母煥勝

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計院，石家莊 050011）

1 前 言

河北省沿海地區(qū)廣泛分布厚層海積軟土，屬于典型的濱海相——海陸交互相沉積所形成的軟土地基，對軟土地基處理技術(shù)研究己成為改善投資環(huán)境、加快環(huán)渤海地區(qū)建設(shè)、科學(xué)合理利用土地資源的重要研究課題。軟土地基處理方法的科學(xué)合理與否，關(guān)鍵是從軟土本身的結(jié)構(gòu)特征揭示出影響軟土變形和強(qiáng)度的本質(zhì)因素，建立軟土微結(jié)構(gòu)特征與宏觀性質(zhì)的關(guān)系，進(jìn)而對沿海地區(qū)軟土地基處理方法進(jìn)行分析評價，并提出新的技術(shù)方法。

隨著土力學(xué)理論和土體測試技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到軟土是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，其物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)共同決定著它的工程特性，即從微觀領(lǐng)域和從本質(zhì)上揭示出軟土的變形和強(qiáng)度特征[1]。因此，應(yīng)用軟土微結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等理論，建立結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型，使軟土的研究理論和方法提高到一個新的水平。胡瑞林等[2]以Housdoff分維計算方法為主，獲得了顆粒分布及其大小和表面特征分維以及空隙與接觸帶分布分維的定量結(jié)果，并分析了這些參數(shù)與土的工程性質(zhì)之間的關(guān)系。正如沈珠江院士[3]指出的“發(fā)展和建立土的結(jié)構(gòu)模型和相應(yīng)的分析理論，是 21 世紀(jì)土力學(xué)的核心問題”。理論的進(jìn)步必將推動實(shí)踐的發(fā)展，深入開展軟土結(jié)構(gòu)性研究的理論成果必將推進(jìn)對軟土工程實(shí)踐向更科學(xué)化、合理化發(fā)展。

唐-曹高速公路是唐山市至曹妃甸工業(yè)區(qū)最快捷便利的高速通道，向南與河北省高速公路網(wǎng)中的“橫三”沿海高速公路連接，向北與G25長深高速公路相連接，在唐山市“一縱兩橫三條線”新型高速公路網(wǎng)絡(luò)的形成起到了重要作用。它的建成拉動了唐山區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)了公路沿線旅游資源的開發(fā)和利用，展現(xiàn)了中國北方最大、最現(xiàn)代化的曹妃甸工業(yè)大港的風(fēng)采。高速公路通過地區(qū)廣泛分布著厚層海積軟土，屬于典型的濱海相～海陸交互相沉積所形成的軟土地基。

本課題以唐-曹高速公路通過地區(qū)的海積軟土為研究對象，綜合海積軟土的基本物理力學(xué)性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)特征，建立了軟土微結(jié)構(gòu)定量化參數(shù)。通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析，系統(tǒng)地分析和研究海積軟土微結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)關(guān)系，對海積軟土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與工程效應(yīng)進(jìn)行了分析論證，提出以建立在分維分形理論基礎(chǔ)上的孔隙結(jié)構(gòu)因子 PSF 作為衡量海積軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和破壞趨勢的綜合性參數(shù)。

2 河北沿海軟土微結(jié)構(gòu)分型參數(shù)特征

2.1 樣品的制備與圖像處理

幾乎所有微觀組構(gòu)的技術(shù)都不能直接測定潮濕的未擾動海積軟土樣，而需要將土中的水分進(jìn)行置換或排除，此過程中土的原始組構(gòu)不可避免的受到影響，如何選擇恰當(dāng)?shù)拿撍夹g(shù)，減少對樣品的擾動就至關(guān)重要?，F(xiàn)有的脫水技術(shù)主要有干燥 法、風(fēng)干或烘干法、臨界點(diǎn)干燥法和冷凍干燥法等。這些方法中，臨界點(diǎn)干燥法和冷凍干燥法對設(shè)備要求高、操作比較復(fù)雜，但其對土樣擾動小，更能反映土組構(gòu)的原始形態(tài)。因此，本研究所用土樣在干燥時均采用冷凍干燥法處理。所用儀器為中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研制的土微結(jié)構(gòu)真空冷凍制樣儀，事先將原狀土用細(xì)鋼絲鋸切成4 mm×4 mm×10 mm 的土條，放入沸點(diǎn)為-140 ℃的異戊烷中，再將裝有樣品的異戊烷容器放入液氮（沸點(diǎn)為-190℃）中冷凍，使土中的液體成為不具膨脹性的非結(jié)晶態(tài)冰，然后，在-50 ℃的狀態(tài)下對其抽真空15 h以上，使土中非結(jié)晶的冰直接升華，從而使土樣既干燥又不變形，采用掃描電子顯微鏡對所制備土樣組構(gòu)的觀察以及定量化研究。

試驗(yàn)中，采用德國LeicaQwin5000偏光圖像處理系統(tǒng)對 SEM 拍攝的照片處理，并用LeicaQwin5000偏光圖像處理系統(tǒng)及 FIPS（fractal image process system）分維圖像處理軟件，對處理后所得的圖像進(jìn)行分析。對輸入圖像進(jìn)行二值化處理后，再通過LeicaQwin中的Field（域）和Feature（特征塊）測量工具，對圖像中的孔隙部分進(jìn)行統(tǒng)計和計算，得到土中孔隙大小、形態(tài)、排列特征等一系列微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，用FIPS (fractal image process system）分維圖像處理軟件得到一系列關(guān)于土中孔隙的分形參數(shù)。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)從不同方面反映了軟土在變形過程中孔隙的形態(tài)特征、排列特征以及其他相應(yīng)的變化特征。

2.2 微結(jié)構(gòu)定量化參數(shù)

微結(jié)構(gòu)量化參數(shù)有等效直徑、面積比、充填比和各向異性率。

（1）等效直徑D

等效直徑 D是與孔隙面積相等的等效圓的直徑：

式中：A為孔隙的實(shí)際面積。

（2）面積比：

面積比是所測孔隙面積占總圖像面積的百分比，也稱平面孔隙率：

式中：A1為顆粒與孔隙的總面積。

（3）充填比：

充填比是實(shí)測孔隙面積與其外接圓面積比的平方根：

式中：A′為孔隙的外接圓面積。充填比值越大，說明孔隙越趨于呈圓形

（4）各向異性率In[4]：

In反映土微觀結(jié)構(gòu)孔隙排列的整體定向性特征，是表達(dá)變形過程中整個微結(jié)構(gòu)變化的重要參數(shù)：

式中：L、B分別為孔隙的長軸和短軸的長度。各向異性率值的變化范圍在0～100 %之間，當(dāng)In= 0時，孔隙呈隨機(jī)分布；當(dāng)In= 100%時，孔隙呈同一方向分布。

2.3 孔隙的分形參數(shù)

簡單分形維數(shù)Dp是一個無量綱、無標(biāo)度的量，它減弱了微觀圖像的分辨率、放大倍數(shù)等對計算結(jié)果的影響，表示在某種意義上的層次性和自相似性，用計盒維數(shù)來估計。

如圖1所示，假設(shè)圖像中含有多個孔隙（點(diǎn)狀閉域），以邊長為 ε的正方形將圖像分割成規(guī)格為(L／ε)×(L／ε)的正交網(wǎng)格，并且，設(shè)含有孔隙（或一部分）的網(wǎng)格總數(shù)為 N(ε)，如果改變 ε，使其在值域范圍內(nèi)序列變化，如ε1，ε2，…，εn，則得到相應(yīng)的序列值 N(ε1)，N(ε2)，…，N(εn)，將這些數(shù)據(jù)組描繪于雙對數(shù)坐標(biāo)系中，即可直觀確定 lgε-lgN(ε)對應(yīng)關(guān)系。

圖1 計盒維數(shù)算法Fig.1 Algorithm of box counting dimension

如果存在線性特征，表明孔隙分布具有分形特征，若線性部分的斜率為k，那么

平面分維值 Dp越大，表明孔隙分布越均勻，顆粒集團(tuán)化程度越低，土的密實(shí)度越小。

2.4 簡單分形維數(shù)Dp與壓力的關(guān)系

用 FIPS 對曹妃甸區(qū)、唐海區(qū)、南堡區(qū)原狀樣及不同荷載作用后土樣的 SEM 照片進(jìn)行處理后，所得三個區(qū)軟土原狀樣及其在不同壓力作用下土樣中孔隙平面分維值見表1。

表1 軟土原狀樣及不同壓力下孔隙簡單分維數(shù)DpTable1 Dpof the soft soil undisturbed sample at different pressures

由計算所得各土樣的孔隙平面分維值繪出的曹妃甸區(qū)、唐海區(qū)、南堡區(qū)（垂直截面與水平截面）的軟土孔隙平面分維值Dp隨壓力 P的變化曲線如圖2所示?？紫兜钠矫娣志S數(shù)反映土中孔隙的分布情況和密實(shí)情況，其值越大，土樣越松散，密實(shí)度越小。由圖可見，（l）三個區(qū)軟土原狀樣在垂直截面上的孔隙平面分維值，曹妃甸區(qū)較小，其值為1.888；唐海區(qū)較大，其值為1.925；南堡區(qū)處于兩者之間，為1.913，說明三個區(qū)原狀土中，唐海區(qū)土最為松散，孔隙所占比例較大，土體的密實(shí)度較??；曹妃甸區(qū)土相對密實(shí)，孔隙所占比例?。荒媳^(qū)則處于兩者之間。（2）三個區(qū)軟土孔隙平面分維值均與荷載有良好的相關(guān)性,在荷載作用下,三個區(qū)軟土垂直截面上孔隙平面分維值均呈減小趨勢。荷載作用初期，孔隙平面分維值變化不明顯，當(dāng)荷載增加到200 kPa時，三個區(qū)軟土孔隙平面分維值均明顯的降低，曹妃甸區(qū)的值下降的幅度最大；當(dāng)荷載增加到300 kPa時，分維值變化比較平緩，隨著荷載的不斷增大，孔隙的平面分維值降低。這種變化規(guī)律反映出，在壓力小于土的結(jié)構(gòu)屈服壓力 時，土中孔隙含量及分布狀況變化較小；當(dāng)壓力超過土結(jié)構(gòu)屈服壓力后，土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度損失，伴隨著土中大孔隙的坍塌，孔隙含量急劇減小，隨著荷載的不斷增大，土中孔隙不斷被壓密，土的密實(shí)度提高。（3）南堡區(qū)軟土在水平截面上的孔隙平面分維值隨荷載的變化趨勢與垂直截面土的變化規(guī)律基本一致,但在水平截面上孔隙分維值隨荷載的變化幅度要小，在曲線上則表現(xiàn)為水平截面上分維值與荷載的變化曲線在垂直截面的上方，這說明荷載的作用對于土水平截面的影響要小于對垂直截面的影響。

圖2 三個區(qū)軟土水平截面上Dp-P關(guān)系曲線圖Fig.2 Curves of horizontal section of the soft soil of three areas Dp-P relation

2.5 多重分形譜-壓力的關(guān)系

用 FIPS 對曹妃甸區(qū)、唐海區(qū)、南堡區(qū)原狀樣及不同荷載作用后的土樣的SEM照片進(jìn)行處理后，三個區(qū)孔隙多重分形譜各特征參數(shù)f(α)見表2、3。表中，Δα為分形譜寬度；f為孔隙分形譜。海積軟土孔隙多重分形譜的形狀與土中孔隙的特征密切相關(guān)，而土中孔隙又從根本上決定了概率分布，因此，不同地區(qū)、不同狀態(tài)的土中孔隙多重分形譜的形狀反映了其各自的孔隙概率分布特征。所研究的材料不同或材料的特征不同時，多重分形譜的形狀還有可能呈右鉤狀或鐘狀。

表2 軟土原狀樣在不同壓力下垂直截面上f(α)值Table2 f(α)of the soft soil undisturbed sample in vertical section at different pressures

表3 南堡區(qū)軟土原狀樣及不同壓力下水平截面上f(α)Table3 f(α) of the soft soil undisturbed sample in horizontal section of Nanpu at different pressures

由所得的各土樣的孔隙多重分形特征參數(shù)，繪出的曹妃甸區(qū)、唐海區(qū)、南堡區(qū)（垂直截面與水平截面）軟土中孔隙分布平面分維最大值maxf(α)隨壓力的變化可見，（1）maxf(α)反映的是概率分布中最或然子集的性質(zhì)，在土微觀孔隙多重分形譜中則反映的是土中孔隙含量最多的區(qū)域的性質(zhì)。對比三個區(qū)軟土原狀樣在垂直截面上的孔隙分形譜最大值maxf(α)可知，唐海區(qū)最高，其值為1.98；曹妃甸區(qū)最低，其值為1.953；南堡區(qū)處于兩者之間，為1.972，說明對于三個區(qū)原狀土中孔隙含量最多的單元而言，唐海區(qū)軟土較為松散，孔隙所占比例較大，曹妃甸區(qū)軟土孔隙含量相對較低，南堡區(qū)則處于兩者之間。（2）三個區(qū)軟土在垂直截面上孔隙分布平面分維最大值隨著荷載的增加均呈降低的趨勢，說明土中孔隙所占的比例在荷載作用下不斷減小。（3）南堡區(qū)軟土在水平截面上的孔隙分布平面分維最大值隨荷載的變化趨勢與垂直截面上的變化規(guī)律基本一致，但水平截面上孔隙maxf(α)隨荷載的變化與垂直截面上相比，變化幅度要小，說明荷載的作用在水平截面上對于土中孔隙含量最多的區(qū)域的性質(zhì)的影響要小于在垂直截面L的影響。（4）孔隙的分形譜最大值maxf(α) 反映的是土中孔隙含量最多的區(qū)域的性質(zhì)；孔隙簡單平面分維數(shù) Dp反映的是土中孔隙整體上的含量情況。三個地區(qū)（垂直截面與水平截面）軟土中孔隙分形譜寬度Δα隨壓力的變化曲線如圖3所示。

圖3 三個區(qū)軟土中Δα-P關(guān)系圖Fig.3 Curves of Δα-P relation graph of pore in three areaes

分形譜寬度Δα反映的是概率分布范圍的大小，在土微觀孔隙多重分形譜中則反映的是土中孔隙分布的均勻化程度，土中孔隙概率分布越不均勻，相應(yīng)的Δα越大。對比三個區(qū)軟土原狀樣在垂直截面上的孔隙的分形譜寬度可知，曹妃甸區(qū)最大，為0.656；唐海區(qū)最小，為0.611；南堡區(qū)處于兩者之間，并與唐海區(qū)接近，其值為0.621，說明曹妃甸區(qū)軟土中孔隙分布的均勻化程度較低，唐海區(qū)軟中孔隙概率分布較均勻，南堡區(qū)處于兩者之間。

三個區(qū)軟土在垂直截面上孔隙多重分形譜寬度隨著荷載的增加均均非線性增大，且在較高荷載作用下，分形譜寬度△α沒有明顯的差別,說明土中孔隙概率分布的均勻化程度在荷載作用下不斷降低，且隨著荷載的不斷增大，三個區(qū)軟土中孔隙分布的均勻化程度差距減小。

南堡區(qū)軟土在水平截面上的孔隙多重分形譜寬度隨荷載的變化趨勢與垂直截面上的變化規(guī)律基本一致，但在水平截面上孔隙的 Δα隨荷載的變化與垂直截面上相比，變化趨勢較緩，說明在荷載作用下，水平截面上孔隙概率分布的均勻化程度變化幅度要小于垂直截面上孔隙概率分布的均勻化程度。

2.6 軟土結(jié)構(gòu)因子-壓力的關(guān)系

對土中孔隙的平面分維研究表明，平面分維能很好的描述在荷載作用下土中孔隙的整體分布情況及土的密實(shí)程度,但它并不能反映孔隙的形狀，大小等其他因素。運(yùn)用統(tǒng)計理論中的數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)對表示孔隙的大小、形狀等形態(tài)參數(shù)，以及定向性參數(shù)、孔隙的平面分維數(shù)進(jìn)行綜合分析研究發(fā)現(xiàn)，對描述孔隙的各微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行組合后，所得組合參數(shù)PSF 值與壓力P具有良好的相關(guān)性，公式為

式中：PSF為孔隙結(jié)構(gòu)因子；R為所用顯微鏡的分辨率，本次研究所采用的德國LEO-1530VP掃描電子顯微鏡R = 10-3μm；D為平均等效直徑；F為充填比；In為各向異性率；Dp為平面分維數(shù)。

由式（6）計算的三個地區(qū)軟土孔隙結(jié)構(gòu)因子PSF值見表4和表5。根據(jù)表中三個地區(qū)軟土孔隙結(jié)構(gòu)因子的計算結(jié)果繪出各區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)因子PSF隨壓力的變化關(guān)系，如圖4所示。由曹妃甸、唐海、南堡區(qū)海積軟土孔隙結(jié)構(gòu)因子PSF隨壓力的變化關(guān)系可以看出，曹妃甸區(qū)、唐海區(qū)、南堡區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)因子 PSF-P 關(guān)系有以下特征：（l）孔隙結(jié)構(gòu)因子PSF 與荷載P具有很好的相關(guān)性。（2）初始狀態(tài)下，唐海區(qū)軟土孔隙結(jié)構(gòu)因子最大，曹妃甸區(qū)軟土孔隙結(jié)構(gòu)因子最小，南堡區(qū)處于兩者之間。在荷載作用初期，孔隙結(jié)構(gòu)因子變化較小，當(dāng)壓力超過土結(jié)構(gòu)屈服壓力以后，孔隙結(jié)構(gòu)因子大幅度下降，隨著荷載的不斷增大，結(jié)構(gòu)因子減小幅度變緩，三個區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)因子的差異越來越小。（3）南堡區(qū)軟土水平截面上的孔隙結(jié)構(gòu)因子在荷載作用下其變化幅度相對垂直截面上而言要小。

由以上分析可知，（1）孔隙結(jié)構(gòu)因子所反映的土中孔隙在荷載作用下的變化規(guī)律與其他各微觀孔隙參數(shù)（孔隙平均直徑、平面分維值等）所反映的規(guī)律一致；（2）孔隙結(jié)構(gòu)因子是一個有效反映海積軟土微觀結(jié)構(gòu)孔隙特征的綜合性參數(shù)；（3）孔隙結(jié)構(gòu)因子的物理意義在于對于海積軟土而言，孔隙結(jié)構(gòu)因子越大，土體破壞的趨勢越大；海積軟土孔隙結(jié)構(gòu)因子越大，土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低，這也從另一個方面證明了曹妃甸區(qū)海積軟土相對較穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要高于南堡和唐海區(qū)軟土。

表4 海積軟土原狀樣及不同壓力下垂直截面上PSF值Table4 The PSF of the marine deposited soft soil undisturbed sample in vertical section at different pressures

表5 南堡區(qū)海積軟土原狀樣及不同壓力下垂直截面與水平截面上PSF值Table5 The PSF of the marine deposited soft soil undisturbed sample in vertical section and of Tanghai at different pressures

圖4 三個區(qū)垂直截面上PSF-P關(guān)系圖Fig.4 Curves of PSF-P relation about three areas in vertical section

3 沿海軟土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

土結(jié)構(gòu)性的存在使得天然沉積的軟黏土一般都具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，許多學(xué)者的研究結(jié)果表明，由于一般土都具有結(jié)構(gòu)性，特別對于具有較強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的軟土而言，用傳統(tǒng)的 Casagrande 法等方法在壓縮曲線上用作圖法確定出來的值并非是其真正的先期固結(jié)壓力，而是其結(jié)構(gòu)屈服壓力，它是先期固結(jié)壓力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之和，因此，若要確定軟土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需先確定其相應(yīng)的先期固結(jié)壓力。

王國欣[5]用重塑土建立的還原后壓縮曲線的數(shù)學(xué)模型為

式中：e1為壓力為1 kPa 時對應(yīng)的孔隙比，可有初始孔隙比e0代替；cr為理想重塑樣的壓縮指數(shù)，即理想重塑樣壓縮曲線的斜率；cs為重塑樣回彈指數(shù)，即重塑樣回彈滯回圈端點(diǎn)連線的斜率；σk為原狀樣的結(jié)構(gòu)屈服壓力；pL為重塑樣與原狀樣壓縮曲線交點(diǎn)L所對應(yīng)的壓力值；A為還原系數(shù)，它反映了還原后壓縮曲線的特征。

王國欣建議對欠固結(jié)狀態(tài)上而言，把李濤[6]模型中的上覆壓力p0參數(shù)換成了結(jié)構(gòu)屈服壓力σk。由于李濤擾動土的模型已經(jīng)過許多試驗(yàn)的檢驗(yàn)，而王國欣針對重塑上還原的模型只是對李濤模型的改進(jìn)和簡化，具有較高的可靠性。

3.1 軟土壓縮曲線特性

為了確定沿海地區(qū)軟土的先期固結(jié)壓力以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分別對曹妃甸、南堡、唐海三個區(qū)取樣深度均為10 m的全新世中期（Q42 m）的海相淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行了單向壓縮試驗(yàn)，三個區(qū)軟土壓縮曲線形態(tài)基本相似，曹妃甸區(qū)的原狀樣和重塑樣的壓縮曲線如圖5所示。

圖5 曹妃甸區(qū)軟土原狀樣和重塑樣的e-lgP曲線Fig.5 The e-lgP curves comparison chart of undisturbed sample and remodeling sample of soft soil in Caofeidian

從圖5試驗(yàn)曲線可以看出，在原狀樣壓縮曲線上有一明顯的拐點(diǎn)，由卡氏法確定該土的結(jié)構(gòu)屈服壓力為σk，在壓力低于結(jié)構(gòu)屈服壓力時，曲線變化比較平緩，當(dāng)壓力超過結(jié)構(gòu)屈服壓力時出現(xiàn)陡降段，最后與重塑土的壓縮曲線趨于重合。重塑樣的壓縮曲線幾乎成線性分布，沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說明此時土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度幾乎已經(jīng)完全喪失。

3.2 先期固結(jié)壓力

根據(jù)以上曲線特征，運(yùn)用王國欣改進(jìn)的對于重塑土還原的數(shù)學(xué)模型，對曹妃甸區(qū)軟土的先期固結(jié)壓力進(jìn)行求取。計算過程為：

①用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測出重塑樣壓縮曲線和回彈曲線，求得理想重塑土的cr= 0.43，cs= 0.058，所對應(yīng)的壓力值PL= 2900 kPa。

②己知e0= l.12，σk= 195 kPa，將所得的數(shù)值代入式（7）和式（8），算出重塑土還原后的壓縮曲線，最后得到曲線的方程為

③用Casagrande法在還原后的壓縮曲線上確定先期固結(jié)壓力的值pc= 170 kPa，經(jīng)計算其上覆壓力p0= 174 kPa，此軟土為弱欠固結(jié)土。

用同樣的方法計算得出與曹妃甸區(qū)同深度的南堡區(qū)、唐海區(qū)軟土的先期固結(jié)壓力，其先期固結(jié)壓力值見表6。

表6 軟土先期固結(jié)壓力值Table6 The preconsolidation pressure of soft soil

3.3 軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的確定

結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)屈服壓力是先期固結(jié)壓力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之和，對結(jié)構(gòu)性土而言，確定了土的先期固結(jié)壓力之后，就可以確定其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。表7給出了曹妃甸、唐海、南堡三個區(qū)取樣深度均為10 m的軟土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值。

表7 軟土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值Table7 Structural strength of soft soil

軟土原狀樣曲線與重塑樣還原后的壓縮曲線之間存在著一個差距，這個差異即是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度區(qū)域，代表的是在不同荷載作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化規(guī)律?？梢苑謩e在重塑樣還原后的壓縮曲線和原狀樣壓縮曲線上找出同一孔隙比下所對應(yīng)的壓力值的大小，其差值正反映了此孔隙比下的土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小。

隨著壓力的增大，土的結(jié)構(gòu)性會逐漸破壞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也隨之降低，最后完全喪失，使土最終成為重塑土。在壓縮曲線上表現(xiàn)為原狀樣的壓縮曲線和重塑樣還原后的壓縮曲線最終趨于重合。分析總結(jié)出這樣的規(guī)律：當(dāng)壓力小于結(jié)構(gòu)屈服壓力時，土的結(jié)構(gòu)損傷很小，可以認(rèn)為土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本保持不變；當(dāng)壓力大于結(jié)構(gòu)屈服壓力時，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨壓力的增大迅速降低，使土最后趨于重塑土的性狀。

4 結(jié) 論

（1）將多重分形算法引入到土微觀結(jié)構(gòu)研究中，對沿海地區(qū)軟土孔隙的多重分形特征進(jìn)行研究，提出了一個有效反映海積軟土孔隙破損趨勢的評價指標(biāo)即孔隙結(jié)構(gòu)因子PSF作為衡量海積軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和破壞趨勢的綜合性參數(shù)?？紫督Y(jié)構(gòu)因子的物理意義在于：對于海積軟土而言，孔隙結(jié)構(gòu)因子越大，土體破壞的趨勢越大：海積軟土孔隙結(jié)構(gòu)因子越大，土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低。這也從另一個方面證明了曹妃甸區(qū)海積軟土相對較穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要高于南堡和唐海區(qū)軟土。

（2）由于軟土存在顯著的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，用傳統(tǒng)的求取先期固結(jié)壓力的方法所得到的壓力并非結(jié)構(gòu)性土的真正先期固結(jié)壓力，而是其結(jié)構(gòu)屈服壓力。求解先期固結(jié)壓力的同時，可以定量地確定土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對曹妃甸、唐海、南堡三個地區(qū)同一深度的土進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度求取結(jié)果顯示，曹妃甸區(qū)軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，唐海區(qū)軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對較低，而南堡區(qū)處于兩者之間。

[1]塔薩奇,潑克. 蔣彭年譯. 工程實(shí)用土力學(xué)[M]. 北京:水利電力出版社,1960.

[2]胡瑞林,官國琳,李向東,等. 黏性土微觀結(jié)構(gòu)定量模型及其工程地質(zhì)特征研究[M]. 北京: 地質(zhì)出版社,1995.

[3]沈珠江. 土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型—21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題[J]. 巖土工程學(xué)報,1996,18(1): 95－97.SHEN Zhu-jiang. The problem of constitutive model of structured soils is the focus problem of soilmechanics in the 21 century[J]. Chinese Journal of Geotechical Engineering. 1996,18(1): 95－97.

[4]施斌. 黏性土擊實(shí)過程中微觀結(jié)構(gòu)的定量評價[J]. 巖土工程學(xué)報,1996,18(4): 57－62.SHI Bin. Quantitative assessment of changes of microstructure for clayey soil in the process of compaction[J]. Chinese Journal of Geotechical Engineering. 1996,18(4): 57－62.

[5]王國欣. 軟土結(jié)構(gòu)性及其擾動狀態(tài)模型研究[博士學(xué)位論文D]. 沈陽: 吉林大學(xué). 2003.

[6]李濤,錢壽易. 土樣擾動影響的評價及其先期固結(jié)壓力的確定[J]. 巖土工程學(xué)報,1987,9(5): 21－30.LI Tao,QIAN Shou-yi. Evaluation of soil sample disturbance and determination of its preconsolidation pressure[J]. Chinese Journal of Geotechical Engineering. 1987,9(5): 21－30.