固結(jié)度對(duì)長江漫灘相軟土抗剪強(qiáng)度的影響

王振祥，王 軍，鐘 萍，崔志鵬，朱緯煦，吳 琪

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì),江蘇 南京 210041；(2.南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所,江蘇 南京 210009)

0 引 言

在長江中下游地區(qū)，漫灘相軟土分布廣泛，軟土的工程性質(zhì)較差，給城市建設(shè)中日益增多的軌道交通、深基坑等地下工程帶來了問題(邱祖林等，2008；梅芹芹等，2018)。其中，抗剪強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和確立地基承載力的重要參數(shù)，對(duì)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。

前人對(duì)南京長江漫灘相軟土的抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究：劉維正等(2010)結(jié)合現(xiàn)場原位測試探究了漫灘相軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)漫灘區(qū)工程場地的地基處理提出了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相關(guān)建議；王小龍等(2016)對(duì)漫灘相軟土的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著土層埋深的增大，軟土不排水抗剪強(qiáng)度呈明顯增加趨勢，并給出了線性增加的關(guān)系式；閻長虹等(2015)對(duì)江蘇地區(qū)不同成因軟土的工程特性展開系列研究，認(rèn)為長江漫灘相軟土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與顆粒較細(xì)、含水量高及其絮狀結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)系。

在長江漫灘區(qū)，工程的施工或運(yùn)行中常見沉降正在發(fā)展中的土層，其土體的固結(jié)尚未完全，抗剪強(qiáng)度特性差異顯著。張朋等(2014)通過對(duì)黃河沖積平原的粉土進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，圍壓增大時(shí)，粉土1 h的沉降量與該級(jí)荷載下穩(wěn)定后的沉降量差值減??；何群等(2005)通過對(duì)軟土進(jìn)行直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著固結(jié)度的增加，土體抗剪強(qiáng)度逐漸提升，但增幅減緩；張銀屏等(2005)基于三軸試驗(yàn)的結(jié)果指出，軟土抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)度的變化規(guī)律受到土體類別和性質(zhì)的影響；李佐良等(2012)對(duì)重塑軟黏土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著固結(jié)度的增加，軟黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ波動(dòng)上升，但黏聚力c較小且基本為定值。根據(jù)以上研究可知，軟黏土的抗剪強(qiáng)度與土體的固結(jié)程度具有較強(qiáng)的正相關(guān)性。

作為典型的區(qū)域性軟土，關(guān)于長江漫灘相軟土在不同固結(jié)度條件下的試驗(yàn)研究目前較為有限，尤其在抗剪強(qiáng)度方面的認(rèn)知不夠充分。因此結(jié)合當(dāng)前長江漫灘區(qū)的工程建設(shè)需求，通過固結(jié)不排水條件下的三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)不同固結(jié)度的長江漫灘相原狀軟土的抗剪強(qiáng)度及相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行探究，為長江漫灘區(qū)工程場地的地基設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 試驗(yàn)土樣

長江漫灘地層的工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，屬典型的河流沖積二元結(jié)構(gòu)。受河流迂回?cái)[動(dòng)的影響，上部漫灘相軟土層厚度變化較大。漫灘相軟土為城市地下空間開發(fā)的主要地層(李方明，2019)，又因其透水性差、層理發(fā)育不良、土質(zhì)處于流塑和可塑狀態(tài)之間、天然含水率高等特性，成為重點(diǎn)研究對(duì)象。試驗(yàn)所用土樣取自南京江北新區(qū)核心區(qū)某工程場地(圖1)，各向異性顯著，為典型的漫灘相軟土。試樣天然密度、含水率及孔隙比等基本物理性指標(biāo)見表1。

圖1 南京長江漫灘區(qū)域及取樣鉆孔的地理位置Fig.1 Yangtze River floodplain area in Nanjing section and geographical location of sampling boreholes

表1 試驗(yàn)用土物理性指標(biāo)Table 1 Physical property index of test soil

1.2 試驗(yàn)方法

采用GDS靜三軸儀進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)，按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)中三軸壓縮試驗(yàn)方法進(jìn)行，圍壓和固結(jié)度數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

1.3 固結(jié)度的判斷

在室內(nèi)試驗(yàn)中，從應(yīng)變的角度，試樣的固結(jié)度U定義為在一定的固結(jié)壓力下試樣在某一時(shí)刻的位移量與最終固結(jié)位移量的比值(黃文熙，1983)：

(1)

式(1)中，st為某一固結(jié)度對(duì)應(yīng)的位移量，s∞為最大位移量。

在固結(jié)過程中，軟土試樣的位移量st與固結(jié)時(shí)間t的關(guān)系有一定的規(guī)律性。根據(jù)固結(jié)度的定義，對(duì)漫灘相軟土試樣的實(shí)測位移曲線進(jìn)行處理，得到固結(jié)度隨固結(jié)時(shí)間變化的曲線(圖2)。初始固結(jié)條件相同，長江漫灘相軟土的固結(jié)度U變化趨勢基本相同(圖2)。

圖2 固結(jié)度與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between consolidation degree and consolidation time

參考軟土地基平均固結(jié)度的表達(dá)式(謝康和等，2002)，將固結(jié)度U轉(zhuǎn)化為關(guān)于固結(jié)時(shí)間t的指數(shù)函數(shù)形式：

U=1-ke-bt

(2)

式(2)中，e為土體孔隙比，k、b為曲線的形狀系數(shù)。

擬合結(jié)果表明，式(1)對(duì)于試樣的固結(jié)度曲線擬合程度較高，因此可采用這一方法對(duì)長江漫灘相軟土的固結(jié)度進(jìn)行判斷和控制。不同固結(jié)度相應(yīng)的固結(jié)時(shí)間見表3。

表3 固結(jié)度及對(duì)應(yīng)固結(jié)時(shí)間Table 3 Consolidation degree and the corresponding consolidation time

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同固結(jié)度下剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

不同固結(jié)度下長江漫灘相軟土的軸應(yīng)變與偏應(yīng)力的關(guān)系曲線(圖3)顯示：當(dāng)軸應(yīng)變較小時(shí)，偏應(yīng)力增長迅速，應(yīng)力應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，表明原狀軟土自身的強(qiáng)結(jié)構(gòu)性可承擔(dān)部分軸向應(yīng)力；隨著軸應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力增幅逐漸減小，當(dāng)剪切應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，承受的荷載基本穩(wěn)定或下降，即可認(rèn)為土體已發(fā)生破壞，此時(shí)軟土呈現(xiàn)應(yīng)力軟化特征，即土體結(jié)構(gòu)趨向理想塑性。

由圖3可知，不同固結(jié)度下的漫灘相軟土發(fā)生屈服破壞時(shí)，軸應(yīng)變多在15%左右，即土體屈服破壞所需的剪切位移受固結(jié)度的影響較小。此外，同一應(yīng)變下的偏應(yīng)力隨著初始固結(jié)圍壓的增大而顯著提高。由此可見，當(dāng)固結(jié)度為60%～100%時(shí)，增大初始固結(jié)圍壓在一定程度上可提高剪切強(qiáng)度。

圖3 不同固結(jié)度下軸應(yīng)變與偏應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between axial strain and deviator stress under different consolidation degrees

2.2 固結(jié)度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

選取長江漫灘相軟土峰值所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為(σ1-σ3)f。在τ-σ坐標(biāo)圖上分別以(σ1f+σ3f)/2為圓心、(σ1f-σ3f)/2為半徑，繪制不同固結(jié)條件下的摩爾應(yīng)力圓。不同固結(jié)度下長江漫灘相軟土的抗剪強(qiáng)度包線(圖4)顯示，同一有效圍壓下4個(gè)長江漫灘相軟土試樣的抗剪強(qiáng)度均隨固結(jié)度的升高而明顯增大，表明土樣的固結(jié)度越高，顆粒間的膠結(jié)越充分，更容易形成整體強(qiáng)度。

圖4 不同固結(jié)度下的摩爾應(yīng)力圓及其抗剪強(qiáng)度包線Fig.4 Mohr′s stress circles and their shear strength envelope curves under different degrees of consolidation

不同固結(jié)度下的漫灘相軟土抗剪強(qiáng)度變化趨勢(圖5)顯示：當(dāng)固結(jié)圍壓為50～100 kPa時(shí)，其抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)度提高的幅度基本相同。為方便實(shí)際工程中對(duì)不同固結(jié)程度的漫灘相軟土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行取值，將某固結(jié)度的抗剪強(qiáng)度τf,u與完全固結(jié)時(shí)的抗剪強(qiáng)度τf,100%的比值定義為折減系數(shù)μ。

圖5 不同固結(jié)度下的抗剪強(qiáng)度Fig.5 Shear strength under different degrees of consolidation

不同固結(jié)條件下漫灘相軟土的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)μ(表4)顯示，U=95%時(shí)長江漫灘相軟土的τf折減系數(shù)μ為0.94～0.97，所用時(shí)間為完全固結(jié)時(shí)的1/2；U=80%時(shí)長江漫灘相軟土的τf折減系數(shù)μ為0.75～0.81，所用時(shí)間為完全固結(jié)時(shí)的1/3。因此，對(duì)于漫灘區(qū)一般工程的場地力學(xué)特性參數(shù)試驗(yàn)，若可控制試樣的U>80%(2.3～3.0 h)，可將該狀態(tài)下獲得的土體強(qiáng)度乘以1.2作為其工程強(qiáng)度，節(jié)約2/3的試驗(yàn)時(shí)間；若可控制試樣的U>95%(5.0～6.5 h)，可將該狀態(tài)下獲得的土體強(qiáng)度直接作為其工程強(qiáng)度，節(jié)約1/2的試驗(yàn)時(shí)間。

表4 不同固結(jié)度下抗剪強(qiáng)度值的折減系數(shù)Table 4 Reduction coefficient of shear strength value under different degrees of consolidation

綜上，考慮固結(jié)度這一影響因素可以有效縮短固結(jié)所用時(shí)間，有助于提高試驗(yàn)效率及工程勘察工作效率。

2.3 固結(jié)度對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定在長江漫灘區(qū)的工程建設(shè)中具有重要的應(yīng)用意義。根據(jù)不同固結(jié)度下長江漫灘相軟土的抗剪強(qiáng)度包線(圖4)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c，二者隨固結(jié)度U變化的曲線(圖6)顯示，長江漫灘相軟土的內(nèi)摩擦角φ整體上隨U的提高而有所增大，增長趨勢稍有波動(dòng)(圖6a)；黏聚力c隨U的提高而增大，且增長速度加快(圖6b)。主要原因是隨著固結(jié)程度的提高，試樣中的水分逐漸排出，土顆粒間結(jié)合更加緊密，最終提高了土體的黏聚力c值。

圖6 內(nèi)摩擦角φ(a)與黏聚力c(b)隨固結(jié)度變化曲線Fig.6 Change curves of internal friction angle φ (a)and cohesive force c (b)with different degrees of consolidation

3 結(jié) 論

通過常規(guī)三軸試驗(yàn)，探討在不同固結(jié)程度下長江漫灘相原狀軟土的抗剪強(qiáng)度變化特征。

(1)不同固結(jié)度下的漫灘相軟土在發(fā)生屈服破壞時(shí)，軸應(yīng)變多在15%左右，即軟土破壞對(duì)應(yīng)的剪切位移基本不受固結(jié)度U的影響。此外，隨著初始有效圍壓的增大，偏應(yīng)力有所提高。

(2)長江漫灘相軟土的抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)度U的提高而顯著增大。以土體抗剪強(qiáng)度值τf,100%為參考，給出了不同固結(jié)程度下對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)μ的參考值。

(3)對(duì)于原狀長江漫灘相軟土，內(nèi)摩擦角φ隨U的增加有所增大，增長趨勢較為平緩；黏聚力c隨U的提高而增大，且增長速度變快。