土体压缩-回弹变形特性试验研究

杨 星，钱 卫，武立林，卢洪宁，张海涛

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京211100)

地面沉降是由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种不可补偿的永久性环境和资源损失[1-2]。造成地面沉降最主要的因素是松散土层结构由于地下水过度抽取引起的土层压缩，土体的压缩-回弹特性决定了土体变形的特征。

目前，众多学者认为土体的压缩-回弹特性与土体的变形以及地面沉降有十分重要的联系[3-13]。而且，目前的研究主要集中于粘性土体，缺少砂性土以及两者之间的对比。本文开展了不同土体在不同状态下的压缩-回弹试验，研究成果可为地面沉降的防治工作提供一定的参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验采用的砂土来自于江苏省南京市，主要的物理力学参数如表1所示。黏土为长江中下游地区广泛分布的下蜀土，颜色较砂土深，含水率较高，其主要的物理力学参数如表2所示。粉土取自江苏省常州市，其主要的物理力学参数如表3所示。

表3 粉土的物理力学参数

1.2 试验原理

固结试验(亦称压缩试验)是研究土的压缩性的最基本的方法。固结试验就是将天然状态下的原状土或人工制备的扰动土，制备成一定规格的土样，然后将土样置于固结仪容器内，逐级施加荷载，测定试样在侧限与轴向排水条件下压缩变形，以及变形和压力的关系，孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系。

设土样的初始高度为H0，初始孔隙比为e0，在荷载P作用下，土样稳定后的总压缩量为ΔH，假设土粒体积Vs=1，且不变，根据土的孔隙比的定义e=Vv/Vs，则受压前后土的孔隙体积Vv分别为e0和e，因为受压前后土粒体积不变，且土样横截面积不变，所有受压前后试样中土粒所占的高度不变，因此，根据荷载作用下土样压缩稳定后的总压缩量ΔH，即可得到相应的孔隙比e的计算公式：

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1.3 试验方法

为研究试样土的压缩性，本论文设计不同参数土样的压缩固结试验，通过控制密度、土体性质、含水率等参数研究其对土体压缩回弹性质的影响。试验所用仪器为WG(GDG)型杠杆式高压固结仪。

根据《土工试验方法标准(GB 50123-1999)》相关要求，选择面积为30 cm2的环刀进行试样的制备，试样的相关参数如表4所示。将制备的土样按以上标准进行压缩试验，加载压力依次为12.5、25、50、100、200、400、600、800 kPa，每一级荷载的施加均需等上次荷载变形完全稳定后再施加下一级荷载。在加载全部完成后，进行回弹试验，回弹时同样逐级卸载，等上一级变形完全稳定后，再进行下一级卸载并记录试验数据。

表4 试样的基本参数

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

对试样进行压缩-回弹试验后，试验结果见表5和表6。根据以上七种土样在不同固结压力下的孔隙比变化，可对土样的压缩-回弹特性与土样密度、土体性质和含水率之间的影响进行分析。

2.1.1 土体压缩-回弹特性与密度的关系

控制含水率、固结压力等其他参数不变，可以得到不同密度土体压缩的e-p曲线，由图1可知，随着密度的减少，黏土在同一固结应力下的孔隙比等比例增加，分析由于黏土的密度较小，其在相同的体积下颗粒质量小，因此孔隙的占比大，在同样压力作用下，可以更好地压缩孔隙体积，压缩性也更强。此外，在400 kPa压力下，四个密度的黏土土样均有应变突增的表现，推测主要是由于前期颗粒的排列重组以及孔隙间自由水的排出，到300～400 kPa的压力时，自由水基本排出，黏土颗粒表面的结合水膜相互接触，厚度变薄，而密度较小的黏土土样，颗粒的比表面积越大，可接触并变薄的结合水膜面积越大，因此在相同的固结压力下，其孔隙比越大。

表5 压缩过程中土样孔隙比变化情况

表6 回弹过程中土样孔隙比变化情况

图1 不同密度黏土在压缩过程中的e-p曲线Fig.1 The e-p curve of clay with different density during compression

图2 不同土性土体在压缩过程中的e-p曲线Fig.2 The e -p curve of soil with different soil properties during compression

2.1.2 土体压缩性与土体性质的关系

由图2可知，在相同固结应力下，砂土、粉土、黏土的压缩性表现为黏土最大，依次为粉土、砂土，分析其原因可知砂土的压缩主要依靠颗粒的移动和结构的重组，而粉土、黏土等土样内还有结合水、自由水的存在，其压缩不仅有颗粒的滑移及重组，还包括有自由水的排出与结合水膜的变形，因此在相同密度的条件下其压缩性高于砂土。此外，砂土颗粒之间主要为点-点接触，而随着土体稠度增加，逐渐变为面-面甚至堆叠式接触，当砂土颗粒的孔隙被填满后，砂土便不再变形，而粉土、黏土的稠度增加使其接触面的滑动更加轻松，在相同压力作用下，其变形更加显著。

2.1.3 土体压缩性与含水率的关系

如图3所示，黏土C5的含水率为25%，黏土C4的含水率为30%，基本上在相同密度和相同固结压力下，随着含水率的增大，土颗粒中自由水与饱和水的含量增多，其可压缩性也随之增大。

图3 不同含水率土体在压缩过程中的e-p曲线Fig.3 The e-p curve of soil with different moisture content during compression

在固结压力为0～200 kPa时，含水率的增加会大大增加土体的压缩变形量，两者之间的孔隙比差值达到0.07，分析可知在压缩前期，压缩主要依赖颗粒间的移动和破碎重组，自由水和结合水的存在减少了颗粒间的摩阻力，从而帮助其产生更快更大的压密变形；但到压缩后期即400～800 kPa阶段，黏土颗粒间的自由水基本排出，压缩主要以颗粒结合水膜的变形为主，两者并没有拉开较大的差距，孔隙比差值为0.02。

2.2 变形特性分析

砂土的颗粒大小不一，形状基本呈几何不规则状，颗粒之间相互接触，接触方式多为点-点、点-面接触，在收到外力作用时，接触点发生应力集中，导致应力大于摩阻力，发生固体颗粒的滑动、孔隙坍塌以及颗粒结构的重组。在回弹过程中，由于颗粒结构的改变是不可逆的，因此砂土的回弹量并不大，变形很少为弹性变形。图4为砂土S1在固结压力为0～800 kPa过程中的的e-p曲线。

由图4可看出，砂土的压缩过程主要分为三个阶段：(1)在受到较小的固结压力时，砂土发生较快的压缩变形，颗粒沿着接触面发生滑动，小颗粒砂土随着位移不断填充进大孔隙中，砂土骨架结构发生弹性变形，应变的速率随压力的增加而增加；(2)在固结压力达到200 kPa时，砂土的孔隙比出现小幅度的增加而后减少，这是由于在固结压力达到砂土骨架的极限荷载，颗粒之间的接触面的摩阻力小于有效应力的集中，在外部荷载的作用下，发生骨架坍塌以及颗粒的破碎，颗粒的破碎导致孔隙体积的增大，孔隙比也随之增大，此时变形以塑性变形为主，甚至伴随有一定程度的蠕变变形；(3)在固结应力达到400 kPa以后，在荷载作用下砂土的压缩变形达到最大程度，蠕变变形逐渐收敛，砂土的应变速率逐渐减小直至最终稳定。

图4 砂土S1压缩过程的e-p曲线Fig.4 The e -p curve of sand S1 compression process

图5 砂土变形受力示意图Fig.5 Schematic diagram of sand deformation and stress

图5为砂土在变形过程中受力示意图，F1为外部荷载对砂土结构的力，F2为砂土颗粒接触面之间的摩阻力，当收到某一级压力F1时，瞬间F2小于外部荷载导致颗粒发生移动，孔隙体积减少，甚至颗粒破碎填充在大孔隙间，颗粒之间的接触增加，从而使得F2不断增大与F1趋于平衡，此时这一固结压力F1作用下的压缩变形结束。

砂土的压缩特性主要受砂土颗粒的级配以及颗粒间的接触关系控制，砂土颗粒的粒径差距越大，颗粒形状越复杂越容易产生应力集中，在相同荷载作用下更容易导致颗粒的破碎与结构的重组，因此其压缩变形量也越大；颗粒之间的接触关系若以点-点或点-边类型接触时，结构稳定性较差，更容易发生颗粒的移动，而边-边或边-面接触则更容易维持其结构的稳定性。

黏土颗粒较小，基本呈粒状、片状，因此颗粒间基本呈边-边或面-面接触，黏土颗粒结构以“蜂窝状”为主。此外，由于黏土颗粒本身带电，孔隙间充斥有自由水与结合水，因此也有很多的黏土颗粒呈团块状粘结在一起。黏土颗粒的压缩回弹主要表现为颗粒滑动、孔隙压缩、自由水释出以及结合水膜压缩。图6为黏土试样C1的压缩过程。

图6 黏土C1压缩过程的e-p曲线Fig.6 The e-p curve of clay C1 compression process

如图7所示，黏土颗粒的压缩过程与砂土颗粒类似，基本可分为三个阶段：(1)在受到外力作用时，首先发生黏土颗粒间自由水的释出，此外还包括有黏土颗粒的滑移，由于自由水充分润滑了颗粒间的接触，导致颗粒的移动所抵抗的摩阻力变小，因此黏土颗粒在压缩初期呈现较快的压缩变形；(2)在200 kPa的固结压力时，黏土颗粒的孔隙比出现了反弹现象，这是由于随着压缩不断进行，自由水充分排出，颗粒孔隙分布逐渐均匀，黏土颗粒间的结合水膜相互接触，团块化分布程度提高，颗粒变形转为由结合水膜的压缩变薄承担；(3)随着固结压力的增加至400～800 kPa，黏土结合水膜压缩变薄，黏土的饱和度不断增加，孔隙体积减小至临界值，颗粒之间的摩阻力逐渐增加，抗压性也不断增加，因此变形会逐渐趋于稳定。值得注意的是，由于黏土颗粒间的结合水双电子层作用，颗粒逐渐变为近固体状态，回弹量明显小于砂土，且其回弹时间也增加，具有显著的滞后效应。

图7 黏土颗粒压缩前后对比示意图Fig.7 Schematic diagrams of comparison before and after clay particle compression

3 结论

1)砂土的压缩变形主要是固体颗粒的滑动、孔隙坍塌和颗粒结构的重组，而黏土的压缩包括颗粒滑动、孔隙压缩、自由水释出以及结合水膜压缩，其中，黏土在压缩初期的变形较为显著，而到后期变形较为稳定；砂土呈现出相反的趋势，在压缩初期的变形较小，而到后期变形较为显著。

2)砂土与黏土的变形中不可逆变形占较大比例，且黏土的压缩回弹具有滞后性。黏土的压缩特性与其密度、含水率等均有关系，密度越大，孔隙体积越小，可压缩性越小；含水率越大，结合水与自由水的含量越大，颗粒之间的摩阻力越小，可压缩性越大。

3)粉土的压缩变形性质具有砂土和黏土的两种特点。一方面，粉土的压缩变形特点与黏土相似，均为在压缩初期的变形较为显著，而到后期变形较为稳定；另一方面，其压缩性大于黏土，小于砂土，介于砂土与黏土之间。