叶朝良，谢玉芳，曹风旭，王海强

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043；2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，石家庄 050043；3.中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司，石家庄 050011)

1 概述

软土因具有高含水率、低强度、触变性、高压缩性、低渗透性等特性，导致其抗干扰能力极差。近年来，软土地区顶管施工对周边环境的影响或周边场地环境变化对既有顶管工程的影响等问题引发的工程事故时有发生[1-2]，解决此类问题的关键在于严格控制软土沉降变形。软土在外部环境和荷载作用条件下会产生排水固结，而且排水固结时间较长，这会给顶管工程施工期和运营期的沉降控制造成很大影响。因此，充分揭示软土固结过程中渗透固结特性的变化规律是提高沉降计算准确性的关键[3]。

软土固结问题一直是国内外学者关注的重点之一。Terzaghi(1925)提出了饱和土一维固结理论，该理论前提之一就是假定固结过程中固结系数不变；Abbot[4]、Davis[5]、Olson[6]等研究发现，在固结过程中土体的体积压缩系数与渗透系数随深度与时间呈非线性变化。另外，我国学者对软土固结问题研究成果也极为丰富[7-10]，但我国软土因生成环境和赋存环境的巨大差异，其固结特性必然有所不同。自2002年后，我国学者分别对天津[11]、长三角[7，12]、浙江[13]、珠三角[14-15]和北部湾[16]海积软土的固结特性进行了深入研究，邓永锋等[17]对通过自行设计的换盐和固结装置研究了连云港海积软土脱盐条件下的固结特性。

随着连云港经济开发战略的实施和基础设施的大量建设，连云港海积软土工程特性的研究也日益引起业内人士的关注。本文主要通过室内变水头渗透试验和一维侧限固结试验，分别对不同含水率条件下的连云港重塑海积软土的渗透、固结特性进行了研究。

2 渗透固结试验方案

2.1 土样来源及物理性质

取样地点位于江苏省连云港市东辛农场内，地属滨海平原区，地形平坦、开阔，区内河流纵横成网，交通较为便利。表层分布黏土，灰黄色，软塑，厚1～2 m，其下为淤泥，灰黑色，流塑，下为粉质黏土、粉土、粉砂、黏土等地层。所取海积软土土样为灰黑色淤泥，取样深度在3～5 m，如图1所示。

图1 现场取样

通过室内试验得到连云港海积软土的物理性质指标见表1。从表1可看出，土样天然孔隙比>1.5，且天然含水率大于液限，定名为淤泥，天然含水率与液限含水率之比w0/wL接近1。另外，颗粒分析试验的结果表明，该淤泥的黏粒含量是粉粒的2倍左右。表1中粒组的划分依据JTGE40—2007《公路土工试验规程》，粒径2～0.074 mm为砂粒，0.074～0.002 mm为粉粒，<0.002 mm为黏粒。按照国标可将其定名为高液限黏土，其具有高塑性，塑性指数高达35.4。

表1 淤泥的物理性质指标

2.2 试验方案

为研究连云港海积软土孔隙比对渗透系数、固结变形特性的影响，在室内用扰动样配制50%～80%间6种不同含水率的试验用样，通过控制含水量来实现孔隙比的变化。为确保试样在试验过程中一直处于饱和状态，试验前对试样进行真空饱和，试验过程中进行补水，以防止水分蒸发流失。

通过变水头试验测定连云港重塑海积软土的渗透系数，采用2组平行试验进行对比，如图2所示。通过室内一维侧限固结试验测试土样的固结变形，固结变形稳定标准取为0.005 mm/h，加荷方案见表2，每组试样做2～3个平行试验，见图3。

图2 渗透试验

表2 连云港软土固结试验加荷方案

图3 固结试验

3 渗透试验成果分析

Mesri[18]曾通过试验建立了黏性土k～e乘幂经验关系，得到

k=B·eA

(1)

式中，A、B为黏土的渗透特性参数。

龚晓南[19]提出了lnk-e线性经验关系如下

e=m+n·lnk

(2)

式中，m、n为土性参数。

Nishida[20]等通过大量试验分析，认为黏土lgk-e曲线呈直线关系(k=10-7～10-4cm/s)。从数学角度分析三人所得孔隙比与渗透系数的关系，可知三者基本统一，只是表达方式不同而已。

为验证该关系对连云港海积软土的适用性，依据各组试验所得实测数据的计算结果汇总于表3。

表3 软土渗透试验结果

根据表3的数据，尝试建立了渗透系数与孔隙比(k-e)和渗透系数对数与孔隙比(lgk-e)之间的拟合关系，如图4所示。根据图4(a)可拟合得到渗透系数与孔隙比关系为

k=1.415×10-9·exp(3.584e0) (R2=0.997)

(3)

根据图4(b)拟合可渗透系数对数与孔隙比关系为

lgk=1.556e0-8.854 (R2=0.997)

(4)

从图4、式(3)和式(4)可看出，渗透系数与孔隙比之间或渗透系数对数与孔隙比之间存在较好的指数关系或线性关系，说明这两种关系均能很好地反映连云港海积软土孔隙比对渗透系数的影响。显然，连云港海积软土的渗透系数随孔隙比的增大呈指数增大，渗透系数的对数随孔隙比的增大呈线性增大的趋势。

图4 重塑海积软土渗透系数k与孔隙比e的关系

4 连云港海积软土的固结特性

软土具有高孔隙比的特点，而饱和软土的固结变形实际上就是孔隙中的水被排出，孔隙压力消散，有效应力增加，导致土体骨架压密，孔隙减小的过程，它直接决定着软土的渗透和固结特性。说明固结时间、固结压力和含水率对固结变形有着很大影响。

4.1 固结变形分析

4.1.1 固结变形的时间效应

以实测含水率w=66.3%试样的固结试验数据为例进行分析，见图5。

图5 固结变形s与固结时间t的关系(w=66.3%)

从图5可看出，每级固结应力下，试样固结变形大致可分为3个阶段：0～5 min为初始线性变形阶段，此时土样内部有效应力和孔隙水压力传递、分布调整，排水量由小增大，变形也逐渐增大；5～400 min为快速固结变形阶段，试样逐渐产生固结变形，孔隙水压力转化为有效应力，孔隙水快速排出，因此试样固结变形增大；400 min后为变形稳定阶段，随着试样内部孔隙水压力的消散，孔隙逐渐减小，试样有效应力增大，固结效果减弱，变形逐渐趋于稳定。

4.1.2 荷载对固结变形的影响

图6为固结压力与固结变形的关系曲线，从图6可以看出，试样固结变形随着固结压力增大而逐渐增大，但固结变形增量逐渐减小。另外，在800 kPa压力范围内，s-p曲线没有呈现明显的收敛趋势，也即随着荷载增加，试样还会继续产生固结变形。

图6 固结压力p与固结变形s的关系

为评价固结压力对固结变形的贡献，引入“变形荷载比”这一概念，定义为相邻两级固结压力所对应变形差与压力差之比，即

Gi=(si-si-1)/(pi-pi-1)=Δs/Δp

(5)

式中，Gi为第i级固结压力下的变形荷载比，mm/kPa；si、si-1分别为第i、i-1级固结压力下的固结变形，mm；pi、pi-1分别为第i、i-1级固结压力，kPa。

固结变形荷载比G与固结压力p之间的关系曲线如图7所示。从图7可看出，无论该海积软土处于哪种含水率(或孔隙比)，变形荷载比G均随固结压力p的增大而减小，其变化明显分为3个区段：Ⅰ区在0～50 kPa，为固结效果理想区，此阶段单位荷载的固结变形很大，但衰减极快；Ⅱ区在50～200 kPa，为固结效果一般区，此阶段单位荷载的固结变形也比较大，衰减较快；Ⅲ区在>200 kPa以后的范围，为固结效果欠佳区，此阶段随着荷载的增大，土体内部颗粒骨架已逐渐趋于密实，孔隙孔径变小，且孔隙体积也减小，因此孔隙水更难有效排出，固结变形越来越小。

图7 固结压力p与固结变形荷载比G的关系

4.1.3 含水率对固结变形的影响

如图6所示，从此6条固结压力与固结变形关系曲线可知，随含水率增大，固结变形整体呈增大趋势，因为软土试样含水率越大也即孔隙比越大，在相同固结压力作用下产生的固结变形也越大。

4.2 固结变形参数

4.2.1 压缩系数

图8为不同含水率条件下的e-p曲线。从图8可以看出：固结压力在100 kPa以内，不同含水率的海积软土的孔隙比变化较大，固结压力>100 kPa后，孔隙比的变化趋于一致，总体都随固结压力的增大而呈缓慢减小趋势。

时人对礼的地位做出如此高的评价，与他们对实际中礼仪的形式化问题的注意有关。僖三十三年齐国庄子来聘，“自郊劳至于赠贿，礼成而加之以敏”，臧文仲言于公曰：

图8 不同含水率软土的e-p曲线

图9为不同含水率条件下固结压力p与压缩系数av的关系曲线。从图9可看出：固结压力在100 kPa以内，不同含水率的海积软土的压缩系数变化较大，衰减迅速；固结压力>100 kPa后，压缩系数的变化趋于一致，总体都随固结压力的增大而呈缓慢减小趋势。

图9 固结压力p与压缩系数av的关系

4.2.2 固结系数

依据固结试验数据，采用时间平方根法计算得到含水率为50%～80%的连云港重塑海积软土的固结系数，并绘制Cv-p变化曲线，如图10所示。显然，不同含水率条件下该软土试样的固结系数在10-5～10-4cm2/s，其表现出相当小的渗透固结特性。

图10 不同含水率软土的Cv-p曲线

从图10还可看出：当含水率小于液限时，因土体强度稍高，若固结压力较小，则其初期测试固结沉降变形值较小，故试样25 kPa以内的固结系数较为离散，而当固结压力变大后，规律性较为明显，固结系数大多随固结压力增大而增大；当含水率大于液限时，固结系数与压力的规律性相对更好。将含水率高于液限的软土所对应的固结系数与固结压力进行拟合，得到Cv-p拟合曲线(图11)。从图11可看出，固结系数与固结压力有很好的对数关系，相关系数均在96%以上。

图11 海积软土典型Cv-p曲线拟合关系

(1)含水率为66.3%时，有

Cv=0.346lnp-0.465 (R2=0.961)

(6)

(2)含水率为71.4%时，有

Cv=0.427lnp-0.665 (R2=0.992)

(7)

(3)含水率为78.4%时，有

Cv=0.485lnp-0.559 (R2=0.981)

(8)

Cv=Alnp-B

(9)

式中，A、B为Cv-p拟合曲线参数。

5 关于堆载预压荷载讨论

基于连云港海积软土的固结特性分析，考虑若单纯采用堆载预压法处理该类软土地基，其经济合理的预压荷载应如何取值，为此进行以下讨论。

5.1 变形荷载比

本文引入“变形荷载比G”。通过变形荷载比G与固结压力p之间的关系分析表明：不同含水率(或孔隙比)连云港海积软土，其固结变形荷载比G随固结压力p的增大而减小。固结变形荷载比G随固结压力p的变化，可分为3个区段：Ⅰ区在0～50 kPa，为固结沉降效果理想区，此阶段单位荷载的固结变形很大，但衰减极快；Ⅱ区在50～200 kPa，为固结效果一般区，此阶段单位荷载的固结变形也比较大，衰减较快；Ⅲ区在>200 kPa以后的范围，为固结效果欠佳区，此阶段随着荷载的增大，土体内部颗粒骨架已逐渐趋于密实，孔隙的孔径大小变小，孔隙体积也减小，孔隙水排除也越来越困难，固结变形越来越小。

5.2 固结压力与固结变形的关系

将一维侧限固结试验中不同固结压力下的固结稳定变形汇总至表4。同时假定800 kPa下的固结稳定变形为固结最终变形值，分别求得各级压力下的固结稳定变形占最终变形值的百分比，并汇总至表5。

表4 各级固结压力下的稳定固结变形均值 mm

表5 各级固结压力下的稳定固结变形占比 %

从表4和表5可看出：虽然随着含水率的增大，800 kPa固结压力作用下的固结变形明显增大，但在100 kPa作用下的固结变形占比也明显增长，从46.7%增至72.8%，而相应荷载仅为800 kPa的1/8。

5.3 固结压力与压缩系数的关系

结合不同含水率条件下固结压力p与压缩系数av的关系曲线(图9)分析得到：固结压力在100 kPa以内，不同含水率的海积软土的压缩系数变化较大，衰减迅速；固结压力>100 kPa后，压缩系数的变化趋于一致，总体都随固结压力的增大而呈减小趋势。

综合上述3个方面的分析，可以确定：对于含水量超过液限的连云港海积软土，单纯采用预压堆载法进行地基处理，经济合理的预压荷载应在100 kPa左右。如果要取得更好的预压效果，应结合塑料排水板、砂井等措施增加固结排水效果。单纯依靠增加预压荷载值的方法是不可取的。

6 研究结论

本文通过室内试验，对不同含水率条件下的连云港饱和重塑海积软土的渗透、固结等特性进行了试验研究，得到以下结论。

(1)该软土孔隙比>1.5；黏粒含量高达67%，是粉粒的2倍左右；液限高达62.6%，塑性指数高达35.4，塑性很高。

(2)渗透、固结试验表明，该饱和重塑软土的渗透系数与孔隙比呈指数关系，渗透系数对数与孔隙比呈线性关系，可拟合得到k=1.415×10-9·exp(3.584e0)(R2=0.997)或lgk=1.556e0-8.854(R2=0.997)，固结时间、固结压力和含水率对该软土的固结变形有显著影响。

(3)分析变形荷载比G与固结压力p的关系得到：不同孔隙比软土的变形荷载比随固结压力的增大而减小；变形荷载比随固结压力的变化可分为3个区段：固结沉降效果理想区(0～50 kPa)，固结效果一般区(50～200 kPa)和固结效果欠佳区(>200 kPa)。

(4)采用时间平方根法计算得到该重塑软土的固结系数为10-5～10-4cm2/s，渗透固结特性差，该重塑海积软土固结系数与固结压力的统计关系为Cv=Alnp-B。

(5)若只采用预压堆载法进行地基处理，经济合理的堆载压力宜在100 kPa左右，欲取得更好预压效果，应结合塑料排水板、砂井等措施来改善固结排水效果。