海积软土排水固结机理分析

　第 35 卷 　第 2 期2005 年 3 月 吉 林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版) Journal of Jilin University ( Earth Science Edition) Vol. 35 　No. 2 Mar. 2005 　　 海积软土排水固结机理 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 房后国1 ,刘娉慧1 ,肖树芳1 ,林德全2 (1. 吉林大学 建设工程学院 ,吉林 长春 130026 ;2. 中国地震局工程力学研究所 ,黑龙江 哈尔滨　150080) 摘要 :从海积软土微观结构入手 ,通过电子扫描显微镜 (SEM) 、压汞等试验发现 ,原状软土中孔隙和大 于 1 000 ! 的小孔隙较多 ,微孔隙次之。随着固结压力的增加 ,中孔隙变为小孔隙 ,土体含水量也很快降至 液限左右 ,孔隙中主要含水类型为结合水 ;结构单元体等效直径也随固结压力的增加而增大。由于孔隙水 类型不同 ,随着固结压力的增大和时间的延续 ,软土渗透系数 K 呈幂指数递减关系 ,固结变形曲线上有明 显转折点 ,次固结系数也随固结压力发生非线性变化。由此可见 ,海积软土排水固结过程中渗透系数、变 形特性、次固结系数及孔压变化规律与孔隙水类型的改变密切相关。 关键词 :海积软土 ;电子扫描显微镜 (SEM) ;孔隙 ;结合水 ;渗透性 中图分类号 : TU447 　　　文献标识码 :A 　　　文章编号 :1671 5888 (2005) 02 0207 06 收稿日期 :2004 05 04 基金项目 :国家自然科学基金项目 (40172092) 作者简介 :房后国 (1976 ) ,男 ,安徽枞阳人 ,博士研究生 ,主要从事岩土力学及地基处理研究 , Tel :0431 - 8502288 , E2 mail :housefhg @vip . sina. com。 Analysis on Mechanism of Drain and Consol idation of Marine Soft Soil FAN G Hou2guo1 ,L IU Ping2hui1 ,XIAO Shu2fang1 , L IN De2quan2 (1 . College of Const ruction Engineering , J i lin Universi t y , Changchun 130026 , China; 2 . I nsti t ute of Engineering Mechanics , China Seismological B ureau , Harbin 150080 , China) Abstract : The aut hors analyse marine sof t soil micro st ruct ure in t he process of consolidation ,and find t hat t he medium pole and small pore > 1 000 ! are p redominant . They hold f ree water . The micro2 pore is secondary in undist urbed sof t soil . Wit h increment of consolidation pressure t he medium pore changes into small pore , and t he water content decreases to liquid limit , t hen t he type of void water is bound water . The equivalent diameter of st ruct ure cell also increases with increment of consolidation pressure. Due to variation of pore water type t he permeability coefficient decreases in power exponent wit h p ressure increasing and time going. There is a t urning point on t he curve of consolidation deforma2 tion , and the coefficient of secondary consolidation is nonlinear in p rocess of consolidation. In conclusion t he permeability coefficient ,deformation property ,coefficient of secondary consolidation and pore p res2 sure change wit h t he type of pore water in consolidation process of marine sof t soil . Key words : marine sof t soil ;SEM ; porosity ; bound water ; permeability 近代海积软土在我国沿海地区分布十分广泛 , 随着沿海城市经济的快速发展 ,大量港口工程、建筑 物的兴建 ,开展了诸多填海工程。海积软土基本处 于欠固结 - 正常固结状态 ,具有含水量高、孔隙比 大、承载力低的特点[1 ] ,一般不能满足工程需要 ,需 进行地基处理。排水固结的本质是施加静或动荷 载 ,排出软土孔隙中的水使其加速固结 ,达到提高强 度及减少建筑物使用期间沉降之目的。但软土渗透 性低 ,且目前众多的加固工程都有一个共同特点 ,即 加固稳定后土层的含水量均在其液限附近波动 ,难 以在短时间内达到令人满意的结果。因此 ,深入研 究软土排水固结机理具有重要的现实价值。 1 海积软土微观结构特征 海积软土具有一定的结构性 ,灵敏度较高 ,不同 的微观结构其固结特性也不相同[ 2 ] ,分析海积软土 的微观结构有助于弄清固结过程中的控制因素 ,如 孔隙、渗透性、压缩性的变化规律[3 ] 。 1 . 1 软土 SEM 图像分析 目前电子扫描显微镜 ( SEM) 是研究土微观结 构先进手段之一。为便于对比分析 ,试验采用统一 的放大倍数 ( ×2 000) 进行测试。杭州软土试验结 果如图 1 所示。 对 SEM 图像进行定量分析可知 ,随着固结压 力的增大 ,大部分结构单元体的等效直径由原状土 样的 2～10μm 变为 5～20μm。与原状土样的孔隙 分布对比 ,孔隙整体上随着固结压力的增大而变小 , 孔径小于 1μm 的孔隙随着固结压力的增大增加较 快 ,所测的孔隙中小于 2 μm 的比重比较大 ,约为 80 %以上。说明随着固结荷载的增加 ,土中的孔隙 体积不断减少 ,大部分土中孔隙为结合水所占据 ,结 合水膜变得越来越薄 ,越来越多的粘土颗粒靠结合 水膜连结形成新的团聚体[4 ,5 ] 。 1 . 2 软土中孔隙特征 高孔隙性是软土的一个重要结构特征 ,孔隙特 征 (大小、种类等)直接决定其固结、蠕变性质。孔隙 的定量分析是采用 SEM 图像分析法和压汞法 ,根 据压汞测孔资料 ,结合大量的扫描电镜照片 ,参照结 合水膜厚度 ,可将土中的孔隙类型加以划分 ,大孔隙 ( d > 40 000 ! ) ,中孔隙 ( d = 4 000～40 000 ! ) ,次 小孔隙 ( d = 1 000～4 000 ! ) ,小孔隙 ( d = 400～ 1 000 ! ) ,微孔隙 ( d < 400 ! ) 。表 1、表 2 是软土原 状样和不同固结压力作用后孔隙分布特征表。 原状软土的中孔隙和次小孔隙数量较多 ,二者 的体积分数达 50 %～70 % ,微孔隙次之。从表 2 可 以看出 ,随着固结压力的增加 ,中孔隙逐渐变为小孔 隙。如当压力 p 增至 150～ 270 kPa 时 ,直径在 1 000～4 000 ! 左右的次小孔隙占据绝大部分 ,大 孔隙和微孔隙数量变化不大 ,可见不同类型的孔隙 对压力的反映是不同的。不同孔隙中含有不同类型 的孔隙水 ,在固结不同阶段对其渗透性、压缩性的影 图 1 杭州软土不同固结压力下的 SEM 照片 Fig. 1 SEM photo of Hangzhou soft soil under different consolidation pressure a. 原状样 ;b. p = 100 kPa ;c. p = 300 kPa 响起不同的控制作用。 表 1 不同地区软土中的孔隙分布特征 Table 1 Pore2size distribution of soft soil in different areas φB / % 地点 大孔隙 中孔隙 次孔隙 小孔隙 微孔隙 天津 4. 7 15. 3 46. 4 1. 1 32. 5 杭州 3. 9 54. 7 5. 8 2. 8 32. 8 上海 3. 1 17. 5 34. 3 0. 9 44. 2 厦门 4. 1 55. 2 8. 3 0. 7 31. 7 802 　　吉 林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版) 　　　　　　　　　　　　　　第 35 卷 　 表 2 孔隙类型随压力的变化 Table 2 Pore type change with pressure φB / % p / kPa 大孔隙 中孔隙 次小孔隙 小孔隙 微孔隙 0 3. 9 54. 7 5. 8 2. 8 32. 8 150 4. 2 1. 5 57. 1 2. 7 34. 5 270 5. 0 5. 6 14. 9 44. 5 35. 0 400 0 3. 0 9. 6 51. 9 35. 5 2 软土中的孔隙水 软土的饱和度一般都在 95 %以上 ,含水量高 , 基本处于两相状态。而且软土中的粘粒含量高 ,细 小的粘土颗粒与其中的水相互作用产生大量的结合 水。软土的固结、蠕变特性与土中的水密切相关 ,特 别是其中的结合水。因此土中结合水一直是土质 学、土力学、工程地质学等密切注意研究的问题之 一[6 ] 。到目前为止 ,结合水膜厚度的测量问题尚未 得到解决 ,主要采用一些方法确定结合水的含量 ,如 X 射线衍射法、加压排水法、离心机法、吸湿法等。 它们都有其不足之处 ,但吸湿法简便直观 ,一直为许 多学者所采用。 表 3 不同方法求得软土中不同类型孔隙水的体积分数 Table 3 Content of pore water in soft soil with different method φB / % 试验 方法 吸附结合水 渗透结合水 自由水 天津 杭州 天津 杭州 天津 杭州 液塑限 19. 7 19. 2 16. 8 17. 9 9. 3 5. 5 吸湿法 14. 0 14. 5 19. 1 21. 3 6. 3 4. 5 SEM 法 15. 4 15. 2 23. 5 21. 7 4. 6 5. 9 表 3 为不同方法测得天津和杭州地区海积软土 中不同类型孔隙水。由试验结果可知 ,软土中富含 大量的结合水 ,自由水的体积分数一般小于 10 % , 因此其排水固结后期阶段由结合水控制。 另外 ,可用 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 求出强结合水膜的平均厚度 : h = w/ s 。 式中 : h 为水膜厚度 ( cm) ; w 为体积含水量 ( g/ cm 3 ) ;s 为比表面积 (cm2 / g) 。若软土比表面积在 20～100 m2 / g 之间 ,则强结合水膜的厚度大致为 : 杭州 ,150～800 nm ;天津 ,140～700 nm。弱结合水 的含量用风干土中水的含量计算 ,其平均厚度也可 用相同的方法求出 ,都大致为 400～1800 nm。再根 据物理化学的双电层理论计算结果 ,可知天津和杭 州地区软土的结合水膜厚度约为 500 ! 。结合海积 软土原状样的孔隙特征 ,可以看出天然状态下海积 软土中以中孔隙和大于 1 000 ! 的次小孔隙为主 , 两者的体积分数达到 50 %以上 ,有的高达 63. 5 % , 微孔隙次之 ,有部分大孔隙。而大孔隙和中孔隙的 直径远大于 2 倍结合水膜厚度 ,这些孔隙中含部分 自由水 ,在加载初期 ,连通的粒间孔隙易于形成渗流 通道 ,对土的压缩性和渗透性有较明显的影响。 从不同类型的孔隙在压力作用下的变化特征可 以看出 ,随着固结压力的增加 ,土中中孔隙的数量急 剧减少 ,而小于 1 000 ! 小孔隙的数量大幅度增加 , 如 p > 270 kPa 时 ,土中次小孔隙、小孔隙和微孔隙 的体积分数达 85 %以上 ,特别是小于 1 000 ! 的孔 隙占 79 %左右 ,这些孔隙都为结合水所占据。 由此可见 ,海积软土原状样中中孔隙和大于 1 000 ! 小孔隙较多 ,这些孔隙中赋含部分自由水 ; 在固结压力的作用下 ,随着土体中的水被挤压而释 放出来 ,孔隙不断变小 ,土体的含水量很快降至液限 左右 ,土孔隙中的主要含水类型为结合水 ,排水体积 减小 ,排水时间减慢。此时 ,软土的固结与蠕变特性 和结合水在外力作用下所表现的行为密切相关。 3 固结过程中渗透系数 k 的变化规律 海积软土中孔隙水类型和性质十分复杂 ,尤其 是其中的弱结合水。弱结合水的渗流特性应该是一 个研究重点 ,也是软土排水固结过程中一个重要的 控制因素。研究软土的实际固结过程发现 ,在固结 过程中随压力的增加和时间的延续 ,渗透系数 k 也 随之发生变化 ,因此必须重新考虑海积软土固结过 程中渗透系数 k 的变化规律。 软土受压固结时排出的水量不仅和固结度有 关 ,还与固结压力和边界条件等因素有关。因此 ,固 结过程中的渗透系数在一定的固结压力下随着固结 度的不同而变化 ,难以用一个固定的系数来表达 ,这 时的渗透系数可用与固结压力和固结度相关的函数 k 来表示 : k = f (U t , p , ⋯) 。 　　渗透系数 k 的变化相当复杂 ,很难从理论上推 导它们之间的函数关系 ,可以采用试验方法确定渗 透系数 k 与固结度和固结压力之间的关系式。 海积软土固结过程中渗流速度随固结度的变化 902　第 2 期 　　　 　　　　　　房后国 ,刘娉慧 ,肖树芳 ,林德全 :海积软土排水固结机理分析 图 2 渗流速度与固结度关系曲线 Fig. 2 Curve of seepage velocity and consolidation degree 规律如图 2 所示。将实验数据作数理统计上的回归 分析 ,选用不同的回归函数 ,最后选定拟合度较高的 乘幂函数关系 V = EU Ft 来模拟排水速度与固结度 的关系。式中 E、F为拟合系数 ,其大小与固结压力 及排水情况有关。把 V = EU Ft 代入达西定律 k = γV u 可得 k = Eγ u U Ft , 而 U t = 1 - u u0 , 故固结过程中渗流系数 k 与孔隙水压力的关系式为 k = Eγ u (1 - u u0 ) F 。 　　由此可见 ,固结过程中的渗透系数逐渐变小 ,但 在加载初期变化较大 ,后期变化幅度减小 ,并趋于稳 定。这是由于海积软土受压固结时 ,产生超静孔隙 水压力 ,使得土体内部的水力梯度增大 ,部分孔隙在 水压力的作用下被迫扩展连通 ,促使土体中的部分 自由水向外排出 ,但压缩的同时又使土体的孔隙减 小 ,孔隙中自由水的含量减少 ,结合水占据主导地 位 ,而结合水具有一定抗变形能力 ,从而使渗流速度 变慢。 从图 3 中可见 ,固结过程中随压力增加渗透系 数也逐渐减小 ,当压力增至 150～200 kPa 时 ,渗透 系数 k 随压力变化的趋势明显变慢 ,存在一转折点 , 表明在不同压力下软土固结中不同类型孔隙水的排 出。当 p < 170 kPa 时 ,孔隙中含有自由水 ,孔隙比 随压力急剧减小 ,渗透系数也就发生较大变化 ;当 p > 170 kPa时 ,软土孔隙中主要为结合水所充填 , 孔隙比随压力变化不大 ,故而渗透系数变化幅度变 图 3 渗透系数 k 与固结压力的关系 Fig. 3 Change of permeability coeff icient k with consoli2 dation pressure 小。 4 固结过程中孔压及含水量变化特征 室内试验得到软土分级加荷条件下最大孔压系 数 B 及排水前后含水量 ( w1 , w2 )变化如表 4 所示。 表 4 不同固结压力作用下最大孔压系数和含水量变化 Table 4 Change of content and max coeff icient of pore water under different pressure 天 　　津 杭 　　州 p / kPa w1 / % w2 / % U / kPa B p / kPa w1 / % w2 / % U / kPa B 50 68. 4 60. 2 50. 0 1. 00 50 67. 2 60. 1 49. 5 0. 990 100 60. 2 50. 9 38. 0 0. 380 150 60. 1 51. 1 20. 0 0. 133 200 50. 9 43. 9 82. 0 0. 410 200 51. 1 40. 4 55. 0 0. 275 300 43. 9 40. 5 95. 5 0. 318 300 40. 4 37. 9 42. 5 0. 142 400 40. 5 38. 3 41. 5 0. 106 400 37. 9 35. 3 18. 5 0. 046 从表 4 中可以看出 ,当σ= 50 kPa 时 ,天津和杭州地 区海积软土的最大孔压分别为 50 kPa 和 49. 5 kPa , 而当σ= 400 kPa 时 ,最大孔压分别变为 41. 5 kPa 和 18. 5 kPa。对于饱和的海积土 ,当其含水量大于 液限时 ,土中因存在自由水 ,受外载荷作用后 ,孔隙 水压反映灵敏 ,产生明显的超静孔隙水压 ,其孔压系 数 B 接近 1 ,随着自由孔隙水的渗流排出 ,当含水量 处于液限和吸附结合水含量之间时 ,土中的水主要 为强结合水、弱结合水和少量的自由水 ,此时 ,即使 在较大的外荷载作用下 ,土中孔隙水压反映也远不 加载初期明显。少量孔隙水压的显现 ,可能来自两 个方面 : (1)在上一级荷载作用下 ,土孔隙中残留有 少量自由水 ; (2) 在较高应力作用下 ,部分弱结合水 向自由水的转化[ 7 ] 。 012 　　吉 林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版) 　　　　　　　　　　　　　　第 35 卷 　 天然状态软土一般呈饱和状态 ,其含水量也高 出液限含水量。从表 4 中还可以看出 , 当压力 p < 200 kPa时 ,其含水量下降较快 ,达到 20 %左右 ; 而压力增至 400 kPa 时 ,其含水量也只下降了约 10 %。这也是由于软土固结过程中孔隙变小 ,其孔 隙中含水类型由自由水 结合水类型转变为以结合 水为主 ,而结合水具有一定的抗变形能力 ,在外荷作 用下已经越来越不容易排出。说明在目前软基处理 工程中 ,提高堆载压力来加强处理效果的能力是有 限的。 5 软土固结变形特性 室内试验和现场观测均表明 ,太沙基 ( Terza2 ghi)理论并不完全符合实际情况[ 8 ] (图 4) 。在初始 施加较小荷载时 ,外荷由孔隙水承担 ,软土颗粒间的 孔隙较多 ,其中的自由水快速排出 ,渗透系数随压力 变化较大 ,软土固结变形与自由水在外荷作用下的 行为密切相关。土产生明显的压缩变形 ,即主固结 变形 (图 4) 。太沙基 ( Terzaghi) 渗流固结理论也是 基于这种变形特点而提出的。在外在压力的作用 下 ,随着水膜变薄 ,弱结合水距颗粒的距离靠近 ,颗 粒之间相互作用逐渐增强 ,排水量也就相应减小 ,也 就是说颗粒之间水膜厚度达到一定数值时 (或者说 是一定范围时) ,弱结合水的排出量较小 ,反映在体 图 4 固结变形随时间的变化图 Fig. 4 Curve of consolidation deformation change with time 应变上就使得固结曲线在孔隙水压力完全消散之前 产生一明显拐点 (图 5) [9 ] 。随着固结压力的不断增 加 ,软土的中孔隙数量减少 ,小孔隙数量迅速增加 , 这时软土中绝大部分孔隙为结合水所占据 ,渗透结 合水受压被挤出 ,其渗透系数随压力变化幅度较小 , 这时软土固结变形受结合水在外荷作用下的行为所 图 5 软土(杭州)分级荷载压密过程中体应变变化历时 图 Fig. 5 Soft soil volume change with time in consolidation with graded loading 控制。描述此时土的受压变形 ,太沙基( Terzaghi) 渗流固结条件已不完全相符 ,表现在 :( 1) 排水渗流 已不完全符合达西定律 ; (2) 加载初期 ,并非产生大 的超静孔隙水压 ,而后渗流卸压给土骨架 ;相反 ,从 一开始有效应力就承担了大部分载荷 ,产生骨架压 缩而使部分弱结合水被压后转化为重力水。由于此 时骨架强度提高 ,超静孔隙水压小 ,少量重力水排出 已很不易 ,所以 ,土的压密变形小且缓慢 ,如图 5 中 , p = 200 ,300 ,400 kPa 的曲线。 图 6 不同固结压力下体应变随时间变化曲线 Fig. 6 Volume change with time under different consoli2 dation pressure 图 6 为室内固结试验得到软土变形随时间变化 曲线 ,可以看出 ,软土变形随着时间的变化有一明显 的转折点 ,而此时孔隙水压力并未消散为 0 ,也表明 渗透固结过程中自由水的渗出越来越少 ,渗透结合 水越来越多 ,而结合水与自由水的粘滞系数并不相 112　第 2 期 　　　 　　　　　　房后国 ,刘娉慧 ,肖树芳 ,林德全 :海积软土排水固结机理分析 同 ,不易排出 ,因此软土固结变形曲线变得平缓。 6 　次固结系数 Cs 变化规律 对于次固结系数有多种定义形式。本文中次固 结系数由下式求得 : Cs = Δε/ (log t1 - log t100 ) 。 其中 : t100为主固结完成的时刻 ; t1 为主固结后任一 时刻 ;Δε为对应于两个时间的体应变差值。 海积软土的次固结系数 Cs 随压力 p 而变化 ,从 图 7 中可以看出 ,次固结系数 Cs 随压力 p 的增加而 减小 ,变化幅度随压力的增大而减小。这是由于固 图 7 次固结系数随固结压力的变化曲线图 Fig. 7 Curve of secondary consolidation coeff icient change with consolidation 结荷载增大 ,软土中孔隙中结合水逐渐占据主导地 位 ,而结合水是非牛顿性状液体 ,其渗流特性不符合 达西定律 ,且结合水膜逐渐变薄 ,抗变形能力逐渐增 强。因此 ,在固结后期次固结系数 Cs 变化速率趋于 平缓。 7 结 论 综上研究可以得出以下主要结论 : (1)海积软土天然状态下以中孔隙和大于 1 000! 的次小孔隙为主 ,微孔隙次之 ,有部分大孔隙 ,此 时软土中孔隙水类型为自由水 结合水类型 ;当压力 增大一定时 ,软土中以大于 1 000 ! 次小孔隙和微 孔隙为主 ,孔隙大部分为结合水所充填 ,转变为结合 水占据主导地位。 (2)由于固结过程中孔隙水类型的转变 ,随着固 结压力的增大和时间的延续 ,软土渗透系数 k 均随 之发生变化 ,且呈幂指数关系 ,随着压力的增大和时 间的延续其变化幅度逐渐平缓。 (3)软土固结变形曲线上有一明显转折点 ,这是 因为初始加载时软土中含有自由水 ,固结变形与自 由水的排出相关 ;而固结后期孔隙中结合水占据主 导地位 ,软土固结变形为弱结合水的渗流特性所控 制。 (4)软土固结过程中随压力加大 ,孔隙不断变 小 ,结合水膜变薄 ,其粘滞系数也随之发生变化 ,因 此软土次固结系数也随固结压力发生非线性变化。 参考文献( References) : [1 ] 肖树芳 ,房后国 ,何俊. 软土中结合水与固结、蠕变行为 [ A ] . 见 :中国建筑学会工程勘察分会主编. 全国岩土 与工程学术大会论文集 [ C ] . 北京 :人民交通出版社 , 2003 :1 464 1 469. 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