太湖湖积相黏土高压固结试验研究

林 伟，段宏飞，薛晓辉

(1.陕西铁路工程职业技术学院 建筑工程系，陕西 渭南714000;2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州221116)

沪宁城际轨道交通娄蕴特大桥昆山西桥段位于江苏省昆山市境内，里程为DK240+203.80～DK252+279.36，桥梁全长12075.88m。桥址区属太湖冲湖积平原，地势平坦开阔，地面高程在－2.70～3.87m之间，最大相对高差约5.2m，地势较平缓，辟为农田、水塘及菜地。根据区域地质和钻探资料，地层由第四系全新统人工堆积层、冲湖积层、海积层、泻湖积层、上更新统冲积层组成，岩性岩相复杂，常发生相变或尖灭。

1 取样及试验内容

铁道第四勘察设计院工程测试中心对娄蕴特大桥昆山西桥段土样做了高压固结试验，本文以其中里程DK251+821.37～DK252+213.99段太湖湖积相黏土为分析研究对象，由于黏土具有比一般材料更加显著的非线性(模量随应力的大小而变化)、弹塑性(压缩变形中既有可恢复的弹性变形又有不可恢复的塑性变形)和剪胀性(剪应力引起的体积变形)，而且由于渗流固结作用，变形的发展有一个时间过程，因此，选取了代表性的土样进行高压固结试验，试验分析土样如表1所示。

表1 试验分析土样信息

2 试验成果分析

2.1 e—p曲线及压缩系数a

将试验所得数据采用直角坐标系绘制e—p曲线，假设压力由pi增加至pi+1，相应的孔隙比由ei减小到ei+1，则压缩系数 a(MPa－1)

当压力变化不是很大时，可以用它代表这一压力段内土的压缩性。实际上，同一压力段或者不同压力段的a值是不同的，工程上一般取 p1=100 kPa，p2=200 kPa区间段内的压缩系数a1－2来评价土的压缩性，即

取压力在400 kPa以内不同深度的土样研究，其 e—p关系曲线见图1，压缩系数 a1－2见表2。

图1 e—p关系曲线

表2 压缩系数 a1－2

从图1和表2还可以看到，深度从5.2 m到20.2 m黏土的压缩系数呈变大趋势，20.2 m以下黏土的压缩系数逐渐变小;再由表2可以看出，从5.2 m到57.2 m的不同深度黏土的压缩系数都大于0.5 MPa－1，仅37.2 m为0.49 MPa－1，说明试样黏土属于高压缩性黏土。

2.2 e—lgp曲线及压缩指数cc

将孔隙比 e与垂直压力 p的对数绘制 e—lgp曲线，见图2。

图2 e—lgp关系曲线

从图2不难看出，e—lgp曲线后半段是一直线，其斜率就是压缩指数cc

结合式(1)、式(3)，可以得出 a与cc的关系，如下:

对应于公式(2)

不同深度的压缩指数 cc、cc(1－2)见表 3。

表3 压缩指数 cc、cc(1－2)

从图2可以看到，e—lgp曲线前半段并非直线，原因是地基土在历史上经过大的压力作用。从表3可以看出，深度从5.2 m到57.2 m压缩指数cc由0.46基本上呈减小趋势，直至变为0.40，仅在37.2 m处为0.43，稍大于27.2 m处的压缩指数，但变化不大。

2.3 不同深度的压缩模量Es曲线

压缩模量是指在完全侧限条件下土的竖向附加应力与相应的竖向应变增量之比值。Es越小，土的压缩性越高。

试验取自重压力pz对应的孔隙比e，1+e1为土样的起始高度时，Es为

图3 压缩模量Es与垂直压力p关系曲线

图4 压缩曲线

从图3可以看到，同一深度不同垂直压力p作用下，压缩模量Es是不一致的，表现出明显的非线性特征，并且随着p的加大，Es呈增大的趋势，但不同深度的压缩模量的变化规律有一些不同:深度为5.2 m时，在400 kPa以前Es曲线递增，400 kPa以后 Es呈直线上升;深度为 20.2、27.2、37.2、57.2 m 时，Es基本上呈“S”形曲线递增。总的来说，Es呈增大的趋势且远>4 MPa，而在200 kPa以下 Es都 <4 MPa，说明随着压力的增大黏土的压缩性会发生很大的变化，由高压缩性向低压缩性转变，因为土的压缩实质上是孔隙水的消散，黏土孔隙比减小(见图4)、颗粒的挤密过程，地基处理中采用的预压固结法就是这个道理。

2.4 不同荷载作用压缩模量曲线

由图5可以看出，同一垂直压力p作用下，压缩模量Es并不是相等的，也没有简单地呈一递增或递减的趋势，而是在一个范围之内有一个上下的波动，主体上呈现某一个数值;观察压缩模量Es与深度关系曲线，可以很明显地看出，随着垂直压力的增加，Es呈台阶式的逐步跳跃上升，说明了高压作用下，黏土颗粒已趋于非常挤密状态，黏土已由高压缩性转变为低压缩性了，这时工程施工，沉降变形就能够很好的控制。

图5 压缩模量Es与深度关系曲线

3 结语

考虑了黏土材料的非线性、弹塑性和剪胀性特征，而且由于渗流固结作用，变形的发展有一个时间过程，选取了沪宁城际轨道交通娄蕴特大桥昆山西桥段代表性的太湖湖积相黏土土样进行高压固结试验，测出了压缩系数、压缩指数、压缩模量等压缩性指标，结果表明太湖湖积相黏土属于高压缩性软土，并对不同深度高压作用下压缩模量的变化进行了详细的分析，为工程中预压固结处理地基的方法提供了试验基础佐证。

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