软土工程特性和软土地基设计_沈珠江

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1、软土工程特性和软土地基设计 Engineering properties of soft soils and design 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

2、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。Shen Zhujiang( Department of Geotechnique, 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 recent 40years, the special emphasis is put

3、on the recent development in the study of structure of natural soft clays and the effective consolidationstress method in the stability analysis of soft ground.Key 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 ,

4、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

5、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

6、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 z0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 pc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Vol. 20 No. 1 1998 年 1 月Chinese Journal of Geotechnical Engin

7、eeringJan. , 1998 于同一压力下重塑土的孔隙比 es0。下面我们将会看 到,大量统计资料表明,天然土的 e0远远大于 es0。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 Ra

8、nkine 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( SCL) ,如图 2 所示 。此图下方的一条所谓的固表 1 原位孔隙比Tab

9、le 1 In-situ 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402. 151. 79 连云港502. 141. 83 上海港701. 321. 10 湛江港2501. 511. 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 Iv0=( e -e100) / Cc相当于某种归一化的孔隙比 , e100是 z= 100kPa 时的孔隙比, Cc是压缩

10、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

11、结系数 cv的还有压缩系数,重塑土 cv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 pc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 pc超过上覆压力 z0,许多人从重塑 土的超固结概念出发,把 pc/ z0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101第 1

12、 期沈珠江 .软土工程特性和软土地基设计从压缩曲线形状看又似乎属于超固结土 。但是 ,真正超 固结土的压缩曲线往往都是缓降形的。可见,把重塑土研究中得来的概念套在天然粘土上,除了引起混乱外 ,别无好处。其实, pc是土体结构强度的表现, pc/ z0理 应称为结构应力比,而不宜继续称为超固结比。图 5 Bothkennar 粘土压缩曲线Fig. 5 Oedometer test of Bothkennar clay图 6 广深路淤泥压缩曲线Fig. 6 Oedometer test of clay sample fromGuangzhouShenzhen express way( 4) 折线形

13、强度包线与压缩曲线以 pc为界形成性质截然不同的两段 类似, 天然土的剪切曲线在围压等于 pc前后也有明显的转折 ,如图 7 9 和图 8 10。其原因显然与围压小时结构强度保持完好而围压大时结构被破坏有关。当然,剪切也会破坏土的结构强度,因此如果不用峰值强度而用残余强度 ,则所得的包线将象重塑土一样是一 条通过原点的直线。但是这里特别要提请注意图 7 和图 8共有的一个现象, 即低围压下的剪切应力路线具有剪胀的迹象。从这一点看天然粘土似乎又象真正的 超固结土 。有关这一现象的机理将在下面解释。但压缩曲线和剪切曲线分成两段这一事实已充分说明归一化的概念不适用于天然粘土。2. 3 原位表现 近

14、30 多年来, 积累了大量的原位观测资料 ,同时也提出了许多方法, 包括经验的、 半经验的以及基于非图 7 Rang de Flenve 粘土剪切强度Fig . 7 Shear strength of Rang de Flenve clay图 8 上海粘土剪切强度Fig . 8 Shear strength of Shanghai clay线性和弹塑性模型的有限元方法。这些方法多基于重塑土的概念 ,计算结果与实际有很大出入 。其主要方面归纳如下。 ( 1) 孔隙压力的产生Leroueil 等通过大量观测发现 , 原位孔隙压力增长曲线也存在明显的转折点 ,如图 9 11 。后一段反映 了结构破坏

15、后的情况, 其截距恰好等于 p =pc-zo ,而斜率则接近于 1。国内很多观测资料也表现了同样的倾向,例如上海油罐地基淤泥质粘土层中, 第一次充水预压时 u/ z=0. 92 , 就十分接近于 1( 图10) 12。图 9 孔隙压力反应Fig . 9 Response of pore pressure图 10 上海油罐孔隙压力Fig. 10 Measured pore pressure under on oil tank102岩 土 工 程 学 报 1998 年 另外 , Tavenus 二是机械扰动作用,包括取土器的压 入及切样扰动等 。b) 取样扰动的主要影响表现为: 压缩曲线趋于平缓

16、,低压力下的压缩性增大, 固结系数降低 ,高压力 下压缩性变小, pc值也相应降低( 图 6) ; 无侧限压缩曲线的峰值显著降低 ,变形模量随之降低,峰值应变则相应增大( 图 15) ; 不排水剪切试验中的孔隙压力系数和排水剪切试验中的剪缩性均有所降低。图 15 无侧限压缩Fig. 15 Unconfined compression由于取样扰动引起试验曲线失真, 许多人提出了校正办法 。这里仅对文献 21 中新近提出的建议作一介绍和评价。根据一些受到不同程度扰动的试样的压缩曲线在最小曲率处的连线大体上是一直线的事实,该办法认为,真实的压缩曲线由三段组成( 图 16) 。第一段为水平线, 其端点 pc可由通过最小曲率处正交的直线与水平线的交点确定。第二段落 pc为一陡降形曲线 ,可用下列经验曲线拟合 :e = A( log )n+B( 1)然后在 = 10pc处进入第三段 ,与重塑土的压缩曲线重合 。 A , B 和 n