結(jié)構(gòu)性土體固結(jié)壓力的力學效應

（1.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026；2.吉林大學應用技術(shù)學院，吉林長春130022）

（1.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026；2.吉林大學應用技術(shù)學院，吉林長春130022）

針對黃土、鹽漬土、紅土、下蜀土、軟土以及添加水泥和石灰固化后的吹填土等特殊土體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)強度高、先期固結(jié)壓力大，且地表土超固結(jié)比十分高，存在隨著土層深度的增加，前期固結(jié)壓力值減小的反常規(guī)現(xiàn)象，開展了土體結(jié)構(gòu)力、結(jié)構(gòu)強度和結(jié)構(gòu)性土體等一系列問題的研究.通過對大量試驗資料的分析，討論了影響土體前期固結(jié)壓力的主要影響因素，包括土體膠結(jié)類型、成因特點、原巖結(jié)構(gòu)以及環(huán)境等因素；根據(jù)原狀土和重塑土的莊縮曲線半定量地確定結(jié)構(gòu)強度值；并探討了結(jié)構(gòu)力的形成機制.研究結(jié)果表明：土體結(jié)構(gòu)強度受到影響則導致土體前期固結(jié)壓力發(fā)生改變；前期固結(jié)壓力實質(zhì)上是由傳統(tǒng)定義上的前期固結(jié)壓力與結(jié)構(gòu)強度兩部分構(gòu)成；結(jié)構(gòu)力即為顆粒之間形成的固化膠結(jié)連結(jié)力.最后給出了結(jié)構(gòu)強度和結(jié)構(gòu)性土的定義.

特殊土體；結(jié)構(gòu)性；結(jié)構(gòu)強度；前期固結(jié)壓力；力學效應

1 問題的提出

近年來隨著經(jīng)濟建設的高速發(fā)展和土地資源的匱乏，沿海地區(qū)圍海造陸形成大面積的工程軟土.該種性質(zhì)極為軟弱的軟土或人工吹填土需進一步進行快速固化，一般加入適量水泥、粉煤炭灰和石灰等性價比較高的添加劑作為土層固化劑，經(jīng)過固化處理后的軟土其強度可滿足工程需求.處理后土體除了強度大大提高之外，還具有明顯的超固結(jié)特征.另外，一些工程地質(zhì)性質(zhì)較好的原狀土，如中國廣泛分布的紅土（本文中紅土為第四紀松散沉積物上發(fā)育的紅色風化殼）、黃土，長江中游分布的下蜀土，以及吉林西部發(fā)育的鹽漬土等特殊黏性土也具有較強的“超固結(jié)”特性.而且研究發(fā)現(xiàn)這些“超固結(jié)土”的先期固結(jié)壓力值與傳統(tǒng)定義的壓力值隨土層埋深的變化規(guī)律呈現(xiàn)相反態(tài)勢，其在工程上表現(xiàn)的基本物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學特性均與先期固結(jié)壓力值呈現(xiàn)正相關(guān)規(guī)律［1］；這類土具有較強的先期固結(jié)壓力，傳統(tǒng)觀點認為該類土體與巖體具有相似的特征，即具有較強的受力歷史記憶能力［2］；體現(xiàn)出對應力路徑反應靈敏，即力學性質(zhì)與應力水平密切相關(guān)，并同時受到應力路線影響；土的力學強度在結(jié)構(gòu)屈服應力附近引起較大的變化［3］，而且與當時的應力水平有關(guān)，稱這樣一類土為結(jié)構(gòu)性土.上述特殊的性質(zhì)是該類土體結(jié)構(gòu)效應的表現(xiàn).

該類結(jié)構(gòu)性土體的特殊性使其土體的先期固結(jié)壓力大小與傳統(tǒng)意義上的定義出現(xiàn)差異，即不是由自重應力引發(fā)的較強的固結(jié)力，而是由于其它的因素而產(chǎn)生一定先期固結(jié)力，如吹填土的水泥添加劑引起較強的結(jié)構(gòu)力，不僅使土體產(chǎn)生了較高的先期固結(jié)壓力，同時也使土體產(chǎn)生了較高的內(nèi)摩擦角φ和較高的內(nèi)聚力C［4-5］，同樣，結(jié)構(gòu)性較高的紅土也表現(xiàn)出高含水量和高孔隙比的情況下仍然具有較高的強度特征，表現(xiàn)在高的地基承載力［6］；因此，本文將從本質(zhì)上解釋結(jié)構(gòu)性土先期固結(jié)性質(zhì)的特征.

2 土體結(jié)構(gòu)性的定義

傳統(tǒng)的黏性土先期固結(jié)壓力的理論是以土體在歷史上荷載對土產(chǎn)生的固結(jié)為研究基礎的，明確定義即為土體在歷史上所承受垂直方向上最大的有效固結(jié)壓力.

但是，對于本文所研究的一些特殊土在地表以下不深的范圍內(nèi)土體強度較高，表現(xiàn)為前期固結(jié)壓力Pc值較大，土體超固結(jié)比（OCR）遠遠高出預期值，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象并非自重應力所致，而是由于其它的自然作用或者人為的因素引起的.其內(nèi)在原因是在漫長的成土過程中一系列物理化學作用導致接觸的顆粒之間形成固化膠結(jié)聯(lián)接鍵，稱這種固化膠結(jié)連結(jié)力為結(jié)構(gòu)力；如果顆粒之間存在著結(jié)構(gòu)力使得土骨架具有一定的連結(jié)強度，則稱之為土的結(jié)構(gòu)強度，而具有結(jié)構(gòu)強度的土體被稱為結(jié)構(gòu)性土.傳統(tǒng)的前期固結(jié)壓力是指土層在歷史上經(jīng)受過的最大有效固結(jié)壓力，但對于一些吹填土、鹽漬土、下蜀土、軟土或者改良后軟土等特殊土來說，傳統(tǒng)前期固結(jié)壓力定義不再適用，因此提出前期固結(jié)壓力是由傳統(tǒng)意義上的前期固結(jié)壓力和結(jié)構(gòu)強度兩部分構(gòu)成.

結(jié)構(gòu)性土一般來說具有較強的結(jié)構(gòu)連結(jié)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)土體的結(jié)構(gòu)性越強，其Pc和OCR也越大，為探究二者之間的具體關(guān)系，我們進行了相關(guān)的試驗分析與研究.

3 影響土體結(jié)構(gòu)強度的主要因素

針對以往特殊土體工程地質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)對于鹽漬土、紅土、典型黃土和下蜀土等特殊土體，甚至于軟土、固化后吹填土等均存在Pc值和OCR比較高的現(xiàn)象，但是，由于成因類型的不同，土體結(jié)構(gòu)性形成條件也是不盡相同的.土在形成過程中的膠結(jié)物質(zhì)不相同，導致土中顆粒之間的固化膠結(jié)作用不相同，最終表現(xiàn)為土體結(jié)構(gòu)強度的差異性［7］.

3.1 不同成因類型土體中膠結(jié)物的影響

大量的測試試驗表明，長春的黃土狀土、南京的下蜀土其前期固結(jié)壓力是隨著埋深增大而逐漸增大的，而武漢的下蜀土則是隨著土層的埋深而迅速減小的，如圖1所示.文獻［8］中提到的黃河三角洲沉積物的超固結(jié)比隨著埋深增大而呈減小趨勢，相反，超固結(jié)比則出現(xiàn)與常規(guī)不一致的現(xiàn)象，如圖2所示，即武漢、南京的下蜀土其超固結(jié)比隨著土層埋深的增加出現(xiàn)銳減的趨勢，長春黃土狀土隨著深度變化其超固結(jié)比變化趨勢較為緩慢［1，6，12］.同樣，項目組在進行吹填土加固試驗時［9］，采用不同含量的水泥、石灰和粉煤灰，進行試驗得到Pc值，如表1所示.圖3為不同水泥、石灰摻入量固結(jié)吹填土原狀樣品與重塑樣品的壓縮曲線.從圖3中可以看出，擾動土的壓縮曲線位于原狀土的下方（圖3中，P為試驗中施加的垂向壓力；ε為應變），而此時并沒有產(chǎn)生固結(jié)力，因此根據(jù)此曲線可以計算出每種土的初始結(jié)構(gòu)強度.而兩曲線開始處的初始差值則為點接觸所產(chǎn)生的初始結(jié)構(gòu)強度.很明顯土樣的Pc和OCR值非常高，表現(xiàn)出圖3所示試驗樣品均為“超固結(jié)土”［10］.

圖1 黏性土前期固結(jié)壓力Pc與深度h的關(guān)系Fig.1 Relation between（Pc）and depth（h）of cohesive soil

圖2 黏性土超固結(jié)比OCR與深度h關(guān)系Fig.2 Relation between over consolidated ratio（OCR）and depth（h）of cohesive soil

表1 結(jié)構(gòu)強度與前期固結(jié)壓力Pc的關(guān)系Tab.1 Initial structural strength and Pcof each samples

圖3 不同水泥、石灰摻入量固結(jié)吹填土原狀樣品與重塑樣品的壓縮曲線Fig.3 Compression curves of undisturbed and reconstituted soil samples with different cement and lime contents

圖4為不同水泥含量的人工土樣SEM圖，以土樣中加入不同含量水泥為例來說明土體結(jié)構(gòu)強度的具體表現(xiàn).可以觀察到當加入水泥為10%時，樣品中很少見到水泥水化結(jié)晶形成的膠結(jié)現(xiàn)象，只在部分孔隙中發(fā)現(xiàn)一些結(jié)晶現(xiàn)象；當水泥量為15%時，則可觀察到水泥大量的水化結(jié)晶產(chǎn)物附著在黏粒和粉粒的表面，形成較強的結(jié)構(gòu)聯(lián)接；而當水泥含量為20%時，水泥發(fā)生水化結(jié)晶后相互凝聚形成團粒，形成單獨的顆粒存在于土中，但顆粒之間結(jié)構(gòu)聯(lián)接作用并不明顯，因此，本次試驗的結(jié)果是水泥含量為15%的人工土樣結(jié)構(gòu)強度最高.

在紅土和下蜀土中的游離氧化物（主要游離的氧化鐵、鋁和鈣）等為主要的膠結(jié)物質(zhì)，通過覆蓋、包膜或者微晶的形式將結(jié)構(gòu)單元體進行膠結(jié)連結(jié)，其表面形態(tài)如巖溶地貌，如圖5所示，由此形成一定強度的結(jié)構(gòu)連結(jié)，土體強度特征上表現(xiàn)為土體的Pc值較高，如圖6所示.紅土中的游離鐵含量較高，且在土體中主要以正電荷的形式呈現(xiàn)出包膜和覆蓋在以負電荷形式存在的黏土礦物表面，起到較好的膠結(jié)連結(jié).同樣，下蜀土由以游離氧化物鋁的形式把土體中細小的結(jié)構(gòu)單元體連結(jié)起來，形成較高的強度，如表2和圖1、2所示.

圖4 不同水泥含量的人工樣SEM圖Fig.4 Structural equation modeling（SEM）images of artificial soil with different cement contents

圖5 紅土的膠結(jié)連結(jié)特征Fig.5 Characteristics of cemented connection in red soil

圖6 游離氧化物含量與OCR相關(guān)性Fig.6 Relationship of free oxide content and OCR

表2 前期固結(jié)壓力與游離氧化物的相關(guān)關(guān)系Tab.2 Relationship between the ratio of overconsolidation and free oxides in granite residual red soil

試驗結(jié)果表明：由于土中游離氧化鐵的存在形態(tài)以及含量的不同，使得土體中的膠結(jié)連結(jié)作用不相同，而當游離氧化鐵的含量不同，對土中膠結(jié)作用的影響更為顯著，表現(xiàn)為在其它因素差異不大時，隨著土中游離氧化鐵含量的增加，土體的結(jié)構(gòu)屈服應力呈逐漸增大的趨勢，如圖7所示.原狀紅黏土結(jié)構(gòu)較完整，土體內(nèi)部膠結(jié)連接強度較高，而重塑紅土破壞原有結(jié)構(gòu)，土顆粒重新形成新的連接，力學性質(zhì)也會受到很大影響，非飽和紅黏土中氧化鐵的含量及賦存狀態(tài)對于其力學特性影響較大，在工程中應予以重視［11］.

圖7 結(jié)構(gòu)屈服應力與游離氧化鐵含量關(guān)系曲線［12］Fig.7 Relationship of structural yield stress and free iron oxide content

3.2 溫度影響

紅土在我國分布的范圍明顯受到自然氣候的控制，其分布主要在北緯23.5°以南或者說是長江以南的熱帶和亞熱帶地區(qū).北方紅土分布不具有規(guī)律性，只有零星分布.在紅土形成的地質(zhì)歷史環(huán)境中，環(huán)境溫度對紅土中游離氧化鐵的影響十分顯著，從而表現(xiàn)在同一種紅土固結(jié)強度隨著緯度的變化而變化的特性.

通過室內(nèi)Fe（OH）3體系中試驗發(fā)現(xiàn)當溫度為30℃時紅土中氧化鐵變化并不明顯，原因是當溫度條件為30℃以下時，存在于紅土中的無定形氧化鐵的老化速率極低；而當溫度上升到40℃時，紅土中游離鐵的老化速率7 d可以達到24.33%，而在10～14 d時，水鐵礦開始老化，可能形成針鐵礦、赤鐵礦或者二者混合晶型的氧化鐵.因此，紅土在40℃溫度條件下，鐵的老化率迅速增加；而溫度增加到50℃，則在15 d時老化率達到51.77%.如圖8所示［12］.

圖8 游離氧化鐵與溫度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship of free oxide and temperature

通過試驗得到在不同溫度條件下紅土中游離氧化鐵含量的變化曲線可知，加溫時間越長，土中游離氧化鐵含量越高，并且陽離子交換量越低，紅土顆粒的粒徑也越大，塑性指標越大，且力學指標中的內(nèi)摩擦角也明顯增大；表現(xiàn)在加溫15 d的土樣其工程地質(zhì)要較加溫7 d的土樣好［12］.

3.3 環(huán)境的變更

當氣候存在明顯的干濕變化時，天然狀態(tài)下土體的含水率會發(fā)生急劇下降現(xiàn)象，如吹填土層由于干縮作用在土體表面形成大量龜裂，但同時土體也表現(xiàn)出明顯的超固結(jié)特性，并且使得吹填土的淺表層土體形成能夠承受一定壓力的硬殼，這有利于軟土的進一步固化處理.

同樣由于受到強烈的蒸發(fā)作用使得松嫩平原地區(qū)形成了大面積的鹽漬化土，由于鹽漬土區(qū)水分場、溫度場、化學場和力場之間的相互作用影響使得土體內(nèi)部的水分、鹽分發(fā)生運移，進而使得鹽漬土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而發(fā)生其土體強度要遠遠大于同物質(zhì)組成的土體，不難發(fā)現(xiàn)這類土的結(jié)構(gòu)性也較強.因此土體的結(jié)構(gòu)強度形成的機理如圖9所示.

圖9 結(jié)構(gòu)強度形成的三場耦合圖Fig.9 Three-field coupling diagram of structural strength formation

由于不同物理場的作用，使地表不深范圍內(nèi)的土體前期固結(jié)壓力可能達到非常之高，圖10為吉林西部鎮(zhèn)賚地區(qū)鹽漬土在地面以下不同深度處土樣的高壓固結(jié)試驗結(jié)果，圖中，e為孔隙比.由圖10可知，該土層的前期固結(jié)壓力隨著深度產(chǎn)生不同程度的變化.這種由多場相互作用引起的鹽分運移使得鹽分在地表發(fā)生聚集，不光可以提高土體的強度，也會引發(fā)土體次生鹽漬化等地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)災變問題.

圖10 鎮(zhèn)賚原狀土樣e-lg P曲線Fig.10 e-lg P curves of undisturbed soil samples collected in Zhenlai

3.4 原巖結(jié)構(gòu)影響

長春市區(qū)第四紀下伏基巖層主要由白堊紀泥巖、砂巖等組成，大量的工程地質(zhì)勘察工程發(fā)現(xiàn)，該層強風化巖體具有較強的結(jié)構(gòu)性，即原位試驗時得到該層巖性的力學強度均較高，并且土體承載力可達到200～300 kPa，但是取樣進行室內(nèi)常規(guī)試驗得到該地層的承載力只有160～180 kPa［13］，可見該層土體具有較強的結(jié)構(gòu)性.

對于所有的殘積土，由于其風化程度不盡相同，每種土體均保留有基巖的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，這種殘余結(jié)構(gòu)力是造成土體Pc值偏高的因素之一.

由上述討論可見，土體產(chǎn)生超固結(jié)現(xiàn)象和前期固結(jié)壓力較大的原因較多，Pc值的大小不僅受自身自重作用所致，而且還受到后期游離氧化物、黏土礦物、有機質(zhì)等物質(zhì)的膠結(jié)作用影響、土體滲流作用、殘余結(jié)構(gòu)力、土體的成因條件的作用等因素影響，因此，傳統(tǒng)意義上的前期固結(jié)壓力一部分是由自重應力作用，另外一部分是由土體結(jié)構(gòu)強度兩部分共同作用所形成.

4 結(jié) 論

（1）結(jié)構(gòu)性土與傳統(tǒng)意義上的前期固結(jié)壓力的區(qū)別

天然狀態(tài)的黏性土其前期固結(jié)壓力值的大小通常情況下與其地質(zhì)成因密切相關(guān).對于沖積、洪積、風積、殘積和坡積等成因土體，在其形成的地質(zhì)歷史過程中，土中顆粒在外界介質(zhì)的動力作用下，大都經(jīng)歷了一定程度的遷移作用，并在漫長歷史荷載作用下形成能反映一定地質(zhì)成因的排列組合方式和物質(zhì)構(gòu)成.由于大量的膠結(jié)物質(zhì)和溫度等使土中存在分子間力、離子連結(jié)、氫鍵連結(jié)、離子靜電連結(jié)等結(jié)構(gòu)連結(jié)力，土體保留了一定的結(jié)構(gòu)性，從而產(chǎn)生超固結(jié)的地質(zhì)特征.

（2）人工土體結(jié)構(gòu)強度的來源

大量人工形成的土體其強度形成的機制主要取決于人工添加劑的種類、強度、摻入量等因素.如我們團隊研究的吹填土結(jié)構(gòu)強度是隨著水泥或石灰摻入量的不同而導致土體強度不同，并建立了不同添加劑摻入比條件下，結(jié)構(gòu)強度隨壓力增長曲線，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)強度隨壓力呈線性增長的趨勢，并且計算出每種添加劑摻入比試樣的初始結(jié)構(gòu)強度，以此初始值作為結(jié)構(gòu)強度增長的界限點［14］.

（3）結(jié)構(gòu)強度是三場（M-C-E）耦合過程的產(chǎn)物

土體的結(jié)構(gòu)強度高低決定了土體前期固結(jié)壓力的大小，也決定了土體的強度與變形大小.結(jié)構(gòu)力對土體土顆粒的作用類似于指向顆粒內(nèi)部的拉應力的作用，因此，土中顆粒對結(jié)構(gòu)力的作用一般采用其結(jié)構(gòu)強度來衡量.在微觀尺度上，當在膠結(jié)力或殘余應力的作用下，顆粒間的連結(jié)力增大，無論是氧化鐵在黏土礦物中的離子靜電引力還是氫鍵的連結(jié)力均可以產(chǎn)生一定連結(jié)強度，對于土體來說，這些連結(jié)力是混合在一起的，很難從不同連結(jié)力的性質(zhì)上加以區(qū)分，所以土體的這種連結(jié)力則采用結(jié)構(gòu)強度來表示.通過上面的論述可以看出，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度的形成過程實質(zhì)上是一個典型的物質(zhì)場—應力場—環(huán)境場（C-M-E）耦合過程，如圖8所示.從各場之間的耦合關(guān)系，可以看出這三場之間耦合的結(jié)果即為結(jié)構(gòu)強度.

土體的結(jié)構(gòu)強度是在三場作用下形成的一種特殊強度，而在土體的結(jié)構(gòu)單元體之間或者之內(nèi)由于土顆粒相互接觸、咬合、鑲嵌作用，在長期的壓應力場作用下顆粒間相互產(chǎn)生固化凝聚力；由原巖的殘余結(jié)構(gòu)亦可形成較強的固化力；在漫長的地質(zhì)歷史時期中，原巖經(jīng)過3種風化作用，可溶性物質(zhì)被溶蝕在新環(huán)境中沉積下來［15］，形成3種不同溶解度的鹽，直接影響著土體的結(jié)構(gòu)強度，造成了不同類型鹽漬土具有較大干強度的結(jié)果；而原巖中那些不可溶的物質(zhì)，在另外一種新的環(huán)境中沉積下來，形成另外一種膠結(jié)物，其中最常見的是紅土中的游離氧化鐵，下蜀土中的游離氧化鋁，并且由于溫度不同，產(chǎn)生的膠結(jié)物種類、作用效果相差也較大，直接影響著土體的結(jié)構(gòu)強度.

另外，由于環(huán)境中的干濕交替、滲透壓力、地下水升降和蒸發(fā)作用的不同，土體中含水率變化過程劇烈.土中在結(jié)合水膜的作用下相鄰土粒間連結(jié)起來形成水膠結(jié)構(gòu)連結(jié)、滲透水流的動水壓力作用下而產(chǎn)生滲透固結(jié)力等不同性質(zhì)的膠結(jié)強度.總之，三場的共同作用使得顆粒間產(chǎn)生一定程度的結(jié)構(gòu)連結(jié)，并且該強度的大小直接決定了與（T-H-M）三場相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)，而三場耦合作用的結(jié)果導致了結(jié)構(gòu)強度的變化.

致謝：國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室開放基金（KLLSMP201601）；廣西巖土力學與工程重點實驗室基金資助（14-KF-01）.

向在我們團隊工作過和正在工作的成員表示衷心感謝！

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結(jié)構(gòu)性土體固結(jié)壓力的力學效應

王 清1， 孔元元1， 張旭東1， 阮云凱1， 陳 冶2

Mechanical Effect of Pre-consolidation Pressure of Structural Behavior Soil

WANG Qing1， KONG Yuanyuan1， ZHANG Xudong1， RUAN Yunkai1， CHEN Ye2
（1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China；2.Applied Technology College of Jilin University，Changchun 130022，China）

Special soil such as loess，saline soil，red soil，Xiashu loess，soft soil，or solidified dredger fill，has high pre-consolidation pressure（Pc）and high over-consolidation ratio（OCR），and with the increase of soil depth，the Pc value decreases obviously.To investigate these uncommon facts，soil structure force，structural strength and other issues in structural soils were analyzed.From experimental data，the factors affecting pre-consolidation pressure（Pc）were discussed，including the soil cementation type，soil genesis characteristics，original rock structure and environment.Soil structural strength was determined according to the compression curves of undisturbed and remolded soil，and the formation mechanism of structure force was explored.The results show that those factors affect the soil structure strength，which changes pre-consolidation pressure.It is found that the preconsolidation pressure includes two parts，the traditional pre-consolidation pressure and soil structural strength；the structure force is the solidified bond strength between particles.Finally，the definitions of structural strength and structural soil were presented.

special soil mass；structural behavior；structural strength；pre-consolidation pressure；mechanical effect

王清，孔元元，張旭東，等.結(jié)構(gòu)性土體固結(jié)壓力的力學效應［J］.西南交通大學學報，2016，51（5）：987-994.

0258-2724（2016）05-0987-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.023

TU411

A

2016-06-20

國家自然科學基金資助項目（41430642，41372267）

王清（1959—），女，教授，博士生導師，研究方向為土體工程地質(zhì)，E-mail：wangqing@jlu.edu.cn

陳冶（1958—），男，副教授，研究方向為工程地質(zhì)，E-mail：changchunchenye@163.com

（中文編輯：唐 晴 英文編輯：周 堯）