重塑軟土力學(xué)特性試驗研究

溫國勝

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九四〇隊）

0 引言

軟土具有典型的蠕變和流變特性，且高含水量、高靈敏性、高壓縮性、低抗剪強度的工程力學(xué)特性使得其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜，在工程應(yīng)用中往往遇到不均勻沉降、大位移、大回淤等不良現(xiàn)象，給工程治理帶來極大地難度[1]。為了更好地認識軟土的力學(xué)特性，本文嘗試結(jié)合實際工程，采用室內(nèi)試驗的方法，進行不同超固結(jié)比和應(yīng)力作用下的三軸試驗，進而認識其應(yīng)力應(yīng)變演變規(guī)律，并構(gòu)建相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系模型[2-3]。

1 軟土的基本特性

廣東省某旅游度假區(qū)海景路護岸工程建設(shè)護岸長度1945.85m，其中直立式護岸324.49m，斜坡式護岸1621.36m。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查表明，場區(qū)主要有5 大層，其工程地質(zhì)特性分別如下：

①粉質(zhì)黏土，流～軟塑，局部相變?yōu)榉弁?，k7、k10、k11、k13～k16 鉆孔（位于養(yǎng)蝦池內(nèi)）表層有厚度為0.2～0.7m 的淤泥，本層土物理力學(xué)性質(zhì)較差，在鉆孔揭露范圍內(nèi)分布連續(xù)，標貫擊數(shù)0～3 擊，平均標貫擊數(shù)N＝1.7擊，層厚0.20～2.60m。

②1-1層淤泥質(zhì)黏土（Q42m），流～軟塑。本層土物理力學(xué)性質(zhì)較差，在k13～k19 號鉆孔區(qū)域缺失，平均標貫擊數(shù)N=2.6 擊。層頂深度1.00～2.20m，層頂標高-0.97～0.39m。層厚2.00～8.90m。

②1-2層淤泥質(zhì)黏土（Q42m），流塑。本層土物理力學(xué)性質(zhì)差，僅在k13～k19 號鉆孔區(qū)域揭露，平均標貫擊數(shù)N＝2.3 擊。層頂深度0.20～2.60m，層頂標高-1.15～0.42m，層厚2.90～13.40m。

②2層黏土（Q42m），灰色，軟塑，本層土呈與粉質(zhì)黏土互層狀，在k4～k7號鉆孔區(qū)域有厚度為1.2～5.3m的粉砂。本層土在k16～k19 號鉆孔區(qū)域缺失，平均標貫擊數(shù)N＝7.3 擊，物理力學(xué)性質(zhì)一般。層頂深度3.50～10.60m，層 頂 標 高-9.16～-2.05m。 層 厚1.00～10.40m。

②3層粉質(zhì)黏土（Q42m），軟塑，本層土在k6、k14～k18號鉆孔區(qū)域呈粉土、粉質(zhì)黏土互層狀。本層土在鉆孔揭露范圍內(nèi)分布連續(xù)平均標貫擊數(shù)N=4.9 擊，物理力學(xué)性質(zhì)較差。層頂深度5.70～14.80m，層頂標高-13.05～-4.25m，層厚1.00～10.20m。其中k3、k5、k10～k12 鉆孔區(qū)域?qū)雍?.00～2.90m，其他區(qū)域?qū)雍?.00～10.20m。

③粉土，淺灰色，濕，稍密，含云母，局部相變?yōu)榉圪|(zhì)黏土。本層土在k13～k19 號鉆孔區(qū)域缺失，平均標貫擊數(shù)N＝6.6擊，物理力學(xué)性質(zhì)一般。層頂深度13.70～16.40m，層 頂 標 高-15.00～-12.25m。 層 厚1.00～2.90m。

該層主要以粉土、粉質(zhì)黏土為主。自上而下為④1粉土、④2粉質(zhì)黏土。層頂深度15.70～19.00m，層頂標高-18.13～-14.25m。層厚6.50～9.80m。

④1層粉土（Q41al），中密～密實，本層土在k2、k3、k1l，k14～k16、k18 號鉆孔區(qū)域相變?yōu)榉勖?，在k5、k17號鉆孔區(qū)域夾大量粉質(zhì)黏土薄層。本層土在k19 號鉆孔區(qū)域缺失，標貫擊數(shù)13～33 擊，平均標貫擊數(shù)N＝22.8 擊。層頂深度15.70-19.00m，層頂標高-18.13～-14.25m。層厚1.00～5.30m，其中k15～k18 鉆孔區(qū)域?qū)雍?.00～2.10m，其他區(qū)城層厚2.90～5.30m。

④2層粉質(zhì)黏土（Q41al），可塑，局部相變?yōu)轲ね?。本層土在鉆孔揭露范圍內(nèi)分布連續(xù)，標貫擊數(shù)6～13 擊。層頂深度18.40～22.40m，層頂標高-21.16～-20.87m，層厚3.90～7.30m。

⑤1層粉質(zhì)黏土（Q3dmc），軟～可塑。本層土在鉆孔揭露范圍內(nèi)分布連續(xù)，標貫擊數(shù)5～12 擊，物理力學(xué)性質(zhì)一般。層頂深度25.00～27.50m，層頂標高-26.08～-23.63m。本次鉆探深度有限，未能穿透該層，揭露厚度2.50～10.90m。

各層土的的力學(xué)指標參數(shù)如表1所示。

2 重塑軟土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系試驗研究

為了研究重塑軟土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，對場區(qū)內(nèi)的軟土進行取樣，運輸至試驗室內(nèi)后進行烘干、研磨篩分、制備泥漿、脫氣、堆載預(yù)壓等程序，制作標準的三軸試驗，試驗高度為76mm、直徑為38mm[4]。試驗儀器選用英國GDS 公司生產(chǎn)的GDS 應(yīng)力路徑三軸儀試驗系統(tǒng)，具備應(yīng)力控制、孔隙水壓力和控制和銀邊控制功能。為了更好地對比重塑軟土在不同的應(yīng)力路徑下的力學(xué)特性、應(yīng)力應(yīng)變變化關(guān)系，室內(nèi)試驗設(shè)置不同的平均固結(jié)壓力和超固結(jié)比工況，在等壓固結(jié)條件下三軸正常固結(jié)不排水剪切試驗中，選取的平均固結(jié)壓力工況分為4 種，分別是工況1：50kPa、工況2：100kPa、工況3：200kPa、工況4：400kPa；在等壓固結(jié)條件下三軸超固結(jié)不排水剪切試驗中，選取的超固結(jié)比工況也分為4種，分別為工況5：OCR=2、工況6：OCR=4、工況7：OCR=6、工況8：OCR=8，工況5和工況8實驗室的平均固結(jié)為100kPa。

圖1和表2為不同平均固結(jié)壓力工況下重塑軟土的三軸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系。從圖1 中可以看出，正常固結(jié)重塑軟土在不同平均固結(jié)壓力工況下，重塑軟土剪切應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的變化關(guān)系一致，均呈現(xiàn)較為明顯的雙曲線變化關(guān)系，在三軸試驗加載初期，剪切應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加，隨后增加速率放緩，而在軸向應(yīng)變達到18%后，剪切應(yīng)力趨于穩(wěn)定收斂，隨著平均固結(jié)壓力的增加，剪切應(yīng)力區(qū)域穩(wěn)定收斂值也不斷增加。由此表明，平均固結(jié)壓力的增加可以使得土體的抗剪切強度得到明顯提升。

圖1 不同平均固結(jié)壓力下重塑軟土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

表2 不同平均固結(jié)壓力和超固結(jié)比下重塑軟土的應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果

圖2和表2為不同超固結(jié)比工況下重塑軟土的三軸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系。從圖2 中可以看出，不同超固結(jié)比工況下，重塑軟土剪切應(yīng)力隨著重塑軟土剪切應(yīng)力隨著軸線應(yīng)變的變化關(guān)系一致，均呈現(xiàn)較為明顯的雙曲線變化關(guān)系，在三軸試驗加載初期，剪切應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加，隨后剪切應(yīng)力增加速率有所放緩，并在達到剪切應(yīng)力峰值后有略微的降低（超固結(jié)比OCR=6 和超固結(jié)比OCR=8 時更為明顯），達到剪切應(yīng)力峰值對應(yīng)的軸向應(yīng)變隨著超固結(jié)比的增加而增加。由此表明，超固結(jié)比的增加可以使得土體的抗剪強度得到明顯提升，并且改善了土體抗剪強度峰值對應(yīng)的軸向應(yīng)變值，OCR越大重塑軟土的應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯。

圖2 不同超固結(jié)比下重塑軟土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

對不同平均固結(jié)壓力σ0和超固結(jié)比OCR下重塑軟土的峰值剪切強度qf進行取值，分別建立qf與σ0、OCR之間的回歸關(guān)系，得到結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著重塑軟土的峰值剪切強度qf與平均固結(jié)壓力σ0和超固結(jié)比OCR之間均具有顯著的線性回歸關(guān)系，其確定系數(shù)分別為0.9899 和0.9947，對應(yīng)的回歸關(guān)系如公式⑴和公式⑵所示。

圖3 平均固結(jié)壓力σ0和超固結(jié)比OCR與重塑軟土的峰值剪切強度qf的擬合關(guān)系曲線

3 重塑軟土的鄧肯-張模型參數(shù)

在現(xiàn)有工程設(shè)計中，針對軟土的本構(gòu)關(guān)系模型有Mohr-Coulomb 模型、Drucker-Prager 模型和鄧肯-張模型，其中鄧肯-張模型由于能夠較好地反應(yīng)軟黏土的力學(xué)特性，且參數(shù)計算簡單，僅有2 個待定常數(shù)，可操作性強，因此在工程實踐中應(yīng)用較為廣泛。鄧肯-張模型認為土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為典型的雙曲線，可以用公式⑶進行計算[5]。

式中，σ1為重塑軟土剪切破壞時的主應(yīng)力，MPa；σ3為重塑軟土三軸試驗圍壓，MPa；ε為重塑軸向應(yīng)變，%；a和b為本構(gòu)模型待定參數(shù)。

通過公式⑶進行求導(dǎo)，可以得到重塑軟土的切線模量和泊松比如公式⑷、公式⑸所示[6-8]。

式中，Rf為重塑黏土的破壞比；c為重塑黏土的黏聚力，kPa；φ為重塑黏土的內(nèi)摩擦角，°；K、n為無因次基數(shù)和無因次指數(shù)，是決定于土質(zhì)的試驗常數(shù)；pa為大氣壓強，kPa；G、F、A為材料常數(shù)。

通過圖1 的參數(shù)坐標變換，得到ε1/(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1的結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在各級圍壓下，ε1/(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1均呈現(xiàn)明顯的線性變化。圍壓50kPa 時，擬合關(guān)系確定系數(shù)為0.9741，擬合關(guān)系如公式⑹所示；圍壓100kPa 時，擬合關(guān)系確定系數(shù)為0.9474，擬合關(guān)系如公式⑺所示；圍壓200kPa時，擬合關(guān)系確定系數(shù)為0.9835，擬合關(guān)系如公式⑻所示；圍壓400kPa 時，擬合關(guān)系確定系數(shù)為0.9573，擬合關(guān)系如公式⑼所示。

圖4 ε1/(σ1 - σ3)與軸向應(yīng)變ε1的相關(guān)關(guān)系

由公式⑹～公式⑼，可以計算得到各等級圍壓下，公式⑶中待定參數(shù)，如表3所示。

表3 不同圍壓下重塑軟土的鄧肯張模型待定參數(shù)確定

4 結(jié)論

以廣東省某旅游度假區(qū)海景路護岸工程為研究對象，運用室內(nèi)試驗的方法，對重塑軟土進行三軸固結(jié)不排水剪切試驗，并求得其鄧肯-張本構(gòu)模型參數(shù)，得到以下幾個結(jié)論：

⑴正常固結(jié)重塑軟土在不同平均固結(jié)壓力工況下，剪切應(yīng)力均隨著軸向應(yīng)變呈現(xiàn)較為明顯的雙曲線變化關(guān)系，隨著平均固結(jié)壓力增加，峰值剪切應(yīng)力不斷增加，平均固結(jié)壓力的增加可以使得土體的抗剪切強度得到明顯提升。

⑵重塑軟土在不同超固結(jié)比工況下，剪切應(yīng)力均隨著軸向應(yīng)變呈現(xiàn)較為明顯的雙曲線變化關(guān)系，隨著超固結(jié)比增加，峰值剪切應(yīng)力不斷增加，超固結(jié)比的增加可以使得土體的抗剪強度得到明顯提升，OCR越大重塑軟土的應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯。

⑶在各級圍壓下，ε1/(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1均呈現(xiàn)明顯的線性變化，確定系數(shù)均大于0.9，并確定了重塑軟土的鄧肯張本構(gòu)模型待定參數(shù)。