淤泥及黏土的原狀土和重塑土的固結不排水抗剪強度對比研究

羅家琪

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350001)

0 引言

工程上由于設計施工等原因造成基坑垮塌、邊坡滑塌時，土體塌陷破壞。破壞后的土體力學特性相比天然原狀土發生了改變。當重新對土體支護設計時，土體抗剪強度指標的選取應該重新進行評價。土在擾動重塑后結構被破壞，不固結、不排水剪強度降低，尤其對于靈敏度高的土強度降低幅度很大。對于固結不排水剪強度，土體在一定壓力下固結后被壓密，并重新獲得一定的結構強度，強度增加。不同狀態的土，前期固結壓力、固結條件及固結時間不一樣；土樣破壞重塑后，在規定的試驗條件下進行固結的條件與原狀土的應力歷史不同，因此不同狀態的土擾動重塑后的固結不排水強度指標與原狀土相比有不同的差異。因此，通過對原狀土和重塑土的固結不排水剪強度指標進行對比研究，可為工程上的運用提供一定參考。

1 試驗方法

取某工程3層不同狀態的土樣進行固結快剪試驗，即分別為淤泥、可塑黏土和硬塑黏土，各取6組土樣。每組土樣的土取自同一深度，同一鉆孔附近，土樣均勻，差異小。試驗土層主要物理指標如表1所示。對該3層土分別進行原狀土的固結快剪試驗和重塑土的固結快剪試驗。為使試驗結果更具對比性，原狀土和重塑土取自同一土樣。將土樣均分成兩半，一半按照原狀土進行制樣；另一半除去表面，包于塑料薄膜內用手搓捏，充分破壞其結構，重塑成圓柱形后制成與原狀土密度、含水率相等的環刀試樣。硬塑黏土由于土樣較硬，重塑土制樣方法即將土體切碎后錘擊重塑成與原狀土密度、含水率相等的試樣。淤泥的試驗垂直壓力為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，可塑黏土和硬塑黏土的試驗垂直壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。原狀土的固結穩定標準，為各級垂直荷載作用下。每小時垂直變形讀數變化不超過0.005mm(達到此穩定標準認為主固結完成)，記錄固結時間。重塑土采用與原狀土相同的固結時間進行固結，目的是為了消除固結時間不同對試驗結果的對比造成影響。試驗固結時間如表2所示。試驗嚴格執行土工試驗方法標準規定[1]。

表1 試驗土層主要物理指標

表2 試驗固結時間

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

各試驗土層的試驗結果數據如表3所示。各試驗土層的固結快剪強度指標平均值如表4所示。

表3 試驗土層的試驗結果數據

表4 試驗土層的固結快剪強度指標平均值

2.2 結果分析

為便于對比，根據各土層的固結快剪強度指標平均值，作出各土層的原狀土和重塑土的抗剪強度包絡線對比圖，如圖1～圖3所示。

圖1 淤泥原狀土與重塑土抗剪強度對比

圖2 可塑黏土原狀土與重塑土抗剪強度對比

圖3 硬塑黏土原狀土與重塑土抗剪強度對比

由試驗數據及抗剪強度對比圖可知，淤泥重塑后的固結快剪強度指標與原狀土幾乎一致；可塑黏土擾動重塑后的固結快剪強度降低不明顯，內摩擦角與原狀土接近，黏聚力值大約降低了約15%；硬塑黏土擾動重塑后的固結快剪強度相校于原狀土則有較大的降低，黏聚力大約降低了50%，而內摩擦角相比于原狀土略微有降低。

由試驗結果可知，原狀土越硬，重塑后的固結不排水剪切強度對比原狀土的固結不排水剪切強度則降低越多。表現出原狀土由軟到硬則重塑土的固結不排水抗剪強度降低幅度越大的趨勢。并且重塑土固結不排水剪強度的降低，主要表現為黏聚力的降低，內摩擦角與原狀土接近。

2.3 試驗結果原因分析

黏性土的抗剪強度包括內摩擦力與黏聚力兩部分。內摩擦力是土體顆粒相對移動時，土粒表面相互摩擦產生的阻力，這部分力主要與土的礦物成分、土顆粒形狀及密度含水率有關，土的結構也會影響內摩擦力[2]，影響較小。土體重塑后影響土的內摩擦力主要因素并未變化，因此重塑土固結快剪指標的內摩擦角相較于原狀土不會有明顯差別。

土的黏聚力來源于土粒間的各種物理化學作用，包括庫倫力、范德華力及膠結作用力等，受土的礦物成分、密度、含水率及膠結時間影響。另外，黏性土具有結構強度，體現黏聚力。天然硬土層在沉積過程經過長時間的高壓固結和次固結后，土粒表面結核水膜蠕變、土顆粒結構重新排列，在物理化學作用下強度緩慢增加，具有更強的骨架結構和膠結結構[3-4]。土體重塑后，結構被破壞，黏聚力降低。固結快剪試驗的固結標準為固結至主固結完成，硬土重塑土體在主固結完成后結構強度并未完全恢復。因此，在固結快剪試驗的固結標準下，硬土重塑土的固結快剪黏聚力降低明顯。

而天然淤泥多為欠固結或正常固結土，前期固結壓力小，固結時間不長，并未經過長時間的次固結，甚至主固結未結束，結構強度低。固結快剪試驗中土體在主固結完成后被壓密，重新生成新的結構強度，天然土體與重塑土體的固結不排水抗剪強度相當。

2.4 固結時間對重塑土的固結不排水抗剪強度影響

對硬塑黏土層進行不同固結時間的固結快剪試驗，試驗結果如表5所示。由試驗結果可知，硬土重塑土的固結不排水剪強度隨著固結時間的延長不斷增長，主要表現為黏聚力的增大。其因是土體顆粒間的膠結程度隨固結時間增加而增強，膠結力逐漸增大，具有更大的結構強度。延長固結時間后，重塑土強度增長由快到慢，當固結時間達到7d時，強度與原狀土很接近，之后強度增長不明顯，如圖4所示。

表5 不同固結時間硬塑黏土重塑土的固結快剪強度

圖4 黏聚力與固結時間的關系

3 結語

不同狀態的土，其重塑土的固結不排水抗剪強度相比原狀土有不同程度的降低。淤泥擾動重塑后，固結不排水剪切強度與原狀土相近；而土體越硬重塑后的固結不排水抗剪強度相較于原狀土降低越多，具體表現為黏聚力降低，內摩擦角變化不大。

延長硬土重塑土的固結時間后，固結不排水強度不斷增長；當固結時間達到7d時，強度與原狀土接近，之后強度增長不明顯。重塑土不同于原狀土，由于重塑土破壞了土粒間的結構，在研究重塑土的力學特性時，特別是硬土時，應充分考慮固結時間的影響。

土是自然的產物，不同的成因、組成、沉積歷史等使得土的物理力學特性多樣化，不同的試驗方法得到的強度指標也存在差異，工程上應該根據實際情況、具體問題具體分析。