变的情况下，土的骨架仍随时间继续发生变形，这种变形与孔隙水排出的速率无关，而是取决于土骨架本身的蠕变性质。钱家欢［1］认为，次固结是有效应力已经基本上不变，但土的体积仍随时间增长而发生的压缩。在次固结过程中，实际上也有微小的超净孔隙水压力存在，驱使孔隙水在土颗粒之间流动。但由于次固结进行得极慢，水的流动速度是很小的，上述超净孔隙水压力小到无法测量。所以，次固结的沉降变形速率与孔隙水从土流出的速率无关，与土层的厚度也无关。有研究者［9］同意钱家欢先生的观点，认为次固结的过程也有微小的超净孔隙水压力的存在，驱使水在土颗粒之间流动，只是水的流速极小，不便用仪器测量，但这也仅限于饱和土的讨论范围。对于非饱和土，由于气相的存在，随着饱和度的降低，土样内孔隙气逐渐连通并与大气相通，孔隙气的排出速率要远远大于孔隙水的排出速率，从而加速了土样的固结稳定过程。笔者认为，对于非饱和土，主固结完成后，有效应力主要由土骨架来承担，孔隙水的继续散失对土样的固结形变并不再起决定作用。孔隙水的散失速率受环境温度、非饱和土相对渗透系数以及基质吸力等多种因素影响。

4 结论

（1）荷载对非饱和土固结稳定时间影响明显，荷载越大，稳定所需时间相应延长。

（2）相同荷载下，覆有橡胶模和保鲜膜的土样固结变形明显小于没有保鲜膜覆盖的土样。

（3）非饱和土样质量达到稳定的时间要长于其固结稳定的时间。

（4）土样质量的稳定值并不是取决于所加的荷载，而是由土样内部的性质决定的，受土样内部基质吸力的影响。

（5）不同荷载下非饱和土样的饱和度值都稳定在约18.86%左右。非饱和土样孔隙水的散失受环境温度的影响较大，而受荷载的影响较小。

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Experimental Research on the Influence Factors of Unsaturated Remolded Soil Consolidation

ZHAO Xiao-long1，LIU Yu-hai2，BIAN Han-bing1，QIU Qing-kun3，QIU Xiu-mei1*
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Water Bureau of Hekou District Dongying City，Dongying 257200，China
3.Shandong Water Engineering Corporation，Jinan 250014，China

In this study，by using a series of designed one-way consolidation test，the influence of load and drainage condition on unsaturated remolded soil consolidation deformation was analyzed.The results indicated that as the load raised，the time of consolidation increased and under the same load condition，the consolidation deformation of soil sample which cannot drain were smaller than that which can drain freely.It showed that the time of unsaturated soil mass reaching stable was longer than that of unsaturated soil consolidation deformation reaching stable.After a certain stage，the soil water was fewer and the soil suction did not play a leading role any more.The loss of the soil water would not influence the consolidation deformation any longer and the deformation had reached stable.The soil relative mass under different load stabilized at about 1.041.The final stable value of the soil mass did not depend on the load but the soil inner properties.The degree of saturation under different load stabilized at about 18.86%.The loss of pore water was influenced significantly by the environmental temperature and insignificantly by the load.This test provides a meaningful suggestion for the analysis of unsaturated remolded soil consolidation deformation.

Unsaturated soil；consolidation；degree of saturation；compressibility；matrix suction

TU43

A

1000-2324（2015）01-0001-07

2013-04-22

2013-05-02

山东省科技发展计划项目（2012GNC11203）

赵晓龙（1989-），男，在读硕士研究生，主要从事土体工程安全等方面的研究.E-mail：longxingtianxiale@126.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail：qxmxr@126.com