湖相軟土固結變形特性試驗及微觀分析

李薦華，甘建軍，萬 勝，鄧海忠

(1.江西省水利規(guī)劃設計研究院，南昌 330029；2.南昌工程學院 鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室， 南昌 330099)

0 引 言

鄱陽湖是我國面積最大的淡水湖，是贛江、信江、饒河、修水、撫河五大支流的匯集之地，在鄱陽湖區(qū)工程建設中常常遇到第四系湖相淤泥質黏土、淤泥和砂質淤泥土，具有明顯的固結沉降與流變特性，使上部構筑物發(fā)生沉降或不均勻沉降，至引起開裂、管涌甚至堤防失穩(wěn)，造成了巨大的損失[1]。而且湖區(qū)每年水位變幅在10 m以上，氣候或湖水位變化引起的軟土受力環(huán)境發(fā)生變化，往往使固結歷史發(fā)生較大的變化，導致軟土的固結沉降特性發(fā)生復雜的加載效應。

湖相軟土的固結特性研究關系到長江經(jīng)濟帶工程建設的順利實施與安全，特別對跨湖大橋、水利堤防、湖區(qū)環(huán)境治理等工程勘察設計至關重要。然而，以往的研究多集中于海相軟土的固結特性方面[2-4]，而湖相軟土的固結特性研究較少，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進，湖相軟土工程特性的研究越來越受到重視。本文結合鄱陽湖水利樞紐閘址可行性研究項目，對湖區(qū)典型軟土在不同荷載的固結特性進行試驗研究，以期為湖泊相沉積軟基工程項目勘察提供科學參考。

1 基本物理力學指標

擬建鄱陽湖水利樞紐閘址位于江西省九江市長嶺至都昌縣屏峰之間，設計軸線總長2 993.6 m；擬設置64孔泄水閘，其中孔口凈寬26 m的常規(guī)泄水閘60孔，孔口凈寬60 m的大孔泄水閘4孔，閘底板高程分別為0、2及4 m；樞紐左岸設置三線3線單級船閘，船閘級別為Ⅰ級，閘室有效尺度采用280 m×34 m×5.5 m(長×寬×最小檻上水深)規(guī)劃通航標準為2 000 t級，船閘規(guī)模按Ⅱ(1)級航道標準通航1頂4駁8 000 t級船隊配套，閘室有效尺寸采用240 m×34 m×4.5 m；右岸并行布置2條魚道，左側魚道為低水位魚道，用于枯期(11月-次年3月)上、下游水位較低時過魚，右側魚道為高水位魚道，于汛后9-10月份上、下游水位較高時過魚之用。

鄱陽湖水利樞紐閘址湖相結構第四系地層從上至下依次為淤泥質黏土，粉細砂、淤泥質黏土、卵(礫)石、黏土、礫質黏土、灰?guī)r、黏土質礫石等底層礫石，典型鉆孔剖面及含水層劃分見表1。

表1 鄱陽湖區(qū)第四系含水層劃分表Tab.1 Table of division of aquifer in Poyang lake area

通過對鄱陽湖水利樞紐閘址原狀土樣的室內試驗，獲得了不同深度的典型土樣的物理力學指標，如表1所示。試驗結果表明，湖心島地表有1～2 m的黏土層，下伏8～25 m的軟弱土層，主要為淤泥和淤泥質土。根據(jù)其透水性指標，軟土一般可分為兩弱透水層，第一層弱透水層為淤泥質黏土，埋深0.5～8.7 m;第二層弱透水層為淤泥和含砂泥淤泥，埋深13.2～17.5 m。地基土具有湖相沉積的“千層餅”特征，一般是軟土和粉細砂交錯，局部地段含有粉細砂透鏡體。由于軟土層滲透系數(shù)一般小于其下方的砂層滲透系數(shù)的一個數(shù)量級，形成了天然的弱透水層。從表2可以看出，軟土層天然含水量大于39%，孔隙比大于1.18，軟塑～流塑狀，具有干縮效應。

表2 鄱陽湖區(qū)典型軟土物理力學指標Tab.2 Physical and mechanical indexes of typical soft soil in Poyang lake area

2 軟土固結試驗

2.1 試驗土樣及制備

固結試驗采用2.0～3.3 m灰黃色淤泥質黏土試樣，其初始孔隙比為1.25，試樣的礦物成分中原生礦物包括石英、長石類，約占52%；次生礦物主要包括伊利石、高嶺石和綠泥石，約占48%；黏土礦物以伊利石(24.84%)、高嶺石(12.48)等為主，蒙脫類(綠泥石)較少(10.6%)，伊利石含量大于綠泥石含量，表明該區(qū)域軟弱土層總體水穩(wěn)性較好[5]。

試驗采用原狀土樣，按照GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》，用直徑76.2 mm和厚度20 mm的環(huán)刀取樣，測試一樣品的初始含水率。而后把把試樣放在水桶里靜置24 h，使土樣達到飽和。

2.2 試驗儀器

試驗采用南昌工程學院引進的GDSACTS(GDS Advanced Consolidation Testing System)高級固結試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括固結壓力室、反壓/軸壓控制器、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和GDSLAB數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1所示。其中土樣放置在固結壓力室中，環(huán)刀放入導環(huán)中，上下分別加上透水石和濾紙，通過反壓/軸壓控制器加壓，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過傳感器及其數(shù)值采集器自動收集記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖1 GDS高級固結試驗系統(tǒng)Fig.1 GDS Advanced Consolidation Testing System

固結開始之前，先對土樣進行反壓飽和，通過軸壓控制器施加反壓p1和反壓控制器施加反壓p2，使兩者之差保持在一個很小的范圍之內，防止土壓膨脹變形，本次試驗采用Δp=p1-p2=5 kPa，每次反壓飽和為2 h。為了保證土樣達到飽和，采用飽和度B來進行控制，即當土樣底部孔隙水壓力Δu/軸壓與反壓差Δp大于或等于0.95時，就可以開始固結試驗；當飽和度B<0.95時，在保持Δp=5 kPa不變的情況下，增大p1和p2, 接著開展反壓飽和2 h，再計算飽和度值，當達到飽和度B≥0.95時再開展試驗。

掃描試驗儀器采用日立公司生產的S-3400N型掃描電子顯微鏡(配能譜儀)系統(tǒng)(圖2)。

圖2 SEM掃描電鏡Fig.2 Scanning electron microscope

需要掃描的試樣從剪切盒或壓力室取出，利用鋼絲鋸和刀片切割時盡量避免擾動。圖像分析工具采用南京大學開發(fā)的PCAS(顆粒裂隙分析系統(tǒng))，并根據(jù)本課題研究的需要，重點考慮孔隙度分維值Dc，均形態(tài)系數(shù)F、形態(tài)分布分開維數(shù)D、定向概率熵Hm等4個參數(shù)作為主要研究對象。微觀圖像選取加壓方向的剖面進行觀察。對比分析不同固結壓力下的4個主要參數(shù)的變化。

2.3 試驗方案

為研究不同深度軟土的主固結及次固結特性，試驗采用等應變速率方式，應變速率采用0.01 mm/min，保持反壓10 kPa不變，以不同的軸壓p1(60、110、210、410、810、1 610 kPa)施加壓力，保持p2為10 kPa不變，施加時間以24 h或變形基本保持不變2 h后固結試驗完成。為確保試驗結果可靠，每組固結試驗進行3個平行試驗，應用數(shù)理統(tǒng)計的方法對試驗數(shù)據(jù)進行整理。

掃描試驗樣品選擇原狀土樣在南昌工程學院土工實驗室分別開展(50、100、200、400、800、1 600 kPa)固結試驗，待實驗完成之后，將壓縮試樣取出。為保證微觀結構保持不變和試樣水分徹底抽干，分別沿的垂直和水平方向將試樣切成小條，進行真空低溫處理。隨后對土樣進行二次噴金處理，提高試樣的圖像質量。在試驗中注意土樣的觀察面采用平行于加壓方向的自然掰開，分離面選擇較平坦的一面進行觀察，保證圖像的景深和清楚，提高SEM分析的準確性。

3 固結變形特性分析

3.1 主、次固結變形特性分析

圖3所示為等應變速率加載條件典型土樣的位移-時間對數(shù)曲線，從圖3中可以看出，在不同固結應力作用下的位移時間對數(shù)曲線(s～lgt)具有共同的階段性變形特征，即第一階段的拋物線段、第二階段的斜直線段、第三階段的近水平線段[6,7]。第一階段的拋物線階段在各固結應力作用歷時基本接近，第二階段的斜直線段固結應力越大，斜率越大，說明最先完成固結。

圖3 不同固結應力下的時間-變形曲線Fig.3 Curve of time-displacement under different consolidation stresses

六組等應變固結試驗中，固結應力越大，土樣最終變形量越大，固結應力為800 kPa時與1 600 kPa的最終變形量基本接近，說明當固結應力超過800 kPa時，試樣主固結和次固結都能在相近的短時間內基本完成。從固結時間上次看，在相同的固結歷時，固結應力越大，其壓縮變形值越大。50、100、200、400、800、1 600 kPa等6組固結應力作用24 h之后，其最終固結變形值分別為：0.465 1、0.589、1.300 2、2.413 2、3.407 1和2.444 6 mm。說明軟土總固結隨著固結應力或埋藏深度不斷加大，但當固結應力超過800 kPa時，總固結增加幅度明顯減小。

圖4 不同固結應力下軟土e～lg t的曲線Fig.4 Curve of e～lg t of the soft soil on different consolidation stresses

在鄱陽湖區(qū)工程實踐中，經(jīng)常出現(xiàn)深厚軟土地基導致上部構筑物變形過大和后期沉降量大的現(xiàn)象，從本文不同固結應力的固結變形特性來看，當軟土埋藏過厚或上部荷載過大的情況下，有可能導致地基加速沉降的現(xiàn)象。由于區(qū)內軟土的沉積歷史較長，固結沉降既有主固結，也有次固結，為研究其主次固結特性，采用Casagrande圖解法[8]，作e～lgt固結試驗曲線如圖4，可延長各固結應力作用下的第二階段斜直線和第三階段近水平線相交于一點，該點對應的時間即為主固結時間。

從圖4可見，隨著固結應力的增大，主固結時間大小關系是tp50>tp100>tp200>tp400>tp800>tp1 600，說明固結應力越大，主固結時間tp越短。在各級固結應力作用下的曲線線型也有所不同，隨著固結應力的提高，主固結壓縮量與總壓縮量之比(主因結比)越大，次固結占比越小。因此，對鄱陽湖軟弱土層來說，主、次固結的作用時間及變形量占比有很大的不同，軟土的這一工程特性，在地基固結沉降計算中具有重要的設計意義。

3.2 次固結系數(shù)分析

次固結是反映軟土在主固結完成之后一段時間內仍然會持續(xù)壓縮變形的特性，人們常用次固結系數(shù)Cα來研究軟土的次固結，即：

(1)

式中：Ca是指次固結系數(shù)；Δe是指孔隙比增加量；t1、t2分別指主、次固結結束時間。

根據(jù)圖4可得知鄱陽湖區(qū)軟土在50、100、200、400、800、1 600 kPa作用下主固結時間t1約為10～1 000 min， 在0.001～0.015之間。因此，利用此方法計算得出的次固結系數(shù)受荷載水平、加荷歷史的影響，其相應的次固結沉降計算也相差較大，以研究區(qū)上層軟土中第一層軟土8.2 m和第二層軟土6.3 m為例，初始孔隙比e0選取1.25，利用次固結沉降規(guī)范公式(2)計算，可得如下結果(表2)。

(2)

式中：S是次固結沉降量；H是土層厚度；其余符號意義同前。

從表3中可知，鄱陽湖區(qū)軟土的次固結特性跟初始固結時間和次固結系數(shù)的選取緊密相關，若初始固結時間t1為10 min時，次固結系數(shù) 為0.01時，計算得出的固結沉降S與t1為200 min時，次固結系數(shù) 為0.001時計算得到的S相差比值均在92%以上。引起這種差別的原因雷華陽等[9]認為用Casagrande法得到的次固結劃分沒有清晰的物理意義導致的，而有的學者[10]認為最終固結壓力決定了次固結系數(shù)的不同。但有一種共識就是，次固結是土體主固結主要原因是孔隙水壓力消散而發(fā)生的壓縮，次固結是由于土顆粒骨架在有效應力基本不變之后發(fā)生的蠕變。因此，不管是主固結還是次固結，研究土顆粒的微觀結構特征也可以間接反映軟土的固結特性。

表3 鄱陽湖區(qū)典型軟土次固結沉降量Tab.3 The secondary consolidation settlement of the soft soil in Poayang lake area

3.3 微觀結構分析

利用電鏡(SEM)對不同固結壓力作用下的試樣進行掃描研究。土樣用刀片切成20 mm厚，5 mm×5 mm寬的薄片，經(jīng)-70 ℃低溫冷凍干燥后用鋒利小刀切開后，將新鮮面放在500～5 000倍掃描電鏡下觀察，本次試驗放大倍數(shù)為500、1 000和2 000倍，并抓拍SEM圖像，對抓取SEM圖像挑選清晰圖像通過PCAS軟件(Particles and Cracks Analysis System，即顆粒裂縫分析系統(tǒng))進行分析，結果如圖5及圖6所示。

圖5 不同壓力條件的軟土SEM圖像Fig.5 SEM image of soft soil under different pressures

圖6 經(jīng)過PCAS二值化處理的各固結下的SEM圖像Fig.6 SEM images of each consolidation after PCAS binarization

圖5所示可以看出：鄱陽湖軟土從空間架構上結構類型較多，既有蜂窩狀結構、海綿狀結構、絮狀結構，也有片狀、骨架狀和凝塊狀結構。固結壓力為50 kPa作用后，軟土多為絮狀、骨架狀結構[圖5(a)和圖6(a)]；100 kPa作用后，土顆粒骨架排列多為片狀，空隙多為大孔隙(d>10 μm)[圖5(b)和圖6(b)]；200 kPa固結壓力作用下，顆粒結構為片狀，顆粒孔隙變小，空隙轉變?yōu)橹锌紫?2.5 μm

為研究各個方向上的孔隙排列分布，將SEM圖像定義為單元體，排列方向為0°～180°，將其平均分為18等份，每等分10°，可作出土顆粒孔隙分布的鏡像玫瑰花如圖7所示。從圖7中可以看出，固結應力50 kPa，顆粒排列不均，定向角集中在0°～30°; 當固結壓力為100、200 kPa時，顆粒排列不規(guī)劃，定向角集中在40°～145較大的范圍內°；當固結壓力為400 kPa時，顆粒繼續(xù)被壓實，定向角為100°～160°；當固結壓力為800 kPa時，顆粒排列變得有序，比較均勻；當固結壓力為1 600 kPa時，土顆粒被壓實，但又形成局部新的空隙。這說明，總體上隨著壓力的增大，顆粒由大孔隙被壓實，逐漸變中孔隙和小孔隙，顆粒的定向性由非均勻性向均一性發(fā)展。當壓力足夠大時，裂縫面貫通，可形成“塊體滑移”。

圖7 不同壓力條件的軟土孔隙分布玫瑰花圖Fig.7 Rose diagram of the soft soil under different pressures

3.4 固結特性與微觀結構變化的關系

結合微觀結構分形理論，利用PCAS軟件的圖像統(tǒng)計功能，分別不同壓力條件對孔隙度、平均形狀系數(shù)、概率熵、分維數(shù)進行統(tǒng)計分析。

3.4.1 固結壓力與孔隙度分維值的關系

孔隙度分維是指小于某孔隙(r)的孔隙累積數(shù)目N(≤r)的分布特征，即：

(1)

式中：D是指容量維；P(r)為直徑R的分布密度函數(shù)。由于一定區(qū)域內的土顆?？倲?shù)恒定，所以N(≤r)和N(≥r)存在一定的對應關系，假設V(r)是顆粒直徑小于r的孔隙體積，V為試樣孔隙總體積，則存在V(r)/V∝rb,對其進行求導，可得：

dV(r)/V∝rb-1

(2)

再對(1)求導可得：

dN(r) ∝r-D-1

(3)

(4)

聯(lián)立式(2)和式(4)，可解得：

D=3-b

(5)

圖8 孔隙度分維值隨固結壓力變化關系曲線Fig.8 Variations of pore porosity fractal dimension under different pressures

因此，可以利用r為橫坐標，V(r)/V為縱坐標，繪制雙對數(shù)關系曲線，取其穩(wěn)定斜率b,即可求得孔隙分布的分維值?？紫抖确志S值Dc越大，表明孔隙的均一化程度越差，孔隙間尺寸相關越大。如圖7所示為孔隙度分維值隨著固結壓力的變化曲線。由圖7可見，隨著固結壓力的增大，孔隙度分維值逐漸減小，其中，固結壓力小于400 kPa孔隙分維值的變化斜率較大，而固結壓力大于400 kPa時孔隙分維值減少的速率放緩，說明湖相軟土中的孔隙度均一化隨著固結壓力增加趨于穩(wěn)定?？紫抖确志S值與固結壓力存在負相關性，說明隨著軟土固結壓力越大，孔隙度分維Dc越小。

3.4.2 固結壓力與概率熵的關系

概率熵是指土顆粒中孔隙長軸方向在某一個角度分布的概率，它是用來描述、表征土體中顆?；蚩紫斗较蛐猿潭戎笜?，即：

(5)

式中：Hm為概率熵；mi表示孔隙長軸方向的在0～180°范圍內n個等份區(qū)的第i個區(qū)位的個數(shù)；M為孔隙總量。當概率熵越大時，孔隙排列越混亂。

研究區(qū)典型軟土的概率熵隨著固結壓力的變化規(guī)律見圖8。從圖8中可以看出，概率熵均值在0.92以上，總體上較為紊亂，隨著固結壓力的增加，表明孔隙的排列越來越具有一定方向性。固結壓力小于100 kPa時，概率熵減少速率較快，說明顆粒受到擠壓后孔隙變化較大；當固結壓力大于400 kPa時，概率熵減少速率基本相近，說明在高固結壓力作用下顆粒孔隙減少的速率放緩；概率熵與固結壓力具有一定的負相關性，說明概率熵越低，其結構越穩(wěn)定，滲透性越小，壓縮性越小。

圖9 概率熵隨固結壓力變化圖Fig.9 Variation of probability entropy under different pressures

3.4.3 固結壓力與平均形狀系數(shù)的關系

平均形狀系數(shù)是指統(tǒng)計區(qū)域內各顆?；蚩紫兜让娣e的圓周長與實際周長比值的平均值，即：

(6)

式中：Fi為顆粒或孔隙等面積的圓周長Cc與顆?；蚩紫兜膶嶋H周長Sa的比值；n為統(tǒng)計顆?；蚩紫秱€數(shù)。當平均形狀系數(shù)越大，土體越緊密，滲透性和壓縮性也隨之降低，其孔隙的形狀越圓滑。

圖10 不同壓力作用下平均形狀系數(shù)變化曲線Fig.10 Variation of average form factor under different pressure

鄱陽湖區(qū)典型軟土的平均形狀系數(shù)如圖9所示，由圖9可以看出，平均形狀系數(shù)隨著固結壓力的增加越來越大，說明總體上隨著固結壓力的增大，等面積土顆粒增加，孔隙減少。從變化曲線上看，低固結壓力條件下(≤400 kPa)時平均形狀系數(shù)增長較快，說明在初始加壓階段等面積土顆粒增加，速率較快；在高固結壓力條件下(>400 kPa)時，曲線斜率變緩，說明土孔隙已經(jīng)被壓縮，很難繼續(xù)被壓實，平均形狀系數(shù)增長相對緩慢，這說明土顆粒之的空間排列越來越緊密，土的滲透性和壓縮性也隨之降低。

3.4.4 固結壓力與分形維數(shù)的關系

根據(jù)分形幾何理論，孔隙形態(tài)分形維數(shù)是指用來描述孔隙結構非均勻形態(tài)的定量指標，假設孔隙具有不規(guī)則的分形特征，則一定存在如下關系式：

LgL=D/2×lgA+C

(7)

式中：L是孔隙的等效周長；D是指孔隙形態(tài)分形維數(shù)；A是孔隙的等效面積；C是定值。形態(tài)分形維數(shù)又簡稱為分形維數(shù)，其值在1～2之間， 分形維數(shù)值越大，則反映孔隙結構越復雜，孔隙的空間結構越粗糙，形態(tài)特征越不均勻。

圖11為所示為不同固結壓力作用下分形維數(shù)隨著固結壓力的變化規(guī)律圖，從圖11中可以看出，固結壓力為50 kPa增加至400 kPa時，其分形維數(shù)迅速降低，說明湖相軟土在原狀土或初始加壓時，顆?？紫痘境什灰?guī)則狀，當施加一定壓力后，顆?？紫督Y構會迅速由不規(guī)則結構轉變?yōu)檩^平滑的結構；當固結壓力由400 kPa調增到1 600 kPa時，分形維數(shù)降速減緩，說明顆?？紫队删换潭冉咏ㄖ?。雖然分形維數(shù)與固結壓力呈正相關關系，但在實際工程中(對比表2)，由于軟土的沉積環(huán)境、成因及沉積歷時，其壓縮系數(shù)并不一定會隨著深度的增加(固結壓力的增大)而與分形維數(shù)成正相關關系，這在湖相軟土勘察中要引起注意。研究固結壓力作用下軟土顆粒形態(tài)及幾何特征變化規(guī)律的相關性，分別對固結壓力與孔隙度分維值、概率熵、平均形狀系數(shù)和分形維數(shù)進行二元多項式擬合，結果見表3，各相關系數(shù)均大于0.81，屬于高度相關。

圖11 不同固結壓力下分形維數(shù)變化曲線Fig.11 Variation curve of pore fractal dimension under different pressure

xy相關性公式R2孔隙度分維值固結壓力y = 6×10-7x2-0.001 4x+1.300 90.877 6概率熵固結壓力y = 2E-9x2-4×10-5x+0.977 10.950 8平均形狀系數(shù)固結壓力y = 9×10-8x2+0.000 2x+0.345 30.817 1分形維數(shù)固結壓力y = 1×10-7x2-0.003x+1.300 90.944

4 固結對軟土物理力學性質影響的微(細)觀機制

4.1 試樣的固結排水過程微觀機制探討

根據(jù)孔隙的直徑或長度，可以將其分為微孔(d<0.1 μm)、介孔(0.1 μm1 000 μm)，由于水分子的直徑約4 000 μm，故大孔中的水以重力水為主，介孔中的水以毛細水為主，微孔里的以結合水為主[13]。在軟土礦物顆粒表面，還存在結合水膜，越接近顆粒，結合水以強結合水為主，水分子厚度為1.0×104μm-1.0×106μm，在自身重力作用下難以運動；越偏離顆粒，結合水表現(xiàn)為弱結合水，水分子厚度為1.0×105μm～1.0×107μm。對于含有黏土礦物的軟土來說，除了一部分水分進入黏土礦物顆粒空間[14]。

在低固結壓力(≤400 kPa)階段，固結基本完成后軟土孔隙以大孔為主，樣品固結排水過程中，水分由里向外滲透，水分以重力水、自由水為主，主要驅動力以重力、滲透壓力、大氣壓、毛細力為主。在排水初期由于孔隙概率熵Hm降低速率極快，故滲透速度快，當孔隙概率熵與固結壓力關系接近水平時，試樣排水速率降低。土樣加壓開始階段，大孔隙中重力水首先被排出，其次是毛細水被擠出，此后是排出弱結合水和礦物顆粒之間的層間水。

在高固結壓力(>400 kPa)階段，固結基本完成后軟土的大孔隙逐漸被擠壓，小孔隙個數(shù)增多，孔隙度、分形維數(shù)均與固結壓力曲線接近水平，孔隙里的自由水基本被擠出。導致排水以毛細水、弱結合水為主，其次是碎屑礦物顆粒間的層間水，而強結合水很難以排出。故高壓力壓力階段，滲透由弱滲透性向微滲透性轉變，直到孔隙水消散為零。

根據(jù)軟土固結過程中的微觀結構變化與滲透性的關系，可以將軟土飽和固結過程中的滲透過程分為3個階段。①固結初期，在軸壓、氣壓、水壓、顆粒吸附力等作用下，主要是重力水由大孔隙向外遷移，帶動毛細孔、微孔中的毛細水向外遷移，整個過程滲透速率快，滲透表現(xiàn)為強滲透性[圖12(a)]；②固結中期，在持續(xù)加壓條件下，大孔中重力水逐漸消散，當介孔和微孔里的毛細水不再能夠補充重力水的散失后，結合水開始從結合水膜上脫落，該階段主要表現(xiàn)為弱透水性[圖12(b)]；③固結后期，當壓力增大到極高壓力后，軟土孔隙以微孔為主，毛細水逐漸散失，軟土顆粒表面的弱結合水開始散失，強結合水開始脫落，滲透速率極低，主要表現(xiàn)為微滲透性[圖12(c)]。

4.2 固結過程的空隙微觀演化機制探討

軟土受壓后，宏觀變形壓縮表現(xiàn)實際上是土體內部微結構的調整再造的反映[15]。土體對壓力比較敏感，在初始壓力作用下，宏觀上表現(xiàn)為土體快速壓縮，試樣的孔隙比迅速減少，空隙數(shù)量減少；微觀上表現(xiàn)為土顆粒之間空隙被擠壓，土體結構由絮狀結構、蜂窩狀結構等“寬松型結構”向“片狀、塊結構”轉變，但空隙尺寸規(guī)模大，均一性差，方向性差[圖13(a)]。

圖12 土樣固結排水過程示意圖(據(jù)真實土樣，用PCAS軟件計算分析而成)Fig.12 schematic diagram of consolidation and drainage process of soil sample (according to real soil sample, made by PCAS software)

圖13 土樣固結空隙演化過程示意圖(據(jù)真實土樣，用PCAS軟件計算分析而成)Fig.13 Schematic diagram of soil sample consolidation void evolution process (according to real soil sample, made by PCAS software)

隨著壓力逐漸增大，軟土顆粒之間的嵌擠咬合，空隙被細顆粒充填，大空隙被切割成小空隙，使土體空隙的數(shù)量明顯增多，但空隙的長度、寬度或直徑明顯減少，宏觀上表現(xiàn)壓縮變形速率減緩，微觀上為孔隙被壓扁，孔隙分形維數(shù)、分維度和概率熵緩慢降低，顆粒定向性明顯，空隙難以連接成片，孔隙展現(xiàn)為片狀、塊狀結構[圖13(b)]。

當壓力增大到極大時或土樣經(jīng)過長期固結后，顆粒的空隙被完全擠壓充填，顆粒與顆粒之間接觸緊密，宏觀表現(xiàn)為土樣很難以被壓縮變形，外力基本由顆粒骨架承擔；微觀上對應再現(xiàn)出空隙由扁平狀變?yōu)閳A粒狀、蜂窩狀結構，空隙的直徑、長度和周長變得更小，均一性增強，定向性減弱；幾何形態(tài)參數(shù)如分形維數(shù)、分維度、概率熵和平均形狀系數(shù)基本保持不變[圖13(c)]。

4.3 固結對軟土力學性質影響的微觀機制

固結試驗表明，軟土在各級壓力的固結作用下，都存在位移和應力應變拐點，從力學性質上可分為結構屈服前的初始階段、團聚體之間的屈服階段和黏粒間屈服階段。微觀結構變化是宏觀力學性質的根本原因，通過各級固結壓力下的微觀結構分析，軟土潛在的微觀機制可分為2類：

(1)荷載屈服機制，即通過外荷發(fā)生變化后產生固結效應，荷載傳遞到土顆粒或團聚體之上，使顆?；驁F聚體壓密，孔隙變小，從而發(fā)生固結變形，該機制為不可逆的，可分為團聚體結構屈服的初始階段、團聚體間屈服階段、黏粒間屈服階段。在固結時間曲線上(圖3、圖4)，先直線下降，再曲線下降，最后平緩接近直線。

(2)非荷載屈服機制，即通過排水排氣使孔隙發(fā)生變化后產生的固結效應。飽和軟土中水和氣的排出，使孔隙體積變化；團聚體或顆粒之間距離變小，相鄰顆粒的黏聚力、吸附力及層間力發(fā)生改變；當粒間距縮小到一定值時，軟土中黏粒之間的吸附力增大，產生團聚作用，導致土體發(fā)生固結。

5 結 論

本研究以鄱陽湖水利樞紐閘址地基土湖相軟土為研究對象，通過固結試驗模擬土體沉積過程，并將固結后試樣進行SEM掃描后用PCAS軟件開展定量微觀分析，得到如下結論：

(1)基于GDS固結試驗，獲得了軟土試樣在6種壓力下的時間-變形曲線，湖相軟土主固結和次固結分界點不明顯，隨著固結壓力的增加，湖相軟土的主固結比增大。在工程開挖時要注意次固結系數(shù)的選取，充分考慮荷載水平、加荷歷史的影響。

(2)基于分形理論和SEM圖像微觀分析，不同深度的軟土受到的固結壓力影響不同，其變形和孔隙時間均經(jīng)歷快速變化、緩慢變化、基本保持不變三個階段，反映到實際工程中，要注意不同軟土固結的時間性。

(3)固結壓力越大，孔隙度、概率熵、分形維數(shù)越小，平均形狀系數(shù)越大，表明隨著深度的增加，軟土的均一性越好、壓密度越高，定向性越差、土體越密實。固結壓力與以上4個微觀參數(shù)相關性均大于0.81，屬高度相關，工程設計時要注意湖相軟土的結構性。

(4)飽和湖相軟土固結過程中微觀結構變化過程反映其滲透、變形及力學性質的演變，用PCAS軟件對其過程進行分析表明，低固結壓力階段因荷載屈服效應導致大孔隙重力水排水為主，土體變形速率大；隨著壓力增大，介孔和微孔中的毛細水和結合水參與排水，土體變形速率減小，非荷載屈服效應增強，在樞紐閘址開挖時要注意不同階段的排水、變形和固結機制。

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