荷载作用下软粘土土性指标变化规律试验研究

王元战，马旭，马楠

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津市港口与海岸工程重点实验室，天津300072）

荷载作用下软粘土土性指标变化规律试验研究

王元战，马旭，马楠

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津市港口与海岸工程重点实验室，天津300072）

目前许多港口与海岸工程建设在深厚软粘土地基上，荷载作用下软粘土土性指标的变化成为工程设计中关心的问题，而固结度和上部结构物产生的竖向荷载是影响地基土体土性指标的主要因素。针对烟台港淤泥质粉质粘土原状土样，通过三轴固结不排水剪切试验，研究不同固结压力、不同固结度下软粘土抗剪强度和土性指标的变化规律。试验结果表明，荷载作用下软粘土的抗剪强度和土性指标基本随固结度和轴向偏应力的增大而线性增大，粘聚力增长幅度十分显著，而内摩擦角增长幅度相对较小。根据试验数据，提出工程设计中考虑荷载作用的土性指标计算公式。

软粘土地基；固结度；不等向固结；轴向偏应力；三轴试验；土性指标；抗剪强度

经过近十几年来港口大规模建设，自然条件优越的海岸带大部分已被开发利用，许多新港址不得不选择建在自然条件较差的深厚软粘土地基上。软粘土地基具有含水率高、压缩性大、强度低、渗透性差等特点，承载力和稳定性分析的准确性显得尤为重要，而地基的土性指标（粘聚力c和内摩擦角φ）作为最基本的计算参数，其取值的准确与否会直接影响到工程的安全性与经济性。

目前我国沿海地区软基加固处理中常采用打设塑料排水板的方式来加速土层排水固结，增强地基土体的抗剪强度和承载能力，而降水过程中随着固结度的变化，地基土体强度的增长和土性指标的变化趋势尚不明确。另一方面，随着抛石基床、沉箱、箱内填料、胸墙等上部结构的逐步施工，土层上覆荷载的增大对地基土体土性指标和承载力的影响不容忽视。因此，充分认识荷载作用下软粘土地基的抗剪强度、土性指标随固结度和固结压力的变化规律，成为工程设计中十分关心又亟待解决的问题。

国内外学者对于不同固结压力下软土土性指标随固结度的变化已进行了一些试验研究［1-9］，然而由于试验土样土质、试验方法不同，所得出的土性指标变化规律不尽相同，没有取得普遍一致的认识，且大多是定性地分析变化趋势，没有定量地给出对工程设计具有指导意义的计算公式，结论的应用价值不大。另外，现有的研究均针对等向的固结压力，而实际工程中土体处于不等向受力状态，传统的等向固结试验无法真实模拟土体的实际受力情况。

针对工程设计和试验研究中存在的这些问题，本文通过对淤泥质粉质粘土原状土样进行常规物理性质试验和三轴固结不排水剪切试验，研究不同固结压力、不同固结度下软粘土抗剪强度和土性指标的变化规律，并根据试验数据提出工程设计中考虑荷载作用的土性指标计算公式。

1 荷载作用下淤泥质粉质粘土三轴试验研究

三轴试验作为测定抗剪强度较为常用的一种室内试验方法，其试验理论和操作流程都比较成熟，本文对软粘土抗剪强度和土性指标的研究采用三轴固结不排水剪切（CU）试验。

1.1试验仪器与试验土样

试验仪器采用南京土壤仪器厂生产的SLB⁃1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪。试验土样为取自烟台港西港区防波堤二期工程现场的原状土样，为避免对土层天然结构的破坏，保证取土质量，使用薄壁取土器静压取样，取样深度为泥面下5.0～9.5 m，土质为淤泥质粉质粘土。通过常规物理性质试验得到土样物理性质指标（表1）。三轴试验采用圆柱形土样，直径39.1 mm，高80 mm，用专用削土器切削成型，采用抽气饱和法对土样进行抽真空饱和，饱和度可达98%以上。

1.2试验方案

首先对原状土样进行三轴CU试验，测定土样的抗剪强度，再根据摩尔-库仑理论求出对应的土性指标c、φ值。试验方案设计时主要考虑轴向偏应力、周围压力和固结度3个指标。

固结压力方面，不同于传统的等向固结（σ1=σ2=σ3）和为研究地基土体各向实际受力不同诱发各向异性的不等向固结试验［10］（固结初始即施加不同三向应力σ1≠σ2=σ3），本文主要研究上覆荷载对地基土体的影响，故在固结初始仍设定土体三向应力相同，以围压σ3等向固结，还原土体的天然受力状态；等向固结完成后，再施加轴向偏应力σ1-σ3以模拟在充分固结的土体上修建建筑物，由于竖向荷载增大导致地基进一步排水固结的过程，实现不等向固结。本文依托工程为混合消浪直立堤结构，下部为抛石基床，上部为直立式开孔沉箱。利用有限元软件ABAQUS，根据地质水文资料、结构型式和相关设计条件，建立荷载-结构-土体相互作用的二维有限元数值模型，针对工程的3个典型施工阶段：仅抛石基床、抛石基床+沉箱、抛石基床+沉箱+填料+胸墙，计算出设计荷载作用下上部结构物对地基土体单元产生的最大附加应力分别为22.025 kPa、31.172 kPa、51.608 kPa。选定10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa五级荷载作为试验的轴向偏应力值。

为模拟土样在地基中的实际受力状态，围压取值考虑取土深度范围内土体所受平均应力，取

式中：γ为天然容重，水下用浮容重；h为取土深度；K0为静止侧压力系数。为求取土性指标c、φ值，考虑到围压取值具有一定梯度性，选取试验的3个围压值为30 kPa、45 kPa、60 kPa。

固结度方面，港口工程地基规范（JTS 147-1-2010）中将固结度定义为饱和土层在某荷载作用下，某时刻的超静孔隙水压力消散值与初始超静孔隙水压力的比值。分析国内外相关试验，固结度的控制方法可概括为围压比值法［1-3］、加载时间法［4-6］、孔隙水压力法［7］和排水量法［8-9］四种。本文从基本定义出发，以孔隙水的角度研究土体固结度，由于静三轴仪不能十分精确地控制孔压消散情况，轴向偏应力的存在会对初始孔压产生影响，因此采用控制孔隙水排出量的方法来控制固结度，将固结度定义为某时刻土体固结孔隙水的排出量与100%固结时孔隙水排出量的比值。考虑到实际工程中可能出现各种情况，固结度覆盖0～100%范围，对偏应力为10 kPa、30 kPa、50 kPa情况进行0、25%、50%、75%和100%五种固结度试验；对偏应力为20 kPa、40 kPa情况只进行0、50%和100%三种固结度试验，共完成三轴CU试验63组。

1.3试验步骤

为测定不同固结压力、固结度下土体抗剪强度，在常规三轴试验基础上，设计试验步骤如下：

（1）固结度为100%的三轴试验。

①对土样施加等向围压σ3，打开排水阀使土样排水固结，考虑到软粘土渗透性较差，设定固结时间24 h，使孔压完全消散。此过程与常规三轴试验相同，使经过切削、饱和后的土样重新恢复到地基土体原始受力状态，并认为此时的固结程度为0，记录下等压固结完成后的排水量V1。

②围压保持不变，对土样逐渐施加轴向偏应力σ1-σ3，加载速率0.5 kPa/min，使加载过程中土体内部产生的孔压升高不致过快，加载完成后偏应力维持不变，固结24 h使孔压再次完全消散，土样达到完全固结稳定，此时的固结度为100%。记录下偏压固结完成后土样总的排水量V2。

表1淤泥质粉质粘土物理性质指标Tab.1 Physical property indexes of mucky silty clay

③关闭排水阀，匀速增大主应力差对土样进行不排水剪切，得到该工况下土体100%固结的抗剪强度。剪切方法为应变控制式，剪切速率为0.1 mm/min，破坏标准取为轴向应变达到15%。

（2）固结度为25%、50%、75%的三轴试验。

计算100%固结时等压固结和偏压固结两阶段土样排水量的差值V2-V1，即为该工况下土样由0固结度固结至100%固结度过程中总的孔隙水排出量，分别乘以不同的固结度（25%、50%、75%）得到每个固结度对应的孔隙水排出量V3。

围压和偏应力均相同，重复步骤①～③进行各固结度试验，等压固结过程与100%固结时完全相同，偏压固结过程中施加偏应力后需不断观测排水量变化，当偏压固结阶段的实际排水量达到V3的瞬间，关闭排水阀进行不排水剪切，得到该工况下不同固结度对应的抗剪强度。

（3）固结度为0的三轴试验。

围压相同，只进行步骤①，等压固结完成后不施加偏应力，直接进行步骤③不排水剪切，得到0固结度时土样的抗剪强度作为对照。

2 淤泥质粉质粘土试验结果分析

2.1抗剪强度变化规律

利用三轴试验仪进行不等向固结试验，对每一种围压都能得到土样抗剪强度试验结果随固结度和轴向偏应力的变化曲线，选取围压60 kPa时的抗剪强度曲线（图1）进行分析。

由图1-a可以看出，偏应力的施加会使土体抗剪强度提升，所施加的偏应力越大，提升越明显，但由于偏应力产生的强度提升幅值总是小于所施加的偏应力本身。相同偏应力下，土样抗剪强度随固结度的增大而线性增大；随着偏应力的增大，线性增长速率有所提高，曲线倾斜程度更加明显。由图1-b可以发现，除固结度为0情况，相同固结度下，抗剪强度随偏应力的增大而增大，整体上表现为线性增长；固结度的提高也会导致抗剪强度增长速率加大。

对于围压为30 kPa和45 kPa情况也可以发现类似规律。整理相同偏应力下，不同围压情况抗剪强度随固结度变化曲线，以偏应力为50 kPa为例，如图2所示。可以发现，随着固结围压的增大，土样抗剪强度会产生较大幅度增长，曲线上各点均有提升且提升幅度基本一致，体现为强度曲线向上平移，曲线形式和整体趋势基本保持不变。这也说明进行3种围压试验只是为了求取土性指标的需要，围压取值对试验结果的变化趋势并不产生影响。总的来说，荷载作用下土样抗剪强度随固结度和轴向偏应力的增大而线性增大。

2.2粘聚力变化规律

利用试验所得的抗剪强度数据计算出土性指标c、φ值，得到土样粘聚力c随固结度和轴向偏应力的变化曲线，如图3所示。

图1围压60 kPa，土样抗剪强度变化曲线Fig.1 Variation curves of shear strength of soil samples at confining pressure of 60 kPa

图2偏应力50 kPa，不同围压下，土样抗剪强度与固结度关系曲线Fig.2 Relation curves between shear strength and consolidation degree of soil samples under different confining pressure at deviatoric stress of 50 kPa

由图3-a不难发现，偏应力的施加会使土样粘聚力明显提高。对于每一种偏应力情况，粘聚力都会随固结度的增大而增大，基本呈线性增长的趋势，除个别点略有偏离外，整体上可以用直线拟合。这是由于随着固结度增长，土样中水分逐渐减少，土颗粒表面的结合水膜变薄，粘聚力提高。由图3-b可知，除固结度为0情况，每一种固结度下，土样粘聚力均随偏应力的增大而增大，基本为线性增长，固结度较低时，线性拟合效果较好。主要是因为偏应力加大使得土体被压密，土颗粒间作用力变大，粘聚力增加。当偏应力为50 kPa、固结度为100%时，土样粘聚力较比等压固结时提高了111.89%，提升程度显著。总体而言，土样粘聚力基本随固结度和轴向偏应力的增大而线性增大，增长幅度十分显著。

2.3内摩擦角变化规律

图4为土样内摩擦角φ随固结度和轴向偏应力的变化曲线。由图4-a可见，偏应力的施加也会导致内摩擦角的提升。偏应力相同时，土样内摩擦角随固结度的增大而线性增大，偏应力较小时，可以很好地用直线加以拟合；偏应力较大时，内摩擦角增长速率的规律性并不十分明显，各点略显离散。这是因为随着固结度增长，土颗粒间起到润滑功能的水分子逐渐排出，使得摩阻力变大，内摩擦角增加。由图4-b不难看出，除固结度为0情况，相同固结度时，内摩擦角随偏应力的增大而增大，基本可以看作线性增长。主要是由于偏应力的提升使土体更加密实，土颗粒间咬合作用增强，摩阻力变大，内摩擦角提升。当偏应力为50 kPa、固结度为100%时，土样内摩擦角较比等压固结时提高了20.24%，相比粘聚力提升而言，内摩擦角的提升程度不很明显。即相同加载条件下，固结压力和固结度对粘聚力的影响比对内摩擦角的影响大得多，这也说明原状软粘土具有一定的结构性，荷载作用下粘聚力指标较为敏感。总的来说，土样内摩擦角基本随固结度和轴向偏应力的增大而线性增大，增长幅度相对较小。

图3土样粘聚力c变化曲线Fig.3Variation curves of cohesioncof soil samples

图4土样内摩擦角φ变化曲线Fig.4Variation curves of internal friction angleφof soil samples

3 荷载作用下淤泥质粉质粘土土性指标计算公式

对土性指标（粘聚力c和内摩擦角φ）的试验数据进行曲线拟合，给出荷载作用下土性指标的计算公式。为使计算公式的适用范围更广，针对土性指标增量设计拟合公式，令

式中：c、φ为原始指标；c′、φ′为荷载作用后土性指标；Δc、Δφ为荷载作用后土性指标增量。

由试验得到的规律，土体粘聚力和内摩擦角随固结度和偏应力的增大基本呈线性增大趋势，拟合公式形式设为

式中：σj为不等向固结的轴向偏应力；U为土样固结度；A、B、C、D均为拟合参数，可以通过试验确定。优化算法选用麦考特法和通用全局优化法，得到土性指标增量的拟合公式分别为

式中：偏应力σj的单位为kPa；固结度U写成小数形式。粘聚力公式拟合相关系数为R=0.995 16，内摩擦角公式拟合相关系数为R=0.991 07，拟合曲线与试验原始数据对比如图5、图6所示。计算公式与试验数据的拟合效果良好，可用于工程设计中计算荷载作用下土性指标的变化。

图5粘聚力拟合曲线与试验数据对比Fig.5 Fitting curves ofcand comparison with test data

图6内摩擦角拟合曲线与试验数据对比Fig.6 Fitting curves ofφand comparison with test data

由于荷载作用下软粘土的土性指标会发生变化，在进行实际工程设计时，需考虑固结压力和固结度对土性指标的影响。

4 结论

本文通过开展考虑不等向固结压力和固结度影响的三轴固结不排水剪切试验，得出以下结论：

（1）荷载作用下土样的抗剪强度随固结度和轴向偏应力的增大而线性增大；围压增大会使抗剪强度产生较大幅度增长，曲线整体向上平移。

（2）轴向偏应力的施加会使粘聚力和内摩擦角有所提高，粘聚力和内摩擦角基本随着固结度和轴向偏应力的增大而线性增大，粘聚力增长幅度十分显著，而内摩擦角增长幅度相对较小。

（3）提出荷载作用下淤泥质粉质粘土土性指标的计算公式，针对其他工程地区或其他类型土质是否适用还有待进一步的研究。

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Experimental study on variation law of soil indexes of soft clay under load action

WANG Yuan⁃zhan,MA Xu,MA Nan
（National Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Simulation and Security，Tianjin Key Laboratory of Port and Ocean Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Nowadays,many ports and coastal engineering projects have been constructed on the thick soft clay foundation.The variation of indexes of soft clay under load action becomes a problem which is further concerned in practical engineering design.However,the consolidation degree and the vertical load by upper structure are main factors affecting the indexes of foundation soil.Based on the undisturbed samples of mucky silty clay from Yantai Port,consolidated⁃undrained triaxial tests were carried out,then the variation laws of shear strength and indexes of soft clay under different consolidation pressures and different consolidation degrees were obtained.The results show that the shear strength and indexes of soft clay under load action almost present linear growth accompanied with the increase of consolidation degree and axial deviatoric stress.The increasing range of cohesion is quite obvious,while the increasing range of internal friction angle is relatively smaller.According to the experimental data,the calcula⁃tion formulas of soil indexes under load action were put forward which could be used in practical engineering design.

soft clay foundation;consolidation degree;anisotropic consolidation;axial deviatoric stress;triaxi⁃al test;soil indexes;shear strength

TV223

A

1005-8443（2015）04-0339-06

2014-12-12；

2015-01-28

国家自然科学基金（51279128）；交通运输部建设科技项目（2013328224070）

王元战（1958-），男，河北省人，教授，博士生导师，主要从事港口、海岸及近海工程结构设计理论与计算方法、岩土力学及土与结构相互作用机理、结构动力学及工程结构动力设计理论与计算方法等方面的研究工作。

Biography：WANG Yuan⁃zhan（1958-），male，professor.