珠三角西部软土变形特性试验研究

何程铃，刘红军

（五邑大学 土木与建筑学院，广东 江门 529020）

珠江三角洲西部地区软土属第四系沉积物，其土类主要为淤泥和淤泥质土[1-3]，具有含水率高、天然孔隙比大、土体接近完全饱和、渗透性低、抗剪强度低、压缩性高、承载力低和结构性强等物理力学特性[4-5].

要在软土地基上进行工程建设，前期必须考虑软土的变形特性，如压缩量、孔隙比、压缩系数、压缩模量等压缩指标，并根据其变形特性设计相应的施工方案. 因此，研究软土地基的变形特性对工程建设有着十分重要的意义.

本文采用室内一维固结压缩试验，考虑取样深度及软土各向异性的影响[6-7]，分别对5.20 ～5.40 m、8.20 ～8.40 m、11.40 ～11.60 m 3 个深度的试样进行竖向和横向的压缩，研究压缩系数、压缩模量等压缩性指标在取样深度和压缩方向不同的情况下随固结压力的变化情况，以期为本区域软土地基工程提供合理可靠的设计依据.

1 试验方案

试验土样取自广东省江门市新会区厚德路 K0+400 处，该地区属西江三角洲冲积平原，区内广泛分布第四系全新统海陆交互相沉积软土[8-9]，是不良地基土，土类主要为淤泥和淤泥质土，土层层顶埋深1.80 ～6.20 m，层厚8.00 ～17.95 m，平均厚度为12.18 m；试验取土样深度分别为5.20 ～5.40 m、8.20 ～8.40 m、11.40 ～11.60 m，土样呈灰黑色，饱和，流塑状态. 按《公路土工试验规程》（JTGE40—2007）试验方法[10]，对所取原状土样进行室内试验，其相关物理性质指标如表1 所示.

从表1 可得，该地区软土天然含水率较高，孔隙比大于1，压缩系数a1-2＞0.5 MPa-1，为高压缩性土[11]. 为了研究珠江三角洲西部地区软土在不同深度、不同受力方向作用下其变形特性随固结压力的变化，根据受力方向对每一深度土样进行两个方向压缩，一种是顺着土体自重方向进行压缩，即竖向压缩；另一种是垂直于土体自重方向进行压缩，即横向压缩. 一维固结压缩试验采用的是中低压固结仪，土样初始高度为2.00 cm，面积为230.00 cm ，加载等级为12.5 kPa、25 kPa、50 kPa 、100 kPa、200 kPa、300 kPa 、400 kPa、600 kPa 和800 kPa ，每一级固结压力荷载从15 s 开始记录土样变形量，并按设定时间记录至48 h.

表1 土样的基本物理性质指标

2 试验结果分析

2.1 压缩量与时间的关系

图 1～3 为不同深度软土试样在每级固结压力作用下的压缩变形过程，其横坐标为土样的固结时间.

图1 5.2～5.4 m 压缩量与固结时间的关系曲线图

图2 8.2～8.4 m 压缩量与固结时间的关系曲线图

图3 11.4～11.6m 压缩量与固结时间的关系曲线图

根据图1～3 中的曲线变化特征可得，土样的压缩量均随固结压缩时间的延长而增大，固结压缩时间在前240 min ，土样的压缩量随固结压缩时间的增长而显著增大，之后增加缓慢，并且增加量小，说明在前240 min 土样的主固结状态已基本完成. 土样在5.2 ～5.4 m 深度处的横向累计压缩量要比竖向累计压缩量大，两者差值可达0.59 mm. 而另外两个深度处的横向累计压缩量与竖向累计压缩量相接近，无明显差异. 因此，说明土样的各向异性受土样埋深的影响，土样在较浅埋深时，其各向异性表现突出，而在较深埋深时，其各向异性表现不明显.

2.2 孔隙比与固结压力的关系

e -p 曲线是计算地基土层最终压缩量的重要依据，因此要对该区域的软土开展这方面的研究工作.

经试验和计算得到软土孔隙比随固结压力的变化曲线如图4 所示，由图4 可得，软土的孔隙比均随固结压力的增大而减小，当固结压力在200 kPa 以内，孔隙比变化较大，最大可减小孔隙比 1左右，最小达到0.5 以上，由此可见，该区域软土在固结压力小于200 kPa 时，压缩量较大. 其主要原因是软土为欠固结土，前期固结压力小，初始孔隙比大，当固结压力大于前期固结压力时，土体将会发生较大的变形. 在整个受压范围内，随着固结压力的增加，取样深度对孔隙比减小的范围影响不大. 在进行竖向压缩时，随着固结压力的增加，e -p 收敛的较快.

图4 珠三角西部软土的e -p 曲线

2.3 压缩系数与固结压力的关系

图5 显示了不同取样深度的软土在竖向和横向压缩下压缩系数与固结压力的关系曲线，依据图中曲线变化特征可知，土样的压缩系数均随固结压力的增大而逐渐减小，并且在固结压力小于100 kPa 时，压缩系数随固结压力的增加而显著减少. 在固结压力小于100 kPa 时，5.2 ～5.4 m 深度的土样横向压缩得到的压缩系数减小的幅度比竖向压缩大，可达到 12.59 MPa-1，另外两个深度的土样进行竖横向压缩时，压缩系数减小的差值无明显的差异. 当固结压力大于100 kPa 时，竖向和横向得到的压缩系数几乎相同. 因此，从软土的压缩变形角度来分析可知，软土的各向异性是受埋深及固结压力影响的，一般情况下埋深小各向异性表现的明显，固结压力大表现的弱些.

图5 压缩系数与固结压力的关系曲线图

2.4 压缩模量与固结压力的关系

如图6 所示，压缩模量随固结压力的增加接近于直线增长，随着固结压力的增加，土体变得更加密实，压缩模量增加的速度有所加快. 土样的取样深度及各向异性对压缩模量的影响并不明显，由图6-b 可知，横向压缩时，埋深对压缩模量还是有影响的，随着固结压力的增加，埋深浅的软土压缩模量增加较快.

图6 压缩模量与固结压力的关系曲线图

3 结论

对3 个不同深度软土分别进行了竖向和横向的多级加载一维固结压缩试验，并且得出以下主要结论：

1）软土的孔隙比均随固结压力的增大而减小，当固结压力在200 kPa 以内，孔隙比变化较大，最大可减小孔隙比1 左右，最小达到0.5 以上；取样深度对孔隙比减小的范围影响不大；在进行竖向压缩时，随着固结压力的增加，e -p 收敛的较快.

2）固结压缩时间在前240 min，土样的压缩量随固结压缩时间的增长而显著增大，之后增加缓慢，并且增加量小，说明在前240 min 土样的主固结状态已基本完成；土样在5.2 ～5.4 m 深度处的横向累计压缩量要比竖向累计压缩量大，在另外两个深度处的横向累计压缩量与竖向累计压缩量相接近.

3）在固结压力小于100 kPa 时，压缩系数随固结压力的增加而显著减少；5.2 ～5.4 m 深度的土样横向压缩得到的压缩系数减小的幅度比竖向压缩大；当固结压力大于100 kPa 时，竖向和横向得到的压缩系数几乎相同.

4）压缩模量随固结压力的增加而接近直线增长；软土在横向压缩时，随着固结压力的增加，埋深浅的软土压缩模量增加较快.

上述结论能为本区域软土地基工程提供合理可靠的设计依据. 对于珠三角西部软土变形特性的研究，特别是软土的压缩系数、压缩模量与固结压力之间的数学关系，还有待于进一步的研究和验证.