天然結(jié)構(gòu)性軟黏土一維壓縮性狀模擬★

殷 杰 苗永紅

0 引言

大量研究表明天然沉積軟黏土在沉積過程及沉積后的過程中大多會受土結(jié)構(gòu)性的影響［1］，使得天然土與相應(yīng)重塑土的力學(xué)性狀存在顯著的差異［2］。土結(jié)構(gòu)性對土的工程特性有著強(qiáng)烈的影響，Leroueil等強(qiáng)調(diào)指出結(jié)構(gòu)性對天然土力學(xué)性狀的影響，與初始孔隙率及應(yīng)力歷史的影響同等重要［3］。國內(nèi)沈珠江院士更是強(qiáng)調(diào)指出，發(fā)展考慮結(jié)構(gòu)性影響的土體數(shù)學(xué)模型是“2l世紀(jì)土力學(xué)的核心問題”［4］。土結(jié)構(gòu)性對天然沉積軟黏土的壓縮性狀的影響是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)，壓縮性狀反映到一維壓縮曲線上，均存在明顯的固結(jié)屈服壓力［5］，并且天然土的壓縮曲線位于相應(yīng)重塑土壓縮曲線的上方，隨著固結(jié)壓力的增加，與重塑土的壓縮曲線逐漸趨于一致。天然土的壓縮曲線在固結(jié)屈服前后也存在顯著的差異，諸多一維固結(jié)試驗結(jié)果表明，以固結(jié)屈服壓力為分界點(diǎn)，固結(jié)屈服前階段，天然土的壓縮變形非常小，對于結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)的土而言，幾乎是沒有變形的［6］，這是由于土結(jié)構(gòu)性所產(chǎn)生的抵抗力所引起的，抵抗了土樣的變形，相應(yīng)的重塑土不受土結(jié)構(gòu)性的影響，在固結(jié)壓力作用下產(chǎn)生較大變形，致使達(dá)到固結(jié)屈服壓力時，兩者的孔隙比差值達(dá)到最大值;固結(jié)屈服后階段，天然土的壓縮性較屈服前驟然增加，壓縮性比重塑土的要高，故隨著固結(jié)壓力的增加，天然土的壓縮曲線逐漸與重塑土趨于一致。有的學(xué)者根據(jù)這一現(xiàn)象提出天然土在固結(jié)屈服后階段，即當(dāng)固結(jié)壓力超過屈服壓力時，土結(jié)構(gòu)性的影響是逐漸消失的［6，7］，也有的學(xué)者通過分析天然土強(qiáng)度與變形特性，提出達(dá)到屈服壓力時，結(jié)構(gòu)性的影響是完全喪失的［8，9］。

筆者通過對天然沉積土和重塑土的對比研究，得出重塑土的變形特性不僅取決于它的基本特性，也受到初始含水率的影響［10，11］。天然土屈服時壓縮曲線位于相應(yīng)重塑土的上方，意味著兩者在固結(jié)屈服壓力下的含水率是不同的，因此，屈服后壓縮曲線的差異可以解釋為是由于對應(yīng)屈服點(diǎn)含水率不同引起的。

在上述研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，以重塑土壓縮曲線為參考基準(zhǔn)對天然軟黏土一維壓縮曲線進(jìn)行分析，對屈服前后的壓縮性狀進(jìn)行模擬，提出屈服后天然土一維壓縮曲線的定量表達(dá)式。并通過搜集已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，驗證定量公式的有效性和適用范圍，為天然沉積土壓縮特性的深入研究與壓縮性模型的建立奠定基礎(chǔ)。

1 天然軟黏土一維壓縮曲線

大量的試驗研究表明，天然軟黏土的一維壓縮性狀反映在壓縮曲線上，存在明顯的固結(jié)屈服點(diǎn)，在e—lgσ'v坐標(biāo)下，天然土的一維壓縮曲線簡化為如圖1中實線所示。以固結(jié)屈服壓力σ'vy為分界，天然土軟黏土原狀樣的壓縮曲線可以分兩段進(jìn)行模擬，屈服前階段，由于結(jié)構(gòu)性影響產(chǎn)生的抵抗作用，不擾動樣的壓縮變形量非常小，可假定為完全彈性變形［11］，相比而言重塑土沒有受到結(jié)構(gòu)性的影響，在相同的固結(jié)壓力下產(chǎn)生較大的壓縮變形，如圖1中的虛線所示，屈服前階段天然原狀土樣的壓縮曲線位于相應(yīng)重塑土樣的上方，達(dá)到固結(jié)屈服壓力時，兩者的孔隙比差值達(dá)到最大值。

需要指出，重塑土樣的初始含水率w0與天然原狀土樣的含水率wn一致，達(dá)到固結(jié)屈服壓力時，兩者的孔隙比差值Δe達(dá)到最大，此時天然原狀土樣的孔隙比為ey，對應(yīng)重塑土的孔隙比為e*y，存在如下關(guān)系:

因此，原狀土樣與重塑土樣在屈服前階段，初始含水率相同的條件下，孔隙比的差異完全是由于結(jié)構(gòu)性的影響而產(chǎn)生的，如圖1中結(jié)構(gòu)性影響的區(qū)域;固結(jié)屈服前后，原狀土樣的壓縮曲線有很明顯的變化，屈服后階段的壓縮性驟然增加，使得與重塑土壓縮曲線的增量孔隙比Δe，隨著固結(jié)壓力的增加而逐漸減小，最終兩個壓縮曲線趨于一致。根據(jù)已有的研究結(jié)果，屈服后階段，天然土原狀土樣與重塑土樣壓縮曲線的差異可以很好地解釋為因?qū)?yīng)固結(jié)屈服壓力時二者的孔隙比(含水率)的不同引起的，與土的結(jié)構(gòu)性無關(guān)，見圖1中初始含水率影響的區(qū)域。根據(jù)如圖1所示的天然土壓縮曲線分段示意圖，可以對其壓縮曲線進(jìn)行模擬。

筆者曾通過研究發(fā)現(xiàn)，重塑土的壓縮特性不僅與土的基本特性(液限)有關(guān)，而且受到初始含水率的影響［10，11］。重塑土的壓縮指數(shù)C*c及100 kPa下的孔隙比e1*00，與液限wL、初始含水率之間的定量關(guān)系可以表示為:

根據(jù)重塑土壓縮曲線的定量表達(dá)式［2］:

如圖1所示，屈服后階段，天然土的壓縮曲線與重塑土的差異是由于屈服點(diǎn)含水率不同引起的，而與土的結(jié)構(gòu)性無關(guān)，表明屈服后的壓縮曲線可以用上述基于重塑土得出的定量公式描述。即天然土的壓縮曲線可以通過假定某個初始含水率(記為wi，與重塑土壓縮曲線中的初始含水率w0相區(qū)別)、液限(wL)的重塑土樣代入式(4)獲得。

其中，eu100為屈服后階段對應(yīng)固結(jié)壓力為100 kPa時的孔隙比，可表示為:

需要指出，如果固結(jié)屈服壓力超過100 kPa后，可根據(jù)屈服后的壓縮曲線向前外延至100 kPa確定eu100，但該點(diǎn)并不在天然土的壓縮曲線之上。

根據(jù)這兩個壓縮參數(shù)，代入式(4)，便可得到天然軟黏土屈服后階段的壓縮曲線定量表達(dá)式:

由于固結(jié)屈服點(diǎn)在壓縮曲線上，因此可將固結(jié)屈服壓力σ'xy和孔隙比ey代入式(7)，確定假定的初始含水率wi。

2 屈服后壓縮參數(shù)定量公式的驗證

搜集已有文獻(xiàn)中不同天然土原狀樣壓縮曲線的試驗數(shù)據(jù)［2，10，11］，共計41個原狀土樣。土樣的基本物理指標(biāo)統(tǒng)計如表1所示。土樣取自世界各地，液限分布范圍比較廣，從37%～122.5%。根據(jù)土樣的實測壓縮曲線，可以確定天然土的壓縮參數(shù)Cuc和。

表1 41個天然土原狀土樣的基本指標(biāo)

根據(jù)本文提出的壓縮參數(shù)的定量式(5)，式(6)，可以計算出屈服后階段天然軟黏土的壓縮參數(shù)和，與試驗壓縮曲線確定的和進(jìn)行比較，驗證基于重塑土得到的定量公式對于天然土壓縮曲線預(yù)測的有效性，對比的結(jié)果分別如圖2，圖3所示。

可以看出，圖2和圖3顯示了大部分的計算值與實測值都比較吻合，基于重塑土定量公式計算結(jié)果可以很好的模擬天然軟黏土屈服后壓縮性狀，進(jìn)一步表明天然軟黏土達(dá)到固結(jié)屈服后，它的壓縮性狀取決于屈服時的含水率，屈服后壓縮特性與土的結(jié)構(gòu)性無關(guān)。

3 結(jié)語

基于重塑土壓縮性狀的定量變化規(guī)律，對天然軟黏土的壓縮性狀進(jìn)行模擬，主要得到以下結(jié)論:

1)天然軟黏土壓縮曲線可以分兩段進(jìn)行模擬，屈服前變形較小，認(rèn)為是完全彈性變形;

2)屈服后階段，原狀土樣壓縮曲線與重塑土的差異是由于屈服時天然土的含水率高于重塑土所致，給出了與重塑土一致的天然沉積土的壓縮參數(shù)表達(dá)式;

3)通過41組天然土實測的結(jié)果對比，驗證了天然土壓縮性指標(biāo)定量表達(dá)式的有效性和適用性，進(jìn)一步明確了天然沉積土屈服破壞的概念，屈服后天然沉積土的壓縮性狀與結(jié)構(gòu)性無關(guān)。

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