閻 曉 玲，余 頌，趙 永 峰，黃 玨 皓，田 寧

(1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023； 2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖石力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071； 3.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050； 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

土的觸變現(xiàn)象現(xiàn)已成為巖土工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。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(xué)中的存在。Burgers等[3]把軟土觸變性定義為由于軟土重塑而強(qiáng)度降低，土體結(jié)構(gòu)隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸恢復(fù)的過(guò)程。Boswell[4]總結(jié)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(rèn)識(shí)軟土觸變特性對(duì)軟土地區(qū)工程建設(shè)意義顯著。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在軟土觸變特性影響因素和觸變機(jī)理方面開(kāi)展了大量的研究工作，如Mitchell[5]指出土體初始含水率和結(jié)構(gòu)性對(duì)土體觸變性具有顯著影響；Seed等[6]對(duì)不同含水率土體觸變特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，含水率對(duì)土體觸變特性影響最大；Zhang等[7]指出當(dāng)含水率接近0.75倍液限時(shí)，觸變強(qiáng)度最大，而含水率為0.55倍液限時(shí)，土體觸變強(qiáng)度恢復(fù)最??；Shahriar等[8]基于落錐試驗(yàn)分析了不同含水率下，土體觸變強(qiáng)度比隨時(shí)間的變化關(guān)系；李麗華等[9]通過(guò)微型十字板剪切儀研究了不同深度、含水率和靜置時(shí)間影響下，土體強(qiáng)度恢復(fù)曲線；劉娟娟等[10]通過(guò)無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)研究了擾動(dòng)程度對(duì)土體觸變特性的影響，并基于試驗(yàn)結(jié)果建立了土體強(qiáng)度恢復(fù)和擾動(dòng)程度之間的關(guān)系；Tang等[11]基于土體無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度與靜置時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，提出了評(píng)價(jià)土體觸變性強(qiáng)弱的指標(biāo)；Kamil等[12]通過(guò)直剪試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)研究了土體擾動(dòng)后強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的變化關(guān)系。結(jié)合上述研究成果，國(guó)內(nèi)外針對(duì)軟土觸變特性已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，但針對(duì)珠江入?？谲浲劣|變特性的研究較少，且能反映靜置時(shí)間和含水率影響的軟土強(qiáng)度觸變模型也較少。

本文通過(guò)對(duì)深茂鐵路珠江入?？谌侵捃浲灵_(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)115 d的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)，研究了不同靜置時(shí)間和含水率對(duì)軟土觸變特性的影響，在此基礎(chǔ)上，建立了可反映靜置時(shí)間和含水率影響的軟土強(qiáng)度觸變模型，以期加深對(duì)珠江入?？谲浲亮W(xué)特性的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)軟土觸變特性數(shù)值實(shí)現(xiàn)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)土樣與方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，獲取了試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)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(yàn)軟土試樣具有高含水率、大孔隙比和低滲透性的特點(diǎn)。

表1 試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

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

1.2 試驗(yàn)方法

為研究試驗(yàn)土樣觸變特性，設(shè)置了不同靜置時(shí)間(0，10，20，40，50，60，70，90，105，115 d)和不同含水率(34%，47%，54%，65%)，開(kāi)展了無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟具體為：① 為便于試驗(yàn)，當(dāng)對(duì)原狀試樣開(kāi)展含水率試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制備重塑土樣，即將土樣置于塑料薄膜內(nèi)搓捏破壞其結(jié)構(gòu)，獲得充分?jǐn)_動(dòng)的軟塑狀重塑土。4種含水率條件下分別制備了10個(gè)試樣，整個(gè)試驗(yàn)共計(jì)80個(gè)試樣。③ 將擾動(dòng)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(shí)間后，分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)。其中，無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)的軸向應(yīng)變速度保持在1%/min；十字板剪切速率恒定在6.48°/min。文中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為qu，十字板剪切強(qiáng)度為Ct。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 觸變性的判別

圖2為土體觸變過(guò)程示意圖。采用文獻(xiàn)[13]中對(duì)土體觸變性質(zhì)的表征方法，即觸變恢復(fù)強(qiáng)度比Bt，其表達(dá)式為

(1)

式中：Cu代表原狀土樣的強(qiáng)度，kPa；Cr代表完全擾動(dòng)土體強(qiáng)度，kPa；Ct代表觸變過(guò)程中任意t時(shí)刻的強(qiáng)度，kPa。

因擾動(dòng)損失的強(qiáng)度為Cu-Cr，觸變恢復(fù)的強(qiáng)度為Ct-Cr。定義Bt為觸變過(guò)程中任意t時(shí)刻強(qiáng)度恢復(fù)占擾動(dòng)損失強(qiáng)度的百分比。

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

2.2 無(wú)側(cè)限試驗(yàn)

圖3為不同含水率試樣在不同靜置時(shí)間條件下的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)果。從圖3中可以看出：原狀試樣的軸向應(yīng)力隨應(yīng)變的增長(zhǎng)先快速增長(zhǎng)，并在一定應(yīng)變后達(dá)到峰值，隨后應(yīng)力隨應(yīng)變的增長(zhǎng)逐漸減小，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型。對(duì)于不同靜置時(shí)間的重塑試樣而言，其無(wú)側(cè)限壓縮軸向應(yīng)力隨應(yīng)變的增長(zhǎng)逐漸增大，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，應(yīng)力基本穩(wěn)定，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型。

圖3 不同含水率試樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between axial strain and axial stress of samples with different water contents

進(jìn)一步，可以得到不同含水率原狀試樣和不同靜置時(shí)間條件下重塑試樣的強(qiáng)度，其中對(duì)于原狀試樣而言，取應(yīng)力應(yīng)變曲線頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為其強(qiáng)度；對(duì)于重塑試樣而言，取應(yīng)變?yōu)?5%對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力為強(qiáng)度值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列。無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)中含水率為34%，47%，54%，65%的原狀試樣抗壓強(qiáng)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(qiáng)度值隨靜置時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，不同含水率試樣剛擾動(dòng)后強(qiáng)度相差不大，含水率分別為34%，47%，54%和65%時(shí)，其擾動(dòng)后初始強(qiáng)度分別為13.16，15.82，13.16，10.31 kPa。盡管不同含水率試樣強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)呈波動(dòng)式發(fā)展，但仍然可以看出其強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)呈逐漸恢復(fù)的趨勢(shì)，其中較低含水率試樣的強(qiáng)度恢復(fù)速度明顯高于較高含水率試樣的強(qiáng)度恢復(fù)速度。靜置前10 d內(nèi)，不同含水率試樣的強(qiáng)度恢復(fù)速度大致相等。靜置到70 d左右，不同含水率試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)變得平緩，強(qiáng)度恢復(fù)速度近乎為0，表明此時(shí)不同含水率試樣強(qiáng)度幾乎停止增長(zhǎng)。靜置時(shí)間達(dá)到115 d時(shí)，不同含水率試樣的強(qiáng)度值分別為21.54，19.44，17.78 kPa和12.44 kPa。

表2 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同含水率試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨靜置時(shí)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(shí)間條件下，不同含水率試樣抗壓強(qiáng)度值隨含水率的變化曲線。從圖5中可以看出，相同靜置時(shí)間條件下，不同含水率試樣強(qiáng)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(shí)間內(nèi)觸變強(qiáng)度恢復(fù)較為明顯。例如含水率為34%的試樣，靜置時(shí)間為0 d時(shí)抗壓強(qiáng)度為13.16 kPa，靜置時(shí)間至115 d時(shí)抗壓強(qiáng)度為21.54 kPa，增加了8.38 kPa；含水率為65%的試樣，0 d時(shí)強(qiáng)度為10.31 kPa，115 d時(shí)強(qiáng)度為12.44 kPa，強(qiáng)度僅增加了2.13 kPa。

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between strength and water contents under different stewing times

2.3 十字板剪切試驗(yàn)

對(duì)一定含水率和靜置時(shí)間條件下的試樣開(kāi)展2～3次測(cè)試，取其十字板剪切強(qiáng)度平均值即為該試驗(yàn)條件下的剪切強(qiáng)度，即觸變強(qiáng)度。表3為十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6為不同含水率試樣剪切強(qiáng)度值隨靜置時(shí)間的關(guān)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(qiáng)度分別為45.56，42.84，30.83，27.83 kPa，擾動(dòng)后(即重塑0 d)強(qiáng)度分別降至16.64，16.92，15.28 kPa和14.73 kPa，可見(jiàn)不同含水率試樣重塑后靜置0 d時(shí)，強(qiáng)度相差不大。不同含水率試樣重塑后觸變強(qiáng)度在較短靜置時(shí)間內(nèi)恢復(fù)較為明顯，較長(zhǎng)靜置時(shí)間后速率逐漸變緩。觸變強(qiáng)度恢復(fù)速率變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為70 d，在此靜置時(shí)間后，不同含水率試樣的觸變強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定。當(dāng)靜置時(shí)間達(dá)到115 d時(shí)，不同含水率試樣的強(qiáng)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(yàn)結(jié)果

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

進(jìn)一步，根據(jù)式(1) 可以計(jì)算得到不同含水率試樣在不同靜置時(shí)間條件下的觸變恢復(fù)強(qiáng)度比，如圖7所示。由圖7可以看出，觸變恢復(fù)強(qiáng)度比與觸變強(qiáng)度的變化趨勢(shì)類(lèi)似，重塑后最初始時(shí)間內(nèi)觸變恢復(fù)強(qiáng)度比的增長(zhǎng)最快，隨靜置時(shí)間增長(zhǎng)觸變恢復(fù)強(qiáng)度比的增長(zhǎng)變緩，靜置70 d時(shí)觸變恢復(fù)強(qiáng)度比隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定。不同含水率情況下0 d時(shí)觸變恢復(fù)強(qiáng)度比均為0，靜置前10 d內(nèi)，不同含水率試樣的觸變恢復(fù)強(qiáng)度比變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明不同含水率試樣強(qiáng)度的恢復(fù)程度基本相同，靜置時(shí)間小于70 d時(shí)，不同含水率試樣觸變恢復(fù)強(qiáng)度比均隨靜置天數(shù)增加較快，即在此段時(shí)間內(nèi)的相對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)程度較大，靜置70 d后各試樣的觸變恢復(fù)強(qiáng)度比增長(zhǎng)變得平緩，此時(shí)不同含水率試樣強(qiáng)度幾乎停止恢復(fù)。當(dāng)靜置時(shí)間達(dá)到115 d時(shí)，不同含水率試樣的觸變恢復(fù)強(qiáng)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(shí)間時(shí)觸變恢復(fù)強(qiáng)度比越大。

圖7 不同含水率條件下觸變恢復(fù)強(qiáng)度比隨靜置天數(shù)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(shí)間條件下，試樣剪切強(qiáng)度值與含水率的關(guān)系曲線。從圖8中可以看出，在相同靜置時(shí)間內(nèi)，不同含水率試樣強(qiáng)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(qiáng)度恢復(fù)變化較小。例如當(dāng)含水率為34%，靜置時(shí)間為0 d時(shí)相應(yīng)十字板剪切強(qiáng)度為16.64 kPa，靜置時(shí)間為115 d時(shí)抗剪強(qiáng)度為27.28 kPa，增加了10.64 kPa；而含水率為65%的試樣，0 d時(shí)抗剪強(qiáng)度為14.73 kPa，115 d時(shí)強(qiáng)度為22.92 kPa，增加了8.19 kPa，表明靜置相同時(shí)間時(shí)，含水率較小的試樣觸變強(qiáng)度恢復(fù)程度顯著強(qiáng)于含水率較高的試樣。

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

2.4 不同試驗(yàn)方法土體觸變性對(duì)比

以含水率為47%的試樣為例，圖9比較了無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)重塑試樣強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)?？梢钥闯?，無(wú)論是無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)還是十字板剪切試驗(yàn)，試樣強(qiáng)度均隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸恢復(fù)，均反映了軟土試樣的觸變特性。靜置時(shí)間較短時(shí)，2種試驗(yàn)強(qiáng)度均快速增長(zhǎng)，靜置時(shí)間大于90 d后，2種試驗(yàn)強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩，強(qiáng)度恢復(fù)曲線基本平行，表明此時(shí)試樣強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定值，強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程完成。其中，靜置時(shí)間為0 d時(shí)無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度和十字板剪切強(qiáng)度分別為15.82 kPa和16.92 kPa，當(dāng)靜置時(shí)間達(dá)到115 d時(shí)，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為19.44 kPa，十字板剪切強(qiáng)度為24.83 kPa，對(duì)應(yīng)觸變恢復(fù)強(qiáng)度比分別為13.40%和30.52%，表明十字板剪切試驗(yàn)得到的剪切強(qiáng)度大于無(wú)側(cè)限試驗(yàn)得到的壓縮強(qiáng)度，且十字板剪切試驗(yàn)的觸變恢復(fù)強(qiáng)度比大于無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)的觸變恢復(fù)強(qiáng)度比，即十字板剪切試驗(yàn)的相對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)程度強(qiáng)于無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)的相對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)程度。

圖9 不同靜置時(shí)間抗壓強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度對(duì)比Fig.9 Comparison of compressive strength and shear strength at different stewing time

3 觸變強(qiáng)度模型

通過(guò)繪制十字板剪切強(qiáng)度Ct、含水率W和靜置時(shí)間t三者之間的三維散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖10)，并采用數(shù)據(jù)擬合的方式得到了可考慮含水率和靜置時(shí)間影響的十字板剪切強(qiáng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在擬合曲面附近，表明式(2)可以較好地預(yù)測(cè)軟土觸變強(qiáng)度。

圖10 實(shí)測(cè)值與擬合值對(duì)比Fig.10 Comparison of measured data and calculated values

4 結(jié) 論

為研究珠江入?？谲浲劣|變特性，本文對(duì)不同含水率軟土開(kāi)展了不同靜置時(shí)間的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了含水率和靜置時(shí)間對(duì)軟土觸變性質(zhì)的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 無(wú)論是無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)還是十字板剪切試驗(yàn)，不同含水率試樣擾動(dòng)后強(qiáng)度相差較小，強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸恢復(fù)。相同靜置時(shí)間，不同含水率試樣強(qiáng)度隨含水率增大而降低。

(2) 無(wú)論試驗(yàn)方式如何，不同含水率軟土試樣強(qiáng)度隨靜置時(shí)間恢復(fù)曲線趨勢(shì)一致。然而，不同試驗(yàn)方法下土體觸變強(qiáng)度恢復(fù)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(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)條件下，軟土觸變恢復(fù)強(qiáng)度比分別為30.52%和13.40%，十字板剪切試驗(yàn)的土體觸變恢復(fù)強(qiáng)度強(qiáng)于無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)。

(3) 基于十字板剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了反映初始含水率和靜置時(shí)間影響的珠江入?？谲浲翉?qiáng)度觸變模型。通過(guò)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的有效性。