李薦華，甘建軍，萬 勝，鄧海忠

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，南昌 330029；2.南昌工程學(xué)院 鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330099)

0 引 言

鄱陽湖是我國(guó)面積最大的淡水湖，是贛江、信江、饒河、修水、撫河五大支流的匯集之地，在鄱陽湖區(qū)工程建設(shè)中常常遇到第四系湖相淤泥質(zhì)黏土、淤泥和砂質(zhì)淤泥土，具有明顯的固結(jié)沉降與流變特性，使上部構(gòu)筑物發(fā)生沉降或不均勻沉降，至引起開裂、管涌甚至堤防失穩(wěn)，造成了巨大的損失[1]。而且湖區(qū)每年水位變幅在10 m以上，氣候或湖水位變化引起的軟土受力環(huán)境發(fā)生變化，往往使固結(jié)歷史發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致軟土的固結(jié)沉降特性發(fā)生復(fù)雜的加載效應(yīng)。

湖相軟土的固結(jié)特性研究關(guān)系到長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶工程建設(shè)的順利實(shí)施與安全，特別對(duì)跨湖大橋、水利堤防、湖區(qū)環(huán)境治理等工程勘察設(shè)計(jì)至關(guān)重要。然而，以往的研究多集中于海相軟土的固結(jié)特性方面[2-4]，而湖相軟土的固結(jié)特性研究較少，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，湖相軟土工程特性的研究越來越受到重視。本文結(jié)合鄱陽湖水利樞紐閘址可行性研究項(xiàng)目，對(duì)湖區(qū)典型軟土在不同荷載的固結(jié)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為湖泊相沉積軟基工程項(xiàng)目勘察提供科學(xué)參考。

1 基本物理力學(xué)指標(biāo)

擬建鄱陽湖水利樞紐閘址位于江西省九江市長(zhǎng)嶺至都昌縣屏峰之間，設(shè)計(jì)軸線總長(zhǎng)2 993.6 m；擬設(shè)置64孔泄水閘，其中孔口凈寬26 m的常規(guī)泄水閘60孔，孔口凈寬60 m的大孔泄水閘4孔，閘底板高程分別為0、2及4 m；樞紐左岸設(shè)置三線3線單級(jí)船閘，船閘級(jí)別為Ⅰ級(jí)，閘室有效尺度采用280 m×34 m×5.5 m(長(zhǎng)×寬×最小檻上水深)規(guī)劃通航標(biāo)準(zhǔn)為2 000 t級(jí)，船閘規(guī)模按Ⅱ(1)級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)通航1頂4駁8 000 t級(jí)船隊(duì)配套，閘室有效尺寸采用240 m×34 m×4.5 m；右岸并行布置2條魚道，左側(cè)魚道為低水位魚道，用于枯期(11月-次年3月)上、下游水位較低時(shí)過魚，右側(cè)魚道為高水位魚道，于汛后9-10月份上、下游水位較高時(shí)過魚之用。

鄱陽湖水利樞紐閘址湖相結(jié)構(gòu)第四系地層從上至下依次為淤泥質(zhì)黏土，粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)黏土、卵(礫)石、黏土、礫質(zhì)黏土、灰?guī)r、黏土質(zhì)礫石等底層礫石，典型鉆孔剖面及含水層劃分見表1。

表1 鄱陽湖區(qū)第四系含水層劃分表Tab.1 Table of division of aquifer in Poyang lake area

通過對(duì)鄱陽湖水利樞紐閘址原狀土樣的室內(nèi)試驗(yàn)，獲得了不同深度的典型土樣的物理力學(xué)指標(biāo)，如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，湖心島地表有1～2 m的黏土層，下伏8～25 m的軟弱土層，主要為淤泥和淤泥質(zhì)土。根據(jù)其透水性指標(biāo)，軟土一般可分為兩弱透水層，第一層弱透水層為淤泥質(zhì)黏土，埋深0.5～8.7 m;第二層弱透水層為淤泥和含砂泥淤泥，埋深13.2～17.5 m。地基土具有湖相沉積的“千層餅”特征，一般是軟土和粉細(xì)砂交錯(cuò)，局部地段含有粉細(xì)砂透鏡體。由于軟土層滲透系數(shù)一般小于其下方的砂層滲透系數(shù)的一個(gè)數(shù)量級(jí)，形成了天然的弱透水層。從表2可以看出，軟土層天然含水量大于39%，孔隙比大于1.18，軟塑～流塑狀，具有干縮效應(yīng)。

表2 鄱陽湖區(qū)典型軟土物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2 Physical and mechanical indexes of typical soft soil in Poyang lake area

2 軟土固結(jié)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)土樣及制備

固結(jié)試驗(yàn)采用2.0～3.3 m灰黃色淤泥質(zhì)黏土試樣，其初始孔隙比為1.25，試樣的礦物成分中原生礦物包括石英、長(zhǎng)石類，約占52%；次生礦物主要包括伊利石、高嶺石和綠泥石，約占48%；黏土礦物以伊利石(24.84%)、高嶺石(12.48)等為主，蒙脫類(綠泥石)較少(10.6%)，伊利石含量大于綠泥石含量，表明該區(qū)域軟弱土層總體水穩(wěn)性較好[5]。

試驗(yàn)采用原狀土樣，按照GB/T 50123-1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，用直徑76.2 mm和厚度20 mm的環(huán)刀取樣，測(cè)試一樣品的初始含水率。而后把把試樣放在水桶里靜置24 h，使土樣達(dá)到飽和。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用南昌工程學(xué)院引進(jìn)的GDSACTS(GDS Advanced Consolidation Testing System)高級(jí)固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括固結(jié)壓力室、反壓/軸壓控制器、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和GDSLAB數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1所示。其中土樣放置在固結(jié)壓力室中，環(huán)刀放入導(dǎo)環(huán)中，上下分別加上透水石和濾紙，通過反壓/軸壓控制器加壓，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過傳感器及其數(shù)值采集器自動(dòng)收集記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 GDS高級(jí)固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 GDS Advanced Consolidation Testing System

固結(jié)開始之前，先對(duì)土樣進(jìn)行反壓飽和，通過軸壓控制器施加反壓p1和反壓控制器施加反壓p2，使兩者之差保持在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)，防止土壓膨脹變形，本次試驗(yàn)采用Δp=p1-p2=5 kPa，每次反壓飽和為2 h。為了保證土樣達(dá)到飽和，采用飽和度B來進(jìn)行控制，即當(dāng)土樣底部孔隙水壓力Δu/軸壓與反壓差Δp大于或等于0.95時(shí)，就可以開始固結(jié)試驗(yàn)；當(dāng)飽和度B<0.95時(shí)，在保持Δp=5 kPa不變的情況下，增大p1和p2, 接著開展反壓飽和2 h，再計(jì)算飽和度值，當(dāng)達(dá)到飽和度B≥0.95時(shí)再開展試驗(yàn)。

掃描試驗(yàn)儀器采用日立公司生產(chǎn)的S-3400N型掃描電子顯微鏡(配能譜儀)系統(tǒng)(圖2)。

圖2 SEM掃描電鏡Fig.2 Scanning electron microscope

需要掃描的試樣從剪切盒或壓力室取出，利用鋼絲鋸和刀片切割時(shí)盡量避免擾動(dòng)。圖像分析工具采用南京大學(xué)開發(fā)的PCAS(顆粒裂隙分析系統(tǒng))，并根據(jù)本課題研究的需要，重點(diǎn)考慮孔隙度分維值Dc，均形態(tài)系數(shù)F、形態(tài)分布分開維數(shù)D、定向概率熵Hm等4個(gè)參數(shù)作為主要研究對(duì)象。微觀圖像選取加壓方向的剖面進(jìn)行觀察。對(duì)比分析不同固結(jié)壓力下的4個(gè)主要參數(shù)的變化。

2.3 試驗(yàn)方案

為研究不同深度軟土的主固結(jié)及次固結(jié)特性，試驗(yàn)采用等應(yīng)變速率方式，應(yīng)變速率采用0.01 mm/min，保持反壓10 kPa不變，以不同的軸壓p1(60、110、210、410、810、1 610 kPa)施加壓力，保持p2為10 kPa不變，施加時(shí)間以24 h或變形基本保持不變2 h后固結(jié)試驗(yàn)完成。為確保試驗(yàn)結(jié)果可靠，每組固結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

掃描試驗(yàn)樣品選擇原狀土樣在南昌工程學(xué)院土工實(shí)驗(yàn)室分別開展(50、100、200、400、800、1 600 kPa)固結(jié)試驗(yàn)，待實(shí)驗(yàn)完成之后，將壓縮試樣取出。為保證微觀結(jié)構(gòu)保持不變和試樣水分徹底抽干，分別沿的垂直和水平方向?qū)⒃嚇忧谐尚l，進(jìn)行真空低溫處理。隨后對(duì)土樣進(jìn)行二次噴金處理，提高試樣的圖像質(zhì)量。在試驗(yàn)中注意土樣的觀察面采用平行于加壓方向的自然掰開，分離面選擇較平坦的一面進(jìn)行觀察，保證圖像的景深和清楚，提高SEM分析的準(zhǔn)確性。

3 固結(jié)變形特性分析

3.1 主、次固結(jié)變形特性分析

圖3所示為等應(yīng)變速率加載條件典型土樣的位移-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線，從圖3中可以看出，在不同固結(jié)應(yīng)力作用下的位移時(shí)間對(duì)數(shù)曲線(s～lgt)具有共同的階段性變形特征，即第一階段的拋物線段、第二階段的斜直線段、第三階段的近水平線段[6,7]。第一階段的拋物線階段在各固結(jié)應(yīng)力作用歷時(shí)基本接近，第二階段的斜直線段固結(jié)應(yīng)力越大，斜率越大，說明最先完成固結(jié)。

圖3 不同固結(jié)應(yīng)力下的時(shí)間-變形曲線Fig.3 Curve of time-displacement under different consolidation stresses

六組等應(yīng)變固結(jié)試驗(yàn)中，固結(jié)應(yīng)力越大，土樣最終變形量越大，固結(jié)應(yīng)力為800 kPa時(shí)與1 600 kPa的最終變形量基本接近，說明當(dāng)固結(jié)應(yīng)力超過800 kPa時(shí)，試樣主固結(jié)和次固結(jié)都能在相近的短時(shí)間內(nèi)基本完成。從固結(jié)時(shí)間上次看，在相同的固結(jié)歷時(shí)，固結(jié)應(yīng)力越大，其壓縮變形值越大。50、100、200、400、800、1 600 kPa等6組固結(jié)應(yīng)力作用24 h之后，其最終固結(jié)變形值分別為：0.465 1、0.589、1.300 2、2.413 2、3.407 1和2.444 6 mm。說明軟土總固結(jié)隨著固結(jié)應(yīng)力或埋藏深度不斷加大，但當(dāng)固結(jié)應(yīng)力超過800 kPa時(shí)，總固結(jié)增加幅度明顯減小。

圖4 不同固結(jié)應(yīng)力下軟土e～lg t的曲線Fig.4 Curve of e～lg t of the soft soil on different consolidation stresses

在鄱陽湖區(qū)工程實(shí)踐中，經(jīng)常出現(xiàn)深厚軟土地基導(dǎo)致上部構(gòu)筑物變形過大和后期沉降量大的現(xiàn)象，從本文不同固結(jié)應(yīng)力的固結(jié)變形特性來看，當(dāng)軟土埋藏過厚或上部荷載過大的情況下，有可能導(dǎo)致地基加速沉降的現(xiàn)象。由于區(qū)內(nèi)軟土的沉積歷史較長(zhǎng)，固結(jié)沉降既有主固結(jié)，也有次固結(jié)，為研究其主次固結(jié)特性，采用Casagrande圖解法[8]，作e～lgt固結(jié)試驗(yàn)曲線如圖4，可延長(zhǎng)各固結(jié)應(yīng)力作用下的第二階段斜直線和第三階段近水平線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為主固結(jié)時(shí)間。

從圖4可見，隨著固結(jié)應(yīng)力的增大，主固結(jié)時(shí)間大小關(guān)系是tp50>tp100>tp200>tp400>tp800>tp1 600，說明固結(jié)應(yīng)力越大，主固結(jié)時(shí)間tp越短。在各級(jí)固結(jié)應(yīng)力作用下的曲線線型也有所不同，隨著固結(jié)應(yīng)力的提高，主固結(jié)壓縮量與總壓縮量之比(主因結(jié)比)越大，次固結(jié)占比越小。因此，對(duì)鄱陽湖軟弱土層來說，主、次固結(jié)的作用時(shí)間及變形量占比有很大的不同，軟土的這一工程特性，在地基固結(jié)沉降計(jì)算中具有重要的設(shè)計(jì)意義。

3.2 次固結(jié)系數(shù)分析

次固結(jié)是反映軟土在主固結(jié)完成之后一段時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)持續(xù)壓縮變形的特性，人們常用次固結(jié)系數(shù)Cα來研究軟土的次固結(jié)，即：

(1)

式中：Ca是指次固結(jié)系數(shù)；Δe是指孔隙比增加量；t1、t2分別指主、次固結(jié)結(jié)束時(shí)間。

根據(jù)圖4可得知鄱陽湖區(qū)軟土在50、100、200、400、800、1 600 kPa作用下主固結(jié)時(shí)間t1約為10～1 000 min， 在0.001～0.015之間。因此，利用此方法計(jì)算得出的次固結(jié)系數(shù)受荷載水平、加荷歷史的影響，其相應(yīng)的次固結(jié)沉降計(jì)算也相差較大，以研究區(qū)上層軟土中第一層軟土8.2 m和第二層軟土6.3 m為例，初始孔隙比e0選取1.25，利用次固結(jié)沉降規(guī)范公式(2)計(jì)算，可得如下結(jié)果(表2)。

(2)

式中：S是次固結(jié)沉降量；H是土層厚度；其余符號(hào)意義同前。

從表3中可知，鄱陽湖區(qū)軟土的次固結(jié)特性跟初始固結(jié)時(shí)間和次固結(jié)系數(shù)的選取緊密相關(guān)，若初始固結(jié)時(shí)間t1為10 min時(shí)，次固結(jié)系數(shù) 為0.01時(shí)，計(jì)算得出的固結(jié)沉降S與t1為200 min時(shí)，次固結(jié)系數(shù) 為0.001時(shí)計(jì)算得到的S相差比值均在92%以上。引起這種差別的原因雷華陽等[9]認(rèn)為用Casagrande法得到的次固結(jié)劃分沒有清晰的物理意義導(dǎo)致的，而有的學(xué)者[10]認(rèn)為最終固結(jié)壓力決定了次固結(jié)系數(shù)的不同。但有一種共識(shí)就是，次固結(jié)是土體主固結(jié)主要原因是孔隙水壓力消散而發(fā)生的壓縮，次固結(jié)是由于土顆粒骨架在有效應(yīng)力基本不變之后發(fā)生的蠕變。因此，不管是主固結(jié)還是次固結(jié)，研究土顆粒的微觀結(jié)構(gòu)特征也可以間接反映軟土的固結(jié)特性。

表3 鄱陽湖區(qū)典型軟土次固結(jié)沉降量Tab.3 The secondary consolidation settlement of the soft soil in Poayang lake area

3.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

利用電鏡(SEM)對(duì)不同固結(jié)壓力作用下的試樣進(jìn)行掃描研究。土樣用刀片切成20 mm厚，5 mm×5 mm寬的薄片，經(jīng)-70 ℃低溫冷凍干燥后用鋒利小刀切開后，將新鮮面放在500～5 000倍掃描電鏡下觀察，本次試驗(yàn)放大倍數(shù)為500、1 000和2 000倍，并抓拍SEM圖像，對(duì)抓取SEM圖像挑選清晰圖像通過PCAS軟件(Particles and Cracks Analysis System，即顆粒裂縫分析系統(tǒng))進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5及圖6所示。

圖5 不同壓力條件的軟土SEM圖像Fig.5 SEM image of soft soil under different pressures

圖6 經(jīng)過PCAS二值化處理的各固結(jié)下的SEM圖像Fig.6 SEM images of each consolidation after PCAS binarization

圖5所示可以看出：鄱陽湖軟土從空間架構(gòu)上結(jié)構(gòu)類型較多，既有蜂窩狀結(jié)構(gòu)、海綿狀結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)，也有片狀、骨架狀和凝塊狀結(jié)構(gòu)。固結(jié)壓力為50 kPa作用后，軟土多為絮狀、骨架狀結(jié)構(gòu)[圖5(a)和圖6(a)]；100 kPa作用后，土顆粒骨架排列多為片狀，空隙多為大孔隙(d>10 μm)[圖5(b)和圖6(b)]；200 kPa固結(jié)壓力作用下，顆粒結(jié)構(gòu)為片狀，顆?？紫蹲冃?，空隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌紫?2.5 μm

為研究各個(gè)方向上的孔隙排列分布，將SEM圖像定義為單元體，排列方向?yàn)?°～180°，將其平均分為18等份，每等分10°，可作出土顆粒孔隙分布的鏡像玫瑰花如圖7所示。從圖7中可以看出，固結(jié)應(yīng)力50 kPa，顆粒排列不均，定向角集中在0°～30°; 當(dāng)固結(jié)壓力為100、200 kPa時(shí)，顆粒排列不規(guī)劃，定向角集中在40°～145較大的范圍內(nèi)°；當(dāng)固結(jié)壓力為400 kPa時(shí)，顆粒繼續(xù)被壓實(shí)，定向角為100°～160°；當(dāng)固結(jié)壓力為800 kPa時(shí)，顆粒排列變得有序，比較均勻；當(dāng)固結(jié)壓力為1 600 kPa時(shí)，土顆粒被壓實(shí)，但又形成局部新的空隙。這說明，總體上隨著壓力的增大，顆粒由大孔隙被壓實(shí)，逐漸變中孔隙和小孔隙，顆粒的定向性由非均勻性向均一性發(fā)展。當(dāng)壓力足夠大時(shí)，裂縫面貫通，可形成“塊體滑移”。

圖7 不同壓力條件的軟土孔隙分布玫瑰花圖Fig.7 Rose diagram of the soft soil under different pressures

3.4 固結(jié)特性與微觀結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系

結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分形理論，利用PCAS軟件的圖像統(tǒng)計(jì)功能，分別不同壓力條件對(duì)孔隙度、平均形狀系數(shù)、概率熵、分維數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.4.1 固結(jié)壓力與孔隙度分維值的關(guān)系

孔隙度分維是指小于某孔隙(r)的孔隙累積數(shù)目N(≤r)的分布特征，即：

(1)

式中：D是指容量維；P(r)為直徑R的分布密度函數(shù)。由于一定區(qū)域內(nèi)的土顆?？倲?shù)恒定，所以N(≤r)和N(≥r)存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，假設(shè)V(r)是顆粒直徑小于r的孔隙體積，V為試樣孔隙總體積，則存在V(r)/V∝rb,對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)，可得：

dV(r)/V∝rb-1

(2)

再對(duì)(1)求導(dǎo)可得：

dN(r) ∝r-D-1

(3)

(4)

聯(lián)立式(2)和式(4)，可解得：

D=3-b

(5)

圖8 孔隙度分維值隨固結(jié)壓力變化關(guān)系曲線Fig.8 Variations of pore porosity fractal dimension under different pressures

因此，可以利用r為橫坐標(biāo)，V(r)/V為縱坐標(biāo)，繪制雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線，取其穩(wěn)定斜率b,即可求得孔隙分布的分維值?？紫抖确志S值Dc越大，表明孔隙的均一化程度越差，孔隙間尺寸相關(guān)越大。如圖7所示為孔隙度分維值隨著固結(jié)壓力的變化曲線。由圖7可見，隨著固結(jié)壓力的增大，孔隙度分維值逐漸減小，其中，固結(jié)壓力小于400 kPa孔隙分維值的變化斜率較大，而固結(jié)壓力大于400 kPa時(shí)孔隙分維值減少的速率放緩，說明湖相軟土中的孔隙度均一化隨著固結(jié)壓力增加趨于穩(wěn)定?？紫抖确志S值與固結(jié)壓力存在負(fù)相關(guān)性，說明隨著軟土固結(jié)壓力越大，孔隙度分維Dc越小。

3.4.2 固結(jié)壓力與概率熵的關(guān)系

概率熵是指土顆粒中孔隙長(zhǎng)軸方向在某一個(gè)角度分布的概率，它是用來描述、表征土體中顆?；蚩紫斗较蛐猿潭戎笜?biāo)，即：

(5)

式中：Hm為概率熵；mi表示孔隙長(zhǎng)軸方向的在0～180°范圍內(nèi)n個(gè)等份區(qū)的第i個(gè)區(qū)位的個(gè)數(shù)；M為孔隙總量。當(dāng)概率熵越大時(shí)，孔隙排列越混亂。

研究區(qū)典型軟土的概率熵隨著固結(jié)壓力的變化規(guī)律見圖8。從圖8中可以看出，概率熵均值在0.92以上，總體上較為紊亂，隨著固結(jié)壓力的增加，表明孔隙的排列越來越具有一定方向性。固結(jié)壓力小于100 kPa時(shí)，概率熵減少速率較快，說明顆粒受到擠壓后孔隙變化較大；當(dāng)固結(jié)壓力大于400 kPa時(shí)，概率熵減少速率基本相近，說明在高固結(jié)壓力作用下顆?？紫稖p少的速率放緩；概率熵與固結(jié)壓力具有一定的負(fù)相關(guān)性，說明概率熵越低，其結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，滲透性越小，壓縮性越小。

圖9 概率熵隨固結(jié)壓力變化圖Fig.9 Variation of probability entropy under different pressures

3.4.3 固結(jié)壓力與平均形狀系數(shù)的關(guān)系

平均形狀系數(shù)是指統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)各顆?；蚩紫兜让娣e的圓周長(zhǎng)與實(shí)際周長(zhǎng)比值的平均值，即：

(6)

式中：Fi為顆粒或孔隙等面積的圓周長(zhǎng)Cc與顆?；蚩紫兜膶?shí)際周長(zhǎng)Sa的比值；n為統(tǒng)計(jì)顆粒或孔隙個(gè)數(shù)。當(dāng)平均形狀系數(shù)越大，土體越緊密，滲透性和壓縮性也隨之降低，其孔隙的形狀越圓滑。

圖10 不同壓力作用下平均形狀系數(shù)變化曲線Fig.10 Variation of average form factor under different pressure

鄱陽湖區(qū)典型軟土的平均形狀系數(shù)如圖9所示，由圖9可以看出，平均形狀系數(shù)隨著固結(jié)壓力的增加越來越大，說明總體上隨著固結(jié)壓力的增大，等面積土顆粒增加，孔隙減少。從變化曲線上看，低固結(jié)壓力條件下(≤400 kPa)時(shí)平均形狀系數(shù)增長(zhǎng)較快，說明在初始加壓階段等面積土顆粒增加，速率較快；在高固結(jié)壓力條件下(>400 kPa)時(shí)，曲線斜率變緩，說明土孔隙已經(jīng)被壓縮，很難繼續(xù)被壓實(shí)，平均形狀系數(shù)增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，這說明土顆粒之的空間排列越來越緊密，土的滲透性和壓縮性也隨之降低。

3.4.4 固結(jié)壓力與分形維數(shù)的關(guān)系

根據(jù)分形幾何理論，孔隙形態(tài)分形維數(shù)是指用來描述孔隙結(jié)構(gòu)非均勻形態(tài)的定量指標(biāo)，假設(shè)孔隙具有不規(guī)則的分形特征，則一定存在如下關(guān)系式：

LgL=D/2×lgA+C

(7)

式中：L是孔隙的等效周長(zhǎng)；D是指孔隙形態(tài)分形維數(shù)；A是孔隙的等效面積；C是定值。形態(tài)分形維數(shù)又簡(jiǎn)稱為分形維數(shù)，其值在1～2之間， 分形維數(shù)值越大，則反映孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，孔隙的空間結(jié)構(gòu)越粗糙，形態(tài)特征越不均勻。

圖11為所示為不同固結(jié)壓力作用下分形維數(shù)隨著固結(jié)壓力的變化規(guī)律圖，從圖11中可以看出，固結(jié)壓力為50 kPa增加至400 kPa時(shí)，其分形維數(shù)迅速降低，說明湖相軟土在原狀土或初始加壓時(shí)，顆?？紫痘境什灰?guī)則狀，當(dāng)施加一定壓力后，顆?？紫督Y(jié)構(gòu)會(huì)迅速由不規(guī)則結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^平滑的結(jié)構(gòu)；當(dāng)固結(jié)壓力由400 kPa調(diào)增到1 600 kPa時(shí)，分形維數(shù)降速減緩，說明顆粒孔隙由均一化程度接近定值。雖然分形維數(shù)與固結(jié)壓力呈正相關(guān)關(guān)系，但在實(shí)際工程中(對(duì)比表2)，由于軟土的沉積環(huán)境、成因及沉積歷時(shí)，其壓縮系數(shù)并不一定會(huì)隨著深度的增加(固結(jié)壓力的增大)而與分形維數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，這在湖相軟土勘察中要引起注意。研究固結(jié)壓力作用下軟土顆粒形態(tài)及幾何特征變化規(guī)律的相關(guān)性，分別對(duì)固結(jié)壓力與孔隙度分維值、概率熵、平均形狀系數(shù)和分形維數(shù)進(jìn)行二元多項(xiàng)式擬合，結(jié)果見表3，各相關(guān)系數(shù)均大于0.81，屬于高度相關(guān)。

圖11 不同固結(jié)壓力下分形維數(shù)變化曲線Fig.11 Variation curve of pore fractal dimension under different pressure

xy相關(guān)性公式R2孔隙度分維值固結(jié)壓力y = 6×10-7x2-0.001 4x+1.300 90.877 6概率熵固結(jié)壓力y = 2E-9x2-4×10-5x+0.977 10.950 8平均形狀系數(shù)固結(jié)壓力y = 9×10-8x2+0.000 2x+0.345 30.817 1分形維數(shù)固結(jié)壓力y = 1×10-7x2-0.003x+1.300 90.944

4 固結(jié)對(duì)軟土物理力學(xué)性質(zhì)影響的微(細(xì))觀機(jī)制

4.1 試樣的固結(jié)排水過程微觀機(jī)制探討

根據(jù)孔隙的直徑或長(zhǎng)度，可以將其分為微孔(d<0.1 μm)、介孔(0.1 μm1 000 μm)，由于水分子的直徑約4 000 μm，故大孔中的水以重力水為主，介孔中的水以毛細(xì)水為主，微孔里的以結(jié)合水為主[13]。在軟土礦物顆粒表面，還存在結(jié)合水膜，越接近顆粒，結(jié)合水以強(qiáng)結(jié)合水為主，水分子厚度為1.0×104μm-1.0×106μm，在自身重力作用下難以運(yùn)動(dòng)；越偏離顆粒，結(jié)合水表現(xiàn)為弱結(jié)合水，水分子厚度為1.0×105μm～1.0×107μm。對(duì)于含有黏土礦物的軟土來說，除了一部分水分進(jìn)入黏土礦物顆?？臻g[14]。

在低固結(jié)壓力(≤400 kPa)階段，固結(jié)基本完成后軟土孔隙以大孔為主，樣品固結(jié)排水過程中，水分由里向外滲透，水分以重力水、自由水為主，主要驅(qū)動(dòng)力以重力、滲透壓力、大氣壓、毛細(xì)力為主。在排水初期由于孔隙概率熵Hm降低速率極快，故滲透速度快，當(dāng)孔隙概率熵與固結(jié)壓力關(guān)系接近水平時(shí)，試樣排水速率降低。土樣加壓開始階段，大孔隙中重力水首先被排出，其次是毛細(xì)水被擠出，此后是排出弱結(jié)合水和礦物顆粒之間的層間水。

在高固結(jié)壓力(>400 kPa)階段，固結(jié)基本完成后軟土的大孔隙逐漸被擠壓，小孔隙個(gè)數(shù)增多，孔隙度、分形維數(shù)均與固結(jié)壓力曲線接近水平，孔隙里的自由水基本被擠出。導(dǎo)致排水以毛細(xì)水、弱結(jié)合水為主，其次是碎屑礦物顆粒間的層間水，而強(qiáng)結(jié)合水很難以排出。故高壓力壓力階段，滲透由弱滲透性向微滲透性轉(zhuǎn)變，直到孔隙水消散為零。

根據(jù)軟土固結(jié)過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化與滲透性的關(guān)系，可以將軟土飽和固結(jié)過程中的滲透過程分為3個(gè)階段。①固結(jié)初期，在軸壓、氣壓、水壓、顆粒吸附力等作用下，主要是重力水由大孔隙向外遷移，帶動(dòng)毛細(xì)孔、微孔中的毛細(xì)水向外遷移，整個(gè)過程滲透速率快，滲透表現(xiàn)為強(qiáng)滲透性[圖12(a)]；②固結(jié)中期，在持續(xù)加壓條件下，大孔中重力水逐漸消散，當(dāng)介孔和微孔里的毛細(xì)水不再能夠補(bǔ)充重力水的散失后，結(jié)合水開始從結(jié)合水膜上脫落，該階段主要表現(xiàn)為弱透水性[圖12(b)]；③固結(jié)后期，當(dāng)壓力增大到極高壓力后，軟土孔隙以微孔為主，毛細(xì)水逐漸散失，軟土顆粒表面的弱結(jié)合水開始散失，強(qiáng)結(jié)合水開始脫落，滲透速率極低，主要表現(xiàn)為微滲透性[圖12(c)]。

4.2 固結(jié)過程的空隙微觀演化機(jī)制探討

軟土受壓后，宏觀變形壓縮表現(xiàn)實(shí)際上是土體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的調(diào)整再造的反映[15]。土體對(duì)壓力比較敏感，在初始?jí)毫ψ饔孟?，宏觀上表現(xiàn)為土體快速壓縮，試樣的孔隙比迅速減少，空隙數(shù)量減少；微觀上表現(xiàn)為土顆粒之間空隙被擠壓，土體結(jié)構(gòu)由絮狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)等“寬松型結(jié)構(gòu)”向“片狀、塊結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)變，但空隙尺寸規(guī)模大，均一性差，方向性差[圖13(a)]。

圖12 土樣固結(jié)排水過程示意圖(據(jù)真實(shí)土樣，用PCAS軟件計(jì)算分析而成)Fig.12 schematic diagram of consolidation and drainage process of soil sample (according to real soil sample, made by PCAS software)

圖13 土樣固結(jié)空隙演化過程示意圖(據(jù)真實(shí)土樣，用PCAS軟件計(jì)算分析而成)Fig.13 Schematic diagram of soil sample consolidation void evolution process (according to real soil sample, made by PCAS software)

隨著壓力逐漸增大，軟土顆粒之間的嵌擠咬合，空隙被細(xì)顆粒充填，大空隙被切割成小空隙，使土體空隙的數(shù)量明顯增多，但空隙的長(zhǎng)度、寬度或直徑明顯減少，宏觀上表現(xiàn)壓縮變形速率減緩，微觀上為孔隙被壓扁，孔隙分形維數(shù)、分維度和概率熵緩慢降低，顆粒定向性明顯，空隙難以連接成片，孔隙展現(xiàn)為片狀、塊狀結(jié)構(gòu)[圖13(b)]。

當(dāng)壓力增大到極大時(shí)或土樣經(jīng)過長(zhǎng)期固結(jié)后，顆粒的空隙被完全擠壓充填，顆粒與顆粒之間接觸緊密，宏觀表現(xiàn)為土樣很難以被壓縮變形，外力基本由顆粒骨架承擔(dān)；微觀上對(duì)應(yīng)再現(xiàn)出空隙由扁平狀變?yōu)閳A粒狀、蜂窩狀結(jié)構(gòu)，空隙的直徑、長(zhǎng)度和周長(zhǎng)變得更小，均一性增強(qiáng)，定向性減弱；幾何形態(tài)參數(shù)如分形維數(shù)、分維度、概率熵和平均形狀系數(shù)基本保持不變[圖13(c)]。

4.3 固結(jié)對(duì)軟土力學(xué)性質(zhì)影響的微觀機(jī)制

固結(jié)試驗(yàn)表明，軟土在各級(jí)壓力的固結(jié)作用下，都存在位移和應(yīng)力應(yīng)變拐點(diǎn)，從力學(xué)性質(zhì)上可分為結(jié)構(gòu)屈服前的初始階段、團(tuán)聚體之間的屈服階段和黏粒間屈服階段。微觀結(jié)構(gòu)變化是宏觀力學(xué)性質(zhì)的根本原因，通過各級(jí)固結(jié)壓力下的微觀結(jié)構(gòu)分析，軟土潛在的微觀機(jī)制可分為2類：

(1)荷載屈服機(jī)制，即通過外荷發(fā)生變化后產(chǎn)生固結(jié)效應(yīng)，荷載傳遞到土顆?；驁F(tuán)聚體之上，使顆?；驁F(tuán)聚體壓密，孔隙變小，從而發(fā)生固結(jié)變形，該機(jī)制為不可逆的，可分為團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)屈服的初始階段、團(tuán)聚體間屈服階段、黏粒間屈服階段。在固結(jié)時(shí)間曲線上(圖3、圖4)，先直線下降，再曲線下降，最后平緩接近直線。

(2)非荷載屈服機(jī)制，即通過排水排氣使孔隙發(fā)生變化后產(chǎn)生的固結(jié)效應(yīng)。飽和軟土中水和氣的排出，使孔隙體積變化；團(tuán)聚體或顆粒之間距離變小，相鄰顆粒的黏聚力、吸附力及層間力發(fā)生改變；當(dāng)粒間距縮小到一定值時(shí)，軟土中黏粒之間的吸附力增大，產(chǎn)生團(tuán)聚作用，導(dǎo)致土體發(fā)生固結(jié)。

5 結(jié) 論

本研究以鄱陽湖水利樞紐閘址地基土湖相軟土為研究對(duì)象，通過固結(jié)試驗(yàn)?zāi)M土體沉積過程，并將固結(jié)后試樣進(jìn)行SEM掃描后用PCAS軟件開展定量微觀分析，得到如下結(jié)論：

(1)基于GDS固結(jié)試驗(yàn)，獲得了軟土試樣在6種壓力下的時(shí)間-變形曲線，湖相軟土主固結(jié)和次固結(jié)分界點(diǎn)不明顯，隨著固結(jié)壓力的增加，湖相軟土的主固結(jié)比增大。在工程開挖時(shí)要注意次固結(jié)系數(shù)的選取，充分考慮荷載水平、加荷歷史的影響。

(2)基于分形理論和SEM圖像微觀分析，不同深度的軟土受到的固結(jié)壓力影響不同，其變形和孔隙時(shí)間均經(jīng)歷快速變化、緩慢變化、基本保持不變?nèi)齻€(gè)階段，反映到實(shí)際工程中，要注意不同軟土固結(jié)的時(shí)間性。

(3)固結(jié)壓力越大，孔隙度、概率熵、分形維數(shù)越小，平均形狀系數(shù)越大，表明隨著深度的增加，軟土的均一性越好、壓密度越高，定向性越差、土體越密實(shí)。固結(jié)壓力與以上4個(gè)微觀參數(shù)相關(guān)性均大于0.81，屬高度相關(guān)，工程設(shè)計(jì)時(shí)要注意湖相軟土的結(jié)構(gòu)性。

(4)飽和湖相軟土固結(jié)過程中微觀結(jié)構(gòu)變化過程反映其滲透、變形及力學(xué)性質(zhì)的演變，用PCAS軟件對(duì)其過程進(jìn)行分析表明，低固結(jié)壓力階段因荷載屈服效應(yīng)導(dǎo)致大孔隙重力水排水為主，土體變形速率大；隨著壓力增大，介孔和微孔中的毛細(xì)水和結(jié)合水參與排水，土體變形速率減小，非荷載屈服效應(yīng)增強(qiáng)，在樞紐閘址開挖時(shí)要注意不同階段的排水、變形和固結(jié)機(jī)制。

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