擾動程度對湛江組結構性黏土觸變性的影響

湯 斌，姚 正，亢佳帥

(桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室，桂林 541004)

隨著中國“一帶一路”的不斷推進，一些重點工業項目落戶中國北部灣沿岸地區。該地區廣泛分布著湛江組結構性黏土，且上覆土層厚度一般數米到十幾米不等[1]，為各種工程活動的主要載體。湛江組結構性黏土因其強結構性，受工程活動擾動后極易發生嚴重工程危害現象。在樁基施工中，試樁時遇到終壓力達不到設計要求[1]；對防波堤進行爆破擠淤施工時出現堤心拋石未達到原設計標高[2]；古河道新近沉積松散充填物不均勻沉降[3]等。以上工程實例表明，湛江組結構性黏土受到擾動后，結構強度會發生劇烈變化，給工程設計與施工帶來極大挑戰。因此深入對湛江組結構性黏土觸變性的研究，對解決以該土為基礎的工程地基穩定性具有重要指導意義。

觸變性是土體復雜的流變特性之一。中外學者對觸變性的成因及影響因素進行了大量試驗研究。在國外，Boswell[4]對大量沉積堆積物做了觸變性檢查，發現除了干凈的砂以外，其他材料都呈現出觸變特征；Kruyt[5]研究指出，觸變性普遍存在于大多數黏土-水體系；Hvorslev[6]研究表明，擾動對軟土地區土的結構性影響最大。在國內，馮秀麗等[7]、高彥斌等[8]、霍海峰等[9]分別通過旁側聲納、微型貫入儀、十字板剪切儀對黃河三角洲砂質粉土和粉質黏土、上海地區第4層淤泥質黏土、天津濱海軟黏土進行土體觸變性試驗研究，結果表明，土體擾動后強度隨著靜置時間的增加而增大，表現為正觸變性；張虎臣[10]在對淤泥地基地震觸變的研究中指出淤泥土體受擾動導致其固化內聚力及原始黏聚力被破壞，當擾動停止后，原始黏聚力可隨時間部分恢復，固化黏聚力卻無法在短期內恢復；徐永福等[11]則采用多維虛擬鍵模型模擬軟土的觸變全過程，發現擾動時間和擾動形式是引起超靈敏軟土觸變破壞的主要因素；張目極等[12-13]、殷建風[14]研究發現：含水率、孔隙比、靈敏度以及弱結合水含量的變化對受擾湛江組結構性黏土的強度恢復有顯著影響；王巍[15]分別從宏微觀角度分析湛江組結構性黏土觸變性形成機制的影響因素，并詮釋了湛江組結構性黏土觸變機理；樓康明等[16]研究表明，含水量在上海地區飽和軟黏土的觸變強度增長中起著重要作用；劉娟娟等[17]對受擾粉土進行無側限抗壓強度試驗，結果發現在相同靜置時間下，粉土的強度恢復程度與擾動程度正相關，觸變恢復強度比與擾動程度負相關。上述研究中從土的微觀結構、物理力學性質、試驗方法及擾動方面對土體觸變性的概念以及影響因素進行了較好的闡述，但土體觸變機制十分復雜，其中原狀土在不同擾動程度下其觸變強度的恢復規律尚未解釋清楚。

現利用室內模型試驗對湛江組結構性黏土原狀土展開長期試驗研究，觀測其在不同擾動程度下強度隨時間變化的趨勢，分析擾動程度對土體觸變性的影響規律。

1 室內模型試驗

1.1 試驗裝置設計及取樣

為探究擾動程度對湛江組結構性黏土觸變性的影響規律，開展模型試驗研究。基于現場原位十字板剪切試驗，進行模型裝置的設計。模型裝置示意圖如圖1所示，包括量測系統、取土系統和擾動系統。其中量測系統為微型十字板剪切儀，采用板頭規格為16 mm×32 mm，為原位十字板頭直徑的1/6.25，用于測試土樣不排水抗剪強度；取土系統為取土器，材質選用PVC管，其尺寸按照原位十字板剪切試驗對土的影響范圍同比例縮小6.25倍，設計內徑為160 mm、高度為160 mm、壁厚為4 mm，上部與下部配有頂蓋和底蓋，且底部帶有刃口，用于現場取土；擾動系統為0.8 m電動調頻振動臺，采用的振動頻率為60 Hz，振幅為0.3～0.6 mm，用于擾動土樣。

1為微型十字板剪切儀；2為頂蓋；3為取土器；4為底蓋；5為土樣；6為振動臺

根據工程地質調查結果，選取典型地層進行勘察、取樣。在廣東省湛江市東海島寶鋼湛江鋼鐵基地場地內及外圍共計3個地點取土，取土時分別用微型十字板剪切儀測定原狀土不排水抗剪強度，土樣1、土樣2及土樣3分別為162、121、62 kPa。用取土器直接取湛江組結構性黏土原狀土土樣1、土樣2及土樣3，各取25個試樣，并分別編號為A1～A25、B1～B25、C1～C25。對三種土樣進行室內物理力學性質試驗，結果如表1所示。根據《港口工程地基規范》(JTS 147-1—2010)[18]，可將土樣1、土樣2、土樣3分別劃分為高靈敏度土、中靈敏度土、低靈敏度土。

表1 物理力學性質試驗結果統計表

1.2 試驗過程

1.2.1 試驗方案設計

定義擾動程度D(t)的表達式為

(1)

式(1)中：cu,o為原狀土微型十字板不排水抗剪強度，kPa；cu(t)為擾動t時刻土體微型十字板不排水抗剪強度，kPa；c′u為擾動程度為100%時微型十字板不排水抗剪強度，kPa。

試驗采用室內振動試驗模擬土樣擾動，試驗時擾動程度按照擾動時間來確定。將土樣擾動程度分別為0(不擾動)、33%、66%、100%時對應的擾動時間分別記為0、t1、t2、t3，擾動時間與擾動程度的關系如表2所示。

表2 擾動時間與擾動程度的關系

在不同擾動程度(0、33%、66%、100%)、不同靜置時間(0、7、28、56、91 d)下對3種土樣進行微型十字板剪切試驗，在擾動程度(66%)、不同靜置時間(0、7、28、56、91 d)下對3種土樣進行無側限抗壓強度試驗，具體試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案

1.2.2 試樣擾動及靜置

所取試樣中A1～A5、B1～B5、C1～C5共15個試樣不擾動，擾動程度D(t)為0，擾動時間為0 min；試樣A6～A10、試樣B6～B10、試樣C6～C10擾動程度D(t)為33%，擾動時間分別為60、40、10 min；試樣A11～A20、試樣B11～B20、試樣C11～C20擾動程度D(t)為66%，擾動時間分別為90、60、20 min；試樣A21～A25、試樣B21～B25、試樣C21～C25擾動程度D(t)為100%，擾動時間分別為130、90、40 min，試樣擾動過后開始靜置。

1.2.3 試驗及結果

按照試驗方案進行試驗，結果如表4所示。

表4 試驗結果統計表

2 試驗結果與分析

2.1 擾動時間與擾動程度的關系

根據表2建立擾動時間與擾動程度的關系，如圖2所示。

由圖2可知，土樣1、土樣2及土樣3的擾動程度越大，所需擾動時間越長。

圖2 擾動時間與擾動程度的關系

土樣靈敏度不同，達到相同擾動程度所需擾動時間也不同，靈敏度越大，達到相同擾動程度所需擾動時間越長。

土體擾動時間與擾動程度正相關。究其原因，湛江組結構性黏土擾動程度越高，原狀土微型十字板不排水抗剪強度與擾動后的微型十字板不排水抗剪強度絕對差值越大，所需擾動時間越長。

相同擾動程度下，土樣靈敏度越高，原狀土微型十字板不排水抗剪強度與擾動后的微型十字板不排水抗剪強度絕對差值越大，所需擾動時間越長。

2.2 相同擾動程度下土體觸變規律

2.2.1 強度恢復程度與靜置時間的關系

土體強度恢復程度RT(t)定義[19]為

(2)

式(2)中：cuT(t)為擾動t時刻土體靜置時間T后的微型十字板不排水抗剪強度，kPa；cu(t)為擾動t時刻土體微型十字板不排水抗剪強度，kPa；cu,o為原狀土微型十字板不排水抗剪強度，kPa。

由表4和式(2)得到3種土在不同靜置時間下的強度恢復程度，如表5所示。

根據表5建立3種湛江組結構性黏土強度恢復程度與靜置時間的關系，如圖3所示。

由圖3(a)可知，擾動程度為0時，土樣1、土樣2及土樣3強度恢復程度隨著靜置時間的增加不發生變化，這是因為原狀土靜置后其結構及物理性質均未發生改變，其強度未發生變化。由圖3(b)～圖3(d)可知，擾動程度為33%、66%、100%時，土樣1、土樣2及土樣3強度恢復程度均隨靜置時間的增加而增大，前期增長快，后期增長慢且逐漸趨于平緩。

圖3 強度恢復程度與靜置時間的關系

土樣靈敏度不同，相同擾動程度下靜置91 d后，強度恢復程度增大的幅度與速率也不同。土樣1、土樣2及土樣3在土樣擾動程度為33%時，強度恢復程度分別增大0.09、0.07、0.05，擾動程度為66%時，分別增大0.15、0.13、0.08，擾動程度為100%時，分別增大0.20、0.17、0.10。表明在相同擾動程度下，土樣靈敏度越大，強度恢復程度增大的幅度與速率越大。

2.2.2 觸變恢復強度比與靜置時間的關系

為研究湛江組結構性黏土觸變過程中相對強度隨靜置時間增加的恢復規律，引入觸變恢復強度比Bt[20]，定義如下:

(3)

由表4和式(3)得到3種土在不同靜置時間下的觸變恢復強度比，如表6所示。

根據表6建立3種湛江組結構性黏土觸邊恢復強度比與靜置時間的關系，如圖4所示。

表6 3種土在不同靜置時間下的觸變恢復強比

由圖4(a)～圖4(c)可知，土樣1、土樣2及土樣3在擾動程度分別為33%、66%及100%時，觸變恢復強度比均隨靜置時間的增加而增大，前期增長快，后期增長慢且逐漸趨于平緩。

圖4 觸變恢復強度比與靜置時間的關系

土樣靈敏度不同，相同擾動程度下靜置91 d后，觸變恢復強度比增大的幅度與速率也不同。土樣1、土樣2及土樣3在土樣擾動程度為33%時，觸變恢復強度比分別增大0.35、0.33、0.30，擾動程度為66%時，分別增大0.29、0.27、0.25，擾動程度為100%時，分別增大0.26、0.24、0.20。表明在相同擾動程度下，土樣靈敏度越大，觸變恢復強度比增大的幅度與速率越大。

2.2.3 觸變靈敏度與靜置時間的關系

定義觸變靈敏度為觸變過程中原狀土無側限抗壓強度與不同靜置時間下土樣無側限抗壓強度之比。根據表1中原狀土無側限抗壓強度值及表4中擾動程度為66%時各靜置時間無側限抗壓強度值得到3種土樣在各靜置時間的觸變靈敏度，如表7所示。

根據表7建立三種土樣在擾動程度為66%時觸變靈敏度與靜置時間的關系，如圖5所示。

表7 觸變靈敏度結果統計表

圖5 擾動程度為66%時觸變靈敏度與靜置時間的關系

由圖5可知，土樣1、土樣2及土樣3的擾動程度為66%時觸變靈敏度均隨靜置時間的增加而逐漸降低，前期降低速率快，后期降低速率慢且逐漸趨于平緩。

土樣靈敏度不同，相同擾動程度下靜置91 d后，觸變靈敏度隨著靜置時間增加而降低的幅度與速率也不同。土樣1、土樣2及土樣3在土樣擾動程度為66%時，觸變靈敏度分別降低0.52、0.38、0.18，表明在相同擾動程度下，土樣靈敏度越大，觸變靈敏度降低的幅度與速率越大。

綜上所述，湛江組結構性黏土強度恢復程度、觸變恢復強度比及觸變靈敏度與觸變性有關。可以從土體組構方面來解釋，土體處于天然狀態時，其顆粒的相對位置、孔隙大小及吸附陽離子及水分子的排列等組構處于相對平衡的狀態，當土體受到強烈擾動后，這種相對平衡狀態被打破，土的結構變成分散結構，從宏觀上體現為土體強度降低，土體靈敏度越高，結構性越強，受到擾動后強度降低幅度越大。隨著靜置時間的增加，土顆粒及水分子等組構重新排列，強度也逐漸恢復，土體結構性越強，其顆粒及水分子等聚集越快，強度恢復速率越快。

2.3 不同擾動程度下土體觸變規律

2.3.1 強度恢復程度與擾動程度的關系

根據表5建立三種土樣各靜置時間強度恢復程度與擾動程度的關系，如圖6所示。

由圖6(a)可知，未經靜置時，土樣1、土樣2及土樣3強度恢復程度隨擾動程度的增大不發生變化，這是由于土樣擾動后靜置時間過短，破壞的結構未恢復，強度未發生變化。由圖6(b)～圖6(e)可知，靜置時間為7、28、56、91 d時，土樣1、土樣2及土樣3的強度恢復程度均隨著擾動程度的增大而增大，強度恢復程度與擾動程度呈線性關系。

土樣靈敏度不同，在相同擾動程度下，靜置時間為7、28、56、91 d時強度恢復程度也不同。靈敏度越大，相同擾動程度下，土樣強度恢復程度越大。

2.3.2 觸變恢復強度比與擾動程度的關系

根據表6建立3種土樣各靜置時間觸變恢復強度比與擾動程度的關系，如圖7所示。

由圖7(a)可知，未經靜置時，土樣1、土樣2及土樣3觸變恢復強度比隨擾動程度的增大不發生變化，這是由于土樣擾動后靜置時間過短，結構未恢復，強度未發生變化。由圖7(b)～圖7(e)可知，靜置時間為7、28、56、91 d時，土樣1、土樣2及土樣3的觸變恢復強度比均隨著擾動程度的增大而減小，呈反比例關系。

圖7 觸變恢復強度比與擾動程度的關系

土樣靈敏度不同，在相同擾動程度下，靜置時間為7、28、56、91 d的觸變恢復強度比也不同。靈敏度越大，相同擾動程度下，土樣觸變恢復強度比越大。

湛江組結構性黏土觸變性與擾動程度有關。究其原因，湛江組結構性黏土的土顆粒間存在強膠結作用，受到外力擾動后，顆粒間強膠結作用遭到破壞，擾動程度越大，破壞程度越高，隨著靜置時間的增加，土體一部分結構強度因土體結構的自適應調整而得以恢復，土體結構性越強，結構強度恢復的速率與幅度越大，但恢復的結構強度值仍不能彌補不同擾動程度下因強膠結作用被破壞而損失的結構強度差值。

3 結論

(1)湛江組結構性黏土擾動程度為33%、66%和100%時，靈敏度為4.42的土樣1所需擾動時間分別為60、90、130 min，靈敏度為3.28的土樣2所需擾動時間分別為40、60、90 min，靈敏度為1.96的土樣3所需擾動時間分別為10、20、40 min。表明土樣1、土樣2及土樣3所需擾動時間均隨擾動程度的增大而增加，且靈敏度越大，達到相同擾動程度所需擾動時間越長。

(2)湛江組結構性黏土在相同擾動程度下，強度恢復程度、觸變恢復強度比均隨靜置時間的增加而逐漸增大，觸變靈敏度隨靜置時間的增加而逐漸降低，土體結構性越強，強度恢復程度、觸變恢復強度比增長幅度與速率越大，觸變靈敏度降低幅度與速率越大。

(3)湛江組結構性黏土在靜置時間為7、28、56、91 d時，強度恢復程度與擾動程度呈線性關系，觸變恢復強度比與擾動程度呈反比例關系。