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【摘 要】在土壤的所有属性研究中一个非常重要的内容就是土壤的饱和度，不同饱和度的土壤分布在不同的地方。饱和度土主要分布在湖海地区的含气泡沉积物，另外是在一些建筑工程、土桥工程及其他一些工程中含水率较高的压实土。通过研究表明，高饱和度土中气相主要以封闭气泡形式存于孔隙水中，同时它会与水一起流动。本文主要对高饱和度土的压缩和固结特性及其应用进行研究，通过对高饱和度土做出假设，并充分考虑水气混合物存在的压缩性，进而得到土体压缩公式，最终建立相应的排水固结方程，将各种系数代入计算，最终得出了相关计算结果，以对高饱和度土压缩和固结特性的各种因素进行探索分析。
【关键词】土壤；高饱和度土；压缩性；固结特性；应用
一、高饱和度土研所和固结性状分析
（一）水气化合物的压缩性
在高饱和度土的气相中，其存在的形式一般以封闭气泡的形式存在，这种气泡形式可以存在于孔隙水中，能够和水运动一起运动，故针对高饱和度土这种土质来看，其也可比被看做为有压缩性流体的两相土。针对于气相的这种性质，可以纳入高饱和土固结理论的公式中，在公式论述前，需要作出一定的假设条件，可以把基质吸力做出忽略，假设孔隙水压等于孔隙气压[2、4]，这种假设符合Heny W定律；只考虑等温情况；对于其它的假设条件，则按照太沙基固理论来做出假设[1]。
按照高饱和度土气相的性质可以压缩流体为水与气泡混合物，从流体的可压缩性来看，其是也是区分饱和土和高饱和度土的重要依据，因此，在本文研究中，首先应该明确水和气泡混合物的压缩特性，其压缩特性可以由两部分组成，分别为水压缩性、气体压缩性，两者压缩性公式为：
在式1中，作用压力为σ，于水中溶解的气体体积为Vd，气体体积为Va，水体积为Vw，水气混合物压缩系数为Caw。根据这个公式的假设条件来看，可以对其作出简化，简化后方便下一步运算。简化公式为：
从式2来看，uw和ua这个两个参数，uw为各向等值加荷下的孔隙水压力，ua为各向等值加荷下的孔隙气压力，而Ca这个参数，其为气体的压缩系数，Ca值的计算可以利用1除以（PO+ua），ua为各向等值加荷下的孔隙气压力，而P0为标准大气压。H是指气体在水中的溶解系数，在通常情况下，H取0.02，Cw和Sr分别为水压缩系数、非饱和土饱和度。从高饱和度土来看，在通常情况下duw/dσ、dua/dσ这些数值可以视为近似1.0，取1.0，在上述的假设条件下，忽略基质吸力，那么可以认为各向等值加荷下的孔隙气压力和各向等值加荷下的孔隙气压力相等，并且这些值也可以视为其等于uaw，因为这些系数对于高饱和度土固结运算而言，其影响不是很大，且可以将这些值来做此类视等，很多文献也有此类相关描述[2、4、6]。从另一种假设来看，如果对水进行假设，假设其无法被压缩，那么在水的压缩系数取值上，可以取0，则意味Cw=0，故可以简化得出式3：
在式3中，孔隙混合流体压力为uaw，且这个值视等于孔隙水压力和孔隙气压力，从这个公式来看，水气混合物的压缩性，其和水气饱和度有很大程度的关联，即与Sr有很大关联。
（二）高饱和度土的不排水压缩探讨
对于高饱和度土在不排水的条件下，此时对高饱和度土附予荷载，那么在高饱和度土内的孔隙混合流体的压力将会变高，故会出现瞬时压缩的情况，针对瞬时压缩这种性质，其也是区分高饱和度土和饱和度土的依据。如果把加载前的孔隙混合流体压力设为u0，把高饱和度土孔隙率设为n0，高饱和度土的饱和度设为S0，瞬时加载为σ，那么在上述公式的变量中，其会分别改变为ui、ni、Si。
从孔隙混合流体的荷载情况来看，其担负了高饱和土的外载力，与其同时担负高饱和度土外载力的还有土骨架，这种荷载情况与饱和土的有效应力原理有很大程度的相同，根据这种情况可以得出公式为：
再根据土骨架的本构关系来看，其可以得出土骨架的作用应力（式5），根据混合流体的本构关系，可以得出孔隙混合流体压力（式6），其公式如下：
从式5和式6来看，土骨架积极压缩模量为D，△n是孔隙率的该变量，而孔隙混合流体压缩系数为Caw，那么根据这两个公式可以换算出式7，式7如下所示：
从公式3和公式7来看，uaw与Caw可以迭代，通过迭代之后可以把uaw求出，当uaw求出之后，那么饱和度ni和Si也可以分别求算出来，如式8和式9所示：
二、高饱和度图固结的应用与基础理论
（一）孔压系数
孔压系数在工程实际建设的过程中是至关重要的，土的不排水孔压力以及其对应的应力场也能够根据空压力系数轻松求出。从上文中可以得知孔压系数在高饱和度土中有很重要的参照作用，也与饱和度之间有很大的关联，下文将分析孔压系数在不排水压缩基础上受到饱和度和土体压缩模量的影响因素。
空隙中的压力系数与相应土体的压缩模量之间的关系在下图中给出明确的联系。图中能够看出，给合图中压力既定的条件，空隙之间的压力系数减小的原因是因为土体模量在逐渐增加的。土骨架在受到压力作用后越不容易变形，土体的模量也就相对越大，因此更多的压力也被土骨架所承受，必然空隙之间流体受到的压力也相对更小。
图1 土体压缩模量与空隙间的压力系数关系图
从图1来看，土体压缩模量和孔压系数之间存在紧密的联系；饱和度增加，空隙之间混合流体的压力系数也会相应增加，土骨架的压缩模量如果减小，空隙之间混合流体的压力系数也会相应减小。
（二）试验过程中的反压饱和
向空隙中施加压力但是要使土骨架受力保持不变的原理就是反压饱和原理，提高饱和度要必须使空隙之间存在的气体完全溶于水。依据试验的相关操作规程，第一步要先将20kPa的压力施加到试样上；而实验过程中反压力小于周围压力20kPa的情况也要必须维持，孔压系数也必须要在逐渐施力的工程中趋近于1.0。 在实验中除了采用反压饱法之外有时还使用到了围压饱和方法，在没有排水过程的试验情况下向各个方向都施加等量的围压，再向土骨架施加压力，并且使之发生变形，就种方法就是围压饱和法在运用过程中的基本操作方式，在施加过程中还要保证土地中的原有的气泡能够完全溶于水，从而能够使得饱和度有效提高。与反饱压和有根本的区别，土骨架和空隙混合的流体能够充分受到围压的作用力，不仅混合流体受到了压缩，还压缩了土骨架，并且土骨架出现形变。从工作原理和工作方式上来讲，本文提到的土不排水高饱和压缩就是围压饱和。
两种方法的初始饱和度与工作方法之间存在的关系如图1所示，从图中能够清楚看出，围压饱和反围压饱和在同一非饱和土中，围压饱和的工作压力显得更大，初始饱和度在减小的过程中，两者之间的压力差也相应越来越大。原因是空隙之间的水汽混合物直接受到了反压饱和的压力，而土骨架分担了一部分围压饱和的压力，所以两者之间承受压力的情况是大不相同的。
初始饱和度S
土体的压缩模量与围压饱和的工作压力之间也存在很紧密的关系，图2中给了明确的关系示意图，能够从图中看出围压饱和的工作压力随着土体的压缩模量的增加也有了明显的增加。
（三）排水固结
（1）排水估计的计算方法
空隙之间的压力消散固结以及瞬时压缩这两个过程是高饱和度土在高荷载的作用下必然发生的。而上文的不排水压缩公式可以计算出高饱和度土受到的瞬时压缩，孔压消散计算公式也可以用于计算排水固结阶段。
时间曲线与高饱和度土固结度之差如下图3所示，图中能够看出非饱和、饱和之间土固结基本相似，而非饱和土固结速度要快的多；饱和土在本文算例中用228秒来完全固结，而高饱和度土使用了960秒才完全固结，两者固结时间有很大的差异，而计算结果也与试验基本吻合。
（2）计算沉降
从图3来看，瞬时压缩会造成高饱和度土的沉降量大于饱和土的沉降量，但是从最终沉降量来看，固结沉降和瞬间压缩沉降量相同，其是因土骨架压缩模量的关系，其会造成最终沉降效果一致，此种结果和大多数的研究结果相同[2]。
三、结束语
总的来说，高合度土空压系数与饱和度呈正比关系，如果高饱和度土的饱和度增大，那么高饱和度图的孔压系数会随之增大，而饱和度增高却会造成随土体压缩模量变小。在饱和土中，其孔隙水如果存有溶解气体，而孔压的系数会发生变化，其值将小于1.0，所以，在准备三轴试样时，那么应该使用无气水，这样可以利于提高土体的孔压系数。从高饱和度土的固结速度来看，其要比饱和土的固结速度慢，且要慢上很多，从高饱和度土完全固结时间来看，高饱和土的初始饱和度越高，那么固结时间则越短，如果初始荷载变大，那么也可以缩短固结时间。从高饱和度土的沉降来看，其包括固结沉降和瞬时压缩沉降，由于水气混合物的压缩性作用，瞬时沉降对于高饱和土而言，沉降要比饱和度土更大，由固结引起沉降量比饱和土小，但是，从最终沉降效果来看，两者速途同归，差别不大，其是因土骨架压缩模量的关系，其会造成最终沉降效果一致。
参考文献：
[1] 苗晋杰，陈刚，潘建永，马峰.华北平原典型黏性土体固结特性的试验研究[J].地质科技情报，2009，05：109-112.
[2] 王彦兵，王思敬，李黎，邵明申，韩庚友，张宪朝.PS对潮湿环境土遗址加固潜力探讨[J].桂林理工大学学报，2012，04：537-542.
[3] 雷华阳，张文振，丁小冬，王学超，陈丽，黄茂松.考虑软土结构强度的次固结特性试验研究[J].岩土工程学报，2013，07：1221-1227.
【关键词】土壤；高饱和度土；压缩性；固结特性；应用
一、高饱和度土研所和固结性状分析
（一）水气化合物的压缩性
在高饱和度土的气相中，其存在的形式一般以封闭气泡的形式存在，这种气泡形式可以存在于孔隙水中，能够和水运动一起运动，故针对高饱和度土这种土质来看，其也可比被看做为有压缩性流体的两相土。针对于气相的这种性质，可以纳入高饱和土固结理论的公式中，在公式论述前，需要作出一定的假设条件，可以把基质吸力做出忽略，假设孔隙水压等于孔隙气压[2、4]，这种假设符合Heny W定律；只考虑等温情况；对于其它的假设条件，则按照太沙基固理论来做出假设[1]。
按照高饱和度土气相的性质可以压缩流体为水与气泡混合物，从流体的可压缩性来看，其是也是区分饱和土和高饱和度土的重要依据，因此，在本文研究中，首先应该明确水和气泡混合物的压缩特性，其压缩特性可以由两部分组成，分别为水压缩性、气体压缩性，两者压缩性公式为：
在式1中，作用压力为σ，于水中溶解的气体体积为Vd，气体体积为Va，水体积为Vw，水气混合物压缩系数为Caw。根据这个公式的假设条件来看，可以对其作出简化，简化后方便下一步运算。简化公式为：
从式2来看，uw和ua这个两个参数，uw为各向等值加荷下的孔隙水压力，ua为各向等值加荷下的孔隙气压力，而Ca这个参数，其为气体的压缩系数，Ca值的计算可以利用1除以（PO+ua），ua为各向等值加荷下的孔隙气压力，而P0为标准大气压。H是指气体在水中的溶解系数，在通常情况下，H取0.02，Cw和Sr分别为水压缩系数、非饱和土饱和度。从高饱和度土来看，在通常情况下duw/dσ、dua/dσ这些数值可以视为近似1.0，取1.0，在上述的假设条件下，忽略基质吸力，那么可以认为各向等值加荷下的孔隙气压力和各向等值加荷下的孔隙气压力相等，并且这些值也可以视为其等于uaw，因为这些系数对于高饱和度土固结运算而言，其影响不是很大，且可以将这些值来做此类视等，很多文献也有此类相关描述[2、4、6]。从另一种假设来看，如果对水进行假设，假设其无法被压缩，那么在水的压缩系数取值上，可以取0，则意味Cw=0，故可以简化得出式3：
在式3中，孔隙混合流体压力为uaw，且这个值视等于孔隙水压力和孔隙气压力，从这个公式来看，水气混合物的压缩性，其和水气饱和度有很大程度的关联，即与Sr有很大关联。
（二）高饱和度土的不排水压缩探讨
对于高饱和度土在不排水的条件下，此时对高饱和度土附予荷载，那么在高饱和度土内的孔隙混合流体的压力将会变高，故会出现瞬时压缩的情况，针对瞬时压缩这种性质，其也是区分高饱和度土和饱和度土的依据。如果把加载前的孔隙混合流体压力设为u0，把高饱和度土孔隙率设为n0，高饱和度土的饱和度设为S0，瞬时加载为σ，那么在上述公式的变量中，其会分别改变为ui、ni、Si。
从孔隙混合流体的荷载情况来看，其担负了高饱和土的外载力，与其同时担负高饱和度土外载力的还有土骨架，这种荷载情况与饱和土的有效应力原理有很大程度的相同，根据这种情况可以得出公式为：
再根据土骨架的本构关系来看，其可以得出土骨架的作用应力（式5），根据混合流体的本构关系，可以得出孔隙混合流体压力（式6），其公式如下：
从式5和式6来看，土骨架积极压缩模量为D，△n是孔隙率的该变量，而孔隙混合流体压缩系数为Caw，那么根据这两个公式可以换算出式7，式7如下所示：
从公式3和公式7来看，uaw与Caw可以迭代，通过迭代之后可以把uaw求出，当uaw求出之后，那么饱和度ni和Si也可以分别求算出来，如式8和式9所示：
二、高饱和度图固结的应用与基础理论
（一）孔压系数
孔压系数在工程实际建设的过程中是至关重要的，土的不排水孔压力以及其对应的应力场也能够根据空压力系数轻松求出。从上文中可以得知孔压系数在高饱和度土中有很重要的参照作用，也与饱和度之间有很大的关联，下文将分析孔压系数在不排水压缩基础上受到饱和度和土体压缩模量的影响因素。
空隙中的压力系数与相应土体的压缩模量之间的关系在下图中给出明确的联系。图中能够看出，给合图中压力既定的条件，空隙之间的压力系数减小的原因是因为土体模量在逐渐增加的。土骨架在受到压力作用后越不容易变形，土体的模量也就相对越大，因此更多的压力也被土骨架所承受，必然空隙之间流体受到的压力也相对更小。
图1 土体压缩模量与空隙间的压力系数关系图
从图1来看，土体压缩模量和孔压系数之间存在紧密的联系；饱和度增加，空隙之间混合流体的压力系数也会相应增加，土骨架的压缩模量如果减小，空隙之间混合流体的压力系数也会相应减小。
（二）试验过程中的反压饱和
向空隙中施加压力但是要使土骨架受力保持不变的原理就是反压饱和原理，提高饱和度要必须使空隙之间存在的气体完全溶于水。依据试验的相关操作规程，第一步要先将20kPa的压力施加到试样上；而实验过程中反压力小于周围压力20kPa的情况也要必须维持，孔压系数也必须要在逐渐施力的工程中趋近于1.0。 在实验中除了采用反压饱法之外有时还使用到了围压饱和方法，在没有排水过程的试验情况下向各个方向都施加等量的围压，再向土骨架施加压力，并且使之发生变形，就种方法就是围压饱和法在运用过程中的基本操作方式，在施加过程中还要保证土地中的原有的气泡能够完全溶于水，从而能够使得饱和度有效提高。与反饱压和有根本的区别，土骨架和空隙混合的流体能够充分受到围压的作用力，不仅混合流体受到了压缩，还压缩了土骨架，并且土骨架出现形变。从工作原理和工作方式上来讲，本文提到的土不排水高饱和压缩就是围压饱和。
两种方法的初始饱和度与工作方法之间存在的关系如图1所示，从图中能够清楚看出，围压饱和反围压饱和在同一非饱和土中，围压饱和的工作压力显得更大，初始饱和度在减小的过程中，两者之间的压力差也相应越来越大。原因是空隙之间的水汽混合物直接受到了反压饱和的压力，而土骨架分担了一部分围压饱和的压力，所以两者之间承受压力的情况是大不相同的。
初始饱和度S
土体的压缩模量与围压饱和的工作压力之间也存在很紧密的关系，图2中给了明确的关系示意图，能够从图中看出围压饱和的工作压力随着土体的压缩模量的增加也有了明显的增加。
（三）排水固结
（1）排水估计的计算方法
空隙之间的压力消散固结以及瞬时压缩这两个过程是高饱和度土在高荷载的作用下必然发生的。而上文的不排水压缩公式可以计算出高饱和度土受到的瞬时压缩，孔压消散计算公式也可以用于计算排水固结阶段。
时间曲线与高饱和度土固结度之差如下图3所示，图中能够看出非饱和、饱和之间土固结基本相似，而非饱和土固结速度要快的多；饱和土在本文算例中用228秒来完全固结，而高饱和度土使用了960秒才完全固结，两者固结时间有很大的差异，而计算结果也与试验基本吻合。
（2）计算沉降
从图3来看，瞬时压缩会造成高饱和度土的沉降量大于饱和土的沉降量，但是从最终沉降量来看，固结沉降和瞬间压缩沉降量相同，其是因土骨架压缩模量的关系，其会造成最终沉降效果一致，此种结果和大多数的研究结果相同[2]。
三、结束语
总的来说，高合度土空压系数与饱和度呈正比关系，如果高饱和度土的饱和度增大，那么高饱和度图的孔压系数会随之增大，而饱和度增高却会造成随土体压缩模量变小。在饱和土中，其孔隙水如果存有溶解气体，而孔压的系数会发生变化，其值将小于1.0，所以，在准备三轴试样时，那么应该使用无气水，这样可以利于提高土体的孔压系数。从高饱和度土的固结速度来看，其要比饱和土的固结速度慢，且要慢上很多，从高饱和度土完全固结时间来看，高饱和土的初始饱和度越高，那么固结时间则越短，如果初始荷载变大，那么也可以缩短固结时间。从高饱和度土的沉降来看，其包括固结沉降和瞬时压缩沉降，由于水气混合物的压缩性作用，瞬时沉降对于高饱和土而言，沉降要比饱和度土更大，由固结引起沉降量比饱和土小，但是，从最终沉降效果来看，两者速途同归，差别不大，其是因土骨架压缩模量的关系，其会造成最终沉降效果一致。
参考文献：
[1] 苗晋杰，陈刚，潘建永，马峰.华北平原典型黏性土体固结特性的试验研究[J].地质科技情报，2009，05：109-112.
[2] 王彦兵，王思敬，李黎，邵明申，韩庚友，张宪朝.PS对潮湿环境土遗址加固潜力探讨[J].桂林理工大学学报，2012，04：537-542.
[3] 雷华阳，张文振，丁小冬，王学超，陈丽，黄茂松.考虑软土结构强度的次固结特性试验研究[J].岩土工程学报，2013，07：1221-1227.