閻 曉 玲，余 頌，趙 永 峰，黃 玨 皓，田 寧

(1.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖石力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 3.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050； 4.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

土的觸變現象現已成為巖土工程領域研究的熱點。觸變一詞最先由Peterfi[1]提出。之后Freundlich[2]證明了觸變性在土力學中的存在。Burgers等[3]把軟土觸變性定義為由于軟土重塑而強度降低，土體結構隨靜置時間的增長而逐漸恢復的過程。Boswell[4]總結了代表性沉積物的觸變特性，指出除純砂外，其余土體材料均具有一定程度的觸變性。因此，深刻認識軟土觸變特性對軟土地區(qū)工程建設意義顯著。

當前國內外學者在軟土觸變特性影響因素和觸變機理方面開展了大量的研究工作，如Mitchell[5]指出土體初始含水率和結構性對土體觸變性具有顯著影響；Seed等[6]對不同含水率土體觸變特性進行了研究，認為當含水率大于最優(yōu)含水率時，含水率對土體觸變特性影響最大；Zhang等[7]指出當含水率接近0.75倍液限時，觸變強度最大，而含水率為0.55倍液限時，土體觸變強度恢復最??；Shahriar等[8]基于落錐試驗分析了不同含水率下，土體觸變強度比隨時間的變化關系；李麗華等[9]通過微型十字板剪切儀研究了不同深度、含水率和靜置時間影響下，土體強度恢復曲線；劉娟娟等[10]通過無側限壓縮試驗研究了擾動程度對土體觸變特性的影響，并基于試驗結果建立了土體強度恢復和擾動程度之間的關系；Tang等[11]基于土體無側限壓縮強度與靜置時間的相關關系，提出了評價土體觸變性強弱的指標；Kamil等[12]通過直剪試驗、十字板剪切試驗、無側限壓縮試驗和三軸試驗研究了土體擾動后強度隨靜置時間的變化關系。結合上述研究成果，國內外針對軟土觸變特性已經開展了大量的研究工作，但針對珠江入海口軟土觸變特性的研究較少，且能反映靜置時間和含水率影響的軟土強度觸變模型也較少。

本文通過對深茂鐵路珠江入?？谌侵捃浲灵_展了長達115 d的無側限壓縮試驗和十字板剪切試驗，研究了不同靜置時間和含水率對軟土觸變特性的影響，在此基礎上，建立了可反映靜置時間和含水率影響的軟土強度觸變模型，以期加深對珠江入?？谲浲亮W特性的認識，為后續(xù)軟土觸變特性數值實現提供試驗基礎。

1 試驗土樣與方案

1.1 試驗土樣

試驗土樣取自深茂鐵路入海口，埋深0.3～28.9 m。按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》，獲取了試驗土樣的基本物理性質如表1所列，粒徑分布曲線如圖1所示。從表1中可以看出，試驗軟土試樣具有高含水率、大孔隙比和低滲透性的特點。

表1 試樣基本物理性質指標

圖1 顆粒粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve

1.2 試驗方法

為研究試驗土樣觸變特性，設置了不同靜置時間(0，10，20，40，50，60，70，90，105，115 d)和不同含水率(34%，47%，54%，65%)，開展了無側限壓縮試驗和十字板剪切試驗。

試驗步驟具體為：① 為便于試驗，當對原狀試樣開展含水率試驗時，將相近含水率試樣歸為一組，得到了含水率為34%，47%，54%，65%的試樣。② 按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》制備重塑土樣，即將土樣置于塑料薄膜內搓捏破壞其結構，獲得充分擾動的軟塑狀重塑土。4種含水率條件下分別制備了10個試樣，整個試驗共計80個試樣。③ 將擾動后的不同含水率試樣分別靜置0，10，20，40，50，60，70，90，105，115 d等不同時間后，分別進行無側限抗壓試驗和十字板剪切試驗。其中，無側限壓縮試驗的軸向應變速度保持在1%/min；十字板剪切速率恒定在6.48°/min。文中無側限抗壓強度為qu，十字板剪切強度為Ct。

2 試驗結果與分析

2.1 觸變性的判別

圖2為土體觸變過程示意圖。采用文獻[13]中對土體觸變性質的表征方法，即觸變恢復強度比Bt，其表達式為

(1)

式中：Cu代表原狀土樣的強度，kPa；Cr代表完全擾動土體強度，kPa；Ct代表觸變過程中任意t時刻的強度，kPa。

因擾動損失的強度為Cu-Cr，觸變恢復的強度為Ct-Cr。定義Bt為觸變過程中任意t時刻強度恢復占擾動損失強度的百分比。

圖2 材料的觸變過程示意Fig.2 Scheme of thixotropic process of materials

2.2 無側限試驗

圖3為不同含水率試樣在不同靜置時間條件下的無側限壓縮試驗結果。從圖3中可以看出：原狀試樣的軸向應力隨應變的增長先快速增長，并在一定應變后達到峰值，隨后應力隨應變的增長逐漸減小，應力應變曲線呈應變軟化型。對于不同靜置時間的重塑試樣而言，其無側限壓縮軸向應力隨應變的增長逐漸增大，當應變達到一定值時，應力基本穩(wěn)定，應力應變曲線呈應變硬化型。

圖3 不同含水率試樣的軸向應力-應變關系曲線Fig.3 Relationship between axial strain and axial stress of samples with different water contents

進一步，可以得到不同含水率原狀試樣和不同靜置時間條件下重塑試樣的強度，其中對于原狀試樣而言，取應力應變曲線頂點對應的應力為其強度；對于重塑試樣而言，取應變?yōu)?5%對應的軸向應力為強度值，試驗數據如表2所列。無側限壓縮試驗中含水率為34%，47%，54%，65%的原狀試樣抗壓強度分別為45.06，42.12，30.20，27.24 kPa。

圖4為不同含水率試樣抗壓強度值隨靜置時間的關系曲線。從圖4中可以看出，不同含水率試樣剛擾動后強度相差不大，含水率分別為34%，47%，54%和65%時，其擾動后初始強度分別為13.16，15.82，13.16，10.31 kPa。盡管不同含水率試樣強度隨靜置時間的增長呈波動式發(fā)展，但仍然可以看出其強度隨靜置時間的增長呈逐漸恢復的趨勢，其中較低含水率試樣的強度恢復速度明顯高于較高含水率試樣的強度恢復速度。靜置前10 d內，不同含水率試樣的強度恢復速度大致相等。靜置到70 d左右，不同含水率試樣強度增長變得平緩，強度恢復速度近乎為0，表明此時不同含水率試樣強度幾乎停止增長。靜置時間達到115 d時，不同含水率試樣的強度值分別為21.54，19.44，17.78 kPa和12.44 kPa。

表2 無側限抗壓試驗結果

圖4 不同含水率試樣無側限抗壓強度隨靜置時間變化曲線Fig.4 Relationship between strength and stewing time of samples with different water contents

圖5為不同靜置時間條件下，不同含水率試樣抗壓強度值隨含水率的變化曲線。從圖5中可以看出，相同靜置時間條件下，不同含水率試樣強度隨含水率的增大而降低。含水率越低的試樣在相同靜置時間內觸變強度恢復較為明顯。例如含水率為34%的試樣，靜置時間為0 d時抗壓強度為13.16 kPa，靜置時間至115 d時抗壓強度為21.54 kPa，增加了8.38 kPa；含水率為65%的試樣，0 d時強度為10.31 kPa，115 d時強度為12.44 kPa，強度僅增加了2.13 kPa。

圖5 無側限抗壓強度與含水率關系曲線Fig.5 Relationship between strength and water contents under different stewing times

2.3 十字板剪切試驗

對一定含水率和靜置時間條件下的試樣開展2～3次測試，取其十字板剪切強度平均值即為該試驗條件下的剪切強度，即觸變強度。表3為十字板剪切試驗數據。

圖6為不同含水率試樣剪切強度值隨靜置時間的關系曲線。從圖6中可以看出，含水率分別為34%，47%，54%，65%的原狀土試樣抗剪強度分別為45.56，42.84，30.83，27.83 kPa，擾動后(即重塑0 d)強度分別降至16.64，16.92，15.28 kPa和14.73 kPa，可見不同含水率試樣重塑后靜置0 d時，強度相差不大。不同含水率試樣重塑后觸變強度在較短靜置時間內恢復較為明顯，較長靜置時間后速率逐漸變緩。觸變強度恢復速率變化的轉折點為70 d，在此靜置時間后，不同含水率試樣的觸變強度變化趨于穩(wěn)定。當靜置時間達到115 d時，不同含水率試樣的強度值分別為27.28，24.83，22.92 kPa和22.92 kPa。

表3 十字板剪切試驗結果

圖6 不同含水率十字板剪切強度隨靜置時間變化曲線Fig.6 Relationship between strength and stewing time of sumples with different water contents

進一步，根據式(1) 可以計算得到不同含水率試樣在不同靜置時間條件下的觸變恢復強度比，如圖7所示。由圖7可以看出，觸變恢復強度比與觸變強度的變化趨勢類似，重塑后最初始時間內觸變恢復強度比的增長最快，隨靜置時間增長觸變恢復強度比的增長變緩，靜置70 d時觸變恢復強度比隨靜置時間的增長已經基本趨于穩(wěn)定。不同含水率情況下0 d時觸變恢復強度比均為0，靜置前10 d內，不同含水率試樣的觸變恢復強度比變化趨勢基本一致，說明不同含水率試樣強度的恢復程度基本相同，靜置時間小于70 d時，不同含水率試樣觸變恢復強度比均隨靜置天數增加較快，即在此段時間內的相對強度恢復程度較大，靜置70 d后各試樣的觸變恢復強度比增長變得平緩，此時不同含水率試樣強度幾乎停止恢復。當靜置時間達到115 d時，不同含水率試樣的觸變恢復強度比值分別為36.79%，30.52%，49.13%，62.52%，表明含水率越大，相同靜置時間時觸變恢復強度比越大。

圖7 不同含水率條件下觸變恢復強度比隨靜置天數的變化曲線Fig.7 Relationship between thixotropic recovery strength ratio and stewing time with different water contents

圖8為不同靜置時間條件下，試樣剪切強度值與含水率的關系曲線。從圖8中可以看出，在相同靜置時間內，不同含水率試樣強度均隨含水率的增大而降低，且較高含水率試樣比較低含水率試樣的觸變強度恢復變化較小。例如當含水率為34%，靜置時間為0 d時相應十字板剪切強度為16.64 kPa，靜置時間為115 d時抗剪強度為27.28 kPa，增加了10.64 kPa；而含水率為65%的試樣，0 d時抗剪強度為14.73 kPa，115 d時強度為22.92 kPa，增加了8.19 kPa，表明靜置相同時間時，含水率較小的試樣觸變強度恢復程度顯著強于含水率較高的試樣。

圖8 十字板剪切強度與含水率關系曲線Fig.8 Relationship between strength and water contents under different stewing time

2.4 不同試驗方法土體觸變性對比

以含水率為47%的試樣為例，圖9比較了無側限壓縮試驗和十字板剪切試驗重塑試樣強度隨靜置時間的發(fā)展趨勢。可以看出，無論是無側限壓縮試驗還是十字板剪切試驗，試樣強度均隨靜置時間的增長而逐漸恢復，均反映了軟土試樣的觸變特性。靜置時間較短時，2種試驗強度均快速增長，靜置時間大于90 d后，2種試驗強度增長變緩，強度恢復曲線基本平行，表明此時試樣強度達到穩(wěn)定值，強度恢復過程完成。其中，靜置時間為0 d時無側限壓縮強度和十字板剪切強度分別為15.82 kPa和16.92 kPa，當靜置時間達到115 d時，試樣的無側限抗壓強度為19.44 kPa，十字板剪切強度為24.83 kPa，對應觸變恢復強度比分別為13.40%和30.52%，表明十字板剪切試驗得到的剪切強度大于無側限試驗得到的壓縮強度，且十字板剪切試驗的觸變恢復強度比大于無側限壓縮試驗的觸變恢復強度比，即十字板剪切試驗的相對強度恢復程度強于無側限壓縮試驗的相對強度恢復程度。

圖9 不同靜置時間抗壓強度與剪切強度對比Fig.9 Comparison of compressive strength and shear strength at different stewing time

3 觸變強度模型

通過繪制十字板剪切強度Ct、含水率W和靜置時間t三者之間的三維散點圖(見圖10)，并采用數據擬合的方式得到了可考慮含水率和靜置時間影響的十字板剪切強度模型，即：

Ct=69.27W3+0.72W2t-0.000956Wt2-

0.0000148t3-139.62W2-0.66Wt+

0.003t2+77.50W+0.15t+3.78

(2)

從圖10可以看出，擬合曲面與實測數據的相關性較好，實測數據點基本分布在擬合曲面附近，表明式(2)可以較好地預測軟土觸變強度。

圖10 實測值與擬合值對比Fig.10 Comparison of measured data and calculated values

4 結 論

為研究珠江入海口軟土觸變特性，本文對不同含水率軟土開展了不同靜置時間的無側限壓縮試驗和十字板剪切試驗，重點分析了含水率和靜置時間對軟土觸變性質的影響，得到如下結論：

(1) 無論是無側限壓縮試驗還是十字板剪切試驗，不同含水率試樣擾動后強度相差較小，強度隨靜置時間的增長逐漸恢復。相同靜置時間，不同含水率試樣強度隨含水率增大而降低。

(2) 無論試驗方式如何，不同含水率軟土試樣強度隨靜置時間恢復曲線趨勢一致。然而，不同試驗方法下土體觸變強度恢復具有顯著差異性，以含水率為47%的試樣為例，十字板剪切和無側限壓縮試驗條件下，軟土觸變恢復強度比分別為30.52%和13.40%，十字板剪切試驗的土體觸變恢復強度強于無側限壓縮試驗。

(3) 基于十字板剪切試驗數據，建立了反映初始含水率和靜置時間影響的珠江入?？谲浲翉姸扔|變模型。通過實測值和計算值對比，驗證了該模型的有效性。