上海地區(qū)飽和軟黏土觸變特性試驗(yàn)研究

上海地區(qū)飽和軟黏土觸變特性試驗(yàn)研究樓康明高彥斌摘要：采用室內(nèi)微型十字板剪切試驗(yàn)對(duì)上海兩種含水量（w=45.45%,w=34.93%）的飽和軟黏土的觸變特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，兩種含水量的軟黏土重塑擾動(dòng)后，在觸變恢復(fù)初期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，7天后強(qiáng)度恢復(fù)速率明顯變緩。上海飽和軟黏土不是完全觸變材料，觸變性是其具有高靈敏性的原因之一，其中低水量土樣觸變性對(duì)其靈敏性的貢獻(xiàn)明顯大于高含水量土樣。關(guān)鍵詞：上海;飽和軟黏土;觸變性;微型十字板;強(qiáng)度Keywords：Shanghai;saturatedsoftclay;thixotropy;laboratorymini-vaneapparatus;strength0引言飽和軟黏土的觸變性是指軟黏土受到外界擾動(dòng)后強(qiáng)度顯著降低，在含水量保持不變的情況下土體結(jié)構(gòu)隨時(shí)間推移逐漸趨于新的平衡，其強(qiáng)度也逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象。土的觸變性研究主要包括兩方面：①擾動(dòng)后土體強(qiáng)度降低的特性（即觸變軟化），是土的靈敏性研究?jī)?nèi)容之一;②擾動(dòng)后土體在密度和含水量不變條件下隨時(shí)間而逐漸硬化的特性（即觸變硬化或觸變恢復(fù)）。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)等方法對(duì)我國(guó)沿海一帶軟黏土的靈敏性進(jìn)行了一些研究［1-4］，提出了我國(guó)各地區(qū)軟黏土的靈敏度和靈敏性分類，對(duì)靈敏度成因、重塑方式等對(duì)靈敏度的影響等進(jìn)行了分析。此外，也有從礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)等方面對(duì)我國(guó)軟黏土的結(jié)構(gòu)性和靈敏性進(jìn)行了研究［5-6］，認(rèn)為軟土的微結(jié)構(gòu)特征、礦物成分等多方面因素造成了我國(guó)軟黏土具有中等-高靈敏性和靈敏度差異。在觸變恢復(fù)研究方面，Mitchell［7］總結(jié)了前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最早建立了解釋黏性土觸變機(jī)理的微結(jié)構(gòu)模型。Skempton和Northey［8］對(duì)6種不同靈敏度的黏性土進(jìn)行觸變性研究，表明：高靈敏性軟黏土擾動(dòng)后強(qiáng)度恢復(fù)少于20%，中等靈敏性軟黏土擾動(dòng)后強(qiáng)度恢復(fù)較快，有些可在1年內(nèi)恢復(fù)至天然強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)我國(guó)分布的軟黏土進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究工作，如李麗華等［9］對(duì)北京翠湖濕地軟土的觸變性進(jìn)行了研究。另外還有學(xué)者（馮秀麗等［10］，2022;郭秀軍等［11］，2022）對(duì)黃河水下三角洲粉土的觸變性進(jìn)行了研究?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)軟黏土觸變性展開(kāi)的系統(tǒng)研究工作相對(duì)較少。本文通過(guò)室內(nèi)微型十字板剪切試驗(yàn)對(duì)上海地區(qū)兩種不同含水量的飽和軟黏土經(jīng)人工重塑后進(jìn)行觸變恢復(fù)研究，初步探討分析上海第4層飽和軟黏土的觸變恢復(fù)特性。試驗(yàn)土樣及試驗(yàn)方案試驗(yàn)土樣基本物理特性本次試驗(yàn)的兩類土樣（A類土w=45.45%，B類土w=34.93%）分別為在上海徐匯區(qū)思南路和松江區(qū)莘磚公路某基坑采取的塊狀土樣，均為上海第4層飽和軟黏土，但A類土的孔隙比、含水量及液塑限和塑性指數(shù)均比B類土樣大，土樣基本物理特性詳見(jiàn)表1。試驗(yàn)儀器通過(guò)室內(nèi)微型十字板剪切試驗(yàn)對(duì)兩種軟黏土的觸變恢復(fù)特性進(jìn)行研究。室內(nèi)微型十字板直徑D為20mm，高度H為40mm，葉片厚度為1mm，軸桿直徑d為4mm,軸桿長(zhǎng)度L為80mm,十字板剪切面積比小于15%。試驗(yàn)通過(guò)手工扭轉(zhuǎn)十字板上的把手施加剪切力矩，由應(yīng)變傳感器向采集儀傳遞數(shù)據(jù)。試驗(yàn)方案主要試驗(yàn)過(guò)程如下：①塊狀土樣微型十字板剪切試驗(yàn)。在直徑250mm、高度200mm的塊狀土樣中用微型十字板頭進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)得cui?？冖谌斯ぶ厮芡林苽浼笆职寮羟性囼?yàn)。原狀土樣試驗(yàn)后在天然含水量條件下徹底重塑，填入長(zhǎng)寬高為622X470X258mm的模型箱中，填土高度約170mm，用厚2mm的隔板符其分隔為150X150mm的12個(gè)正方形格室，格室邊長(zhǎng)大于微型十字板4倍直徑。在整平土面后立即對(duì)人工重塑土進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn),測(cè)得重塑后靜置時(shí)間t=0時(shí)的強(qiáng)度。口③人工重塑土養(yǎng)護(hù)。拔出隔板對(duì)土樣重新重塑，在不同位置及不同深度取樣測(cè)定含水量,整平土面后涂抹一層凡士林,重新靜壓入隔板并鋪設(shè)保鮮膜密封。將模型箱置于濕度＞95%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)靜置,以保證土樣含水量不發(fā)生明顯變化。④對(duì)于A類土樣，分別于觸變恢復(fù)第3d、6d、30d、60d、170d在格室內(nèi)做十字板剪切試驗(yàn)，每次做兩組（即兩個(gè)格室）取平均值;B類土樣取樣及試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間晚于A類土樣約3個(gè)多月，分別于觸變恢復(fù)第3d、14d、28d、60d進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn);每次試驗(yàn)后分別在對(duì)應(yīng)格室的淺部和中部取樣測(cè)試含水量。觸變特性試驗(yàn)結(jié)果與分析原狀土以及重塑后的強(qiáng)度A、B兩類軟黏土原狀土和重塑土的十字板剪切曲線如圖1所示。A類土原狀峰值強(qiáng)度和重塑強(qiáng)度分別為29.46kPa和4.92kPa，B類土原狀峰值強(qiáng)度和重塑強(qiáng)度分別為29.67kPa和7.10kPa?？谟|變恢復(fù)過(guò)程中含水量變化A、B兩類土重塑后0時(shí)刻及靜置過(guò)程中土樣表層及中部的含水量變化情況如圖2所示，兩類土樣在觸變恢復(fù)過(guò)程中，含水量基本穩(wěn)定，變化范圍均在1%以內(nèi)，且表層和中部含水量基本一致。表明本試驗(yàn)采取的土樣密封措施及養(yǎng)護(hù)條件是有效的，可以排除靜置過(guò)程中土樣因排水固結(jié)引起強(qiáng)度增大的影響。觸變恢復(fù)過(guò)程中的強(qiáng)度變化土的觸變性大小主要通過(guò)觸變強(qiáng)度增長(zhǎng)絕對(duì)值和觸變強(qiáng)度比兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。觸變強(qiáng)度增長(zhǎng)絕對(duì)值是指土樣在t時(shí)刻的強(qiáng)度與擾動(dòng)后零時(shí)刻強(qiáng)度的差值，“觸變強(qiáng)度比TSR(ThixotropicStrengthRatio)”是指土樣在t時(shí)刻的強(qiáng)度與擾動(dòng)后零時(shí)刻強(qiáng)度的比值。口A、B兩類重塑土樣觸變強(qiáng)度增長(zhǎng)絕對(duì)值A(chǔ)cu與觸變強(qiáng)度比TSR隨時(shí)間變化的規(guī)律分別如圖3和圖4所示。土樣觸變過(guò)程中各測(cè)試時(shí)間段內(nèi)的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率分布分別如圖5和圖6所示。可以看出：①A、B兩類不同含水量的土樣強(qiáng)度增長(zhǎng)均在觸變恢復(fù)初期快，在7d后強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯減緩，且8類土(低含水量)的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯大于A類土(高含水量)；②土樣觸變強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯。A類土(w=45.45%)的抗剪強(qiáng)度cu由重塑零時(shí)刻的4.92kPa,在第170d增長(zhǎng)到8.74kPa,強(qiáng)度增長(zhǎng)絕對(duì)值A(chǔ)cu為3.82kPa,強(qiáng)度增長(zhǎng)1.78倍，恢復(fù)到原狀土強(qiáng)度的30%;B類土（w=34.93%）的抗剪強(qiáng)度cu由重塑零時(shí)刻的7.10kPa,在第60d增長(zhǎng)到13.11kPa,強(qiáng)度增長(zhǎng)絕對(duì)值A(chǔ)cu為6.00kPa,強(qiáng)度增長(zhǎng)1.85倍，約恢復(fù)到原狀土強(qiáng)度的44%。根據(jù)本次對(duì)不同含水量的兩種軟黏土觸變恢復(fù)試驗(yàn)，A、B兩類土在試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)十字板剪切強(qiáng)度的恢復(fù)程度如表2所示，表中強(qiáng)度恢復(fù)比例為觸變強(qiáng)度增長(zhǎng)絕對(duì)值A(chǔ)cu與重塑導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低值的比值，即口X100%口可以看出，在保持含水量不變的條件下，A類土在170d（約6個(gè)月）內(nèi)強(qiáng)度恢復(fù)3.82kPa,僅占重塑導(dǎo)致強(qiáng)度損失（24.54kPa）的15.57%,而B(niǎo)類土在60d（2個(gè)月）內(nèi)強(qiáng)度恢復(fù)6.00kPa,強(qiáng)度恢復(fù)值占重塑導(dǎo)致強(qiáng)度損失值（22.57kPa）的26.63%;B類土（低含水量）重塑擾動(dòng)后強(qiáng)度恢復(fù)程度明顯高于A類土（高含水量）?？诮Y(jié)論與討論①通過(guò)對(duì)上海第4層兩種不同含水量（45.45%和34.93%）的軟黏土原狀土樣和手工徹底重塑土樣的微型十字板剪切試驗(yàn)，高含水量土樣靈敏度約為6.0，低含水量土樣靈敏度約為4.2，屬于高靈敏性土。兩種不同含水量的土樣強(qiáng)度均在觸變恢復(fù)初期快速增長(zhǎng)，在7d后強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯減小并逐漸趨于平緩，推測(cè)土顆粒在重塑后靜置過(guò)程的初期劇烈調(diào)整，趨于新的平衡導(dǎo)致強(qiáng)度的較快速增長(zhǎng)。本次觸變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，上海第4層軟黏土具有觸變特性，觸變強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯但強(qiáng)度恢復(fù)程度有限。高含水量土樣在試驗(yàn)觀測(cè)的170d內(nèi)，十字板強(qiáng)度增長(zhǎng)1.78倍，恢復(fù)到原狀土強(qiáng)度的約30%，但強(qiáng)度增長(zhǎng)值僅占重塑導(dǎo)致強(qiáng)度損失值的15.57%；低含水量土樣在試驗(yàn)觀測(cè)的60d內(nèi),十字板強(qiáng)度增長(zhǎng)1.85倍，恢復(fù)到原狀土強(qiáng)度