盧成偉，盧冠銅 （南京南大巖土工程技術有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，沿江、沿海、沿湖城市為了尋求經(jīng)濟的進一步發(fā)展，開始大量擴地，因此圍海、圍湖造地成了城市擴地的主要方法。在此背景之下，大量沖填土被投入圍海、圍湖造地的工程之中，研究表明[1-4]此類軟土具有含水量高、承載能力差等缺點，雖然在工程中會將此類土進行處理后再投入使用，但作為地基使用時土層下部在長期的固結條件下仍然會發(fā)生沉降，產(chǎn)生蠕變?？紤]到工程中較長的安全使用年限，因此對軟土的蠕變及結構特征進行研究，從根本上了解其受力特征及變形規(guī)律，對于保證工程建筑結構的安全運行使用有著重要意義。不少學者對不同類型的軟粘土蠕變特性進行研究，王常明等[5]通過三軸試驗發(fā)現(xiàn)濱海軟土具備非線性蠕變特征，在Singh-Mitchell 模型的基礎上提出了雙曲線模型，該模型更為簡潔且通過試驗結果驗證了模型的適用性。談炎培等[6]基于蘇州地鐵一號線的軟土層，采用三軸及一維蠕變試驗并結合S-O 模型對軟土力學特性進行有限元模擬，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)軟土層具有顯著的蠕變特征，并基于該特征計算出了合適的盾構推力。柳文濤等[7]通過一維壓縮蠕變試驗與三軸固結不排水試驗研究了近代海洋沉積相軟土的蠕變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)海相軟土的蠕變性質(zhì)呈現(xiàn)出非線性特征，并且發(fā)現(xiàn)隨著固結壓力的增大次固結系數(shù)會出現(xiàn)峰值。張先偉等[8]通過固結排水與不排水試驗，研究了不同偏應力下的蠕變曲線，發(fā)現(xiàn)對應力-應變曲線可以采用雙曲線形式進行描述。劉漢龍等[9]借助改進的三軸儀對軟土進行真空-堆載預壓試驗，發(fā)現(xiàn)軟土的軸向應變與體積應變以及時間的對數(shù)呈現(xiàn)出非線性關系，但隨著堆載時間的延長，會演變?yōu)榫€性關系。

但現(xiàn)有的研究局限于自然沉積下的軟土，且很少考慮到不同應力條件下軟土的蠕變及結構特性。因此本文以南京市建鄴區(qū)雙閘街道住宅樓項目的地下軟土為研究對象，通過固結及直剪試驗，采用不同荷載及加載方式對軟土的蠕變特性進行研究，通過應力、應變與時間三者間的關系，揭示軟土在不同應力條件下蠕變的內(nèi)在機理，為實際相關工程提供一定參考依據(jù)。

2 工程概況

試驗所用土樣取自南京市建鄴區(qū)雙閘街道住宅樓項目的地下軟土，項目用地面積約40483.2m2，總建筑面積158341.96m2，其中地上113352.96m2，地下44800m2。項目由8 棟住宅樓（26～29F）、配套用房（1F）、配電房（1F）及開關站（1F）組成，下設整體1 層地下室，部分區(qū)域為2 層地下室?；A形式擬采用樁基礎。

該地區(qū)屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，雨水充沛，光能資源充足，年平均溫度為15.7℃，最高氣溫43℃（1934年7 月13 日），最低氣溫-16.9℃（1955年1 月6 日），最熱月平均溫度28.1℃，最冷月平均溫度-2.1℃。年平均降雨117d，降雨量1106.5mm，最大平均濕度81%，最大風速19.8m/s。土壤最大凍結深度-0.09m。夏季主導風向為東南、東風，冬季主導風向為東北、東風。無霜期237d。每年6 月下旬到7 月中旬為梅雨季節(jié)。晚第三紀以來，南京市地殼運動經(jīng)歷了由強到弱，由相對活動趨于相對穩(wěn)定的過程。上新世以來，地殼已進入一個新的階段（新構造運動），與老構造運動相比，在性質(zhì)、方向、強度上都有明顯的不同，全新世地殼運動已趨于穩(wěn)定。

綜上，南京地區(qū)大地構造屬揚子準地臺的下?lián)P子凹陷褶皺帶，這個凹陷從震旦紀以來長期交替沉積了各時代的海相、陸相和海陸相地層，下三疊系青龍群沉積以后，經(jīng)印支運動、燕山運動發(fā)生斷裂及巖漿活動，并在相鄰凹陷區(qū)及山前山間盆地堆積了白堊紀及第三紀紅色巖系及侏羅～白堊紀的火山巖系。

3 試驗方法

3.1 試驗材料

試驗所用軟土取自南京市建鄴區(qū)土層，試驗所用土樣取自深度為4.2～6.1m的土層內(nèi)，其試驗土樣的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗用土的基本物理性質(zhì)

本次試驗主要為固結試驗和直剪試驗對軟土的蠕變特性進行研究，其中固結試驗采用三聯(lián)高壓杠桿固結儀，剪切試驗采用流變直剪儀，其試驗精度為0.01mm。

3.2 試驗方案

其中固結試驗試樣設置為高2cm、直徑61.8mm 的環(huán)刀試樣。固結試驗采用三種不同類型的加載方式，分別為分級加載、分別加載、預壓加載。其中分別加載設置25kPa、100kPa、200kPa 三個加載等級，在加載過程中定時觀察試樣的應變變化，并將變形低于0.005mm/d設置為穩(wěn)定狀態(tài)。分級加載分為加荷比等于1、小于1、大于1 三種情況，每種情況分別在第一級荷載加載穩(wěn)定后進行下一級荷載的加載工作，每級荷載加載時長保持一致，均設置為8h，共設置6級加載，總計48h 的加載時間，分級加載的穩(wěn)定標準同分別加載，均為0.005mm/d。對于預壓加載則是對試樣先進行3h 的加載后卸除試樣上的荷載，待卸載荷載達12h 之后對試樣進行分級加載，以此得到不同應力條件下土樣的固結蠕變特性，其中預壓加載設置100kPa、300kPa、600kPa三個等級。

直剪試驗在室溫及雙面排水的條件下進行，所用環(huán)刀試樣同固結試驗，均為高2cm、直徑61.8mm 的環(huán)刀試樣。但直剪試驗僅設置分級加載的加荷方式，每個加荷等級加載5d，一共設置8 組試樣，且每級加荷的穩(wěn)定標準同固結試驗的0.005mm/d，試驗直至試樣被剪切破壞。

4 結果分析

4.1 固結試驗結果分析

圖1 所示為固結試驗中的第一種加載方式結果示意圖，其中橫軸為加載時間，縱軸為應變。從圖1 所反映的趨勢可以看出，在三種不同荷載等級下的分別加載，其試樣均表現(xiàn)出同一種變化特征，即在加載初期均會產(chǎn)生一定的彈性應變，但隨著加載時間的進行，土樣的應變變化基本趨于穩(wěn)定。但對于不同應力等級下軟土試樣的蠕變量不同，在低應力的加載等級下，試樣的蠕變量僅4%，而在高應力的加載等級下蠕變量會隨之增大，達到將近20%，此現(xiàn)象說明該地軟土具備結構性效應。

圖1 分別加載方式下三種等級的土體應變-時間變化圖

為了進一步分析在分別加載條件下軟土的蠕變性質(zhì)，將圖1 所示的分別加載方式下三種等級的土體應變-時間變化圖轉(zhuǎn)化為雙對數(shù)形式，并繪制了圖2。

圖2 分別加載方式下三種等級的土體應變-時間雙對數(shù)曲線

從圖2 可以看出，三種不加載等級的曲線均包含有拐點，在拐點之后應變趨于穩(wěn)定，此拐點為區(qū)分主固結、次固結的分界點，在拐點之前的部分均為主固結蠕變，之后的部分均為次固結蠕變。分別加載條件下產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因在于土體的固結本質(zhì)上是將土體內(nèi)的自由水和結合水排出，在土體受力時孔隙被壓縮，結合水之間彼此靠近，其相互作用力增強，因此導致土體內(nèi)排水量降低，此種微觀現(xiàn)象在體積變化上就表現(xiàn)為圖2中的拐點。

圖3 為三種加荷比下分級加載方式下的土體應變-時間變化圖，從圖中可以看出對于三種不同的加荷比，均表現(xiàn)出在固結初期產(chǎn)生一定量的彈性應變，但與分別加載不同的是，隨著試驗的進行，應變量與蠕變變形會隨之增加。在加荷比小于1 時應變量隨時間增長的增加量較小，但隨著加荷比的提高，應變量導致的蠕變變形會隨著時間的增長增加量變大。

圖3 三種加荷比下分級加載方式下的土體應變-時間變化圖

圖4 為三種加荷比下分級加載方式下的土體應力-應變變化圖，可以看出此三種加荷比下的應力應變曲線均可分為兩部分，即低增長階段與高增長階段，分別對應圖中的低斜率和高斜率階段，且該部分的拐點為土體試樣的屈服分界點。

圖4 三種加荷比下分級加載方式下的土體應力-應變變化圖

圖5 為三種荷載等級下的預壓加載方式下卸壓后的土體應變-時間變化圖，從圖中可以看出，在土體卸壓后的短期內(nèi)，土體會產(chǎn)生一定的回彈，但隨著卸壓時間的增長，回彈量逐漸趨于穩(wěn)定，雖然荷載等級越高，殘余應變相應越大，但三種不同荷載等級的土體試樣殘余應變均保持在4%左右。

圖5 三種荷載等級下的預壓加載方式下卸壓后的土體應變-時間變化圖

圖6 為三種荷載等級下的預壓加載方式下的土體應變-時間變化圖，從圖中可以看出100kPa、300kPa、600kPa三種荷載等級的試樣，最終蠕變量分別為14.0%、7.8%、6.2%，此結果表明，在預壓加載的方式下，所使用的荷載等級越高最終產(chǎn)生的蠕變變形量就越低。此現(xiàn)象表明加大土體的固結程度可減少土體的蠕變量，進而降低蠕變所帶來的影響。

圖6 三種荷載等級下預壓加載方式下的土體應變-時間變化圖

為了進一步分析軟土在不同應力條件下的蠕變反應內(nèi)在機理，需要得出次固結系數(shù)在不同荷載等級下的變化趨勢，因此本文繪制了圖7 所示的不同加載方式下的次固結系數(shù)變化趨勢圖。從圖中可以看出，對兩種不同的加載方式而言，應力越大，次固結系數(shù)在一定區(qū)間內(nèi)會隨之增大，但超過該區(qū)間后便會降低，且次固結系數(shù)與加荷比即預壓的荷載等級均有關。

圖7 不同加載方式下的次固結系數(shù)變化趨勢

4.2 直剪試驗結果分析

圖8 為兩種主要的強度參數(shù)剪切模量與粘滯系數(shù)隨法向應力變化的曲線示意圖，從圖中可以看出，隨著剪切時長的增加，剪切模量會呈現(xiàn)出增長的趨勢，但在試樣破壞時，最終的剪切模量會與剪切時長成反比。對于粘滯系數(shù)而言，隨著剪切時長的增加，粘滯系數(shù)同樣呈現(xiàn)增長的趨勢，且剪切模量先隨著應力的增大而增大，之后隨應力增大而減小，但粘滯系數(shù)隨應力的增大一直保持增長趨勢。造成此現(xiàn)象的原因是在應力較低時，對試樣造成的剪切變形較小，隨著應力的增加，土體開始產(chǎn)生一定的剪切變形，因此剪切模量會隨之上升，但隨著應力的進一步上升，應變大幅升高，因此剪切模量隨之降低。

圖8 強度參數(shù)隨應力變化曲線

5 結論

本文以南京市建鄴區(qū)雙閘街道住宅樓項目的地下軟土為研究對象，通過固結及直剪試驗，采用不同等級的荷載及加載方式對軟土的蠕變特性進行研究并得出了如下結論。

①對于不同應力等級下軟土試樣的蠕變量不同，在低應力的加載等級下，試樣的蠕變量僅4%，而在高應力的加載等級下蠕變量會隨之增大，達到將近20%，表明該地軟土具備結構性效應。

②在預壓加載的方式下，所使用的荷載等級越高最終產(chǎn)生的蠕變變形量就越低，表明加大土體的固結程度可減少土體的蠕變量，進而降低蠕變所帶來的影響。

③對于不同的加載方式，應力越大，次固結系數(shù)會在一定區(qū)間內(nèi)隨之增大，但超過該區(qū)間后便會降低，且次固結系數(shù)與加荷比即預壓的荷載等級均有關。