福建沿海原狀軟土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

田 琦,陳國(guó)垚,王 偉,史宗剛,劉紅位

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司,北京 100160;2.福州大學(xué) 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院,福建 福州 350108)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,城市化規(guī)模與日俱增。軟土廣泛分布于我國(guó)東南沿海地區(qū),具有高含水率、高壓縮性、孔隙比大、高靈敏度、低滲透性、承載力低、力學(xué)強(qiáng)度差等特性[1-4]。工程實(shí)例表明,若軟土處置不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致工程質(zhì)量不合格,甚至是引起較大的工程事故[5-8]。因此,應(yīng)開展系統(tǒng)的試驗(yàn),研究軟土的基本特性,為工程建設(shè)提供理論參考。

眾多學(xué)者開展了軟土壓縮固結(jié)特性的研究,發(fā)現(xiàn)土體結(jié)構(gòu)是重要的影響因素。軟土次固結(jié)系數(shù)變化以結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為分界,次固結(jié)系數(shù)在接近結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)達(dá)到最大[9-10]。由于土體受結(jié)構(gòu)性影響,近海軟土和深海軟土[11-12]對(duì)荷載敏感度不同,固結(jié)系數(shù)存在差異。吳雪婷[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力之間存在顯著的雙對(duì)數(shù)線性相關(guān)性,得出淤泥固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)應(yīng)力的變化規(guī)律可以用先期固結(jié)壓力與荷載的相對(duì)大小關(guān)系來(lái)解釋,并利用“改進(jìn)的門田法”得到驗(yàn)證。以上是學(xué)者對(duì)不同地區(qū)軟土壓縮特性的研究,但福建沿海地區(qū)濱海結(jié)構(gòu)性軟土的壓縮固結(jié)特性研究相對(duì)缺乏,而軟土壓縮固結(jié)特性是工程建設(shè)的重要參數(shù),因此研究福建沿海地區(qū)濱海結(jié)構(gòu)性軟土的壓縮固結(jié)特性具有重大的理論意義。

軟土強(qiáng)度特性亦是研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。部分學(xué)者采用原位試驗(yàn)確定土體抗剪強(qiáng)度及其結(jié)構(gòu)特征規(guī)律[14-16]。室內(nèi)試驗(yàn)三軸剪切試驗(yàn)表明,初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)飽和黏性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響顯著,試驗(yàn)中應(yīng)恢復(fù)土體原始應(yīng)力狀態(tài)[17],試驗(yàn)方案影響土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)[18]。Hong等[19]基于原狀和重塑軟粘土試樣強(qiáng)度特性的比較,提出了當(dāng)土體受壓達(dá)到屈服后應(yīng)力狀態(tài)時(shí),結(jié)構(gòu)抗力完全消失的土結(jié)構(gòu)損失新解釋。李旭昶等[20]發(fā)現(xiàn)揚(yáng)州軟土的內(nèi)摩擦角與塑性指數(shù)、黏聚力和液限指數(shù)具有一定相關(guān)性。近年來(lái),研究者發(fā)現(xiàn)細(xì)微觀是分析土體強(qiáng)度重要因素,徐日慶等[21]以平均接觸面積率為評(píng)價(jià)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo),證明微觀參數(shù)定量表征宏觀力學(xué)特性的可行性。張先偉等[22]也發(fā)現(xiàn)湛江黏土塑性指數(shù)和抗剪強(qiáng)度與孔隙比相關(guān)性較差,區(qū)別于其他地區(qū)黏土。綜上,軟土區(qū)域性很強(qiáng),特別是海相軟土可借鑒的資料相對(duì)較少,因此,開展對(duì)濱海軟土的研究,探明其強(qiáng)度特性不僅可增加對(duì)軟土的理解亦可為工程實(shí)踐提供基本參數(shù)。

本文針對(duì)霞浦地區(qū)濱海原狀軟土開展一系列室內(nèi)試驗(yàn),包含直剪試驗(yàn)(固結(jié)快剪、固結(jié)慢剪)、一維壓縮固結(jié)試驗(yàn)和常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。旨在探明:1)濱海軟土的壓縮性;2)軟土的力學(xué)特性(抗剪強(qiáng)度);3)土體細(xì)微觀結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)等對(duì)土體力學(xué)特性的影響。

1 試驗(yàn)用土和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)所用土樣取自福建霞浦縣濱海新城項(xiàng)目湖濱北路K1+640右幅路基外緣未處理區(qū)域,取樣方式為鉆機(jī)連接尺寸80 mm×500 mm的鐵制薄壁取土器取樣。共對(duì)2個(gè)鉆孔取樣,至淤泥土層,取樣質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),擾動(dòng)程度為不擾動(dòng),滿足室內(nèi)開展各類試驗(yàn)的要求[23]。取樣完成后立即編錄封裝保存,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,運(yùn)輸過程中應(yīng)盡可能減少振動(dòng),以免對(duì)原狀土樣產(chǎn)生擾動(dòng)破壞,土樣保存過程中,應(yīng)保持取土管呈直立狀態(tài),否則將會(huì)使土樣發(fā)生除原始重力方向以外的其他方向固結(jié)。采用推土器以288 mm/min的速率小心推出取土管中土樣,根據(jù)不同試驗(yàn)要求制備規(guī)定尺寸試樣,切除余土,測(cè)定土體相關(guān)物理特性參數(shù)。不同深度粒徑分布曲線如圖1所示,土樣的基本特性如表1所示。

表1 土體基本特性

圖1 土體粒徑分布曲線

1.2 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)包含固結(jié)試驗(yàn)、直剪切試驗(yàn)、三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)及掃描電鏡試驗(yàn)。

(1) 標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)

采用三聯(lián)高壓固結(jié)儀進(jìn)行一維壓縮固結(jié)試驗(yàn)。分別選取4 m、24 m、29 m深度土體制備環(huán)刀原狀土試樣,每個(gè)深度取3個(gè)重復(fù)組試樣進(jìn)行試驗(yàn)。按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[25]要求逐級(jí)加卸載,每一級(jí)荷載穩(wěn)定時(shí)間為24 h,需保證每級(jí)加載后,百分表讀數(shù)≤0.005 mm/h,方可進(jìn)行下一級(jí)加載。

(2) 直剪試驗(yàn)

固結(jié)快剪和固結(jié)慢剪試驗(yàn)剪切速率分別為0.8 mm/min、0.02 mm/min,在剪切過程中量力環(huán)讀數(shù)達(dá)到最大值,則以該最大值為試樣剪切力破壞值,若剪切全過程無(wú)峰值出現(xiàn),則取剪切位移為4 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪切力為剪切破壞值。在剪切過程中應(yīng)在剪切盒槽內(nèi)加水,加壓蓋上以濕棉花包裹,防止因高溫導(dǎo)致試樣水分蒸發(fā)。

(3) 三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)

使用TKA-TTS型應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切試驗(yàn)儀對(duì)深度為24 m土體開展三軸固結(jié)排水(CD)剪切試驗(yàn)。圍壓σ3值分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa,試樣的尺寸為39.1 mm×80 mm。將制備完成后三軸試樣用飽和器固定好后放置于真空飽和裝置內(nèi)用抽真空法進(jìn)行飽和,飽和完成后即可對(duì)試樣進(jìn)行安裝并開展試驗(yàn)。首先,設(shè)定一定的圍壓(σ3= 50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa)和反壓(σ1),檢查試樣飽和度,當(dāng)B=Δu/Δσ3>0.95時(shí),即視為完成飽和。然后,在一定圍壓條件下對(duì)試樣進(jìn)行各向等壓固結(jié)。最后,開展剪切試驗(yàn),剪切速率為0.012%/min[25],當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到16%時(shí)終止試驗(yàn)。

(4) 掃描電子顯微鏡(SEM)

利用S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800ⅡFESEM)觀察深度4 m和24 m土體微觀結(jié)構(gòu)。按照水平方向選取米粒大小土樣,采用真空冷凍干燥機(jī)在-50℃條件下抽真空(24 h以上)冰干試樣[26]。將干燥后試樣使用導(dǎo)電膠帶固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,采用英國(guó)EMITECH K550X型全自動(dòng)磁控離子濺射儀(參數(shù)設(shè)定為20 mA,60 s)噴金處理固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上試樣,以增強(qiáng)導(dǎo)電性,如試樣表面噴金不均勻時(shí),可做重復(fù)噴金處理。將處理完成后試樣放大3 000倍,觀察土體結(jié)構(gòu)基本情況及變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 土體細(xì)微觀結(jié)構(gòu)

圖2分別是淺層(4 m)和深層(24 m)土體掃描電鏡圖(SEM)。由圖可知,淺層(4 m)土體顆粒間多為邊-面接觸、面-面接觸,層狀結(jié)構(gòu)整體性較差,層間無(wú)較強(qiáng)緊密性,呈鱗片狀構(gòu)造。顆粒間含有較多中型孔隙(1 μm

圖2 掃描電鏡圖

2.2 一維壓縮固結(jié)

不同深度原狀土一維壓縮固結(jié)試驗(yàn)的e-p曲線和e-logp曲線,如圖3所示。總體上,軟土在壓縮過程中存在明顯的拐點(diǎn),這是由于土體的結(jié)構(gòu)性[10]產(chǎn)生結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,壓縮固結(jié)初期土體所受壓力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,導(dǎo)致加載初期曲線較為平緩,土體變形量較小。當(dāng)壓力逐漸增大達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí),壓縮曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),壓縮變形量加劇,其原因可能是土體結(jié)構(gòu)改變,土體結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮特性的影響逐漸變小至消失。土體大孔隙破壞,土中水排出量增大、孔隙比減小趨勢(shì)加劇,顆粒間產(chǎn)生滑移。試驗(yàn)結(jié)果與Jiang等[10]的研究成果類似。加載至一定荷載后,孔隙比變化幅度降低,逐漸呈平緩趨勢(shì)發(fā)展,說明土體結(jié)構(gòu)性完全散失,土體結(jié)構(gòu)抗力消散。

圖3 土體壓縮曲線

由圖3可知,隨著土層深度增加,土體初始孔隙比先減小后增大,即e29 m﹥e4 m﹥e24 m。對(duì)比深度為4 m與深度為24 m土層,孔隙比大小與SEM結(jié)果吻合。淺層(4 m)土顆粒間以邊-面接觸為主,孔隙數(shù)量較多,存在孔隙貫通現(xiàn)象。而深層(24 m)土顆粒間以面-面接觸為主,層間接觸緊密,孔隙數(shù)量較少。土體受壓縮變形的實(shí)質(zhì)是土粒間孔隙逐漸減小的過程,土顆粒間接觸方式不同,導(dǎo)致孔隙分布規(guī)律和數(shù)量存在差異,從而影響其壓縮性。研究結(jié)果表明[19],不同深度土體初始孔隙比沿深度方向向下延伸呈現(xiàn)逐漸減小、壓縮性減小的趨勢(shì)。

土體壓縮指標(biāo)如表2所示。由表2可知,隨著深度增加,土體壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)先減小后增大,壓縮模量先增大后減小。本研究結(jié)果與前人研究成果存在一定差異,主要原因受到海相結(jié)構(gòu)沉積歷史影響,沉積物中砂質(zhì)物與黏土質(zhì)物組成水平互層層理,黏性土或薄層黏土與粉、細(xì)砂互層,類似于“千層餅”特征使得土體壓縮性沿深度變化呈現(xiàn)交叉變化的“千層餅”結(jié)構(gòu)特性[29]。此外,深度為24 m土層土粒級(jí)配均勻,孔隙占比少,土體飽和滲透系數(shù)較小,孔隙水無(wú)法迅速排出,孔壓消散較慢,固結(jié)度降低。試驗(yàn)研究表明,沉積環(huán)境及粒徑分布造成土層壓縮固結(jié)特性沿深度變化規(guī)律不一致。

圖4是深度4 m、24 m和29 m土層壓縮固結(jié)的e-t關(guān)系曲線。由圖4可知,在施加某級(jí)荷載初期,孔隙比急劇降低,試樣變形量較大;隨著時(shí)間推移,孔隙比變化速率減緩,變形量較小。土體固結(jié)主要分為:主固結(jié)、次固結(jié)兩個(gè)階段,在施加荷載初期孔隙水壓力消散,土體孔隙受壓縮,為主固結(jié)變形階段;當(dāng)土體變形速率趨于平緩的后期,孔隙水壓力消散,土體骨架發(fā)生緩慢變形,為次固結(jié)變形階段。當(dāng)壓力達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),土體結(jié)構(gòu)破壞,主次固結(jié)界限明顯[10]。

圖4 不同深度土體e-t關(guān)系曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同條件下不同深度土體孔隙比隨時(shí)間變化規(guī)律具有一致性。土體結(jié)構(gòu)性對(duì)于土層壓縮固結(jié)變形有重要影響,土顆粒間接觸方式發(fā)生變化,孔隙分布規(guī)律和數(shù)量不同,導(dǎo)致土體壓縮性不同。

2.3 剪切強(qiáng)度

(1) 直剪試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度曲線如圖5所示。隨著深度增加,固結(jié)快剪試驗(yàn)得到的黏聚力先減小后增大,而摩擦角則先增大后減小。固結(jié)慢剪試驗(yàn)與快剪試驗(yàn)結(jié)果具體數(shù)值不同,但是趨勢(shì)一致。土體抗剪強(qiáng)度隨深度先增大后減小,24 m處試樣抗剪強(qiáng)度最大,4 m和29 m深度土體次之,且兩者間差距不大。主要原因是不同深度土層結(jié)構(gòu)及粒徑分布不同,土體強(qiáng)度隨級(jí)配良好程度呈正相關(guān)關(guān)系[30],深度24 m土體不均勻系數(shù)最大,其值約為87.3,該深度土體級(jí)配最好,抗剪強(qiáng)度值最大。相同固結(jié)條件下,同一深度土體固結(jié)慢剪強(qiáng)度大于固結(jié)快剪抗剪強(qiáng)度,主要原因是慢剪過程中土體排水,土中含水率降低,包裹在土顆粒表面的結(jié)合水膜厚度變小[31],導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度提高。

圖5 土體抗剪強(qiáng)度

因此,相同層位土體固結(jié)慢剪強(qiáng)度大于固結(jié)快剪強(qiáng)度。另一方面,土中有機(jī)質(zhì)含量隨著深度先減小后增大(見表1),其變化規(guī)律與抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)相反,總體表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量增加,土體抗剪強(qiáng)度降低。

(2) 三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)

不同圍壓條件下偏應(yīng)力(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系曲線圖6所示。偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變?cè)龃蠖饾u增大,且增加速率逐漸變慢,無(wú)明顯峰值,應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化,表明研究區(qū)軟土為正常固結(jié)土。因軟土偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線無(wú)峰值出現(xiàn),依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[25],選取軸向應(yīng)變?yōu)?5%的偏應(yīng)力值為峰值應(yīng)力。

圖6 固結(jié)排水試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線(24 m)

固結(jié)排水試驗(yàn)有效強(qiáng)度包線如圖7所示,對(duì)比直剪與三軸試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)24 m深度土體的強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律為:φ三軸(30.69°)>φ固結(jié)慢剪(23°)>φ固結(jié)快剪(19°),C三軸(5.45 kPa)>C固結(jié)慢剪(4.32 kPa)>C固結(jié)快剪(3.64 kPa),導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)排水過程穩(wěn)定,排出水量最多,固結(jié)慢剪次之,固結(jié)快剪最少,黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率增大而減小[32],故而抗剪強(qiáng)度指標(biāo)間大小關(guān)系呈現(xiàn)以上結(jié)果。圖8為固結(jié)排水試驗(yàn)有效應(yīng)力路徑曲線,q′值隨著圍壓的增大而增大,不同圍壓下應(yīng)力路徑變化規(guī)律基本一致,呈基本平行狀態(tài)。剪切應(yīng)變速率較為緩慢,有效應(yīng)力路徑在剪切過程中并不產(chǎn)生彎曲段,表現(xiàn)出試樣在剪切過程中持續(xù)加載。

圖7 固結(jié)排水試驗(yàn)有效強(qiáng)度包線(24 m)

圖8 固結(jié)排水試驗(yàn)有效應(yīng)力路徑(h=24 m)

3 結(jié) 論

本文通過系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)研究了霞浦地區(qū)濱海原狀軟土得到以下主要結(jié)論:

(1) 淺層(h=4 m)土層同一水平面土顆粒間連接方式多為邊-面接觸、面-面接觸,層狀結(jié)構(gòu)整體性較差,顆粒間含有較多中型孔隙,存在少量小、微型孔隙;深層(h=24 m)土體顆粒間多為面-面接觸,具有一定層狀結(jié)構(gòu),面與面之間接觸較為緊密,層間接觸緊密,孔隙數(shù)量較少且多為小孔隙。

(2) 由壓縮固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知,不同深度土體壓縮性大小順序?yàn)?29 m>4 m>24 m。土體結(jié)構(gòu)性、沉積環(huán)境及粒徑分布存在差異,造成土顆粒間接觸方式不同,使得孔隙分布規(guī)律和數(shù)量存在差異,從而導(dǎo)致壓縮性不同。

(3) 固結(jié)快剪和固結(jié)慢剪抗剪強(qiáng)度隨深度變化規(guī)律一致;固結(jié)慢剪抗剪強(qiáng)度大于固結(jié)快剪抗剪強(qiáng)度;土體級(jí)配越好,抗剪強(qiáng)度值越大;有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度具有一定影響,有機(jī)質(zhì)含量越高土體抗剪強(qiáng)度越低。

(4) 三軸固結(jié)排水試驗(yàn)中隨著軸向應(yīng)變?cè)龃?偏應(yīng)力逐漸增大,應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征。