30.软土工程特性和软土地基设计

软土工程特性和软土地基设计

Engineering propertie s of soft soils and de sign of soft ground

沈　珠　江

(南京水利科学研究院土工所,210024)

文　摘　在总结南京水利科学研究院在软土地基方面部分研究成果的基础上,重点介绍了有关天然软土结构性的最新研究成果和有效固结应力法的设计方法,并提出了建立软土结构性模型的新思路。

关键词　软土,工程特性,地基设计。

中图法分类号　TU471

作者简介　沈珠江,男,1933年生,1953年毕业于华东水利学院(现河海大学),1960年在前苏联获副博士学位,中国科学院院士。早年从事土体极限分析研究,近年从事土的本构模型及数值模拟研究。

S hen Zhujiang

(Department of G eotechnique,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,210024)

Abstract　This paper is a summary of some research works on soft soils conducted in Nanjing Hydraulic Research.Institute during recent40 years,the special emphasis is put on the recent development in the study of structure of natural soft clays and the effective consolidation stress method in the stability analysis of soft ground.

K ey words　soft soil,engineering property,foundation design.

1　前 言

黄文熙教授曾任南京水利科学研究院的前身———南京水利实验处处长,在他的领导与亲自参与下,该院土工所曾为我国土工事业的发展作出过开创性的贡献。今天,该所仍是我国土工研究的一支主力军,尤其在软土地基方面,40多年来在薄壁取样技术、十字板及孔压圆锥仪等原位测试技术、室内试验技术、排水预压加固技术、振冲加固技术及理论研究方面均取得了重大的成果。本文不准备对这些成果作全面介绍,因为它们中的大多数均已为国内同行所熟知。下面将着重讨论两个问题,即天然软土的结构性及有效固结应力法设计方法。前者的研究导致人们对土体变形特性认识的深化并形成一系列新的概念;后者是中国所特有的,并已在排水预压加固中得到广泛应用,但其表达方式还存在一些模糊不清之处。

2　天然软粘土工程特性

2.1　认识的误区

40～50年代,人们对重塑粘土的特性进行了比较透彻的研究,尤其是英国学者在这方面取得了突出的成果,并最终导致剑桥模型的建立[1,2]。几十年来,由重塑粘土研究中形成的一系列概念广为流传,以致在许多人的心目中似乎这些就代表了粘土的全部。从60年代开始,少数学者研究了天然软土的特性,发现了许多新的现象[3]。但是这些研究成果始终没有被写入教科书中,以至于一般的岩土工程师对此很少了解,甚至不少著名的土工专家也对此认识模糊。下面举两个例子。

一是许多人认为,天然软土中存在超固结现象。为解释这一现象,著名的挪威学者Bjerrum还发表了一张广为流传的长期压缩变形图(图1)[4]。按他的解释,这一超固结现象是由于土骨架的次固结造成的,即在长期自重荷载σz0作用下土骨架不断被压缩,从而对每天一级的快速加荷来说达到了超固结状态,再进行快速加荷时就会出现转折点,相应的压力σpc就相当于先期固结压力。按此想法,天然土的孔隙比e0

应当小

图1　沉降计算原理

Fig.1　Principal of settlement calculation(After Bjerrum,1967)到稿日期:1997-09-05.100

　第20卷　第1期岩　土　工　程　学　报V ol.20　N o.1 1998年 1月Chinese J our nal of Geotechnical Engineering J a n.,　1998　

于同一压力下重塑土的孔隙比e s 0。下面我们将会看到,大量统计资料表明,天然土的e 0远远大于e s 0。

二是重塑土的应力应变曲线所具有的归一化特性不能盲目用于天然软土。有的作者通过少量试验得到天然软土的应力应变和孔隙压力曲线也可以归一化的结论[5],可能有三个原因:一是所用的天然土沉积历史较短,其结构强度不明显;二是试验所用的最低围压太高,一开始就破坏了土的结构;三是取样的质量较差,试样已受到较大扰动。下面我们将会看到,天然软土在结构破坏前后的性质有很大的不同,从而无法归一化。2.2　主要特性

最近,英国学者Burland 作了一个Rankine 讲座[6],总结了西方在天然粘土方面的研究成果。下面在引用该文同时重点介绍我们的研究成果。

归纳起来,天然软土具有下列特性:(1)高孔隙比

天然软土的孔隙比往往要比同一垂直压力下的重塑土的孔隙比高出0.2～0.4,如表1所示。从这一点看,天然粘土似乎都是欠固结土。事实当然不是如此。软粘土的这一特点与其缓慢沉积过程中颗粒接触点形成一定的胶结从而阻止其进一步压密有关。根据大量取自不同深度的天然土样孔隙比与上覆压力的统计结果,Burland 提供了表征天然沉积土压缩过程的沉积压缩曲线(SC L ),如图2所示。此图下方的一条所谓的固

表1　原位孔隙比

Table 1　In 2situ void ratio

工程地点原位压力(kPa )

原位孔隙比

重塑孔隙比

广深公路40 2.15 1.79连云港50 2.14 1.83上海港70 1.32 1.10湛江港250 1.51 1.

02

图2　天然土的沉积压缩曲线

Fig.2　Sedimentation compression line (After Burland ,1990)

有压缩曲线(ICL )实际上是各种土重塑后的压缩曲线

的平均。由于各种土的成分不一样,图中纵坐标I v 0=

(e -e 3100)/C 3c 相当于某种归一化的孔隙比,e 3

100是σz

=100kPa 时的孔隙比,C 3c 是压缩指数。为了说明这

一曲线同样适用于我国的软粘土,我们统计了一些国内的资料,如图3。这两张图清楚地说明,同一压力下天然土的孔隙比明显地高于重塑土,但两条压缩曲线的斜率是基本相同的

。

图3　我国沿海粘土的沉积压缩曲线

Fig.3　Sedimentation compression line of some clays in China

(2)较强透水性

天然粘土多具有架空的结构,大孔隙之间形成透

水通道,因此在高孔隙比的同时必然具有较强的透水性。不少试验资料表明,在结构破坏以前,天然粘土的固结系数可以达到同样条件下重塑土的10～15倍,图4就是一例[7]。但是,影响固结系数c v 的还有压缩系数,重塑土c v 低的原因部分是压缩系数高造成的。就渗透系数来说,纯粹由孔隙比高的原因天然土的渗透系数可能达到重塑土的2～4倍[8]

。

图4　连云港淤泥固结系数

Fig.4　Coefficient of consolidation of Lianyungang clay

(3)陡降形压缩曲线

天然粘土压缩曲线的初始段是很平缓的,当压力超

过某一σpc 值时出现陡降段,并向重塑土的压缩曲线靠近,如图5、图6。因σpc 超过上覆压力σz 0,许多人从重塑土的超固结概念出发,把σpc /σz 0的比值称为超固结比。这样,从高孔隙比来看天然粘土似乎属于欠固结土。而

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01　第1期沈珠江1软土工程特性和软土地基设计