人工制備結構性軟黏土長期變形特性試驗研究

楊愛武，鄭宇軒，肖 敏

(1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

自然沉積的軟黏土一般具有結構性[1]，結構性的存在使原狀土與重塑土在壓縮特性、固結特性、變形特性等方面表現出明顯差異[2-3]。目前針對土體結構性及其對土體力學行為特性的影響研究取得了一定成果，如Chen Pan等[4]發現土的結構性對軟土的變形和強度有重要影響，并建立了分析軟土壓縮特性的結構性土壓縮模型；成玉祥等[5]探討了土的結構性與軸向應變之間的關系；M. R. Karim等[6]基于土體結構的考慮，研究得出可以預測黏土固結特性的基本模型。Jiangfeng Wang等[7]通過對原狀土和重塑土進行壓縮試驗，得出軟土的結構特性對其壓縮特性的影響規律。張先偉等[8]通過對原狀土與重塑土進行次固結試驗,研究了軟土結構性對次固結系數Ca的影響，得出次固結系數Ca與壓力P的具體關系；曾玲玲等[9]通過對原狀土和重塑土進行三軸固結不排水剪切試驗，得出了土體結構性對天然沉積土的作用程度受固結壓力影響；楊愛武等[10]通過對原狀土和重塑土進行三軸壓縮以及流變試驗，得出結構性對軟土流變特性的影響，并建立能夠反映結構性軟土的應力應變與時間關系的Mesri模型。近年來人工制備結構性土也逐漸被引入土體的結構性對其力學特性的影響研究當中。羅開泰等[11]通過對結構性黏土的研究，得出能夠考慮初始應力各向異性的人工制備結構性土的方法，并分析了初始應力對結構性土的變形影響和初始應力各向異性結構性土的破損機制。劉恩龍等[12]在前人基礎上對人工制備的結構性土樣進行試驗發現，隨著荷載的逐漸增加,結構性土樣的結構逐漸弱化,其特性逐漸趨向重塑土的特性。隨著理論研究的不斷推進，軟黏土的結構性因素不斷被引入到土體的長期變形特性研究中。楊愛武等[13]通過對原狀結構性軟土和重塑軟土進行三軸蠕變試驗研究發現，結構性的存在使得原狀土的流變破壞峰值明顯高于重塑土。雷華陽等[14]通過對人工制備結構性土和原狀軟土進行一系列次固結壓縮試驗發現，當荷載較小時土體的結構性能夠阻礙土體的次固結變形，當荷載接近或者超過土體的結構屈服應力時，土體殘余的結構性反而有利于次固結變形的發展。劉維正等[15]通過對人工制備的結構性土與重塑土進行動三軸試驗，得出土體結構強度等因素對土體長期變形和動強度的影響規律；楊愛武等[16-17]通過對比分析原狀土與重塑土流變等時曲線發現,結構性吹填軟土流變等時曲線可分離為線性黏彈性變形、線性黏塑性變形與非線性黏塑性變形，并且通過考慮結構性的影響對劍橋模型進行修正，作為開關函數建立了考慮結構性影響的半理論半經驗流變模型。雷華陽等[18]通過對人工制備的結構性土進行分級加載的次固結試驗，得出結構性越強的土受擾動作用的影響越明顯。

綜上所述，在考慮結構性對軟黏土力學特性的影響方面，前人的研究大都集中于原狀土與重塑土或擾動土體的對比試驗研究，而考慮結構性影響的蠕變模型也多建立在損傷理論和微觀分析的基礎上，尚未有利用結構性強弱不同對土體進行長期變形的分析研究。因此，本文通過人工制備物質成分相近、物理性質接近的不同結構強度的土體，以結構強度作為表征土體的結構性強弱指標，利用三軸流變儀，進行三軸不固結不排水蠕變試驗，研究結構強度對長期變形的影響，提出考慮結構強度的軟黏土長期變形計算方法，以期為相關工程建設提供理論支撐。

1 試驗方案及結構性土制備

1.1 試驗土樣

原料土取自天津濱海新區臨港工業區吹填場地，開展本研究前對有機質進行了處理，因此可以認為制作的結構性土不考慮有機質影響。其液限ωL=38.5%，塑限ωP=21.2%，塑性指數Ip=17.3，重塑土的各項物理力學性質指標統計如表1所示。

表1 重塑吹填軟土物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of the remolded soft clay

1.2 結構性土制備

試驗所用結構性土樣通過人工制備完成，含水率均為40%，結構性強弱不同通過水泥摻量來控制，所用水泥為普通硅酸鹽水泥，制備過程中通過使用微型十字板剪切儀來測試各配比試驗土體在不同齡期時的強度變化。為了制作人工結構性土，首先將原狀吹填軟土烘干破碎，再將其過1 mm的篩子；在過篩后的原料土中摻入一定量的水泥漿，攪拌均勻，將攪拌均勻的混料土按照一定的密度壓入土樣模具(內徑70 mm，高200 mm) 中，然后將其進行密封，再將密封好未脫模的土樣放置在標準養護箱中養護28 d后，對其進行微型十字板剪切試驗，強度相近的土樣即初步認為結構強度接近。通過改變初始含水量及水泥摻量，利用微型十字板測試其強度，經過多次反復試驗，最終確定3種含水量相同而結構性不同的土樣，其物理力學性質如表2所示。

表2 人工制備結構性軟黏土物理力學性質Table 2 Physical and mechanical properties of the artificial structured soft clay

注：表中數據為3組試驗平均值。

由表2可看出，本次制備的不同強度結構性軟黏土基本物理性質相近，且隨水泥比重的減小，各土體十字板強度S1>S2>S3，均大于幾乎沒有結構強度的重塑土S4-CS，即該土體符合試驗研究條件：含水率相同而結構強度各異。當水泥含量提高到1.5%時，土樣十字板強度發生突變，與前3種土樣抗壓強度峰值相差很大，不符合軟黏土物理力學特性。因此本文確定人工結構性土的水泥含量不宜高于1.5%。

表2中土體結構強度通過一維壓縮試驗來求取。具體加載方案為12.5，25，50，100，150，200，400，800 kPa，不同人工結構性土樣和重塑土樣的壓縮試驗e-lgp曲線如圖1所示。

圖1 壓縮曲線Fig.1 Compression curves

從圖1中可以看出，人工結構性軟土的壓縮曲線具有明顯的轉折點，即在壓縮過程中表現出明顯的結構屈服現象，而基本喪失結構性的重塑土S4-CS的e-lgp壓縮曲線幾乎呈直線狀，趨近于理論壓縮曲線。Casagrande最早在1936年提出利用軟黏土的e-logp壓縮曲線來確定先期固結壓力的方法。但采用Casagrande法測得的先期固結壓力Pc僅適用于無結構強度或結構性較弱的重塑土體，而對于具有一定結構強度的土體，使用該方法所求得的先期固結壓力Pc實際為結構性土的結構屈服應力σk[19-20]，它是真正的先期固結壓力Pc和結構強度q之和，兩者之間有著本質的區別。因此定義結構強度q為結構屈服應力σk與該孔隙比對應重塑土固結壓力值之差。由圖1求取的不同人工結構性土樣的結構強度q統計如表3所示。

表3 人工制備結構性軟黏土的結構性參數Table 3 Structural parameters of the artificial structuredsoft clay

同樣，在三軸壓縮試驗中，人工結構性軟土的三軸應力-應變關系曲線表現出軟化現象，即具有結構屈服現象。而重塑土S4-CS則表現為硬化現象，無屈服點出現(圖2)。由圖2得出S1，S2，S3在圍壓75 kPa時的結構屈服應力值分別為59，44，29 kPa，重塑土為18 kPa，根據其可以確定蠕變加載值，即蠕變加載最大值不能超過結構屈服應力值。

圖2 三軸壓縮試驗應力-應變曲線Fig.2 Stress strain curves of the three axial compression test

1.3 試驗方案

由于吹填現場排水條件差，為使試驗更接近工程實際，試驗全程不排水。考慮球形應力對土體初始結構也有破壞作用，試驗圍壓盡量小于結構屈服應力，取75 kPa。試驗儀器采用TSS10土體三軸流變試驗儀，試樣尺寸為70 mm×140 mm(直徑×高度)的圓柱形。對于蠕變穩定標準的判定，目前尚未有明確規定，本文選取在24 h內變形量小于0.01 mm時則可進入下一級應力水平試驗，最終確定加載時長為96 h。蠕變試驗方案如表4所示。

表4 試驗方案Table 4 Test scheme

2 試驗結果及分析

不同結構強度下不同土體的軸向變形量與時間關系如圖3所示。由圖3可以看出，偏應力的施加會使土樣產生軸向變形，隨著時間的增長，軸向應變逐漸增加至某一穩定值，變形速率也逐漸衰減并達到穩定，偏應力越大，變形及變形速率達到穩定所需要的時間越長。由圖3(a， b，c)可以看出，對于結構性軟土，當偏應力小于結構屈服應力時，試樣變形很快達到穩定，且變形量都小于2% 。當偏應力逐漸增大時，試樣的軸向變形不斷發展最終達到破壞應變。由圖3(d)可以看出，重塑土在較小的偏應力作用下，變形就明顯大于同條件下其他類型土。上述現象可以解釋為：當偏應力小于土體三軸壓縮結構屈服應力時，隨著受荷時間的增長，土體也不會產生大量的結構損傷，土體抵抗變形能力強，軸向變形較小且以彈性變形居多，故隨著時間的增長不會有大量軸向變形的發展；隨著偏應力的增大，超過土體三軸壓縮結構屈服應力時，在荷載作用下土體結構出現嚴重損壞，出現較多的不可恢復的塑性變形，隨著結構損傷不斷發展，土體最終達到破壞。重塑土由于基本上未有結構性影響，其變形始終較大。

圖3 不同結構強度土體的蠕變曲線Fig.3 Creep curves of soils with different structural strength

3 考慮結構強度影響的蠕變變形

軟黏土蠕變變形與應力水平及結構強度的大小密切相關，傳統經驗蠕變模型如Singh-Mitchell和Mesri等均未考慮結構性的影響。本文通過對強弱不同的結構性軟土進行研究分析，建立一個可以考慮結構強度影響的蠕變變形計算方法。

3.1 蠕變模型的建立

前人研究成果表明，應力-應變關系曲線(變形函數)可以由冪函數或雙曲線函數來表示，應變-時間關系曲線(蠕變函數)可以由冪函數、對數函數、雙曲線函數或指數函數來表示。分別采用4種函數形式(冪函數、對數函數、雙曲線函數和指數函數)對蠕變曲線進行最小二乘法擬合，分析結果表明：采用冪函數與對數函數擬合，應變緩慢而不斷地增長，且在后期增長較快，即曲線比較陡，偏離呈衰減特征的試驗曲線。而采用雙曲線擬合與試驗結果跟接近。因此本文在前人研究的基礎上，擬將軟黏土蠕變預測公式中的應變-時間關系曲線采用雙曲線形式來描述，其中應力-應變關系為應變關于偏應力和結構強度的關系式，暫用函數f((σ1-σ3),q)表示，函數中(σ1-σ3)為偏應力，q為軟黏土結構強度。因此蠕變變形可用式(1)表示：

(1)

式中：A，B——關于偏應力和結構強度的函數；

t——時間；

ε——蠕變變形。

令B/A=C，即C也為關于偏應力(σ1-σ3)和結構強度q的函數。則(1)式可簡化為式(2)：

3.2 模型參數確定

對于同一種土樣，結構強度和應力水平確定時，函數F為一常數F0，即式(2)可表示為：

(3)

式(3)經變換，得到式(4)：

(4)

由式(4)可看出，將蠕變曲線變換為t/ε-t曲線，線性擬合即可得到參數C值。不同結構強度土體t/ε-t試驗及擬合曲線情況如圖4所示。由圖4可看出，t/ε-t線性擬合效果較好，擬合度R2均可達到0.999 9,通過各擬合曲線與t/ε軸截距和斜率可計算得到參數C的取值情況如表5所示。

表5 不同結構強度土樣經驗模型參數值Table 5 Parameter values of soil samples of different structuralstrength

圖4 不同結構強度土體t/ε-t試驗及擬合曲線Fig.4 t/ε-t test and fitting curve of soil of different structural strength

表5表明，對于同一結構強度土體，參數C在各應力水平下變化不大，即偏應力大小對參數C值影響較小，對應不同結構強度土體參數C平均值變化也較小，故參數C取其平均值為0.430 031。

圖5 不同結構強度土體F與(σ1-σ3)擬合情況Fig.5 Relationship between F and(σ1-σ3) of soil of different structural strength

土樣編號S1S2S3S4-CSa0.010 080.023 130.070 030.236 20b0.018 630.021 100.028 480.047 11

表6表明，隨著結構強度的變化，參數a，b有不同程度的變化。因此，進一步探討參數a，b與結構強度q的關系(圖6)。由圖6可以看出，采用指數函數表示a，b與q的關系擬合程度較高：

a=0.003 26+0.232 96×e-0.050 65q(5)

b=0.016 01+0.031 11×e-0.036 41q(6)

綜合以上研究，可以得到考慮不同結構強度影響作用的軟黏土長期變形的預測公式：

(7)

式(7)中參數C為固定值，可取0.430031；參數a，b由式(5)、(6)求得，反映了結構強度的影響。

圖6 參數a，b與結構強度q關系曲線Fig.6 Curve of parameter a, b and structural strength q

3.3 模型驗證

取水泥摻入量為1.5%，制備最終含水率仍為40%的人工結構性土體，利用本文研究得到的模型進行檢驗分析。室內壓縮試驗求得該土體結構強度q為121.2 kPa，為減少對土體初始結構的破壞，三軸蠕變試驗圍壓仍為75 kPa，分別加載，軸向偏應力為10，30，50和55 kPa。試驗與預測結果如圖7所示。

圖7 試驗與預測結果對比Fig.7 Comparison of the test results and the prediction curves

圖7表明，計算曲線和試驗結果變化趨勢基本一致。計算曲線在蠕變衰減階段特別是軸向應變速率陡降階段與試驗結果略有誤差，但相比傳統經驗蠕變模型,本文由于考慮了不同結構強度對蠕變變形的影響作用，精度有所提高，可為相關工程建設和進一步理論研究提供參考。

4 結論

(1)人工結構性土樣由于其物理性質的均一性而被廣泛使用，并且可以通過控制摻入膠黏材料或固化添加劑的量來控制土體強度的大小，所以在一定程度上可以反映出原狀結構性土體結構性特征。

(2)人工制備的結構性軟黏土，其結構性對其長期變形特性影響明顯，且變形的發展在土體結構屈服前后顯著不同。

(3)由于結構性的存在，在相同偏應力作用下蠕變變形表現出明顯差異。

(4)以土體結構強度作為表征結構性強弱的量化參數，使用雙曲線函數來描述應力-應變和應變-時間的關系，建立了可考慮結構強度影響的軟黏土長期變形預測模型。