上海地區(qū)飽和軟黏土觸變特性試驗研究

樓康明 高彥斌

摘要：采用室內(nèi)微型十字板剪切試驗對上海兩種含水量（w=45.45%，w=34.93%）的飽和軟黏土的觸變特性進行了研究。結(jié)果表明，兩種含水量的軟黏土重塑擾動后，在觸變恢復(fù)初期強度增長速度較快，7天后強度恢復(fù)速率明顯變緩。上海飽和軟黏土不是完全觸變材料，觸變性是其具有高靈敏性的原因之一，其中低水量土樣觸變性對其靈敏性的貢獻明顯大于高含水量土樣。

Abstract： Thixotropic action of saturated soft clay in Shanghai under two water content （w=45.45%，w=34.93%） were investigated by laboratory mini-vane shear tests. According to the test results， the rate of thixotropic regains in the early period of age-hardening was high， and then slowed down obviously after 7 days. Saturated soft clay in Shanghai is not a complete thixotropic material. Thixotropy is one of the important reasons for its high sensitivity. The thixotropy of low water content soil contributes significantly to its sensitivity than the high water content soil.

關(guān)鍵詞：上海;飽和軟黏土;觸變性;微型十字板;強度

Key words： Shanghai;saturated soft clay;thixotropy;laboratory mini-vane apparatus;strength

中圖分類號：TU441.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0239-03

0? 引言

飽和軟黏土的觸變性是指軟黏土受到外界擾動后強度顯著降低，在含水量保持不變的情況下土體結(jié)構(gòu)隨時間推移逐漸趨于新的平衡，其強度也逐漸增長的現(xiàn)象。土的觸變性研究主要包括兩方面：①擾動后土體強度降低的特性（即觸變軟化），是土的靈敏性研究內(nèi)容之一;②擾動后土體在密度和含水量不變條件下隨時間而逐漸硬化的特性（即觸變硬化或觸變恢復(fù)）。

國內(nèi)學者通過原位測試和室內(nèi)土工試驗等方法對我國沿海一帶軟黏土的靈敏性進行了一些研究[1-4]，提出了我國各地區(qū)軟黏土的靈敏度和靈敏性分類，對靈敏度成因、重塑方式等對靈敏度的影響等進行了分析。此外，也有從礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)等方面對我國軟黏土的結(jié)構(gòu)性和靈敏性進行了研究[5-6]，認為軟土的微結(jié)構(gòu)特征、礦物成分等多方面因素造成了我國軟黏土具有中等-高靈敏性和靈敏度差異。

在觸變恢復(fù)研究方面，Mitchell[7]總結(jié)了前人的實驗結(jié)果，最早建立了解釋黏性土觸變機理的微結(jié)構(gòu)模型。Skempton和Northey[8]對6種不同靈敏度的黏性土進行觸變性研究，表明：高靈敏性軟黏土擾動后強度恢復(fù)少于20%，中等靈敏性軟黏土擾動后強度恢復(fù)較快，有些可在1年內(nèi)恢復(fù)至天然強度。國內(nèi)有學者對我國分布的軟黏土進行了一些試驗研究工作，如李麗華等[9]對北京翠湖濕地軟土的觸變性進行了研究。另外還有學者（馮秀麗等[10]，2004;郭秀軍等[11]，2006）對黃河水下三角洲粉土的觸變性進行了研究?？傮w來說，國內(nèi)對軟黏土觸變性展開的系統(tǒng)研究工作相對較少。

本文通過室內(nèi)微型十字板剪切試驗對上海地區(qū)兩種不同含水量的飽和軟黏土經(jīng)人工重塑后進行觸變恢復(fù)研究，初步探討分析上海第4層飽和軟黏土的觸變恢復(fù)特性。

1? 試驗土樣及試驗方案

1.1 試驗土樣基本物理特性

本次試驗的兩類土樣（A類土w=45.45%，B類土w=34.93%）分別為在上海徐匯區(qū)思南路和松江區(qū)莘磚公路某基坑采取的塊狀土樣，均為上海第4層飽和軟黏土，但A類土的孔隙比、含水量及液塑限和塑性指數(shù)均比B類土樣大，土樣基本物理特性詳見表1。

1.2 試驗儀器

通過室內(nèi)微型十字板剪切試驗對兩種軟黏土的觸變恢復(fù)特性進行研究。室內(nèi)微型十字板直徑D為20mm，高度H為40mm，葉片厚度為1mm，軸桿直徑d為4mm，軸桿長度L為80mm，十字板剪切面積比小于15%。試驗通過手工扭轉(zhuǎn)十字板上的把手施加剪切力矩，由應(yīng)變傳感器向采集儀傳遞數(shù)據(jù)。

1.3 試驗方案

主要試驗過程如下：

①塊狀土樣微型十字板剪切試驗。在直徑250mm、高度200mm的塊狀土樣中用微型十字板頭進行試驗，分別測得cui。

②人工重塑土制備及十字板剪切試驗。原狀土樣試驗后在天然含水量條件下徹底重塑，填入長寬高為622×470×258mm的模型箱中，填土高度約170mm，用厚2mm的隔板將其分隔為150×150mm的12個正方形格室，格室邊長大于微型十字板4倍直徑。

在整平土面后立即對人工重塑土進行十字板剪切試驗，測得重塑后靜置時間t=0時的強度。

③人工重塑土養(yǎng)護。拔出隔板對土樣重新重塑，在不同位置及不同深度取樣測定含水量，整平土面后涂抹一層凡士林，重新靜壓入隔板并鋪設(shè)保鮮膜密封。將模型箱置于濕度>95%的養(yǎng)護室內(nèi)靜置，以保證土樣含水量不發(fā)生明顯變化。

④對于A類土樣，分別于觸變恢復(fù)第3d、6d、30d、60d、170d在格室內(nèi)做十字板剪切試驗，每次做兩組（即兩個格室）取平均值;B類土樣取樣及試驗開始時間晚于A類土樣約3個多月，分別于觸變恢復(fù)第3d、14d、28d、60d進行十字板剪切試驗;每次試驗后分別在對應(yīng)格室的淺部和中部取樣測試含水量。

2? 觸變特性試驗結(jié)果與分析

2.1 原狀土以及重塑后的強度

A、B兩類軟黏土原狀土和重塑土的十字板剪切曲線如圖1所示。A類土原狀峰值強度和重塑強度分別為29.46kPa和4.92kPa，B類土原狀峰值強度和重塑強度分別為29.67kPa和7.10kPa。

2.2 觸變恢復(fù)過程中含水量變化

A、B兩類土重塑后0時刻及靜置過程中土樣表層及中部的含水量變化情況如圖2所示，兩類土樣在觸變恢復(fù)過程中，含水量基本穩(wěn)定，變化范圍均在1%以內(nèi)，且表層和中部含水量基本一致。表明本試驗采取的土樣密封措施及養(yǎng)護條件是有效的，可以排除靜置過程中土樣因排水固結(jié)引起強度增大的影響。

2.3 觸變恢復(fù)過程中的強度變化

土的觸變性大小主要通過觸變強度增長絕對值和觸變強度比兩個指標來評價。觸變強度增長絕對值是指土樣在t時刻的強度與擾動后零時刻強度的差值，“觸變強度比TSR（Thixotropic Strength Ratio）”是指土樣在t時刻的強度與擾動后零時刻強度的比值。

A、B兩類重塑土樣觸變強度增長絕對值Δcu與觸變強度比TSR隨時間變化的規(guī)律分別如圖3和圖4所示。土樣觸變過程中各測試時間段內(nèi)的強度增長速率分布分別如圖5和圖6所示。

可以看出：①A、B兩類不同含水量的土樣強度增長均在觸變恢復(fù)初期快，在7d后強度增長速率明顯減緩，且B類土（低含水量）的強度增長速率明顯大于A類土（高含水量）;②土樣觸變強度增長明顯。A類土（w=45.45%）的抗剪強度cu由重塑零時刻的4.92kPa，在第170d增長到8.74kPa，強度增長絕對值Δcu為3.82kPa，強度增長1.78倍，恢復(fù)到原狀土強度的30%;B類土（w=34.93%）的抗剪強度cu由重塑零時刻的7.10kPa，在第60d增長到13.11kPa，強度增長絕對值Δcu為6.00kPa，強度增長1.85倍，約恢復(fù)到原狀土強度的44%。

根據(jù)本次對不同含水量的兩種軟黏土觸變恢復(fù)試驗，A、B兩類土在試驗觀測時間內(nèi)十字板剪切強度的恢復(fù)程度如表2所示，表中強度恢復(fù)比例為觸變強度增長絕對值Δcu與重塑導致土體強度降低值的比值，即

×100%

可以看出，在保持含水量不變的條件下，A類土在170d（約6個月）內(nèi)強度恢復(fù)3.82kPa，僅占重塑導致強度損失（24.54kPa）的15.57%，而B類土在60d（2個月）內(nèi)強度恢復(fù)6.00kPa，強度恢復(fù)值占重塑導致強度損失值（22.57kPa）的26.63%;B類土（低含水量）重塑擾動后強度恢復(fù)程度明顯高于A類土（高含水量）。

3? 結(jié)論與討論

①通過對上海第4層兩種不同含水量（45.45%和34.93%）的軟黏土原狀土樣和手工徹底重塑土樣的微型十字板剪切試驗，高含水量土樣靈敏度約為6.0，低含水量土樣靈敏度約為4.2，屬于高靈敏性土。

②兩種不同含水量的土樣強度均在觸變恢復(fù)初期快速增長，在7d后強度增長速率明顯減小并逐漸趨于平緩，推測土顆粒在重塑后靜置過程的初期劇烈調(diào)整，趨于新的平衡導致強度的較快速增長。

③本次觸變恢復(fù)試驗結(jié)果表明，上海第4層軟黏土具有觸變特性，觸變強度增長明顯但強度恢復(fù)程度有限。高含水量土樣在試驗觀測的170d內(nèi)，十字板強度增長1.78倍，恢復(fù)到原狀土強度的約30%，但強度增長值僅占重塑導致強度損失值的15.57%;低含水量土樣在試驗觀測的60d內(nèi)，十字板強度增長1.85倍，恢復(fù)到原狀土強度的約44%，但強度增長值僅占重塑導致強度損失值的26.63%。

④根據(jù)本次試驗中兩種不同含水量的軟黏土觸變強度恢復(fù)程度和增長趨勢推測，上海第4層軟黏土在徹底重塑后強度應(yīng)該不能恢復(fù)到原狀土強度的100%，說明上海第4層軟黏土不是完全觸變材料，觸變性是其具有高靈敏性的原因之一，其中低水量土樣觸變性對其靈敏性的貢獻明顯大于高含水量土樣。

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作者簡介：樓康明（1988-），男，浙江金華人，工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事巖土工程勘察、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害防治工作。