基于孔壓數(shù)據(jù)的連云港黏土固結過程試驗研究

基于孔壓數(shù)據(jù)的連云港黏土固結過程試驗研究

固結系數(shù)是反映土壤固結速度的重要指標。要計算固結度的變化，以及超靜孔壓的分散過程，必須給出固結系數(shù)。傳統(tǒng)的計算固結系數(shù)的方法是通過對太沙基固結理論的固結公式進行簡化，根據(jù)固結壓縮試驗規(guī)定的時間變形關系曲線，導出固結系數(shù)的近似計算公式，以獲得固結系數(shù)。例如，時間對稱法、平方根法等。這些方法是圖理法和經(jīng)驗合作的方法。根據(jù)壓縮曲線，在主固體節(jié)點d'和固結點d'和d'下，根據(jù)d'進行計算。在繪制時，由于人為因素的干擾，一些誤差被認為是錯誤的。除了依據(jù)時間-變形關系曲線計算固結系數(shù),也有一些學者應用孔壓測量裝置對土體固結過程進行分析.孔壓法的優(yōu)勢在于可最直接地判斷主固結的結束,與其他間接判斷方法相比更具可靠性.Taylor［１］很早就對固結過程中的孔壓消散情況進行研究,Ol-son［２］研究發(fā)現(xiàn),僅僅依據(jù)孔壓消散數(shù)據(jù)而不考慮變形曲線計算得出的固結系數(shù)與基于時間-變形曲線計算所得的固結系數(shù)在某些情況下會出現(xiàn)較大偏差.此外,盡管孔壓法在判斷主固結沉降時具有直接、準確的優(yōu)點,但在實際試驗過程中,孔壓裝置所測的底部孔壓數(shù)據(jù)與太沙基一維固結理論并不吻合,不能直接應用于計算固結系數(shù).首先,試驗中測得的最大孔壓數(shù)值小于所施加的豎向有效荷載;其次,施加豎向荷載后,底部孔隙水壓力不會立即上升至最大值,而是具有一個滯后過程.Gibson［３］、Whitman［４］等很多學者都曾在試驗中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象并對此進行研究,認為造成這一現(xiàn)象的原因主要是由于孔壓計的測壓機理和土顆粒的壓縮變形.Perlof［５］研究認為這一現(xiàn)象只在固結初期對孔壓數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,當試樣達到一定固結度之后,對于孔壓數(shù)據(jù)的影響則可以忽略不計,所測孔壓仍可應用于固結過程分析中,隨后,Robinson［６］也通過試驗驗證了這一觀點.據(jù)此,本文以連云港粘性土作為研究對象進行一維固結壓縮試驗,在固結過程中隨時測量其超靜孔隙水壓力,針對孔壓消散階段的數(shù)據(jù)進行分析,并結合孔壓數(shù)據(jù)和時間-變形關系曲線計算各級荷載下的固結系數(shù),并與時間對數(shù)法和時間平方根法的計算結果進行對比.1固結系數(shù)與固結土的關系土體壓縮通常分為3個階段:瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降.太沙基一維固結理論就是描述土體主固結階段的壓縮特性,本文假設在主固結階段,土體變形僅僅是由于土中孔隙水被排出,超靜孔壓消散而引起的,并不發(fā)生次固結變形.基于這個假設,則在室內(nèi)一維固結試驗中,試樣底部超靜孔隙水壓力與壓縮變形呈線性關系(Robinson［６－７］).Crawford［８］針對渥太華海相沉積粘性土進行研究時也發(fā)現(xiàn)了超靜孔壓與沉降的線性關系.當采用超靜孔壓進行固結度計算時,其公式為式中,σ為施加于土樣的豎向荷載增量,uｂ為試樣底部孔隙水壓力.由于前述超靜孔壓與沉降呈線性關系,則根據(jù)上式,土樣的固結度與沉降也呈線性關系,如圖1所示.由圖1可見,該直線與縱軸的交點d０、d１００分別是固結度等于零和固結度等于100%時的沉降量.由此,結合一維固結壓縮試驗的時間-變形曲線可求得土樣在任意固結度下所對應的固結時間,再根據(jù)太沙基一維固結理論固結度計算公式:計算該固結度下的時間因素Tｖ,即可求得試樣在某一級荷載下的固結系數(shù).本文將選取固結度為U=50%時所對應的固結時間t５０計算固結系數(shù),固結系數(shù)計算公式為式中,H為固結試驗中最大排水距離,由于本文試驗將在試樣底部測量超靜孔隙水壓力,故僅從試樣頂部排水,最大排水距離即為土樣厚度;t５０為固結度達到50%是所對應的固結時間.2土樣的固結壓縮試驗試驗用土取自江蘇連云港地區(qū),基本物理參數(shù)見表1.其中液限采用蝶式液限儀測定,塑限采用搓條法測定,粒徑分布采用密度計法測定.該土在塑性圖上的位置如圖2所示,略微高于A線,屬于高液限黏性土.本文試驗采用Zeng等設計改進的能夠測量試樣底部孔壓的滲透固結容器,如圖3所示,代替常規(guī)固結容器進行固結壓縮試驗.孔壓測量裝置由孔壓計和與之相連的數(shù)字顯示器組成,測量精度為1kPa,在固結過程中可隨時顯示試樣底部孔隙水壓力.為保證試樣底部透水石和測壓管道完全飽和不含氣泡,固結容器底部還配備有滲透裝置.試驗制備土樣為完全重塑飽和土,初始含水率為1.6倍液限,試樣直徑為61.8mm,高度為40mm.3試驗結果與分析3.1固結度與孔隙固結度的關系通過上述底部可測孔壓的固結儀進行固結試驗,所得的連云港重塑黏土的d-logt壓縮曲線如圖4所示,加載等級分別為50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa和1600kPa,壓縮曲線呈倒S形,具有兩個反彎點.運用孔壓法計算固結系數(shù)時需根據(jù)壓縮曲線確定d５０時對應的固結時間t５０,進而根據(jù)公式(3)計算固結系數(shù).圖5是與各級荷載下壓縮曲線相對應的試樣底部超靜孔隙水壓力隨時間的變化曲線.由圖5可知,孔壓隨時間變化呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,約在30min達到峰值,并且峰值孔壓低于豎向荷載增量,約等于荷載增量的50%.這一試驗結果與Whitman［４］、Robinson［６］等人的試驗研究是一致的.造成這一現(xiàn)象的原因是試樣底部超靜孔隙水壓力的產(chǎn)生需要一定的時間,在這一過程中試樣頂部同時在排水,所以導致了峰值孔壓的延遲并使其小于豎向荷載增量.根據(jù)所測試樣底部超靜孔壓以及固結度計算公式(1)可計算試樣固結度,據(jù)此,在固結過程中,根據(jù)孔壓消散情況計算所得固結度與試樣變形的關系如圖6所示.由圖6可知,由于試樣底部超靜孔隙水壓力的延遲作用,連云港重塑黏土在50~100kPa、100~200kPa、200~400kPa、400~800kPa、800~1600kPa5個荷載增量下,固結度均隨著沉降量的增加先減小后增大,當固結度大于一定程度時,固結度隨沉降量的增加線性增大.在上述5個荷載增量下,固結度分別超過46%、35%、47%、51%、58%后,固結度與沉降量呈線性變化規(guī)律,通過擬合方法可獲得這些直線的方程,其與縱軸的交點就對應于固結度為0和固結度為100%時的沉降量d０、d１００,進而可計算出t５０和Cｖ.3.2時間對數(shù)法與時間數(shù)法的固結系數(shù)運用時間對數(shù)法和時間平方根法計算連云港重塑黏土在不同豎向荷載下的固結系數(shù),并與前述方法進行對比.其中,根據(jù)時間對數(shù)法確定的固結度為100%時對應的沉降量d１００與基于底部超靜孔壓所確定的d１００對比如圖7所示,由圖可知,數(shù)據(jù)點均位于45°線附近,由時間對數(shù)法確定的主固結沉降量略低于基于孔壓測定的主固結沉降量,但二者差異較小.可見時間對數(shù)法確定主固結沉降量具有良好的精度.將時間平方根法、時間對數(shù)法及基于孔壓計算的固結系數(shù)進行比較,如圖8所示,圖中空心點位于實心點的上方,并且實心點相對更靠近45°線.可見時間平方根法計算的固結系數(shù)Cｖ大于時間對數(shù)法的計算結果,這與很多學者的研究是一致的.而時間對數(shù)法確定的固結系數(shù)Cｖ更接近本文采用的孔壓法,二者的計算結果非常接近45°線.因此,在缺乏孔壓數(shù)據(jù)的情況下,本文建議使用時間對數(shù)法計算固結系數(shù).此外,研究連云港重塑土固結系數(shù)與豎向固結應力的關系還可發(fā)現(xiàn),如圖9所示,無論是基于孔壓、時間對數(shù)法或時間平方根法計算得出的固結系數(shù)均隨著固結應力的增大而增大,這表明在固結過程中固結系數(shù)并非常量,固結系數(shù)隨著固結應力的改變而變化.4土面固結試驗針對連云港重塑黏土,采用Zeng等設計改進的能夠測量試樣底部孔壓的滲透固結容器,進行一維固結壓縮試驗,探討運用孔壓計算土體固結系數(shù)的方法,并與傳統(tǒng)計算方法進行比較:1)針對連云港重塑土進行一維固結試驗,發(fā)現(xiàn)固結過程中試樣底部孔壓具有先增大后減小的規(guī)律,其峰值孔壓滯后30min左右,約