珠江三角洲软土触变性试验研究_阎晓玲.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（）作者简介：阎晓玲，女，硕士研究生，主要从事软土触变特性方面的研究。：通信作者：黄珏皓，男，副研究员，博士，主要从事软土动力特性和本构关系方面的研究。：文章编号：（）引用本文：阎晓玲，余颂，赵永峰，等 珠江三角洲软土触变性试验研究 人民长江，（）：珠江三角洲软土触变性试验研究阎 晓 玲，余颂，赵 永 峰，黄 珏 皓，田宁，（武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉；中国科学院武汉岩土力学研究所 岩石力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉；中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉；中国科学院大学，北京）摘要：为研究珠江三角洲软土触变特性，采用无侧限压缩试验和十字板剪切试验对珠江入海口软土开展了长达 的试验研究，重点分析了不同含水率和静置时间条件下，软土强度恢复演化规律。试验结果表明：珠江入海口软土具有显著的触变特性，无论是无侧限压缩试验还是十字板剪切试验，软土扰动后强度均随静置时间的增长逐渐恢复；相同静置时间条件下，软土试样强度均随含水率的增大而减小。然而，通过两种试验方法得到的软土触变强度恢复曲线不一，总体上来看，通过十字板剪切试验得到的软土触变强度高于无侧限压缩试验结果。在此基础上，结合十字板剪切试验结果，建立了可反映随含水率和静置时间影响的珠江入海口软土强度触变模型；通过实测值和计算值的对比，表明该模型可以较好地预测软土触变强度。关 键 词：珠江三角洲软土；触变性；无侧限抗压强度；十字板剪切强度；触变强度恢复比中图法分类号：文献标志码：引 言土的触变现象现已成为岩土工程领域研究的热点。触变一词最先由 提出。之后 证明了触变性在土力学中的存在。等把软土触变性定义为由于软土重塑而强度降低，土体结构随静置时间的增长而逐渐恢复的过程。总结了代表性沉积物的触变特性，指出除纯砂外，其余土体材料均具有一定程度的触变性。因此，深刻认识软土触变特性对软土地区工程建设意义显著。当前国内外学者在软土触变特性影响因素和触变机理方面开展了大量的研究工作，如 指出土体初始含水率和结构性对土体触变性具有显著影响；等对不同含水率土体触变特性进行了研究，认为当含水率大于最优含水率时，含水率对土体触变特性影响最大；等指出当含水率接近 倍液限时，触变强度最大，而含水率为 倍液限时，土体触变强度恢复最小；等基于落锥试验分析了不同含水率下，土体触变强度比随时间的变化关系；李丽华等通过微型十字板剪切仪研究了不同深度、含水率和静置时间影响下，土体强度恢复曲线；刘娟娟等通过无侧限压缩试验研究了扰动程度对土体触变特性的影响，并基于试验结果建立了土体强度恢复和扰动程度之间的关系；等基于土体无侧限压缩强度与静置时间的相关关系，提出了评价土体触变性强弱的指标；等通过直剪试验、十字板剪切试验、无侧限压缩试验和三轴试验研究了土体扰动后强度随静置时间的变化关系。结合上述研究成果，国内外针对软土触变特性已经开展了大量的研究工作，人 民 长 江 年但针对珠江入海口软土触变特性的研究较少，且能反映静置时间和含水率影响的软土强度触变模型也较少。本文通过对深茂铁路珠江入海口三角洲软土开展了长达 的无侧限压缩试验和十字板剪切试验，研究了不同静置时间和含水率对软土触变特性的影响，在此基础上，建立了可反映静置时间和含水率影响的软土强度触变模型，以期加深对珠江入海口软土力学特性的认识，为后续软土触变特性数值实现提供试验基础。试验土样与方案 试验土样试验土样取自深茂铁路入海口，埋深 。按照 土工试验方法标准，获取了试验土样的基本物理性质如表 所列，粒径分布曲线如图 所示。从表 中可以看出，试验软土试样具有高含水率、大孔隙比和低渗透性的特点。表 试样基本物理性质指标 含水率 密度（）比重 孔隙比 液限 塑限 渗透系数（）图 颗粒粒径分布曲线 试验方法为研究试验土样触变特性，设置了不同静置时间（，）和不同含水率（，），开展了无侧限压缩试验和十字板剪切试验。试验步骤具体为：为便于试验，当对原状试样开展含水率试验时，将相近含水率试样归为一组，得到了含水率为，的试样。按照 土工试验方法标准制备重塑土样，即将土样置于塑料薄膜内搓捏破坏其结构，获得充分扰动的软塑状重塑土。种含水率条件下分别制备了 个试样，整个试验共计 个试样。将扰动后的不同含水率试样分别静置，等不同时间后，分别进行无侧限抗压试验和十字板剪切试验。其中，无侧限压缩试验的轴向应变速度保持在 ；十字板剪切速率恒定在 。文中无侧限抗压强度为，十字板剪切强度为。试验结果与分析 触变性的判别图 为土体触变过程示意图。采用文献中对土体触变性质的表征方法，即触变恢复强度比，其表达式为 （）式中：代表原状土样的强度，；代表完全扰动土体强度，；代表触变过程中任意 时刻的强度，。因扰动损失的强度为 ，触变恢复的强度为。定义 为触变过程中任意 时刻强度恢复占扰动损失强度的百分比。图 材料的触变过程示意 无侧限试验图 为不同含水率试样在不同静置时间条件下的无侧限压缩试验结果。从图 中可以看出：原状试样的轴向应力随应变的增长先快速增长，并在一定应变后达到峰值，随后应力随应变的增长逐渐减小，应力应变曲线呈应变软化型。对于不同静置时间的重塑试样而言，其无侧限压缩轴向应力随应变的增长逐渐增大，当应变达到一定值时，应力基本稳定，应力应变曲线呈应变硬化型。进一步，可以得到不同含水率原状试样和不同静置时间条件下重塑试样的强度，其中对于原状试样而言，取应力应变曲线顶点对应的应力为其强度；对于重塑试样而言，取应变为 对应的轴向应力为强度值，试验数据如表 所列。无侧限压缩试验中含水率 第 期 阎晓玲，等：珠江三角洲软土触变性试验研究图 不同含水率试样的轴向应力 应变关系曲线 为，的原状试样抗压强度分别为，。图 为不同含水率试样抗压强度值随静置时间的关系曲线。从图 中可以看出，不同含水率试样刚扰动后强度相差不大，含水率分别为，和时，其扰动后初始强度分别为 ，。尽管不同含水率试样强度随静置时间的增长呈波动式发展，但仍然可以看出其强度随静置时间的增长呈逐渐恢复的趋势，其中较低含水率试样的强度恢复速度明显高于较高含水率试样的强度恢复速度。静置前 内，不同含水率试样的强度恢复速度大致相等。静置到 左右，不同含水率试样强度增长变得平缓，强度恢复速度近乎为，表明此时不同含水率试样强度几乎停止增长。静置时间达到 时，不同含水率试样的强度值分别为 ，和 。表 无侧限抗压试验结果 图 不同含水率试样无侧限抗压强度随静置时间变化曲线 图 为不同静置时间条件下，不同含水率试样抗压强度值随含水率的变化曲线。从图 中可以看出，相同静置时间条件下，不同含水率试样强度随含水率的增大而降低。含水率越低的试样在相同静置时间内触变强度恢复较为明显。例如含水率为 的试样，静置时间为 时抗压强度为 ，静置时间至 时抗压强度为 ，增加了 ；含水率为 的试样，时强度为 ，时强度为 ，强度仅增加了 。十字板剪切试验对一定含水率和静置时间条件下的试样开展 次测试，取其十字板剪切强度平均值即为该试验条件下的剪切强度，即触变强度。表 为十字板剪切试验数据。图 为不同含水率试样剪切强度值随静置时间 人 民 长 江 年图 无侧限抗压强度与含水率关系曲线 的关系曲线。从图 中可以看出，含水率分别为，的原状土试样抗剪强度分别为 ，扰动后（即重塑）强度分别降至 ，和，可见不同含水率试样重塑后静置 时，强度相差不大。不同含水率试样重塑后触变强度在较短静置时间内恢复较为明显，较长静置时间后速率逐渐变缓。触变强度恢复速率变化的转折点为 ，在此静置时间后，不同含水率试样的触变强度变化趋于稳定。当静置时间达到 时，不同含水率试样的强度值分别为 ，和 。表 十字板剪切试验结果 进一步，根据式（）可以计算得到不同含水率试样在不同静置时间条件下的触变恢复强度比，如图 所示。由图 可以看出，触变恢复强度比与触变强度的变化趋势类似，重塑后最初始时间内触变恢复强度比的增长最快，随静置时间增长触变恢复强度比的增长变缓，静置 时触变恢复强度比随静置时间的增长已经基本趋于稳定。不同含水率情况下 时触变恢复强度比均为，静置前 内，不同含水率试样的触变恢复强度比变化趋势基本一致，说明不同含水率试样强度的恢复程度基本相同，图 不同含水率十字板剪切强度随静置时间变化曲线 静置时间小于 时，不同含水率试样触变恢复强度比均随静置天数增加较快，即在此段时间内的相对强度恢复程度较大，静置 后各试样的触变恢复强度比增长变得平缓，此时不同含水率试样强度几乎停止恢复。当静置时间达到 时，不同含水率试 样 的 触 变 恢 复 强 度 比 值 分 别 为 ，表明含水率越大，相同静置时间时触变恢复强度比越大。图 不同含水率条件下触变恢复强度比随静置天数的变化曲线 图 为不同静置时间条件下，试样剪切强度值与含水率的关系曲线。从图 中可以看出，在相同静置时间内，不同含水率试样强度均随含水率的增大而降低，且较高含水率试样比较低含水率试样的触变强度恢复变化较小。例如当含水率为，静置时间为 时相应十字板剪切强度为 ，静置时间为 时抗剪强度为 ，增加了 ；而含水率为 的试样，时抗剪强度为 ，时强度为 ，增加了 ，表明静置相同时间时，含水率较小的试样触变强度恢复程度显著强于含水率较高的试样。第 期 阎晓玲，等：珠江三角洲软土触变性试验研究图 十字板剪切强度与含水率关系曲线 不同试验方法土体触变性对比以含水率为 的试样为例，图 比较了无侧限压缩试验和十字板剪切试验重塑试样强度随静置时间的发展趋势。可以看出，无论是无侧限压缩试验还是十字板剪切试验，试样强度均随静置时间的增长而逐渐恢复，均反映了软土试样的触变特性。静置时间较短时，种试验强度均快速增长，静置时间大于 后，种试验强度增长变缓，强度恢复曲线基本平行，表明此时试样强度达到稳定值，强度恢复过程完成。其中，静置时间为 时无侧限压缩强度和十字板剪切强度分别为 和 ，当静置时间达到 时，试样的无侧限抗压强度为 ，十字板剪切强度为 ，对应触变恢复强度比分别为 和 ，表明十字板剪切试验得到的剪切强度大于无侧限试验得到的压缩强度，且十字板剪切试验的触变恢复强度比大于无侧限压缩试验的触变恢复强度比，即十字板剪切试验的相对强度恢复程度强于无侧限压缩试验的相对强度恢复程度。图 不同静置时间抗压强度与剪切强度对比 触变强度模型通过绘制十字板剪切强度、含水率 和静置时间 三者之间的三维散点图（见图），并采用数据拟合的方式得到了可考虑含水率和静置时间影响的十字板剪切强度模型，即：（）从图 可以看出，拟合曲面与实测数据的相关性较好，实测数据点基本分布在拟合曲面附近，表明式（）可以较好地预测软土触变强度。图 实测值与拟合值对比 结 论为研究珠江入海口软土触变特性，本文对不同含水率软土开展了不同静置时间的无侧限压缩试验和十字板剪切试验，重点分析了含水率和静置时间对软土触变性质的影响，得到如下结论：（）无论是无侧限压缩试验还是十字板剪切试验，不同含水率试样扰动后强度相差较小，强度随静置时间的增长逐渐恢复。相同静置时间，不同含水率试样强度随含水率增大而降低。（）无论试验方式如何，不同含水率软土试样强度随静置时间恢复曲线趋势一致。然而，不同试验方法下土体触变强度恢复具有显著差异性，以含水率为的试样为例，十字板剪切和无侧限压缩试验条件下，软土触变恢复强度比分别为 和 ，十字板剪切试验的土体触变恢复强度强于无侧限压缩试验。（）基于十字板剪切试验数据，建立了反映初始含水率和静置时间影响的珠江入海口软土强度触变模型。通过实测值和计算值对比，验证了该模型的有效性。参考文献：，：，人 民 长 江 年：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：李丽华，陈轮，高盛焱 翠湖湿地软土触变性试验研究 岩土力学，（）：刘娟娟，曾国红，孟令帅，等 扰动对粉土触变强度恢复影响规律研究 地下空间与工程学报，（）：，（）：，（）：张先伟，孔令伟，李峻，等 黏土触变过程中强度恢复的微观机理 岩土工程学报，（）：（编辑：黄文晋），（，