湛江組結構性黏土物理力學特性對其觸變性的影響*

張目極 殷建風 王 巍 趙盛男 湯 斌

(桂林理工大學，廣西巖土力學與工程重點實驗室，桂林 541004，中國)

0 引 言

土的觸變性是指當土體受到擾動時，原有結構遭到破壞，其力學強度迅速下降，停止擾動后，隨著時間的增長，其力學強度又逐漸恢復的一種性質。

近年來，隨著沿海地區的開發建設，在軟土地基上的工程項目日益增多(倪靜， 2019)。湛江組結構性黏土是北部灣沿岸地區分布最廣泛的軟土體，出露于地表或下伏于第四系全新統土體或中更新統土體之下，為各種工程活動的主要載體。湛江組結構性黏土在遭到擾動后易出現嚴重的工程危害現象，在北部灣沿岸地區實際工程勘察、設計與施工中發現的碼頭持續性變形(張誠厚， 1985)、堤心拋石未能達到原設計標高(呂海波等， 2001； 孔令偉等， 2002)、沉積填充物不均勻沉降(李振等， 2018)等問題均與湛江組結構性黏土的擾動有關。在湛江組結構性黏土基礎工程施工中必須注意保護基槽，盡量減少對土體結構的擾動，如湛江市馮村垃圾處理場、湛江市霞山機械廠廠房、湛江市十小教學樓等建筑基礎，均以灰色黏土作持力層并在施工過程中保護好基坑，減少土體擾動，取得了較好的工程處置效果(陳書榮， 2006)，為后期許多工程提供了實例參考和借鑒。北部灣沿岸地區湛江組結構性黏土具有高含水率、高孔隙比、強結構性、強觸變性的特點，因其特殊性使當地基礎工程的承載性狀極為復雜，也為當地基礎工程的設計與施工帶來極大挑戰。因而加強對北部灣沿岸地區湛江組結構性黏土觸變性的研究，具有重要的理論意義和巨大的應用價值。

觸變性是分散體系流變學的重要研究內容之一，國內外學者致力于研究觸變性的本構方程、模型、影響因素及成因，以建立完整的觸變理論及應用。

在觸變性的影響因素及成因研究方面，Mitchell(1960)通過研究發現溫度越高，強度增長速率越快，即隨著溫度升高觸變強度恢復率增加。楊順安等(2000)認為觸變性是復雜的流變特性之一，土體的組成物質和天然狀態不同，其強度的恢復程度以及恢復快慢也將不同。馮秀麗等(2004)、Díaz-Rodríguez et al.(1999)、李麗華等(2010)、霍海峰等(2016)分別利用旁側聲納、電導率法、微型十字板剪切儀、十字板剪切儀對黃河三角洲粉土、墨西哥土、翠湖濕地軟土和天津濱海軟黏土的觸變性進行研究，結果表明：觸變性的影響能使擾動土重塑后強度增加達到100%甚至更多。王亮等(2015)利用研制的微型十字板剪切儀對重塑后靜置一定時間的太湖與白馬湖兩種疏浚淤泥進行了強度測試，對兩種疏浚淤泥的觸變特性進行了研究與比較。研究結果表明，兩種疏浚淤泥重塑后最初始時間內觸變強度的增長最快，隨時間增長觸變強度的增長變慢， 第448天時觸變強度隨時間的增長趨于穩定。高彥斌等(2015)采用無側限抗壓強度試驗、室內微型十字板剪切試驗和原位十字板剪切試驗對上海地區廣泛分布的淤泥質黏土的靈敏性進行了研究，并通過長達半年的觸變恢復試驗評價觸變性對該軟黏土靈敏性的作用。張先偉等(2014)在長達500天的齡期內，觀測湛江黏土擾動后不同靜置齡期下的無側限抗壓強度與貫入阻力，分析觸變強度的恢復時間與過程，利用觸變強度比率評價湛江黏土的觸變性，認為湛江組結構性黏土具有明顯的觸變性。這些研究成果從外界溫度變化、土的結構、物理力學性質等方面對土的觸變性進行描述，較好地闡釋和分析了土體觸變性的概念及其影響因素。黏土的觸變機制十分復雜，上述成果中還有以下問題有待深入研究和解決：影響黏土觸變性的因素構成比較模糊，黏土在擾動和靜置過程中其物理力學特性對土體結構及力學性質恢復的影響尚未完全解釋清楚。

為了研究湛江組結構性黏土的物理力學特性對其觸變性的影響，本文對湛江組結構性黏土觸變特性進行了一系列的宏觀試驗研究，通過改變含水率、孔隙比及靈敏度，得到不同物理力學特性重塑土在不同靜置齡期觸變強度比率(土樣擾動后t時刻的強度與0時刻的強度之比)，建立3種變量下重塑土觸變強度比率與靜置齡期的關系，分析湛江組結構性黏土含水率、孔隙比及靈敏度對其觸變性強弱的影響。

1 基本物理力學性質試驗

1.1 湛江組結構性黏土物理性質試驗

通過已有區域地質資料及工程地質調查，選取典型地層進行勘察、鉆探、取樣。在廣東省湛江市東海島寶鋼湛江鋼鐵基地場地內取4組不同深度湛江組結構性黏土原狀土土樣A、B、C、D。土樣A、B、C、D的取土深度分別為19.25～20.05m、33.25～34.05m、53.25～54.05m、65.25～66.05m。對湛江組結構性黏土進行土天然含水率、天然密度、比重、界限含水率試驗等基本物理性質試驗，其試驗結果如表 1、表 2所示。

1.2 湛江組結構性黏土力學性質試驗

土的靈敏度指天然土體的無側限抗壓強度與該土重塑后的無側限抗壓強度之比，是表征土體結構性的重要指標。通過對4個不同取土深度的湛江組結構性黏土原狀土試樣及重塑土試樣進行無側限抗壓強度試驗，各個點無側限抗壓強度值及靈敏度見表 3。

對湛江組結構性黏土(土樣A、B、C、D)分別進行垂直破壞面上的自然放置方向的固結不排水直剪實驗，結果如表 4所示。

2 含水率、孔隙比及靈敏度對黏土觸變性強弱的影響試驗研究

2.1 含水率對觸變性狀的影響試驗研究

選取同一深度區間(取土深度為19.25～20.05m)內湛江組結構性黏土原狀土完全擾動，制備成干密度相同而含水率不同(含水率為40%、45%和50%)的直徑為39.1mm和高度為80mm圓柱形試樣，經過不同靜置齡期(0d、1d、7d、30d、60d)分別測定其無側限抗壓強度(表 5)，得到3種不同含水率重塑土試樣在不同靜置齡期觸變強度比率(表 6)，建立3種不同含水率重塑土觸變強度比率與不同靜置齡期的關系曲線(圖 1)，分析湛江組結構性黏土含水率對其觸變性強弱的影響。

表 1 湛江組結構性黏土物理性質試驗結果Table 1 Physical property test results of clay samples

表 2 湛江組結構性黏土界限含水率試驗結果Table 2 Boundary water content test results of clay samples

表 3 各點無側限抗壓強度值及靈敏度統計表Table 3 Unconfined compressive strength and sensitivity test results of clay samples

表 4 土體抗剪強度指標表Table 4 Soil shear strength test results of clay samples

表 5 3種不同含水率重塑土在不同靜置齡期 無側限抗壓強度Table 5 Unconfined compressive strengths of three remolded clay samples with different conditions of water content and standing time

表 6 3種不同含水率重塑土在不同靜置齡期 觸變強度比率AtTable 6 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of water content and standing time

圖 1 3種不同含水率重塑土觸變強度比率 與不同靜置齡期的關系Fig. 1 Thixotropic strength ratio development under different water content conditions

由圖 1可知，觸變強度比率隨靜置齡期的增加而增大，且觸變強度比率增長的速率表現為前期增長快，后期增長慢。表明湛江組結構性黏土觸變強度隨時間的增加而增大，且前期觸變強度增長快，后期觸變強度增長慢。

重塑土試樣含水率不同，其觸變強度比率隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度也不同。在0～30d靜置齡期范圍內，隨著含水率增大，觸變強度比率增長的速率與幅度沒有顯著的規律，但在30～60d靜置齡期范圍內，隨著含水率增大，觸變強度比率增長的速率與幅度顯著增加。這表明，在前期，含水率的變化對湛江組結構性黏土觸變強度影響不顯著，在后期，隨著含水率增大，湛江組結構性黏土觸變強度增長的速率與幅度顯著增加。

總體而言，湛江組結構性黏土強度恢復情況與含水率有關。湛江組結構性黏土擾動后，含水率對湛江組結構性黏土觸變強度影響較大，隨著靜置齡期的增加，含水率越大，湛江組結構性黏土觸變強度增長的速率與幅度越大。土-水的相互作用使水分子在進入到土顆粒中時被迅速吸附在顆粒表面形成結合水膜，具有較強的黏滯阻力。含水率大的黏土與水的接觸更充分，隨著時間的增加，形成的結合水膜面積也就更大，因此黏土的強度恢復得快，觸變性也就更強。

2.2 孔隙比對觸變性狀的影響試驗研究

選取同一深度區間(取土深度65.25～66.05m)內湛江組結構性黏土原狀土完全擾動，制備成干密度相同而孔隙比不同(孔隙比為1.11、1.08、1.03)的直徑為39.1mm和高度為80mm圓柱形試樣，經過不同靜置齡期(0d、1d、7d、30d、60d)分別測定其無側限抗壓強度(表 7)，得到3種不同孔隙比重塑土試樣在不同靜置齡期觸變強度比率(表 8)，建立3種不同孔隙比重塑土觸變強度比率與不同靜置齡期的關系曲線(圖 2)，分析湛江組結構性黏土孔隙比對其觸變性強弱的影響。

表 7 3種不同孔隙比重塑土在不同靜置齡期的 無側限抗壓強度Table 7 Unconfined compressive strengths of three remolded clay samples with different conditions of void ratio and standing time

表 8 3種不同孔隙比重塑土在不同靜置齡期的 觸變強度比率AtTable 8 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of void ratio and standing time

圖 2 3種不同孔隙比重塑土觸變強度比率 與不同靜置齡期的關系Fig. 2 Thixotropic strength ratio development under different void ratio conditions

由圖 2可知，觸變強度比率隨靜置齡期的增加而增大，且觸變強度比率增長的速率表現為前期增長慢，中期增長快，后期增長慢。重塑土試樣孔隙比不同，其觸變強度比率隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度不同。在0～7d靜置齡期范圍內，隨著孔隙比增大，觸變強度比率增長的速率與幅度沒有顯著的規律，但在7～60d靜置齡期范圍內，隨著孔隙比增大，觸變強度比率增長的速率與幅度顯著減小。這表明，在前期，孔隙比的變化對湛江組結構性黏土觸變強度影響不顯著，在后期，隨著孔隙比增大，湛江組結構性黏土觸變強度增長的速率與幅度顯著減小。

表 9 3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土重塑土 在不同靜置齡期的黏聚力Table 9 Cohesive forces of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

表 10 3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土重塑土 在不同靜置齡期的內摩擦角Table 10 Internal friction angles of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

表 11 3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土重塑土 在不同靜置齡期的觸變強度比率AtTable 11 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

總體而言，湛江組結構性黏土強度恢復情況與孔隙比有關，湛江組結構性黏土擾動后，隨著靜置齡期的增加，不同孔隙比重塑土試樣觸變強度比率增長規律基本一致，可分為3個階段，在擾動后靜置前期，其觸變強度比率增長速度緩慢，而后觸變強度比率增長速度加快，最后增長速度減小。

孔隙比對湛江組結構性黏土觸變強度影響較大，且孔隙比越大，湛江組結構性黏土觸變強度增長的速率與幅度越小。對于形成這種現象的原因，從土體自身的角度可以理解為其結構強度主要是由土顆粒間的咬合力和機械摩擦力所構成，孔隙比較大的黏土，顆粒間的聯結程度較低，土體結構整體較松散，因此結構強度較低，擾動后的觸變性能也相對較弱。

2.3 靈敏度對觸變性狀的影響試驗研究

選取3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土(取土深度分別為33.25～34.05m、53.25～54.05m、65.25～66.05m)完全擾動后，將其制成直徑為61.8mm和高度為20mm的圓餅形試樣及直徑為39.1mm和高度為80mm圓柱形試樣，靜置養護0d、1d、7d、30d、60d，對直徑為61.8mm和高度為20mm的圓餅形試樣進行直剪試驗，對直徑為39.1mm和高度為80mm圓柱形試樣進行無側限抗壓強度試驗。

獲得3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土重塑土在不同靜置齡期的黏聚力、內摩擦角、觸變強度比率(表 9、表 10、表 11)。建立3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土重塑土黏聚力與不同靜置齡期的關系(圖 3)、內摩擦角與不同靜置齡期的關系(圖 4)、觸變強度比率與不同靜置齡期的關系(圖 5)，分析湛江組結構性黏土靈敏度對其觸變性強弱的影響。

圖 3 3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土 重塑土黏聚力與不同靜置齡期的關系Fig. 3 Cohesive force development under different sensitivity conditions

圖 4 3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土 重塑土內摩擦角與不同靜置齡期的關系Fig. 4 Internal friction angle development under different sensitivity conditions

圖 5 3種不同靈敏度值的湛江組結構性黏土 重塑土觸變強度比率與不同靜置齡期的關系Fig. 5 Thixotropic strength ratio development under different sensitivity conditions

由圖 3、圖 4可知，黏聚力和內摩擦角均隨靜置齡期的增加而增大，且增長的速率表現為前期增長快，后期增長慢。表明湛江組結構性黏土黏聚力和內摩擦角隨時間的增加而增大，且前期增長快，后期增長慢。

靈敏度不同，其黏聚力和內摩擦角隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度不同。靈敏度值越大，其黏聚力和內摩擦角隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度越大。

由圖 5可知，觸變強度比率隨靜置齡期的增加而增大，且觸變強度比率增長的速率表現為前期增長快，后期增長慢。表明湛江組結構性黏土觸變強度隨時間的增加而增大，且前期觸變強度增長快，后期觸變強度增長慢。

重塑土試樣靈敏度值不同，其觸變強度比率隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度不同。在0～7d靜置齡期范圍內，隨著靈敏度增大，觸變強度比率增長的速率與幅度基本一致； 在7～30d靜置齡期范圍內，隨著靈敏度增大，觸變強度比率增長的速率與幅度逐漸增大； 在30～60d靜置齡期范圍內，隨著靈敏度增大，觸變強度比率增長的速率與幅度逐漸減小。這表明，在前期(0～7d)，靈敏度的變化對湛江組結構性黏土觸變強度影響并不明顯，到了中后期(7～60d)，靈敏度的變化對湛江組結構性黏土觸變強度增長的速率與幅度影響顯著增加。

總體而言，湛江組結構性黏土強度恢復情況與靈敏度有關，湛江組結構性黏土擾動后，隨著靜置齡期的增加，不同靈敏度重塑土試樣黏聚力、內摩擦角、觸變強度比率均增大，且靈敏度越大，黏土的觸變性越強。在擾動后靜置前期，試樣的黏聚力、內摩擦角、觸變強度比率均增長快，在后期，其黏聚力、內摩擦角、觸變強度比率增長慢。究其原因，黏土受到擾動后結構遭到破壞，靜置后，土顆粒受到靜電引力及顆粒間的膠結作用開始趨向聚集，結構不斷恢復，靈敏度大的黏土本身結構性較強，在觸變恢復的過程中顆粒聚集的更快，強度恢復的也越快，因此觸變性更強。

3 結 論

(1)湛江組結構性黏土擾動后，隨著靜置齡期的增加，含水率對湛江組結構性黏土觸變強度影響較大，且含水率越大，湛江組結構性黏土觸變強度增長的幅度越大，且觸變強度比率增長的速率表現為前期增長快，后期增長慢。

(2)湛江組結構性黏土擾動后，在前期，孔隙比的變化對湛江組結構性黏土觸變強度影響不顯著，在后期，隨著孔隙比增大，湛江組結構性黏土觸變強度增長的速率與幅度顯著減小。

(3)湛江組結構性黏土強度恢復情況與靈敏度有關，湛江組結構性黏土擾動后，隨著靜置齡期的增加，不同靈敏度重塑土黏聚力、內摩擦角、觸變強度比率均增大，在擾動后靜置前期，其黏聚力、內摩擦角、觸變強度比率均增長快，在后期，其黏聚力、內摩擦角、觸變強度比率增長慢。