人工制备结构性软黏土长期变形特性试验研究

杨爱武，郑宇轩，肖 敏

(1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

自然沉积的软黏土一般具有结构性[1]，结构性的存在使原状土与重塑土在压缩特性、固结特性、变形特性等方面表现出明显差异[2-3]。目前针对土体结构性及其对土体力学行为特性的影响研究取得了一定成果，如Chen Pan等[4]发现土的结构性对软土的变形和强度有重要影响，并建立了分析软土压缩特性的结构性土压缩模型；成玉祥等[5]探讨了土的结构性与轴向应变之间的关系；M. R. Karim等[6]基于土体结构的考虑，研究得出可以预测黏土固结特性的基本模型。Jiangfeng Wang等[7]通过对原状土和重塑土进行压缩试验，得出软土的结构特性对其压缩特性的影响规律。张先伟等[8]通过对原状土与重塑土进行次固结试验,研究了软土结构性对次固结系数Ca的影响，得出次固结系数Ca与压力P的具体关系；曾玲玲等[9]通过对原状土和重塑土进行三轴固结不排水剪切试验，得出了土体结构性对天然沉积土的作用程度受固结压力影响；杨爱武等[10]通过对原状土和重塑土进行三轴压缩以及流变试验，得出结构性对软土流变特性的影响，并建立能够反映结构性软土的应力应变与时间关系的Mesri模型。近年来人工制备结构性土也逐渐被引入土体的结构性对其力学特性的影响研究当中。罗开泰等[11]通过对结构性黏土的研究，得出能够考虑初始应力各向异性的人工制备结构性土的方法，并分析了初始应力对结构性土的变形影响和初始应力各向异性结构性土的破损机制。刘恩龙等[12]在前人基础上对人工制备的结构性土样进行试验发现，随着荷载的逐渐增加,结构性土样的结构逐渐弱化,其特性逐渐趋向重塑土的特性。随着理论研究的不断推进，软黏土的结构性因素不断被引入到土体的长期变形特性研究中。杨爱武等[13]通过对原状结构性软土和重塑软土进行三轴蠕变试验研究发现，结构性的存在使得原状土的流变破坏峰值明显高于重塑土。雷华阳等[14]通过对人工制备结构性土和原状软土进行一系列次固结压缩试验发现，当荷载较小时土体的结构性能够阻碍土体的次固结变形，当荷载接近或者超过土体的结构屈服应力时，土体残余的结构性反而有利于次固结变形的发展。刘维正等[15]通过对人工制备的结构性土与重塑土进行动三轴试验，得出土体结构强度等因素对土体长期变形和动强度的影响规律；杨爱武等[16-17]通过对比分析原状土与重塑土流变等时曲线发现,结构性吹填软土流变等时曲线可分离为线性黏弹性变形、线性黏塑性变形与非线性黏塑性变形，并且通过考虑结构性的影响对剑桥模型进行修正，作为开关函数建立了考虑结构性影响的半理论半经验流变模型。雷华阳等[18]通过对人工制备的结构性土进行分级加载的次固结试验，得出结构性越强的土受扰动作用的影响越明显。

综上所述，在考虑结构性对软黏土力学特性的影响方面，前人的研究大都集中于原状土与重塑土或扰动土体的对比试验研究，而考虑结构性影响的蠕变模型也多建立在损伤理论和微观分析的基础上，尚未有利用结构性强弱不同对土体进行长期变形的分析研究。因此，本文通过人工制备物质成分相近、物理性质接近的不同结构强度的土体，以结构强度作为表征土体的结构性强弱指标，利用三轴流变仪，进行三轴不固结不排水蠕变试验，研究结构强度对长期变形的影响，提出考虑结构强度的软黏土长期变形计算方法，以期为相关工程建设提供理论支撑。

1 试验方案及结构性土制备

1.1 试验土样

原料土取自天津滨海新区临港工业区吹填场地，开展本研究前对有机质进行了处理，因此可以认为制作的结构性土不考虑有机质影响。其液限ωL=38.5%，塑限ωP=21.2%，塑性指数Ip=17.3，重塑土的各项物理力学性质指标统计如表1所示。

表1 重塑吹填软土物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of the remolded soft clay

1.2 结构性土制备

试验所用结构性土样通过人工制备完成，含水率均为40%，结构性强弱不同通过水泥掺量来控制，所用水泥为普通硅酸盐水泥，制备过程中通过使用微型十字板剪切仪来测试各配比试验土体在不同龄期时的强度变化。为了制作人工结构性土，首先将原状吹填软土烘干破碎，再将其过1 mm的筛子；在过筛后的原料土中掺入一定量的水泥浆，搅拌均匀，将搅拌均匀的混料土按照一定的密度压入土样模具(内径70 mm，高200 mm) 中，然后将其进行密封，再将密封好未脱模的土样放置在标准养护箱中养护28 d后，对其进行微型十字板剪切试验，强度相近的土样即初步认为结构强度接近。通过改变初始含水量及水泥掺量，利用微型十字板测试其强度，经过多次反复试验，最终确定3种含水量相同而结构性不同的土样，其物理力学性质如表2所示。

表2 人工制备结构性软黏土物理力学性质Table 2 Physical and mechanical properties of the artificial structured soft clay

注：表中数据为3组试验平均值。

由表2可看出，本次制备的不同强度结构性软黏土基本物理性质相近，且随水泥比重的减小，各土体十字板强度S1>S2>S3，均大于几乎没有结构强度的重塑土S4-CS，即该土体符合试验研究条件：含水率相同而结构强度各异。当水泥含量提高到1.5%时，土样十字板强度发生突变，与前3种土样抗压强度峰值相差很大，不符合软黏土物理力学特性。因此本文确定人工结构性土的水泥含量不宜高于1.5%。

表2中土体结构强度通过一维压缩试验来求取。具体加载方案为12.5，25，50，100，150，200，400，800 kPa，不同人工结构性土样和重塑土样的压缩试验e-lgp曲线如图1所示。

图1 压缩曲线Fig.1 Compression curves

从图1中可以看出，人工结构性软土的压缩曲线具有明显的转折点，即在压缩过程中表现出明显的结构屈服现象，而基本丧失结构性的重塑土S4-CS的e-lgp压缩曲线几乎呈直线状，趋近于理论压缩曲线。Casagrande最早在1936年提出利用软黏土的e-logp压缩曲线来确定先期固结压力的方法。但采用Casagrande法测得的先期固结压力Pc仅适用于无结构强度或结构性较弱的重塑土体，而对于具有一定结构强度的土体，使用该方法所求得的先期固结压力Pc实际为结构性土的结构屈服应力σk[19-20]，它是真正的先期固结压力Pc和结构强度q之和，两者之间有着本质的区别。因此定义结构强度q为结构屈服应力σk与该孔隙比对应重塑土固结压力值之差。由图1求取的不同人工结构性土样的结构强度q统计如表3所示。

表3 人工制备结构性软黏土的结构性参数Table 3 Structural parameters of the artificial structuredsoft clay

同样，在三轴压缩试验中，人工结构性软土的三轴应力-应变关系曲线表现出软化现象，即具有结构屈服现象。而重塑土S4-CS则表现为硬化现象，无屈服点出现(图2)。由图2得出S1，S2，S3在围压75 kPa时的结构屈服应力值分别为59，44，29 kPa，重塑土为18 kPa，根据其可以确定蠕变加载值，即蠕变加载最大值不能超过结构屈服应力值。

图2 三轴压缩试验应力-应变曲线Fig.2 Stress strain curves of the three axial compression test

1.3 试验方案

由于吹填现场排水条件差，为使试验更接近工程实际，试验全程不排水。考虑球形应力对土体初始结构也有破坏作用，试验围压尽量小于结构屈服应力，取75 kPa。试验仪器采用TSS10土体三轴流变试验仪，试样尺寸为70 mm×140 mm(直径×高度)的圆柱形。对于蠕变稳定标准的判定，目前尚未有明确规定，本文选取在24 h内变形量小于0.01 mm时则可进入下一级应力水平试验，最终确定加载时长为96 h。蠕变试验方案如表4所示。

表4 试验方案Table 4 Test scheme

2 试验结果及分析

不同结构强度下不同土体的轴向变形量与时间关系如图3所示。由图3可以看出，偏应力的施加会使土样产生轴向变形，随着时间的增长，轴向应变逐渐增加至某一稳定值，变形速率也逐渐衰减并达到稳定，偏应力越大，变形及变形速率达到稳定所需要的时间越长。由图3(a， b，c)可以看出，对于结构性软土，当偏应力小于结构屈服应力时，试样变形很快达到稳定，且变形量都小于2% 。当偏应力逐渐增大时，试样的轴向变形不断发展最终达到破坏应变。由图3(d)可以看出，重塑土在较小的偏应力作用下，变形就明显大于同条件下其他类型土。上述现象可以解释为：当偏应力小于土体三轴压缩结构屈服应力时，随着受荷时间的增长，土体也不会产生大量的结构损伤，土体抵抗变形能力强，轴向变形较小且以弹性变形居多，故随着时间的增长不会有大量轴向变形的发展；随着偏应力的增大，超过土体三轴压缩结构屈服应力时，在荷载作用下土体结构出现严重损坏，出现较多的不可恢复的塑性变形，随着结构损伤不断发展，土体最终达到破坏。重塑土由于基本上未有结构性影响，其变形始终较大。

图3 不同结构强度土体的蠕变曲线Fig.3 Creep curves of soils with different structural strength

3 考虑结构强度影响的蠕变变形

软黏土蠕变变形与应力水平及结构强度的大小密切相关，传统经验蠕变模型如Singh-Mitchell和Mesri等均未考虑结构性的影响。本文通过对强弱不同的结构性软土进行研究分析，建立一个可以考虑结构强度影响的蠕变变形计算方法。

3.1 蠕变模型的建立

前人研究成果表明，应力-应变关系曲线(变形函数)可以由幂函数或双曲线函数来表示，应变-时间关系曲线(蠕变函数)可以由幂函数、对数函数、双曲线函数或指数函数来表示。分别采用4种函数形式(幂函数、对数函数、双曲线函数和指数函数)对蠕变曲线进行最小二乘法拟合，分析结果表明：采用幂函数与对数函数拟合，应变缓慢而不断地增长，且在后期增长较快，即曲线比较陡，偏离呈衰减特征的试验曲线。而采用双曲线拟合与试验结果跟接近。因此本文在前人研究的基础上，拟将软黏土蠕变预测公式中的应变-时间关系曲线采用双曲线形式来描述，其中应力-应变关系为应变关于偏应力和结构强度的关系式，暂用函数f((σ1-σ3),q)表示，函数中(σ1-σ3)为偏应力，q为软黏土结构强度。因此蠕变变形可用式(1)表示：

(1)

式中：A，B——关于偏应力和结构强度的函数；

t——时间；

ε——蠕变变形。

令B/A=C，即C也为关于偏应力(σ1-σ3)和结构强度q的函数。则(1)式可简化为式(2)：

3.2 模型参数确定

对于同一种土样，结构强度和应力水平确定时，函数F为一常数F0，即式(2)可表示为：

(3)

式(3)经变换，得到式(4)：

(4)

由式(4)可看出，将蠕变曲线变换为t/ε-t曲线，线性拟合即可得到参数C值。不同结构强度土体t/ε-t试验及拟合曲线情况如图4所示。由图4可看出，t/ε-t线性拟合效果较好，拟合度R2均可达到0.999 9,通过各拟合曲线与t/ε轴截距和斜率可计算得到参数C的取值情况如表5所示。

表5 不同结构强度土样经验模型参数值Table 5 Parameter values of soil samples of different structuralstrength

图4 不同结构强度土体t/ε-t试验及拟合曲线Fig.4 t/ε-t test and fitting curve of soil of different structural strength

表5表明，对于同一结构强度土体，参数C在各应力水平下变化不大，即偏应力大小对参数C值影响较小，对应不同结构强度土体参数C平均值变化也较小，故参数C取其平均值为0.430 031。

图5 不同结构强度土体F与(σ1-σ3)拟合情况Fig.5 Relationship between F and(σ1-σ3) of soil of different structural strength

土样编号S1S2S3S4-CSa0.010 080.023 130.070 030.236 20b0.018 630.021 100.028 480.047 11

表6表明，随着结构强度的变化，参数a，b有不同程度的变化。因此，进一步探讨参数a，b与结构强度q的关系(图6)。由图6可以看出，采用指数函数表示a，b与q的关系拟合程度较高：

a=0.003 26+0.232 96×e-0.050 65q(5)

b=0.016 01+0.031 11×e-0.036 41q(6)

综合以上研究，可以得到考虑不同结构强度影响作用的软黏土长期变形的预测公式：

(7)

式(7)中参数C为固定值，可取0.430031；参数a，b由式(5)、(6)求得，反映了结构强度的影响。

图6 参数a，b与结构强度q关系曲线Fig.6 Curve of parameter a, b and structural strength q

3.3 模型验证

取水泥掺入量为1.5%，制备最终含水率仍为40%的人工结构性土体，利用本文研究得到的模型进行检验分析。室内压缩试验求得该土体结构强度q为121.2 kPa，为减少对土体初始结构的破坏，三轴蠕变试验围压仍为75 kPa，分别加载，轴向偏应力为10，30，50和55 kPa。试验与预测结果如图7所示。

图7 试验与预测结果对比Fig.7 Comparison of the test results and the prediction curves

图7表明，计算曲线和试验结果变化趋势基本一致。计算曲线在蠕变衰减阶段特别是轴向应变速率陡降阶段与试验结果略有误差，但相比传统经验蠕变模型,本文由于考虑了不同结构强度对蠕变变形的影响作用，精度有所提高，可为相关工程建设和进一步理论研究提供参考。

4 结论

(1)人工结构性土样由于其物理性质的均一性而被广泛使用，并且可以通过控制掺入胶黏材料或固化添加剂的量来控制土体强度的大小，所以在一定程度上可以反映出原状结构性土体结构性特征。

(2)人工制备的结构性软黏土，其结构性对其长期变形特性影响明显，且变形的发展在土体结构屈服前后显著不同。

(3)由于结构性的存在，在相同偏应力作用下蠕变变形表现出明显差异。

(4)以土体结构强度作为表征结构性强弱的量化参数，使用双曲线函数来描述应力-应变和应变-时间的关系，建立了可考虑结构强度影响的软黏土长期变形预测模型。