重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度主要影響因素

張晴波，鄭世華

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 200120）

重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度主要影響因素

張晴波，鄭世華*

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 200120）

結(jié)合室內(nèi)直接剪切、三軸剪切試驗(yàn)，探討在不同剪切條件下含水率對重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度影響，結(jié)果表明重塑淤泥質(zhì)土存在臨界含水率，土體含水率小于臨界含水率時(shí)，黏聚力隨含水率增加而增加，土體含水率大于臨界含水率時(shí)，黏聚力隨含水率增加而逐漸減少，內(nèi)摩擦角則隨含水率增加而逐漸降低。引入黏聚力強(qiáng)度函數(shù)和內(nèi)摩擦角強(qiáng)度函數(shù)，對重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到了不同剪切條件下重塑淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。

重塑淤泥質(zhì)土；含水率；抗剪強(qiáng)度；剪切速率

0 引言

淤泥質(zhì)土體廣泛分布于我國東南沿海及內(nèi)陸湖泊地區(qū)，對工程的設(shè)計(jì)與施工有著重要的影響。由于季節(jié)降雨量的變化，淤泥質(zhì)土體抗剪強(qiáng)度隨著季節(jié)而變化，對其上的建筑物、基礎(chǔ)、高速公路、填土、隧道和堤岸的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅[1-2]。因此，如何減輕這一系列問題就顯得極其重要，其中確定土體抗剪強(qiáng)度是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

邵玉嫻[3]基于室內(nèi)重塑淤泥質(zhì)土樣，對不同含水量和干密度的試樣進(jìn)行了不同環(huán)境溫度下的直剪試驗(yàn)，獲得了南京地區(qū)重塑土非飽和抗剪強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。黃志全[4]以鄭州新區(qū)淤泥質(zhì)土樣為研究對象，在室內(nèi)對原狀土樣、部分重塑土樣、完全重塑土樣進(jìn)行不固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)，研究了土體結(jié)構(gòu)性對淤泥質(zhì)土樣抗剪強(qiáng)度的影響。張晴波[5]采用直接剪切試驗(yàn)、三 軸剪切試驗(yàn)研究含水率對非飽和土抗剪強(qiáng)度影響，擬合出了計(jì)算非飽和土抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。

然而這些公式主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，主要研究結(jié)構(gòu)性及含水率對土體抗剪強(qiáng)度的影響，而忽略了實(shí)驗(yàn)中剪切條件變化對土體抗剪強(qiáng)度的影響。本文按照不同剪切條件下不同含水率土體進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得到重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和研究，總結(jié)出考慮剪切速率、含水率因素的重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，對實(shí)際工程具有一定指導(dǎo)意義。

1 剪切試驗(yàn)

1.1 試樣分析

為了研究含水率對重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)中將影響土體抗剪強(qiáng)度的其他因素如干密度、液限、塑限等均設(shè)定為相同。試驗(yàn)用土取自武漢某湖泊疏浚干化土，土體物理性質(zhì)指標(biāo)如表 1 所示。本次試驗(yàn)的含水率控制在 0~wL。

表1 土體基本性質(zhì)參數(shù)Table 1 Basic property parametersof soil

1.2 直接剪切試驗(yàn)

根據(jù)不同含水率土體的力學(xué)性狀不同，將整個(gè)含水率分成 3 個(gè)區(qū)間，即 0~wp/2、wp/2~wL10、wL10~wL17。

圖 1 為含水率 27.8%土樣在 100 kPa 垂直壓力下，不同剪切速率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。通過直接剪切試驗(yàn)得到不同含水率重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表2。

圖1 不同剪切速率土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Curve of stress-strain under different shear rate

表2 不同剪切狀態(tài)下土體抗剪強(qiáng)度Table2 Soilshear strengthunder differentshear condition

由試驗(yàn)結(jié)果可知，對于同一土樣的直接剪切試驗(yàn)，剪切速率越快，黏聚力越大，內(nèi)摩擦角變化較小，這是因?yàn)樵跊_擊荷載下，土體的黏聚力強(qiáng)度一般有所提高，應(yīng)變速率提高一個(gè)數(shù)量級，強(qiáng)度提高 10%左右。剪切速率越快，剪切過程中產(chǎn)生的孔隙水壓力也就越大，水分會對土顆粒之間產(chǎn)生潤滑作用，顆粒之間的鎖嵌作用就越弱，土體的內(nèi)摩擦角相應(yīng)的減小。

含水率對土體抗剪強(qiáng)度影響較大，當(dāng)含水率較小時(shí)黏聚力隨著含水率增加而增加，當(dāng)含水率大于臨界含水率時(shí)黏聚力隨著含水率增加而減小。這是因?yàn)橥恋酿ぞ哿χ饕獊碓从谕亮ｉg的相互吸引、水膜聯(lián)結(jié)及顆粒間的膠結(jié)等，其中土顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)和膠結(jié)作用對黏聚力的產(chǎn)生具有重要的影響，因而土的黏聚力隨著含水率的不同變化較大。含水率較小時(shí)，顆粒間排布緊密，粒間斥力較大，水膜連接作用較弱，土體主要表現(xiàn)為摩擦特性；隨著含水率的增大，水膜聯(lián)結(jié)力逐漸增強(qiáng)，顆粒間引力逐漸增大，土體黏聚力得到發(fā)揮，當(dāng)含水率在塑限附近時(shí)，土體黏聚力達(dá)到峰值；隨著含水率進(jìn)一步增大，顆粒間出現(xiàn)自由水，粒間膠結(jié)礦物逐漸溶解，顆粒膠結(jié)作用逐漸喪失[6]，土體黏聚力逐漸減小，直至完全喪失。

1.3 三軸剪切試驗(yàn)

三軸試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）和固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（CU），其他條件和直剪試驗(yàn)相同。三軸剪切試驗(yàn)過程中，軸向應(yīng)變達(dá)到 15%則認(rèn)為試樣已經(jīng)剪壞。采用含水率為 10.9%、18.9%、50.2%土樣分別進(jìn)行 UU、CU 試驗(yàn)，其中含水率18.9%土樣的主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖 2。通過三軸試驗(yàn)得到重塑淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表3。

由表3可知在不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)過程中黏聚力隨著含水率變化為先增大后減小，內(nèi)摩擦角基本不變，黏聚力可較為真實(shí)反映土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。在固結(jié)不排水剪試驗(yàn)過程中黏聚力隨含水率變化較小，內(nèi)摩擦角隨著含水率增大而減小，內(nèi)摩擦角可較為直實(shí)反映土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 黏聚力發(fā)展規(guī)律

根據(jù)不同剪切條件下土樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，得到不同的剪切速率土體黏聚力隨含水率的變化規(guī)律如圖3所示。從圖中可以看出，土體的黏聚力隨含水率的增加而增加，在達(dá)到塑限附近黏聚力到達(dá)最大值，隨后隨含水率的增加迅速減小，無限接近于0，土體存在一個(gè)臨界含水率。

圖2 主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線Fig.2 Curve of principal stressd ifferencew ith strain

表3 三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table3 Soilshear strength of triaxial test

引入黏聚力強(qiáng)度函數(shù) fc，即黏聚力/含水率，對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。從圖4中可以看出，黏聚力強(qiáng)度函數(shù)與含水率關(guān)系可采用分段函數(shù)進(jìn)行描述，擬合公式如式（1）、（2）所示。

式中：fc為黏聚力強(qiáng)度函數(shù)，無量綱；a，b，c，d、e 為參數(shù)，擬合得到： a=180v+2 103，b= 105v-110，c=2.7v+12.3，d=2.3，e=5.4v+ 18.2；v 為剪切速率。

圖3 不同的剪切速率土體黏聚力和含水率關(guān)系圖Fig.3 The soil cohesion againstwater contentvarying w ith shear rate

圖4 不同的剪切速率土體黏聚力強(qiáng)度函數(shù)和含水率關(guān)系曲線Fig.4 Thesoil cohesion intensity function againstwater contentvarying w ith shear rate

2.2 內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

根據(jù)不同剪切條件下土樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，得到土體的內(nèi)摩擦角隨剪切速率的變化規(guī)律圖，如圖5所示。從圖中可以看出，土體的內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而減小。

圖5 不同的剪切速率土體內(nèi)摩擦角和含水率關(guān)系圖Fig.5 The soilinternal friction angle againstwater content varying w ith shear rate

引入內(nèi)摩擦角強(qiáng)度函數(shù) fφ，即內(nèi)摩擦角/含水率，對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。從圖6中可以看出，黏聚力強(qiáng)度函數(shù)與含水率關(guān)系可采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述，擬合公式如式（3）所示：

fφ=gwh+i （3）

式中：fφ為內(nèi)摩擦角強(qiáng)度函數(shù)，無量綱；g，h 和 i為參數(shù)，擬合得到 g=-12.6v+67.5，h=-0.82，i=17.5v-101.4；v 為剪切速率。

圖6 不同的剪切速率內(nèi)摩擦角強(qiáng)度函數(shù)與含水率的關(guān)系曲線Fig.6 The soilinternal friction angle intensity function againstwater contentvaryingwith shear rate

根據(jù)上述擬合公式，將參數(shù) a，b，c，d，e，g，h，i分別代入式（1）、（2）、（3），可得黏聚力和內(nèi)摩擦角計(jì)算公式，如式（4）、（5）、（6）所示。

3 結(jié)語

1） 重塑淤泥質(zhì)土存在臨界含水率，當(dāng)土體含水率小于臨界含水率時(shí)，黏聚力隨含水率增加而增加，土體含水率大于臨界含水率時(shí)，黏聚力隨含水率增加而逐漸減少，內(nèi)摩擦角則隨含水率增加而逐漸降低。

2） 當(dāng)含水率 wwp時(shí)，黏聚力強(qiáng)度函數(shù) fc與含水率 w 呈指數(shù)關(guān)系。內(nèi)摩擦角強(qiáng)度函數(shù) fφ與含水率 w 呈指數(shù)關(guān)系。

3） 采用歸一化處理方式得到了重塑淤泥質(zhì)土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率、剪切速率的變化規(guī)律，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。在實(shí)際工程中針對類似土體（如基坑降水、土方回填等），就可以根據(jù)含水量變化情況、相應(yīng)的試驗(yàn)條件確定其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

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M ain influence factors for shear strength of rem olded mucky soil

ZHANGQing-bo,ZHENGShi-hua*
（CCCCNationalEngineeringResearch CenterofDredging Technology and EquipmentCo.,Ltd.,shanghai200120,China）

Based on direct shear and triaxial test,we investigated the influence of different shear condition on the shear strength induced by water content for remoldedmucky soil.The results show that the criteria water contentexists in the remolded mucky soil.When the water content is smaller than the criteria water content,the cohesion is increasing with water content.A decrease isobserved once the water content is larger than the criteriawater content.However,the friction angle always decreases with water content.Introduction of cohesion and internal friction angle intensity function,a dimensionlessmethod for the shear strength of remolded sludgewas accepted,which obtains the shear strength formula of remolded mucky soilunder differentshear condition.

remoldedmucky soil;water content;shear strength;shear rate

U655.54

A

2095-7874（2014）10-0017-04

10.7640/zggw js201410005

2014-08-22

張晴波 （1972 — ），男，江蘇靖江人，碩士，高級工程師，副經(jīng)理，總工程師，港口與航道工程專業(yè)。* 通訊作者：鄭世華，E-mail：zshhu1002@163.com