含水率对软土压缩特性影响试验研究

郭伟杰，王平，李洪峰，吴朋

(东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

含水率对软土压缩特性影响试验研究

郭伟杰，王平*，李洪峰，吴朋

(东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

土的压缩固结与土体的类别和性状、初始含水率、加载方式、排水条件等因素有关。结合松花江避暑城战备路工程实例，取同一路段软土重塑土样进行室内快速固结试验，测定其不同含水率条件下的s-p曲线、e-p曲线并计算压缩系数。试验结果表明：在前期固结压力作用下，含水率变化对土的压缩系数和沉降量有重要影响，在同一级荷载作用下，土的轴向变形随含水率的增加逐渐增大；土样含水率越大，孔隙比的变化速度越快，土样越容易被压缩；随着固结压力增大，土样孔隙比的变化率减小，压缩变化量也越来越小。其压缩系数的变化符合常规固结试验中的一般性压缩规律，快速固结试验法在一定程度上能正确反映土的压缩特性，满足指导施工的要求。

软土地基；快速固结试验；压缩特性

0 引言

所谓软土，是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水率大于液限的细粒土，为强度低、压缩性较高(压缩系数大于0.5 MPa-1)、不排水抗剪强度小于30 kPa的软弱土层，多数含有一定的有机质[1-3]。对于饱和土，荷载增加时，土体一般是逐渐被压缩，压缩过程中部分水量会从土体中排除，土中孔隙水压力相应的转为土粒间的有效应力，直至变形区域稳定。这一变形的全过程称为固结[4-7]。固结系数对建筑物沉降计算影响较大，是太沙基一维固结理论中一个重要的物理指标[8-10]。现有的室内固结试验大致分为以下3种：常规固结试验、快速法固结试验和连续加载固结试验。而连续加载试验又可分为等应变速率固结试验(简称CRS固结试验)、控制梯度固结试验(简称CG固结试验)、等加载速率固结试验(简称CRL固结试验)[11-13]。对以上各试验方法进行对比分析后，本文采取快速固结试验法对软土固结特性进行以下研究。

我国沿海地区对软土工程进行了系统研究，在工程建设中取得大量成果，为工程建设提供了相关的理论基础和丰富的工程经验。《软土工程若干理论与应用》一书中，作者对湖北省宜昌至黄石一级公路仙桃至江陵段的软粘土进行了一系列物理力学性质研究。孙更生、郑大同主编的《软土地基与地下工程》在“软土的一般工程特性”一章中，主要列举了上海软土、福建沿海软土和天津新港软土的工程特性。陈艺南等人的“连云港滨海软土工程特性”研究，王著杰的“深圳河软土层的工程地质特征及整治措施”等，这些研究成果皆反映了不同地区或区域性软土的工程特性，对当地的工程实践具有较高的参考价值。我国北方季冻区软土地基的工程性质研究较少，对湿地软土工程性质、地基固结沉降及稳定性分析了解不足，多数仍停留在工程实践阶段。本论文以哈尔滨市松花江畔某道路工程项目为依托进行软土地基在快速固结试验条件下的固结特性研究，分析本地区软土的压缩固结与初始含水率、加载方式、排水条件等因素的关系，为在季冻区湿地软土地区修筑公路的设计和施工提供依据。

1 快速固结试验原理及方案

1.1 快速固结试验原理

20世纪50年代，我国一些单位为满足工程需求缩短试验时间，先后采用了快速固结试验法[14]。在后续的发展过程中，随着连续加载试验法的发展，快速固结试验得到一定程度的验证。1983年，美国也将快速试验法列入ASTM标准。快速固结法是指按一定的荷载等级，一般规定为50、100、200、300、400 kPa，有时也可根据土的软硬程度选择第一级荷载为25 kPa，在每级荷载下固结1 h，最后一级固结24 h，然后根据最后一级荷载作用下达到标准的变形量与压缩1h的变形量的比值K进行变形量的修正。快速固结试验法之所以能在工程实践中得到推广，是因为对于固结试验过程中的2 cm厚的试件，在各级荷载作用下1h的固结度一般可达到90%以上，对按此法测得的变形量乘以修正系数K，可得到与常规固结试验近似的结果。各级荷载作用下试样校正后的总变形量计算公式为：

(1)

祝刘文[15]通过试验研究发现，对饱和软土而言，随固结压力的增加，试样在每级荷载初始 1h 的沉降量与稳定沉降量的比值逐渐增加。李家平[16]对粉质粘土分别采用标准固结试验法和快速固结试验法来研究快速固结试验法测得的压缩性指标的可靠度。试验结果表明：在常规压力增量下，用快速固结试验法测得压缩性指标可以满足一般工程的需要。姚贝贝[17]对饱和土进行连续加载固结试验，试验用土分别采用黄土和宁波软土，黄土采用的是完全重塑土，而软土则采用原状土，在真空饱和器饱和后方可进行试验，本文也是分别作了饱和土的常规固结试验和连续加载固结试验，并对两种试验方法的试验数据进行了分析。

1.2 快速固结试验方案

(1)试样用土基本性质。本试验所采用的软土土样取自哈尔滨市松花江畔某道路工程同一路段，取土深度11 m。首先进行原状土试样指标的测试，然后根据原状土指标重塑土样进行试验，在室内对土样含水率按要求进行配制，测得其物理基本指标见表1。

表1 不同含水率软土的物理性指标[18]Tab.1 Physical indexes of soft soil with different water contents

(2)试件制作。按《公路土工试验规程》配制所要求含水率土样，本文所作试验试样的尺寸都是采用试样高度为40 mm，直径为61.8 mm的圆柱形。根据规范要求用环刀切取试样，切取试样时应在环刀内壁涂抹一层薄凡士林减少环刀和土样的摩擦，环刀刃口朝下，放在土样上，将环刀垂直压入。边压边削，待土样略高于环刀高度。最后将环刀上下两面削平，有缺陷处用余土样补平。

(3)试验步骤。在固结容器中放置透水石、7 mm滤纸、护环，将带有试样的环刀放入护环内，放上导环，试样顶部依次放上滤纸、透水石、加压上盖，并置于加压框架正中。施加预压力，使试样与仪器上下各部件之间接触，调整变形量测装置使其位于零点，测记初读数。确定需要施加的各级压力。本试验所要求压力值依次为12.5、25 、50 、100 、200 、400 kPa。

2 不同含水率试验对比分析

2.1 轴向应变与时间关系曲线

按0、15 s及1、2、4、6、9、12、16、20、25、35、45、60 min，至稳定为止。各级荷载下的压缩时间规定为1 h，最后一级荷载下加读到稳定沉降时的读数。本文通过对不同含水率下软土的各级荷载下的轴向应变与时间的关系做了s-t曲线如图1～5所示。

图1 含水率27% s-t曲线Fig.1 s-t curves of 27% moisture content

图2 含水率30% s-t曲线Fig.2 s-t curves of 30%moisture content

由上图各含水率条件下的形变量与时间关系的s-t曲线可知：在各级荷载作用下，土的最终形变量随着时间的增加趋于平缓，逐渐达到稳定；随着荷载等级的增加，土体的轴向形变量不断增大，由试验数据可知各含水率条件下当荷载从12.5 kPa增大到400 kPa时，轴向应变也呈明显的增大趋势；在不同含水率条件下，轴向变形量随着含水率的增加逐渐增大。

图3 含水率33% s-t曲线Fig.3 s-t curves of 33%moisture content

图4 含水率36% s-t曲线Fig.4 s-t curves of 36%moisture content

图5 含水率39% s-t曲线Fig.5 s-t curves of 39% moisture content of

2.2e-p曲线[19]

根据上式求得各级荷载p下所对应的孔隙比e，绘制e-p曲线如图6所示。

由图6不同含水率条件下的e-p曲线可以得出：随着压力增大孔隙比的变化率逐渐趋于平缓；土样含水量越大，孔隙比的变化速度越快，土样越容易压缩。

图6 不同含水率e-p曲线Fig.6 e-p curves of different moisture contents

2.3 压缩系数与轴向压力曲线

压缩系数av由e-p曲线确定，设压力由p1增大到P2，相应的孔隙比由e1减小到e2，但压力变化范围不大时，可将该压力范围的曲线用割线代替，并用该割线的斜率来表示这一段压力范围的压缩性，即：

(2)

现将各含水率条件下的压缩系数变化规律绘制如图7～12所示。

图7 含水率27% av-p曲线Fig.7 av-p curves of 27% moisture content of

图8 含水率30% av-p曲线Fig.8 av-p curves of 30% moisture content

图9 含水率33% av-p曲线Fig.9 av-p curves of 33% moisture content

图10 含水率36% av-p曲线Fig.10 av-p curves of 36% moisture content of

图11 含水率39% av-p曲线Fig.11 av-p curves of 39% moisture content

图12 各含水率av-p曲线Fig.12 av-p curves of each moisture content

由上述av-p曲线可以看出：随着固结压力的增加，曲线的变化越来越平缓，压缩系数逐渐趋于稳定；在固结压力0～100 kPa，压缩系数变化较大，超过100 kPa后，压缩系数变化缓慢，趋近于0；含水率的变化在固结压力前期对压缩系数的变化起重要作用，含水率越高，压缩系数变化越明显，随着固结压力的增大，含水率的变化对压缩系数的影响逐渐减小。

由土的三相草图对上述现象进行分析。假定土的固体颗粒体积Vs=1，土样初始孔隙比为e0，则孔隙体积vv=e0。设土样的初始高度为H0，在固结压力作用下试样总压缩量为ΔH，土样稳定后孔隙比为e。因为土的压缩固结是由于孔隙水的排除而引起的，固体颗粒体积压缩变化量可忽略不计，则：

(3)

(4)

由压缩系数的计算公式可得，当发生相同压力变化Δp时，初始含水率w0越大，压缩系数变化越明显。随着固结压力的增大，由于孔隙水的排出，试样含水率下降，孔隙比变化减小，含水率的变化对压缩系数的影响逐渐减小。

3 结论

通过对上述软土地基室内快速固结试验的分析，可以得出以下结论：

(1)对于软土试件，快速固结试验法所测定的固结特性符合常规固结试验所研究的一般规律：随着时间的增加，竖向形变量越来越大，但其变化速率趋于平缓，逐渐趋于稳定；随着固结压力的增大，土样孔隙比的变化量也由大变小，其压缩系数的变化也满足一般性压缩规律，所以说快速固结试验法在一定程度上能正确反映土的压缩特性，可用于指导工程的施工。

(2)在前期固结压力作用下，含水率变化对压缩系数的变化起重要作用，含水率越高，压缩系数变化越明显，随着固结压力的增大，含水率的变化对压缩系数的影响逐渐减小。

(3)对于软土地基，其含水率变化对固结沉降有重要影响，随着含水率的减少，其最终沉降量也大大减小。当初始含水率一定时，随着固结压力的增大，软土的总压缩量越来越大，但固结压力超过某一特定值后，压缩量变化率越来越小，所以在施工过程中，前期的固结排水措施是必不可少的环节，对固结压力的设定不仅可以达到最佳压缩效果而且对能源消耗、成本控制都有指导作用。

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Experimental Study on the Effect of Moisture Content onCompression Characteristics of Soft Soil

Guo Weijie，Wang Ping*，Li Hongfeng，Wu Peng

(School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The compression consolidation of soil is related to the type and characters，the initial moisture content，loading mode，drainage condition and so on.Combined with the engineering project of Bishucheng Zhanbei road of Songhua River，the remolded soil sampled in the same road was used to carry out the indoor rapid consolidation test.Thes-pcurve，e-pcurve were measured under different water contents and the compression coefficientavwas calculated.Test results showed that the water content had important effect on compression coefficient and settlement of soft soil under the pre-consolidation pressure.Under the same load，the axial deformation gradually increases with increasing water content of soil；the greater the soil moisture content，the faster the speed of change in void ratio，the more easily compressed soil samples.With increasing consolidation pressure，the change in the void ratio of soil sample decreases and the amount of compression is getting smaller and smaller.The change in compression coefficient of the soil complies with the general compression law in the conventional consolidation test.The experimental method can reflect the compressibility of soil to a certain extent，and meet the requirements of construction.

soft soil foundation；rapid consolidation test；compression coefficient

2016-09-10

黑龙江省青年科学基金项目(QC2012C080)

郭伟杰，硕士研究生。研究方向：软土工程。

郭伟杰，王平，李洪峰，等.含水率对软土压缩特性影响试验研究[J].森林工程，2017，33(3)：80-84.

TU 472.3

A

1001-005X(2017)03-0080-05

*通信作者：王平，硕士，教授。研究方向：岩土工程。

E-mail：1311647285@qq.com