崔志鵬 嚴(yán)剛 王軍 鐘萍 王振祥 吳琪

（1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，江蘇南京 210041；2.自然資源部城市地下空間探測(cè)評(píng)價(jià)工程技術(shù)創(chuàng)新中心 全要素測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210041；3.南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京 210009）

0 引言

我國(guó)長(zhǎng)江流域特別是長(zhǎng)江下游地區(qū)廣泛分布著新近沉積的漫灘相軟土，這些漫灘相軟土具有強(qiáng)度低、壓縮性高、孔隙比大、含水率高、多呈軟流塑狀態(tài)等特點(diǎn)[1-2]。這些工程特性給長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶城市建設(shè)特別是軌道交通和深基坑工程帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[3]，因此，對(duì)長(zhǎng)江漫灘相軟土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)工程建設(shè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。

軟土的不排水剪切強(qiáng)度是其最重要的力學(xué)指標(biāo)之一[4-5]，尤其對(duì)地下工程，該指標(biāo)是支護(hù)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。盛志強(qiáng)等[5]通過(guò)直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，研究了超固結(jié)狀態(tài)和正常固結(jié)狀態(tài)飽和土強(qiáng)度指標(biāo)的差異性，建議確定土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)結(jié)合前期固結(jié)壓力、靜止側(cè)壓力系數(shù)，根據(jù)工程實(shí)際確定圍壓和垂向壓力。王振祥等[6]利用靜三軸儀分析了預(yù)固結(jié)對(duì)南京長(zhǎng)江漫灘相軟土抗剪強(qiáng)度的影響，并給出了不同固結(jié)度下抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)參考值。鄭澤宇等[7]分別從孔壓和體變角度研究了固結(jié)度對(duì)飽和軟黏土抗剪強(qiáng)度的影響。汪洪星等[4]基于理論推導(dǎo)和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)堆載作用下軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨固結(jié)度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。馬海鵬等[8]研究了3 類(lèi)土抗剪強(qiáng)度與比貫入阻力的關(guān)系，并總結(jié)了國(guó)內(nèi)軟土地區(qū)土體抗剪強(qiáng)度與靜力觸探比貫入阻力之間的相關(guān)關(guān)系。

固結(jié)快剪試驗(yàn)是常用的確定軟土不排水剪切強(qiáng)度的方法[9-10]，該方法操作簡(jiǎn)單、原理清晰且經(jīng)濟(jì)性好。目前部分學(xué)者從預(yù)固結(jié)角度對(duì)固結(jié)快剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，但未涉及固結(jié)回彈對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。左旺[11]將洞庭湖區(qū)軟土放在固結(jié)儀上預(yù)固結(jié)后進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，得出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨固結(jié)度的增加而增加的結(jié)論。徐 可等[9]研究了飽和高嶺土抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)度的變化規(guī)律，指出各級(jí)壓力下抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)度的增大呈線性增長(zhǎng)，并將試驗(yàn)結(jié)果與微型十字板剪切儀試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了微型十字板剪切儀研究飽和軟黏土抗剪強(qiáng)度的可行性。史卜濤等[12]利用預(yù)固結(jié)得到不同固結(jié)狀態(tài)下的黏土，分析了抗剪強(qiáng)度隨剪切速率的變化關(guān)系。

根據(jù)土的彈塑性理論及《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）建議，當(dāng)試樣較多時(shí)，為滿足生產(chǎn)需要，試樣可以在其他儀器上固結(jié)（預(yù)固結(jié)），然后移至剪切盒內(nèi)，繼續(xù)固結(jié)至穩(wěn)定后，再進(jìn)行剪切。然而實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，漫灘相軟土預(yù)固結(jié)卸載后會(huì)發(fā)生回彈變形，再次固結(jié)穩(wěn)定所需時(shí)間仍然很長(zhǎng)，即對(duì)于長(zhǎng)江漫灘相軟土而言，預(yù)固結(jié)操作并不能提高固結(jié)快剪試驗(yàn)的效率，且考慮預(yù)固結(jié)回彈現(xiàn)象對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的研究未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，因此有必要開(kāi)展預(yù)固結(jié)對(duì)長(zhǎng)江漫灘相軟土抗剪強(qiáng)度的影響研究，并探索提高漫灘相軟土固結(jié)快剪試驗(yàn)效率的方法。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)所用漫灘相軟土試樣取自南京市浦口區(qū)某工程場(chǎng)地（見(jiàn)圖1），地質(zhì)勘探資料顯示，研究區(qū)上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾薄層粉土、粉砂，下部主要為砂、礫石層，為典型的河流沖積二元結(jié)構(gòu)，上部漫灘相軟土厚度一般為10～30 m。

圖1 南京長(zhǎng)江漫灘區(qū)域及取樣鉆孔位置

研究表明，結(jié)構(gòu)性對(duì)原狀土的抗剪強(qiáng)度具有重要影響[5,13]，對(duì)于結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的長(zhǎng)江漫灘相軟土而言，高質(zhì)量的樣品是保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，為減少取樣擾動(dòng)對(duì)試樣力學(xué)性質(zhì)的影響，本次現(xiàn)場(chǎng)取樣采用固定活塞薄壁取土器，并將樣品置于保濕箱內(nèi)進(jìn)行保存，從而獲得試驗(yàn)所需高質(zhì)量原狀樣（見(jiàn)圖2）。

圖2 高質(zhì)量原狀樣照片

研究區(qū)漫灘相軟土的基本物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 原狀土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

將軟土置于固結(jié)儀上進(jìn)行預(yù)先固結(jié)，然后放入剪切盒內(nèi)再次固結(jié)穩(wěn)定后，進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)，該過(guò)程中的土樣經(jīng)歷了“固結(jié)-卸荷-再固結(jié)-不排水剪切”的應(yīng)力路徑，預(yù)先固結(jié)的應(yīng)力歷史會(huì)對(duì)軟土不排水剪切強(qiáng)度產(chǎn)生影響，但具體影響尚缺乏理論依據(jù)與規(guī)范指導(dǎo)。因此，有必要開(kāi)展該過(guò)程中應(yīng)力歷史變化對(duì)軟土不排水剪切強(qiáng)度的影響研究。

為此，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程制定了3 種試驗(yàn)方案：

①預(yù)固結(jié)穩(wěn)定后將土樣放入剪切盒中直接剪切（預(yù)固結(jié)-卸載剪切）；②將土樣直接放入剪切盒中固結(jié)穩(wěn)定后剪切（正常固結(jié)剪切）；③預(yù)固結(jié)穩(wěn)定后，將土樣放入剪切盒再次固結(jié)穩(wěn)定后剪切（預(yù)固結(jié)-卸載-再固結(jié)剪切）。固結(jié)和剪切時(shí)的法向壓力分別取50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，試驗(yàn)程序按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）執(zhí)行。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固結(jié)度與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系研究

為研究漫灘相軟土固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間，從應(yīng)變的角度將固結(jié)度U定義為在一定固結(jié)壓力下試樣某一時(shí)刻的位移量與固結(jié)穩(wěn)定時(shí)的最終固結(jié)位移量的比值[14]。

式中：st為某一固結(jié)度對(duì)應(yīng)的位移量；s∞為固結(jié)穩(wěn)定時(shí)的最大位移量。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）規(guī)定的固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)（當(dāng)每小時(shí)垂直變形讀數(shù)變化不大于0.005 mm 時(shí)為固結(jié)穩(wěn)定），試驗(yàn)表明研究區(qū)軟土固結(jié)穩(wěn)定需要5～8 h（見(jiàn)圖3），且各壓力下固結(jié)度與固結(jié)時(shí)間的變化關(guān)系基本一致。此外，分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固結(jié)1 h 后軟土的固結(jié)度普遍可以達(dá)到95%，可見(jiàn)長(zhǎng)江漫灘相軟土前期固結(jié)非常迅速。

圖3 不同固結(jié)壓力下固結(jié)度與固結(jié)時(shí)間變化關(guān)系

為研究軟土固結(jié)1 h 內(nèi)的固結(jié)度與固結(jié)時(shí)間關(guān)系，利用時(shí)間-應(yīng)變采集系統(tǒng)對(duì)軟土的固結(jié)變形量進(jìn)行密集采集（見(jiàn)表3），發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江漫灘相軟土在固結(jié)前期固結(jié)變形非常迅速，固結(jié)25 min 時(shí)固結(jié)度可以達(dá)到95%，而完全固結(jié)則需要5～8 h（見(jiàn)圖4）。由此可見(jiàn)長(zhǎng)江漫灘相軟土是一種前期固結(jié)迅速，后期固結(jié)穩(wěn)定緩慢的軟土。

表3 固結(jié)度U 及對(duì)應(yīng)固結(jié)時(shí)間t

圖4 固結(jié)度與時(shí)間平方根關(guān)系曲線

2.2 固結(jié)度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

已有研究表明固結(jié)狀態(tài)對(duì)軟土抗剪強(qiáng)度有較大影響[15-17]，圖5 為研究區(qū)不同固結(jié)度和軸向壓力下的漫灘相軟土不排水抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線。由圖5 可知，抗剪強(qiáng)度τf均隨固結(jié)度U的增加呈增大趨勢(shì)，其增長(zhǎng)速度逐漸減緩，各荷載條件下τf隨U提高的增長(zhǎng)幅度基本相同。隨著U的增加，土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，孔隙率逐漸減小，原有的孔隙變小或被土顆粒充填，土顆粒間的摩擦增強(qiáng)，使其抗剪強(qiáng)度增加。另一方面，在對(duì)試樣施加垂向壓力的瞬間，土體中的水產(chǎn)生超靜孔 隙水壓力，隨著固結(jié)度的增加，顆粒間的水分逐漸排出，超靜孔隙水壓力減小，土顆粒所受有效應(yīng)力增加，在外力的作用下土顆粒的排列更加致密，抗剪強(qiáng)度隨之增加。

圖5 不同固結(jié)度下的抗剪強(qiáng)度

由圖5 中試驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)土體固結(jié)度從30%提升至100%時(shí)，對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度提升了約50%～70%，值得關(guān)注的是，當(dāng)固結(jié)度為70%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度達(dá)到完全固結(jié)時(shí)抗剪強(qiáng)度的90%以上，當(dāng)固結(jié)度為80%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度達(dá)到完全固結(jié)時(shí)抗剪強(qiáng)度的95%左右，當(dāng)固結(jié)度為95%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度與固結(jié)度為100%時(shí)基本一致。

2.3 預(yù)固結(jié)對(duì)直剪抗剪強(qiáng)度的影響分析

為滿足生產(chǎn)要求，保證工程進(jìn)度，生產(chǎn)單位對(duì)軟土進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)時(shí)，一般先將軟土置于固結(jié)儀上進(jìn)行預(yù)先固結(jié)，然后將預(yù)先固結(jié)后的軟土置于直剪儀上進(jìn)行固結(jié)快剪，該過(guò)程中的軟土經(jīng)歷“固結(jié)-卸荷回彈-再固結(jié)-不排水剪切”的應(yīng)力路徑（見(jiàn)圖6）。軟土的預(yù)估結(jié)可理解為有側(cè)限的一維滲流固結(jié)，根據(jù)土的彈塑性理論，可將土骨架和孔隙水模擬為彈簧和水體，土體在垂向固結(jié)壓力P的作用下，水通過(guò)透水石從土體的上頂面和下底面排出，土骨架在有效應(yīng)力作用下發(fā)生垂向變形至固結(jié)穩(wěn)定。固結(jié)壓力卸載后，土體不會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的應(yīng)變狀態(tài)，其中部分應(yīng)變是可恢復(fù)的（εz2），部分應(yīng)變是不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變（εz1），并且后者往往占很大比例。當(dāng)再次施加壓力時(shí)，土體再次重復(fù)固結(jié)變形過(guò)程，直至變形穩(wěn)定。

圖6 軟土預(yù)估結(jié)過(guò)程示意圖

為揭示長(zhǎng)江漫灘相軟土預(yù)固結(jié)直剪試驗(yàn)的應(yīng)力歷史，取代表性軟土試樣進(jìn)行以上操作，并采集固結(jié)度與固結(jié)時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土樣固結(jié)6 h 后變形穩(wěn)定，卸壓5 min 后，50 kPa 壓力下土樣回彈至固結(jié)度80%左右，100 kPa、150 kPa、200 kPa 壓力下土樣回彈至固結(jié)度70%左右。再次固結(jié)1 h 后固結(jié)度達(dá)到90%以上，6 h 后各壓力下土樣固結(jié)穩(wěn)定（見(jiàn)圖7）。

圖7 “固結(jié)-卸荷-再固結(jié)”的固結(jié)度-固結(jié)時(shí)間曲線

理論上，如果將固結(jié)儀上進(jìn)行預(yù)固結(jié)完成的軟土置于直剪儀上，不再進(jìn)行固結(jié)穩(wěn)定，直接進(jìn)行剪切試驗(yàn)，相當(dāng)于對(duì)固結(jié)度為70%～80%的土樣進(jìn)行剪切，而研究固結(jié)度與直剪抗剪強(qiáng)度的關(guān)系表明，當(dāng)固結(jié)度為70%～80%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度達(dá)到完全固結(jié)時(shí)抗剪強(qiáng)度的90%～95%。

依據(jù)制定的試驗(yàn)方案，取多組長(zhǎng)江漫灘相軟土分別進(jìn)行3 種試驗(yàn)，并記錄不同固結(jié)壓力下的抗剪強(qiáng)度平均值（見(jiàn)表4）。表4 數(shù)據(jù)顯示，同一試驗(yàn)方案下的軟土抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)壓力的增大而增大，同一固結(jié)壓力下，軟土的抗剪強(qiáng)度基本表現(xiàn)為“預(yù)固結(jié)-卸載剪切”最小，“正常固結(jié)剪切”中等，“預(yù)固結(jié)-卸載-再固結(jié)剪切”最大。且“預(yù)固結(jié)-卸載剪切”各級(jí)壓力下的抗剪強(qiáng)度為“正常固結(jié)剪切”抗剪強(qiáng)度的95%左右。

表4 不同試驗(yàn)方案及壓力下的抗剪強(qiáng)度平均值

對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ表現(xiàn)為：3 種方案的黏聚力c值大小接近，在10 kPa左右；對(duì)于內(nèi)摩擦角φ，“預(yù)固結(jié)-卸載剪切”最小，為25.42°；“正常固結(jié)剪切”中等，為27.10°；“預(yù)固結(jié)-卸載-再固結(jié)剪切”最大，為27.74°（見(jiàn)圖8）。

圖8 三種不同試驗(yàn)方案的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比

從不同壓力下的抗剪強(qiáng)度τ和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的大小可以看出，3 種試驗(yàn)方案的結(jié)果接近（見(jiàn)圖8），“預(yù)固結(jié)-卸載剪切”的抗剪強(qiáng)度約為“正常固結(jié)剪切”的95%。這是因?yàn)殚L(zhǎng)江漫灘相軟土具有高壓縮性，在“預(yù)固結(jié)-卸載剪切”試驗(yàn)過(guò)程中，雖然預(yù)固結(jié)-卸載后土樣有回彈變形，但是再次施加垂向荷載進(jìn)行剪切時(shí)的瞬間，土樣的主固結(jié)已經(jīng)完成。因此，當(dāng)工期緊張時(shí)，建議對(duì)長(zhǎng)江漫灘相軟土開(kāi)展“預(yù)固結(jié)-卸荷-不排水剪切”，并將所得的抗剪強(qiáng)度除以0.95 的修正系數(shù)，即可得到實(shí)際抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，從而大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，并能保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

（1）長(zhǎng)江漫灘相軟土是一種前期固結(jié)迅速、后期固結(jié)穩(wěn)定緩慢的軟土。研究區(qū)軟土固結(jié)穩(wěn)定需要5～8 h，固結(jié)25 min 時(shí)固結(jié)度可以達(dá)到95%，且各荷載作用下固結(jié)度與固結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律基本一致。

（2）軟土抗剪強(qiáng)度均隨固結(jié)度U的增加呈增大趨勢(shì)，其增長(zhǎng)速度逐漸減緩，各荷載條件下τf隨U提高的增長(zhǎng)幅度基本相同。當(dāng)固結(jié)度為70%～80%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度達(dá)到完全固結(jié)時(shí)的90%～95%。

（3）3 種固結(jié)快剪試驗(yàn)方案的漫灘相軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)接近，“預(yù)固結(jié)-卸載剪切”的抗剪強(qiáng)度約為“正常固結(jié)剪切”的95%。