廣東地區軟土的一維固結蠕變試驗研究

孟慶恩 吳 輝 莊玉海 朱銓雯 李妤妤

（廣州市城市建設開發有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

我國地域遼闊，軟土分布十分廣泛[1]，其物理力學性質和工程特性均十分復雜。珠江三角洲是我國四大三角洲之一，面積為8 601.1 km2，在世界三角洲中排第十五位。該地區蘊含著豐富的軟土，很多學者研究了該地區軟土的工程特性，主要表現為高壓縮性、高含水量、大孔隙比、抗剪強度較低、滲透性較差、高靈敏度以及流變性顯著[2]。軟土的變形隨時間的變化主要表現為2種現象：1）超靜孔隙水壓力消散轉化為有效應力的固結變形；2）軟土在長時間恒定應力水平作用下，其變形會在這個長期過程中不斷增加的蠕變現象，也是軟土流變特性表現之一[3]。軟土蠕變問題會導致地基塌陷及建筑物失穩等重大安全事故。該文主要研究南沙和橫琴2個地區軟土的蠕變特性，通過試驗結果，分析這2個地區軟土的蠕變性質規律。

1 試驗材料和試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自廣州南沙區某軟弱地基場地的淤泥質黏土及珠海市橫琴區某工地的淤泥層，土樣較均勻，為灰黑色淤泥，較細膩，具有黏性。土樣的物理力學特性指標見表1。

表1 土樣的物理力學特性指標

1.2 試驗方案

該試驗儀器為經過改良優化的ZLB-1三聯流變直剪儀（圖1），采用8 cm的特制環刀制備土樣（圖2）。通過分別加載方式進行一維固結蠕變試驗，將制備完成的土樣同時施加所需的軸向應力，其中對南沙軟土的6個試樣分別施加的軸向應力為25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300kPa、400kPa，分別對珠海橫琴軟土4個試樣施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa的軸向應力。每組試樣的試驗條件相同（溫度：（25±1）℃；濕度：（88±1）%），在試驗過程中保持不變，持續時間不低于5 d。

圖1 改良后的流變直剪儀

圖2 特制環刀

2 結果分析

2.1 應變與時間關系

圖3和圖4是2個地區軟土蠕變關系曲線，從圖中可以看出南沙軟土和橫琴軟土的應變-時間蠕變曲線均呈現出由瞬間直線段轉為小弧度彎曲線段后再變為近似水平直線的變化趨勢。

圖3 南沙軟土的應變-時間關系曲線

圖4 橫琴軟土的應變-時間關系曲線

初始階段發生瞬間變形后，在較短時間內達穩定狀態并保持穩定。在試驗過程中，土樣承受較低的應力，瞬間會引起土體中部分自由水排出和孔隙壓縮，土樣會產生較大的瞬間變形。由于土樣中的土顆粒骨架間結合水膜的黏滯性，土體顆粒的移動逐漸變緩，使土樣的變形增量開始減小，即呈現出衰減特征[4-5]。2個地區的土樣變形量均隨著時間的發展而增大，變形量增加到一定值時，趨于穩定。在低軸向應力的情況下，2個地區的軟土表現出衰減穩定蠕變特性且變形量較小，隨著軸向應力的增大，軟土的變形量越大，表現出衰減等速蠕變特性。以上結果說明2個地區的軟土具有明顯的蠕變特性。

2.2 孔隙比與時間對數關系

圖5和圖6為2個地區軟土孔隙比與時間對數的關系。從2個圖中可以看出，在初始階段，土樣的孔隙比均下降較快。土樣的孔隙水在軸向應力的作用下被快速排出，該階段為主固結階段。隨后，土體逐漸被擠密壓實。經過一段時間后，土體進入次固結階段，試樣的孔隙比減小速度緩慢，并逐漸趨向穩定，軟土處于蠕變階段。在主固結階段，土體因被擠密壓實，在后續加載過程中，會導致土體顆粒之間的摩阻力增大，蠕變變形增加緩慢[4-5]。施加的軸向應力越大，孔隙比的下降速度越快，且變化量也越多。時間和應力能較大影響土中的孔隙的變化，進而影響軟土的蠕變進程。

圖5 南沙軟土與關系曲線

圖6 橫琴軟土與關系曲線

3 SEM掃描電鏡試驗

土的結構可劃分為由粉粒或者很多小孔隙砂粒組成的土粒鏈而形成的蜂窩狀結構；由松散粉粒形成的多孔骨架狀結構；由黏土、砂粒和粉粒邊-邊接觸、邊-面接觸和面-面接觸形成的基質狀結構；由黏粒面-面接觸或面-邊接觸形成的紊流狀結構[4-5]。對橫琴地區原狀土樣和蠕變后的土樣進行SEM電鏡掃描試驗，在微觀層面定性分析土樣在不同荷載下蠕變的過程，結合宏觀角度，進而在本質上對廣東地區軟土的蠕變變形機理進行分析。根據橫琴原狀土放大1500倍的SEM電鏡掃描結果（圖7），可以看出軟土的土體顆粒之間的接觸形式以邊-邊和邊-面接觸為主，土體顆粒無序排列形成土骨架結構，以疊片的形式連結，較粗顆粒表面存在紊流狀結構。

圖7 橫琴軟土原狀土SEM圖

圖8為橫琴軟土經過一維固結壓縮蠕變試驗后的SEM圖。從圖中看出橫琴軟土經過軸向應力加載后，土體變得越來越密實，土樣的結構呈現出絮凝結構、團聚絮凝結構。土體顆粒接觸形式由邊-邊、邊-面接觸逐漸轉為面-面接觸。隨著施加的軸向應力的增加，土體發生固結蠕變，土體骨架在荷載作用下會發生破壞，新形成的顆粒將大孔隙填充，形成多個小孔隙或被土顆粒擠壓破壞成多個小孔隙，導致土體中的大單元體和大孔隙減少，小顆粒和小孔隙的比例增加[5]。

圖8 橫琴軟土在各軸向應力作用下土樣的SEM圖像

4 結論

該文對廣東2個地區的原狀土進行一維固結蠕變試驗和SEM掃描電鏡試驗，得出以下4點結論：1）廣東地區軟土呈現衰減穩定蠕變特性。在低軸向應力的情況下，2個地區的軟土表現出衰減穩定蠕變特性且變形量較小，隨著軸向應力的增大，軟土的變形量越大，表現出衰減等速蠕變特性。2）2個地區的軟土具有典型的非線性蠕變特性。軸向應力水平越高，非線性程度越大。軟土的非線性程度隨著應力水平的提高而更明顯。3）孔隙比隨著時間呈現不斷降低的變化趨勢。在低軸向應力下，孔隙比變化量較小，e-lgt曲線接近于水平直線；在高軸向應力下，孔隙比隨著應力水平的提高而增加。4）廣東地區軟土的土體顆粒經過固結蠕變后，主要以紊流狀、凝塊狀和團粒結構為主。當軸向應力越大，土體顆粒的骨架結構被擠密壓實，大孔隙會減少，小孔隙和小顆粒會增多。