原狀和重塑軟土力學(xué)特性的比較研究★

錢長根 陳 波 聞敏杰

(1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036； 2.衢州學(xué)院，浙江 衢州 324000)

1 概述

軟黏土作為長期在復(fù)雜的水文、地質(zhì)條件沉積過程中形成的天然材料，具有不同程度的結(jié)構(gòu)性并影響其物理力學(xué)特性。胡瑞林[1]將土體顆粒本身的大小、形狀，土體顆粒的空間排列形式、孔隙狀況以及顆粒間和接觸聯(lián)結(jié)特性稱為結(jié)構(gòu)性。土體中存在的結(jié)構(gòu)性將使軟黏土原狀樣和重塑樣的變形、強(qiáng)度等力學(xué)特性方面存在明顯的差異[2-6]。目前，在工程計(jì)算中應(yīng)用廣泛的修正劍橋模型[7]是在臨界狀態(tài)土力學(xué)的框架下，并基于重塑軟黏土的試驗(yàn)結(jié)果建立起來的彈塑性模型，然而，其與工地現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)性原狀軟黏土仍然存在著不小的差距。因此，需要開展結(jié)構(gòu)性對軟黏土力學(xué)特性的影響研究，基于研究結(jié)果的基礎(chǔ)上建立能反映原狀軟黏土變形、強(qiáng)度等力學(xué)特性的本構(gòu)模型，即結(jié)構(gòu)性軟黏土本構(gòu)模型。

國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果，得到一些重要的研究結(jié)論，如：根據(jù)強(qiáng)結(jié)構(gòu)性軟黏土的壓縮試驗(yàn)結(jié)果得出，結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲線具有明顯的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，壓縮曲線的初始階段很平緩，當(dāng)固結(jié)壓力達(dá)到一定值后，壓縮曲線則出現(xiàn)明顯的陡降段，并向該土體重塑樣的壓縮曲線接近[2-4]；根據(jù)三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果得出的結(jié)論為：強(qiáng)結(jié)構(gòu)性軟黏土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線不僅與重塑樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線存在明顯的區(qū)別，而且結(jié)構(gòu)性使原狀樣的強(qiáng)度包線呈折線形[2,5]。根據(jù)單向固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果得出的結(jié)論為：結(jié)構(gòu)性軟黏土的固結(jié)系數(shù)在屈服應(yīng)力之前較高，達(dá)到屈服應(yīng)力后則明顯的降低，并與重塑樣的固結(jié)系數(shù)相接近，固結(jié)系數(shù)變化可達(dá)幾十倍[6]。

本文分別對上海淤泥質(zhì)軟黏土的原狀樣及相應(yīng)的重塑樣開展多次等向壓縮和三軸排水剪切試驗(yàn)，分別得到它們的等向壓縮曲線和應(yīng)力—應(yīng)變—體變曲線。根據(jù)測得的壓縮曲線可知：結(jié)構(gòu)性的存在使原狀土具有更大的孔隙比、壓縮指數(shù)Cc和膨脹指數(shù)Cs。根據(jù)測得的應(yīng)力—應(yīng)變—體變曲線可知：原狀樣在不同圍壓下的應(yīng)力—應(yīng)變—體變曲線不同，而重塑樣在不同圍壓下的應(yīng)力—應(yīng)變—體變曲線基本一致，說明圍壓對原狀樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線有影響，對重塑樣幾乎沒有影響；同一圍壓下原狀樣的強(qiáng)度卻低于相應(yīng)重塑樣的強(qiáng)度，并認(rèn)為這是由于同一圍壓下，原狀樣比重塑樣具有更大的孔隙比引起的。

2 等向壓縮試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)用土取自地表以下深度10 m～15 m，地質(zhì)勘察報(bào)告表明該深度為上海地區(qū)最具代表性的第④層淤泥質(zhì)黏土。為研究結(jié)構(gòu)性對軟黏土壓縮特性的影響，對現(xiàn)場取來的原狀樣進(jìn)行一組等向壓縮回彈試驗(yàn)后，對重塑樣進(jìn)行同樣的一組對比試驗(yàn)，分別得到軟黏土原狀樣和重塑樣的等向壓縮回彈曲線。試驗(yàn)采用分級加載，為保證土樣在每級荷載下固結(jié)完成，本試驗(yàn)每級荷載固結(jié)1 d。制備試驗(yàn)用的重塑樣采用如下方法：將充分?jǐn)嚢璧耐翗又瞥娠柡湍酀{，倒入自己加工的大固結(jié)容器后分級加載，待固結(jié)完成后得到所需的試樣。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

原狀樣和重塑樣等向壓縮試驗(yàn)得到的2條壓縮曲線如圖1所示，從圖1所示的試驗(yàn)結(jié)果中，可以得到以下結(jié)論：

重塑土的壓縮曲線近似為一直線，其壓縮指數(shù)Cc、膨脹指數(shù)Cs為一常數(shù)。計(jì)算得到該軟黏土重塑樣的壓縮指數(shù)Cc的平均值為0.260；回彈指數(shù)Cs的平均值為0.049。原狀樣的壓縮指數(shù)Cc平均值為0.315，回彈指數(shù)Cs的平均值為0.056。因此，對于本次試驗(yàn)用的軟黏土而言，原狀樣的壓縮指數(shù)Cc比重塑樣大了約22%，膨脹指數(shù)Cs大了約14%。眾多試驗(yàn)結(jié)果表明，對于上海淤泥質(zhì)軟黏土，壓縮指數(shù)Cc最大可相差40%[6]。

2.3 結(jié)果分析

軟黏土原狀樣在緩慢沉積過程中，顆粒之間的化學(xué)膠結(jié)阻礙了土的進(jìn)一步壓密，使軟黏土具有不同程度的結(jié)構(gòu)性，并造成了土體的孔隙比較大。同時，由于化學(xué)膠結(jié)而成的土體結(jié)構(gòu)易受固結(jié)壓力影響，并不是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此，原狀樣與重塑樣的壓縮特性存在明顯的區(qū)別。軟黏土的結(jié)構(gòu)性使固結(jié)壓力低于屈服應(yīng)力值時，原狀樣的壓縮性較小，當(dāng)固結(jié)壓力高于屈服應(yīng)力值時，原狀樣的壓縮性出現(xiàn)急劇增大，因此，軟黏土原狀樣的壓縮曲線形狀為一條陡降形的曲線，壓縮性發(fā)生巨變對應(yīng)的點(diǎn)即為土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力點(diǎn)[2-4]。本文根據(jù)等向壓縮試驗(yàn)得到原狀土的壓縮曲線是一條結(jié)構(gòu)屈服點(diǎn)并不明顯的平緩曲線。這是由于本試驗(yàn)土樣取樣時采用的厚壁取樣器，且運(yùn)輸過程中未注意保護(hù)，導(dǎo)致原狀樣的擾動較大，從而不同程度的破壞了土體的原始結(jié)構(gòu)。因此，為更好的研究結(jié)構(gòu)性對軟黏土力學(xué)特性的影響，應(yīng)盡量采用對原狀樣取樣擾動少的塊狀取樣方式，從而減小對原狀樣的結(jié)構(gòu)性的破壞。

3 排水剪切試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為了研究結(jié)構(gòu)性對軟黏土應(yīng)力—應(yīng)變—體變曲線的影響，對原狀樣及相應(yīng)的重塑樣進(jìn)行等圍壓的固結(jié)排水剪切對比試驗(yàn)。即，首先對原狀樣開展一組(3個)不同圍壓的排水剪切試驗(yàn)，然后對重塑樣進(jìn)行一組與原狀樣相同剪切圍壓的排水剪切試驗(yàn)，分別得到原狀樣和重塑土的應(yīng)力比—應(yīng)變曲線。為防止剪切產(chǎn)生的超孔隙水無法完全排出，影響試驗(yàn)結(jié)果， 剪切速率需進(jìn)行嚴(yán)格控制，本試驗(yàn)選用的剪切速率為0.002 8 %/min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

原狀樣和重塑樣在不同圍壓下排水剪切試驗(yàn)得到的應(yīng)力比—應(yīng)變—體變曲線如圖2所示，從圖2所示的試驗(yàn)結(jié)果中，可以得到以下結(jié)論：

1)固結(jié)壓力大于結(jié)構(gòu)屈服后，原狀樣和重塑樣的三軸排水剪切試驗(yàn)得到的應(yīng)力比—應(yīng)變—體變曲線為典型的剪縮硬化型。不同圍壓下原狀樣的應(yīng)力比—應(yīng)變—體變曲線存在差異，而重塑樣的應(yīng)力比—應(yīng)變—體變曲線卻基本相同，說明剪切圍壓對原狀樣的應(yīng)力比—應(yīng)變—體變曲線有影響，對重塑樣則幾乎沒有影響。

2)國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到原狀土中因結(jié)構(gòu)的存在使土體具有更高的強(qiáng)度的結(jié)論[2,6]。圖2中的結(jié)果則顯示，相同圍壓下剪切時，原狀樣的強(qiáng)度小于相應(yīng)重塑樣的強(qiáng)度，與一般試驗(yàn)結(jié)果不同。這是由于在相同圍壓下剪切時，原狀樣和重塑樣的孔隙比存在差異，原狀樣的孔隙比大，從而導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低。

3)根據(jù)軟黏土原狀樣的壓縮曲線具有陡降段的特點(diǎn)，國內(nèi)外專家對結(jié)構(gòu)屈服破壞做了如下解釋：即，具有結(jié)構(gòu)性的原狀樣存在著結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，若應(yīng)力水平超過該土樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，軟黏土的結(jié)構(gòu)將會發(fā)生逐漸破壞，結(jié)構(gòu)性影響逐漸消失[4]。而本文根據(jù)原狀樣在不同剪切圍壓下得到的應(yīng)力比—應(yīng)變—體變曲線的特點(diǎn)，可知結(jié)構(gòu)性軟黏土在大剪切圍壓下得到的剪切應(yīng)力比低于小剪切圍壓下的剪切應(yīng)力比，更好地印證了軟黏土的結(jié)構(gòu)性是逐漸破壞的。

3.3 結(jié)果分析

國內(nèi)外學(xué)者大量的剪切試驗(yàn)結(jié)果顯示相同圍壓剪切時，軟黏土原狀樣的強(qiáng)度大于相應(yīng)的重塑樣的強(qiáng)度，本文得到的試驗(yàn)結(jié)果卻正好相反，即，相同圍壓下剪切時，原狀土的強(qiáng)度小于相應(yīng)重塑樣的強(qiáng)度。這主要是影響軟黏土抗剪強(qiáng)度的因素眾多，如：土體的孔隙比、土體結(jié)構(gòu)性、剪切速率、應(yīng)力歷史等。因此，比較原狀樣和重塑樣的強(qiáng)度大小時，不是僅僅考慮土體結(jié)構(gòu)對原狀樣強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，還需要考慮孔隙比增大對原狀樣強(qiáng)度降低的作用。

Graham等[5]開展的Winnipeg軟黏土原狀樣和重塑樣不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，相同圍壓下的原狀樣的強(qiáng)度也低于相應(yīng)重塑樣的強(qiáng)度，與本文得到的剪切試驗(yàn)結(jié)果基本一致。隨后，利用剪切完成后得到的平均主應(yīng)力p和相應(yīng)的比容(v=1+e)的關(guān)系，得到在正常固結(jié)狀態(tài)下，原狀樣和重塑樣在臨界狀態(tài)時的臨界狀態(tài)線，即v—logp曲線是相互平行的，且由于原狀樣的比容大于相應(yīng)重塑樣的比容，因而原狀樣的臨界狀態(tài)線位于相應(yīng)重塑樣的上方。本文用類似的方法，將臨界狀態(tài)時上方軟黏土原狀樣和重塑樣的孔隙比e與其對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度q進(jìn)行整理后，得到如圖3所示的e—logq曲線。圖3中，e為孔隙比，q為土的抗剪強(qiáng)度。

圖3的試驗(yàn)點(diǎn)和擬合曲線顯示：正常固結(jié)狀態(tài)下，原狀土和重塑土臨界狀態(tài)時的e—logq曲線都具有很好的線性相關(guān)性。而且，原狀樣的強(qiáng)度曲線位于相應(yīng)重塑樣的強(qiáng)度曲線上方，說明若原狀樣和重塑樣的孔隙比相同時，原狀樣的強(qiáng)度將大于相應(yīng)重塑樣的強(qiáng)度，這是由于原狀樣中存在結(jié)構(gòu)性引起的。而本文得到的原狀土和重塑土在相同圍壓下剪切時，重塑土的強(qiáng)度大于原狀土的強(qiáng)度是由于重塑土孔隙比小于原狀土的孔隙比導(dǎo)致的，孔隙比也是影響強(qiáng)度的重要因素。因此，本文得出的重塑土的排水強(qiáng)度大于原狀土的強(qiáng)度是由于重塑土的孔隙比小引起的，并不與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度理論相沖突。

4 結(jié)語

1)經(jīng)過計(jì)算得到重塑土的壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cs分別為0.260和0.049；用普通取樣方法得到的原狀土的壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cs分別為0.315和0.056。因此，重塑土和原狀土相比，壓縮指數(shù)Cc小22%左右，膨脹指數(shù)Cs小14%左右。

2)在不同圍壓下剪切，原狀樣的應(yīng)力比—應(yīng)變—體變曲線存在著差異，而重塑樣的應(yīng)力比—應(yīng)變—體變曲線基本相同，說明剪切圍壓對原狀樣的抗剪強(qiáng)度有影響，而對重塑土的抗剪強(qiáng)度卻幾乎沒有影響，具有很好歸一性。在相同剪應(yīng)變下原狀土在圍壓低時應(yīng)力比大于圍壓高時應(yīng)力比，說明結(jié)構(gòu)是逐漸破壞的。

3)軟黏土的強(qiáng)度、變形等力學(xué)特性不僅與土體長期沉積過程中形成的結(jié)構(gòu)性密切相關(guān)，還與剪切破壞時的孔隙比密切相關(guān)。由于原狀樣的孔隙比大于相應(yīng)重塑樣的孔隙比，導(dǎo)致相同圍壓下剪切得到的原狀樣的強(qiáng)度小于相應(yīng)重塑土的強(qiáng)度。若兩者的孔隙比相同，則原狀樣的強(qiáng)度由于結(jié)構(gòu)性的增強(qiáng)效應(yīng)，其強(qiáng)度將大于相應(yīng)重塑土的強(qiáng)度。

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