河滩沉积型软土次压缩沉降变形分析

朱文君 （安徽省长江河道管理局，安徽 芜湖 241000）

1 前言

同马大堤巨网段位于安徽省安庆市皖河口，地质资料显示该段堤基分布有约14m厚河滩沉积型软土，1957年修筑该段堤防时未对软基加固处理。据统计，同马大堤巨网段曾发生沉陷的堤段长约4.8km，占总长的72%，堤顶最大沉降变形达14cm，堤坡最大塌陷超60cm。这类持续多年的沉降变形，与软基的次压缩固结特性有着密不可分的关系。

软土的压缩固结过程可分为主固结和次固结两部分（图1）。主固结指土体中超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力不断增长直至总应力的过程。当土体中的孔隙水不再排出时，土体的压缩变形本应停止，但众多软粘土的压缩试验结果表明，在孔隙压力消散完全后，土体仍会产生变形，且持续很长时间，这就是次固结。次固结变形，又称体积蠕变，是指因土颗粒表面的结合水膜蠕动，土颗粒结构缓慢重新排列，随时间不断发展的变形。

2 试验材料及试验仪器

2.1 试验材料

试验土样取自长江下游某段的河滩沉积型软土，考虑原状试样之间存在差异，为保证试样完全相同，本文制备重塑样进行试验，制备过程见图2，重塑样基本物理性质指标列于表1。

图2 软土重塑样制备过程

主要物理性质指标表 表1

2.2 试验仪器

单向固结试验在高压固结仪上进行。高压固结仪主要由以下几个部分组成。

①固结容器：由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖组成。

②加压设备：杠杆加荷，试验采用两种型号高压固结仪，杠杆比分别为1:12和1:24，荷载最大可加载到1600kPa和3200kPa。

③变形量测设备：量程10mm，最小分度值0.01mm的百分表。

④其他工具：包括刮土刀、钢丝锯、电子天平、秒表、扳手等。

3 试验方案

按前述重塑样制备方法，切得4个环刀试样（编号 1#～4#），试样高2cm，面积30cm2。各试样均由25kPa逐级加载至不同的预压力，固结稳定3d后，都卸载至12.5kPa，此时预压力即相当于前期固结压力pc。各试样按荷载率Δp/p=1再加载，此时随固结压力p的逐级施加，土样分别经历超固结与正常固结两个阶段，试样具体再加载方案如表2。

试样加载方案 表2

4 土样次压缩变形

在试样再加载变形过程中，利用百分表测读不同时刻的变形量，求出试样孔隙比，绘制孔隙比e与时间对数lgt的关系曲线，各试样e～lgt关系曲线见图3。

软土压缩固结曲线近似由两条直线（图1的虚直线）组成，两条直线交点处的时刻t1即认为是主固结完成的时刻，t1之后的变形认为是次固结变形，它与时间对数有良好的线性关系，转折点后直线的斜率定义为次固结系数Ca，计算公式如下：

图3 试样固结变形e-lgt关系曲线

试样次固结系数表(×10-2) 表3

上式中，t为加载持续时间；t1为主固结完成时间；et和e1分别对应时间t和t1时试样的孔隙比。

计算1#～4#试样e～lgt试验曲线后半部分的直线斜率，得出试样在各级荷载下的次固结系数Ca见表3。

由表3不难看到，各试样的次固结系数Ca随固结压力p的增大呈先增大再缓慢减小的趋势，Ca在前期固结压力pc后的下一级荷载达到峰值。为什么次固结系数随压力增大而先增后减呢？因土样已受过较大的前期固结压力作用，在超固结状态下，土样处在回弹再压缩曲线上，孔隙变化小，相应的次固结变形也较小，随压力的增大，土体蠕变变形加强，次固结效应增大。在正常固结状态下，土样逐渐被压实，变形空间小，土骨架蠕变愈发困难，次固结系数逐渐减小。

5 软基次压缩沉降

工程实践中，地基中的软土层厚度可达十几米甚至几十米，地基受荷后的压缩固结过程与室内试验有很大不同。室内试验由于试样薄，孔压近似可以视作均匀的，试样不同位置的孔压和有效应力都是相同的。而地基的软土层很厚，靠近排水面的土体孔压消散早，远离排水面孔压消散慢，孔压分布不均匀，不同位置的孔压和有效应力存在差异，在计算次压缩量时需要考虑这种差异。

借鉴微分的思想，将整个软土层划分为许多薄层，根据深度的不同分别计算各层的次压缩量，对于第i层软土，其次压缩量为：

式中，Ssi为土层i的次压缩量；hi为土层i的厚度；e0i为初始孔隙比；Ca为次固结系数；ti为土层i孔压开始消散的时刻；t1i为土层i主固结完成的时刻。

若随有效应力的增加，第i层软土分别经历超固结与正常固结两个状态，根据试验得出的不同固结压力p对应的次固结系数，先分别求出第i层软土在超固结状态和正常固结状态下的次压缩分量，然后相加求和得出该土层的次压缩量。

以上给出了第i层软土的次压缩量计算方法，根据在地基沉降计算中广泛应用的分层总和法，叠加各软土层的次压缩量，就得到了整个软土层的总次压缩沉降：

6 结语

根据室内试验分析，软土次固结系数Ca随固结压力p的增大，呈先增大再缓慢减小的趋势，Ca在前期固结压力pc后的下一级荷载达到峰值。工程实践中，考虑各部位的软土层处于不同固结状态，根据试验得出的次固结系数Ca先分层求解各软土层的次压缩量，再采用分层总和法叠加各软土层的次压缩量，最后计算出整个软土层的总次压缩沉降量。