软粘土的结构性及其对路基沉降的影响

1、第卷 年维普资讯 第 5期岩土工程学报l7No 59月ChineseJoornlofGeotechnicalEngineeringSe口1 ，l995Z软粘土的结构性及其对路基沉降的影响戴济群张诚厚袁文明订l科学葡 it所，21o024)f2- z 乙文 摘 沪宁高速公路昆山试验段范围内的软牯土为具有结构性的正常压密牯土，如何认识此种土类的基本特性并充分加以利用是 在软基上修筑高速公路的主要问题之一。奉丈以室内试验及现场试验成果讨论了结构性对土的物理力学特性的影响，对现场地基沉降、孔睬压力及水平位移的影响，以及在沉降计算中如何考虑结构性的影响。 由该计算方

2、法所得的结果与现场沉降观测结果是一致的。关词 孳结构性，高速公路，沉降。c耄构I莹腥高 哈1 前言l呢隆所谓土的结构性，是指土颗粒及孔隙的性状及排列型式 (或称组构)，以及颗粒之间力的相互作用。结 构性的形成原因是多种多样的，土颗粒的矿物成分、沉积条件及孔隙水中的化学成分等都会影响土的结构性。在地层形成之后，由于物理、化学作用，如狄固结、卸荷、风化及淋洗等因素都会改变原来的结构。所 以，由于成因的不同，结构性的强弱程度和稳定性也有所差异。到 50年 代中期，扫描电子显微镜的出现使微观研究取得了很大的进展【 。在宏观研究方面，起初只集中于研究结构性对强度的影响，近十年才开始研究对应力一应变关系的

3、影响。最近的研究表明，绝大多数天然沉积的正常压密粘土都具有一定的结构性。在国外， Lam beT w 【 ， LeonardsG ， SchmertmannT HE ， BelllJlLt 等人曾研究过世界各地的软粘土研 究发现绝大多数天然沉积的正常压密粘土的视超压密比大于 10，约 1525。笔者对上海、湛江粘土的研究，也得出同样的结论 L6 J。最近，冯铭璋 介绍了上海、浙江、福建等地的软粘土的固结试验资料，证实结构性的存在使值有明显增大。在沪宁高速公路昆山试验路段范围内，广泛分布着软弱的淤泥质粘性土及亚粘土等具有一 定结构性的正常压密粘土。本 文将讨论软粘土的结构性及其对地基沉降的影响。

4、2 试验场地及试验项目简介2 1 试验路段的位置及地质条件为研究软土厚度、填土高度对路堤、地基的变形规律的影响，选择了地质及地形条件变化较大的昆山市郊作为试验路段，全长 16kin。该地区为太湖水网平原区，周围都是耕地，到稿日期：19940312维普资讯 岩士】l 狴学报995扯地面标高为 153Om。 勘探表明，地面以下有 60m 沉积层，浅层士主要有下列 s种 上层各土层沿路堤轴线的分市如同 l所 示其物 理力学特性见表 l。鞋咄 l 沪 高逮公路昆山试验嚣断而编号驻 层舒巾衰 1各土层物理力学指标鹱，( j(k m )() ()cpilsJc】1 1

5、 fkl )I。)r亚粘1 矗271quI415 10【I063(22I3I1淤质帖 【406t) 一19uI2一I9 l361l0【I22一O 6 O3一U 7Z73II 712蹬泥质重特3646I7 l9I2一I9 (I4) lfl l6 tl 2 f25一 【I 3 2fI 9】 -“rU 170 1 0 15 一()220(1 5 132轻土233120IOI5 (5l0)1lJI】06U 1 0 I32013 5一llJ，3j (30质 l帖I8(2Il)IIJU I8O 26270 64粉秽层30I9】一0 l134la) 亚粘土硬壳层。层 厚约 2Om 左右，该土层含水量低、密度

6、较火 【隙比小于 1 0，为 中等压缩性士 其视先期固结压力达 130kPa，视 超压密比迭 68，在 较小的荷重作用 F有较强的抗变形能力，强度较高 (达 50kPa)，是很好的持力屡。b) 擞泥质牯性土层。该 土层包括淤泥质粘上及淤泥质亚牯土，呈流竖状态， t层 厚度变化较大，由东向西逐渐变厚，东侧只 56m ，西侧最大厚度可达 25m 左右。 此土层属高压缩性土，具有一定的结构性，其视超压密比达 2530。 该 层的物理力学性最差 为稳定及变形的控制 t层。c) 亚粘土层。义 可分为亚粘土及轻亚粘土，一般，在土层的 j 部粉粒及牯粒含量大砦，下部的砂粒多些。 为中等压缩性土。d) 探层凇

7、泥质粘性士。在 试验段内 H 局部地段存在此 ：层，与浅层淤泥质牯性土相比，其物理力学特性稍好。e) 亚砂土及粉砂 该土层为中等紧密度。2 2 试验内容本次研究以排水方案为主，用路堤堆载进行预压，全部试验分为以下 4大类 13个 方案，各方案的试验参数见表 2。a) 对软土层较薄、填土高度较低的路段，只做表层排水，在表层排水中常用的措施是铺 设砂垫层，由于此处砂料奇缺，故辅以砂沟、S一230排水板及土工织物等方案。b) 对软土层较厚，荷载又较大的路段则打设塑料排水板，以增加垂直排水通道，加快固 结速度。 为研究排水板间距 打入深度的影响以及超载预 j毛的 敬果，在这类方法中共做 r 4种方案

8、。维普资讯 第 5期张诚厚等 软 牯土的结掏性厦其对路基沉降的影响27c) 为解决路桥结台处的工后沉降量要求较高、填土速率过大的问题，对粉体搅拌桩的加 固技术进行 了研究。d) 为确定不进行任何处理的临界条件，增加 r不处 理段的方案。衰 2方案参数处理观耐断面 断面 最终填土类型处理方案试验区段桩号 编号 高度备注m)K19+500KI9+550K19+530l35无硬壳层处理Kl9 t550KI9 750K19 72051有硬壳层砂淘Kl8500K18+550K18t520333浅砂垫层Kl8550K18600K18580434层排S 230水平排术K

9、18+60t)K18 700KI8+660535水复合土工布Kl8十700一K18十800K18+74063 6间距 =1On；L l0raK19750K19+850K19 82876 15塑料间距 =15m L ：l0mK19+950一K20 040KI9 95086 I3排水间距 =1 5mL=lOn；超载K2O040K2O10OI(2n+07098 04扳问距 =19mL=l5mK19十370K】9460Kl9+400l0626粉间距 =13mL：5mK192O0一K19250Kl9+230I1560体搅间距 =13m L I1mK19+250Kl9+298Kl9+255l256O拌桩问

10、距 17m L= l0m5mKl9+298 K19 330Kl9+295l36263 结构性对土的力学特性的影响3 1 室内试验我们以薄壁取土器钻取质量良好的原状土进行大量的室内试验，研究结构性对固结特性、应力一应变关系及孔隙压力特性的影响(1) 固结特性亚粘土硬壳层及淤泥质粘土的单向固结试验部具有明显的屈服点，所确定的视先期固结压力 大于有救上覆压力 P o，在 应力低于 P 范围内，土的压缩性较小；当应力超出 P 则压缩性突然增大。以亚 粘土硬壳层为例，当应力低于 P 值，视压缩指数 e 值仅 0063；应 力超过值，压缩指数 C 值达 022。结构强度越大的土类，P，值越高，视超压密比也

11、越大。我们绘出视超压密比沿深度的分布图，见图 2。地 表硬壳层的平均视超压密比 OCR 高达 68，在 淤泥质粘性土内，OCR 值自 2m 处的 30左右 ，降至地下 90m 处的 10。(2) 应力一应变曲线淤泥质粘土及亚粘土的应力一应变呈双曲线关系，剪应力随剪应变的增大 1lij增 大 在小应变阶段，应力一应变呈弹性状态，之后逐渐屈服，塑性变形逐步增大；当应力达峰值之后，试样完全呈塑性状态，应力值与应变无关，典型曲线见图 3。维普资讯 、岩 土 工 程 学 报1995规超压密比 OCR_生 田l2oo目毯鞋量，：10Df向应壹 一图 2 视超压密比 U

12、cR 椿度 ，分靠图圄 3 淤赝帖土的应力应堂关系(3) 孔隙压力特性对 结构性较强的硬壳层土骨架的刚度较大。 在加荷的初期大部分荷载是由骨架承受的，孔 隙压力增长缓慢；随着应变的增大结构受到破坏，孔隙压力增长较快。在 大应变条件下会出现两种情况：孔隙压力出现峰值，之后逐渐降低；孔晾压力随应变增大而增大，逐渐趋于稳定。 淤泥质粘性土的结构性较弱，在低应变阶段，孔隙压力增长较快，之后缓慢增大至稳定值，其孔隙压力与应变关系如图 4所示。固结压力越大，孔隙压力也越大。在低应变范 围内，孔隙压力增长率低于应力的增长率，在相同的应变条件下，孔隙压力值低于应力值。 此处的淤泥质粘性土的孔隙压力系数 A ，

13、界于 07 12之 间，与国内大多数正常压密粘土是一致的。(4)固结系数随固结压力的变化规律我们对淤泥质粘土做了较系统的试验，发现固结系数 与 固结压力 P之间有很好的规律性，见图 5。图中表明，固结系数也与应力水平有密切关系。在 应力低于视先期固结压力时，固结系数较高且基本为一常数；当应力接近视先期固结压力时，c 值明显降低，最后达一较低的稳定值。最高值与最低值之间相差几十倍。鼍 lg l三、X、f：赫蜉叵向应变 1ll同结压力Pk图 4 赫泥质牯性土的扎隙压力 一应变曲线图 5 淤坭质牯土的固结系数一固结压力关系3 2 现场原位测试成果在硬壳层及淤泥质粘土层内，典型的十字板强度沿深度的分布

14、如图 6所 示。在 硬壳层内的十字板强度最大，而淤泥质粘土的十字板强度只 20kPa。在本项研究中，我们做了大量的维普资讯 第 5期张诚厚等 软 牯土的结构性及其对路基况降的影响孔压静力触探试验，绘出孔隙压力与锥尖阻力 q 的比值谐深度的分布图，见图 7。010n 1 n 2 n 3 n 4 n 506箍 塾Eg孽鞋。0ot器0g图 6 十字板强度沿深度的变化凰 7 “口，一h分布图图 7中虽 然试验点稍有分散，但其变化趋势还是明是的，即由深度 2m 处的 0逐 渐变化到 9m 深度的 05，更深处的 uq 值不变。图 7与图 2对照，可以发现 OCR值自

15、 2m 深度逐渐减小，至 9m 以下为常教，其数值变化的分界线与孔压静力触探试验是一致的。这说明，孔压静力触探试验能定性的反映出结构性的变化4 现场观测成果由上述可知，当土体承受的应力较低时，土的结构性未被破坏，土的压缩性不大，外荷主要由土骨架承担，孔隙水压力较低，土体处于弹性阶段，侧向变形也诅小；当土体承受应力较大时，特别是应力超过视先期固结压力后，土的压缩性、孔隙压力及侧向变形值均增大。这 些基本特性在现场观测中都有所反映。41 沉降观测全部沉降过程线都表现出，在加荷初期的沉降量很小，沉降速率也很低；在填土高度超过一定数值之后，沉降过程线才出现转弯点；之后沉降速率有明显的增大。我们将各方案

16、的沉降过程线的转弯点所相应的填土高度列于表 3，由表 3可 以看出，不处理段 (1，2)的转弯点所相应的填土高度约 L5m 左右；对地表有排水层的方案 (36)，转弯点相应的填土高度约 2m 左右；有垂直向塑料排水板的各方案 (710)的转弯点发生在 25m左右。典型的沉降过程线如图 8所示。 出现转弯点的现象表明，结构性的存在使土具有一定的抗变形的能力。因此。小荷载时沉降量很小，随着荷载的增大，土的结构性受到削弱，使沉降量加大。不 同类型的加固措施使土的结构性得到不同程度的加强，故而加固效果越好的方案，转弯点所相应的填土高度也越大。裹 3沉降过程线转弯点对应的填土高度42 孔隙压力增长规律在

17、沉降过程线转弯点之前，外荷引起的孔隙压力较小；在转弯点之后，土骨架受到削维普资讯 岩土 工程学报995年弱，压缩量增大，使孔隙压力增长。 为比较转弯点前后孑L隙压力的变化。 我们采用孔隙压力系数 3进行比较，见表 4。 由表 4看 出，转弯点之后的孔隙压力系数有明显增托-R丑蜉匠lt培8 优降过程裁表 4孔隙压力系数 n断面编 号1456789转弯点前018O 390 t6O2(】0 49【)20 j 0 3O019H转弯点后00 64O4(】0 4【0 800 6Il 0 38cJ55 374 3 水平位移的变化规律以铺设复合土工织物的试验段 (断 面6

18、)为例，该断面的沉降过程线转弯点所相l l一应的填土高度为 25m，在填 I-高度低于此I值时，侧向水平位移量不足 lOmm (1I2黾，|线 )；填高度达到 25m 时，侧向水位鞋 1移增至 23ram (3 线 )，填士至36m 刖，1侧向水位移增至 50ram 以上(5线 )J圈 9。 此变化规律与沉降、孔隙压力增 K规律完全 一致。术千位善mm0 i 。-1、，f ll5 沉降计算中对结构性的考虑51 瞬时沉降 t 的计算在剪应力作用下地基内会产生翦切变形，在体积不变的条件下，因侧向挤出而弓f起附沉降。与 主圃结沉降相比，此项沉降维持的时问较短，所以常称为 “瞬 时沉降 ”。 在荷戟作

19、用下 土体侧向挤出体积与士层厚度附 加剪晰力、荷载宽度成正比，与土的初始弹性模量成反比。通过 l0个 加固方案的水平位移的舰测成果进行反馈分析，得到瞬时沉降量的计算关系式知下，此式与应力水平有关s骞垒s维普资讯 第 5期张诚厚等 软 牯士的结构性及其对路基扰降的影响式中 0为 有效上覆压力 (MPa)； 为视先期固结压力 (MPa)；Ah，为土层厚度，计算时可分为若干薄层 (cm)CP 为各薄层中心高程处的附加应力 (MPa)；E 为各土层的初始弹性模量(MPa)；085， 115为综合位移系数 。5 2 固结沉降的计算本项研究采用分层总和法进行沉降计算。

20、在计算中考虑结构性作用的关键是如何选取压缩性指标。结 构性土类的抗变形能力与应力水平有密切关系，在计算中应按实际的应力水平选取不同的设计参数，即应力低于视先期固结压力时选用 C 值，当超过先期固结压力时选用值 以试验段中的 1，35断面为例 ，分别以考虑 e 值及不考虑 值计算沉降量 5 及 s，值，计算结果见表 5。表 5沉降计算结果断而l345计算指标C，Cee，(ClC+(C36 8 48930643 6318 44651663 2计算值(cm)6764 3147369一4356 5566 349l 47913653 l 4933585701实测值s (cm)360234266I565由

21、表 5看 出，考虑结构性影响 (即 同时考虑 C ，e )后，计算沉降量可以减少 2O左右。计算值与实测沉降值相比，考虑结构性的计算结果与实昊I值更相近6 结语(1) 昆山地区的土类属于具有结构性的正常压密粘土。 结构性对土的物理力学特性有很大 的影响，土骨架的结构会使土具较大的孔隙比和较高的含水量 从力学特性来看，结构性的主要作用是增大了土骨架的刚度，结构性越强，土骨架的刚度越大。在 土体受外荷之后，外荷首先是由土骨架所承受，随着结构性的屈服与破坏，外荷才逐渐转移到孔隙水上去。(2) 具有结构性的正常压密枯土与超压密土具有本质的不同。 其结构性是不可逆的，一旦结构性受到扰动破坏，将无法在短期

22、内得到恢复，力学特性受到严重的恶化而很难改善。这一特点，在应力一应变关系、孔隙压力、强度上都有所反映。两 种土类力学特性的差异，对选取加固方法与建筑物的结构型式也会有不同的思路。对于结构性软粘土的加固方法，应优先考虑排水加固方案，结构型式应以轻型结构为佳。 在软土地基上修造建筑物时，由于对土的固结状态认识不足而失事的工程实例是屡见不鲜的(3) 在设计中应考虑结构性对强度及变形特性的有利影响，接不同的应力水平选取不同的设计参数。但是在选取设计指标时应考虑土骨架结构的不稳定性及不可逆性，在应用中要留有余地，以防止工程失败(4) 对结构性土类而言，施工速率的控制是非常重要的。过 快的施工速率会使结构

23、性受到 扰动而形成过太的塑性变形，产生过大的附加沉降。此附加沉降不是排水固结引起的，很难 加以预估。(5) 室内外的试验都证明 r土结构性的存在 。大量的现场观测成果 如沉降过程线 孔维普资讯 岩土工程学报1995矩隙压力系数的变化及水平位移曲线，都存在明显的转折点，其变化规律与室内试验是一致的。参考 文 献1 RosenqvlstfTPhystcoChemicalPropertieofSoils：Soil waterSystems Proc ASCE SM2 1959 31532 LambeT W rbe StructureofinorganicSo i

24、l ProrASCE195279 (315)：l493 aL orrdsG AGeneralDiscussionofSection ：Performance。faE rthandEarthSupportedStructuresFurdueUnlvaL fnystte，Indiana 1972， ：l69】734 uhmertmannSJH TheMechanicalAgingofSoils JGeotechEngineering DivASCE1991117 (9)：128813295 Bierrum L Embankmentson oS ftGround Performance 0IEarth and aE rthSupported StructuresPurdueUinv LafayetteIndiana1972， I：1456 张诚厚 上海粘土的准超压密特性 岩土工程学报 19824 (3)：62-697 张诚厚 结构性粘土对湛江一区码头变形的影响