结构性土体固结压力的力学效应

（1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130026；2.吉林大学应用技术学院，吉林长春130022）

（1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130026；2.吉林大学应用技术学院，吉林长春130022）

针对黄土、盐渍土、红土、下蜀土、软土以及添加水泥和石灰固化后的吹填土等特殊土体表现为结构强度高、先期固结压力大，且地表土超固结比十分高，存在随着土层深度的增加，前期固结压力值减小的反常规现象，开展了土体结构力、结构强度和结构性土体等一系列问题的研究.通过对大量试验资料的分析，讨论了影响土体前期固结压力的主要影响因素，包括土体胶结类型、成因特点、原岩结构以及环境等因素；根据原状土和重塑土的庄缩曲线半定量地确定结构强度值；并探讨了结构力的形成机制.研究结果表明：土体结构强度受到影响则导致土体前期固结压力发生改变；前期固结压力实质上是由传统定义上的前期固结压力与结构强度两部分构成；结构力即为颗粒之间形成的固化胶结连结力.最后给出了结构强度和结构性土的定义.

特殊土体；结构性；结构强度；前期固结压力；力学效应

1 问题的提出

近年来随着经济建设的高速发展和土地资源的匮乏，沿海地区围海造陆形成大面积的工程软土.该种性质极为软弱的软土或人工吹填土需进一步进行快速固化，一般加入适量水泥、粉煤炭灰和石灰等性价比较高的添加剂作为土层固化剂，经过固化处理后的软土其强度可满足工程需求.处理后土体除了强度大大提高之外，还具有明显的超固结特征.另外，一些工程地质性质较好的原状土，如中国广泛分布的红土（本文中红土为第四纪松散沉积物上发育的红色风化壳）、黄土，长江中游分布的下蜀土，以及吉林西部发育的盐渍土等特殊黏性土也具有较强的“超固结”特性.而且研究发现这些“超固结土”的先期固结压力值与传统定义的压力值随土层埋深的变化规律呈现相反态势，其在工程上表现的基本物理性质、水理性质和力学特性均与先期固结压力值呈现正相关规律［1］；这类土具有较强的先期固结压力，传统观点认为该类土体与岩体具有相似的特征，即具有较强的受力历史记忆能力［2］；体现出对应力路径反应灵敏，即力学性质与应力水平密切相关，并同时受到应力路线影响；土的力学强度在结构屈服应力附近引起较大的变化［3］，而且与当时的应力水平有关，称这样一类土为结构性土.上述特殊的性质是该类土体结构效应的表现.

该类结构性土体的特殊性使其土体的先期固结压力大小与传统意义上的定义出现差异，即不是由自重应力引发的较强的固结力，而是由于其它的因素而产生一定先期固结力，如吹填土的水泥添加剂引起较强的结构力，不仅使土体产生了较高的先期固结压力，同时也使土体产生了较高的内摩擦角φ和较高的内聚力C［4-5］，同样，结构性较高的红土也表现出高含水量和高孔隙比的情况下仍然具有较高的强度特征，表现在高的地基承载力［6］；因此，本文将从本质上解释结构性土先期固结性质的特征.

2 土体结构性的定义

传统的黏性土先期固结压力的理论是以土体在历史上荷载对土产生的固结为研究基础的，明确定义即为土体在历史上所承受垂直方向上最大的有效固结压力.

但是，对于本文所研究的一些特殊土在地表以下不深的范围内土体强度较高，表现为前期固结压力Pc值较大，土体超固结比（OCR）远远高出预期值，经研究发现，这种现象并非自重应力所致，而是由于其它的自然作用或者人为的因素引起的.其内在原因是在漫长的成土过程中一系列物理化学作用导致接触的颗粒之间形成固化胶结联接键，称这种固化胶结连结力为结构力；如果颗粒之间存在着结构力使得土骨架具有一定的连结强度，则称之为土的结构强度，而具有结构强度的土体被称为结构性土.传统的前期固结压力是指土层在历史上经受过的最大有效固结压力，但对于一些吹填土、盐渍土、下蜀土、软土或者改良后软土等特殊土来说，传统前期固结压力定义不再适用，因此提出前期固结压力是由传统意义上的前期固结压力和结构强度两部分构成.

结构性土一般来说具有较强的结构连结，经研究发现土体的结构性越强，其Pc和OCR也越大，为探究二者之间的具体关系，我们进行了相关的试验分析与研究.

3 影响土体结构强度的主要因素

针对以往特殊土体工程地质的研究，发现对于盐渍土、红土、典型黄土和下蜀土等特殊土体，甚至于软土、固化后吹填土等均存在Pc值和OCR比较高的现象，但是，由于成因类型的不同，土体结构性形成条件也是不尽相同的.土在形成过程中的胶结物质不相同，导致土中颗粒之间的固化胶结作用不相同，最终表现为土体结构强度的差异性［7］.

3.1 不同成因类型土体中胶结物的影响

大量的测试试验表明，长春的黄土状土、南京的下蜀土其前期固结压力是随着埋深增大而逐渐增大的，而武汉的下蜀土则是随着土层的埋深而迅速减小的，如图1所示.文献［8］中提到的黄河三角洲沉积物的超固结比随着埋深增大而呈减小趋势，相反，超固结比则出现与常规不一致的现象，如图2所示，即武汉、南京的下蜀土其超固结比随着土层埋深的增加出现锐减的趋势，长春黄土状土随着深度变化其超固结比变化趋势较为缓慢［1，6，12］.同样，项目组在进行吹填土加固试验时［9］，采用不同含量的水泥、石灰和粉煤灰，进行试验得到Pc值，如表1所示.图3为不同水泥、石灰掺入量固结吹填土原状样品与重塑样品的压缩曲线.从图3中可以看出，扰动土的压缩曲线位于原状土的下方（图3中，P为试验中施加的垂向压力；ε为应变），而此时并没有产生固结力，因此根据此曲线可以计算出每种土的初始结构强度.而两曲线开始处的初始差值则为点接触所产生的初始结构强度.很明显土样的Pc和OCR值非常高，表现出图3所示试验样品均为“超固结土”［10］.

图1 黏性土前期固结压力Pc与深度h的关系Fig.1 Relation between（Pc）and depth（h）of cohesive soil

图2 黏性土超固结比OCR与深度h关系Fig.2 Relation between over consolidated ratio（OCR）and depth（h）of cohesive soil

表1 结构强度与前期固结压力Pc的关系Tab.1 Initial structural strength and Pcof each samples

图3 不同水泥、石灰掺入量固结吹填土原状样品与重塑样品的压缩曲线Fig.3 Compression curves of undisturbed and reconstituted soil samples with different cement and lime contents

图4为不同水泥含量的人工土样SEM图，以土样中加入不同含量水泥为例来说明土体结构强度的具体表现.可以观察到当加入水泥为10%时，样品中很少见到水泥水化结晶形成的胶结现象，只在部分孔隙中发现一些结晶现象；当水泥量为15%时，则可观察到水泥大量的水化结晶产物附着在黏粒和粉粒的表面，形成较强的结构联接；而当水泥含量为20%时，水泥发生水化结晶后相互凝聚形成团粒，形成单独的颗粒存在于土中，但颗粒之间结构联接作用并不明显，因此，本次试验的结果是水泥含量为15%的人工土样结构强度最高.

在红土和下蜀土中的游离氧化物（主要游离的氧化铁、铝和钙）等为主要的胶结物质，通过覆盖、包膜或者微晶的形式将结构单元体进行胶结连结，其表面形态如岩溶地貌，如图5所示，由此形成一定强度的结构连结，土体强度特征上表现为土体的Pc值较高，如图6所示.红土中的游离铁含量较高，且在土体中主要以正电荷的形式呈现出包膜和覆盖在以负电荷形式存在的黏土矿物表面，起到较好的胶结连结.同样，下蜀土由以游离氧化物铝的形式把土体中细小的结构单元体连结起来，形成较高的强度，如表2和图1、2所示.

图4 不同水泥含量的人工样SEM图Fig.4 Structural equation modeling（SEM）images of artificial soil with different cement contents

图5 红土的胶结连结特征Fig.5 Characteristics of cemented connection in red soil

图6 游离氧化物含量与OCR相关性Fig.6 Relationship of free oxide content and OCR

表2 前期固结压力与游离氧化物的相关关系Tab.2 Relationship between the ratio of overconsolidation and free oxides in granite residual red soil

试验结果表明：由于土中游离氧化铁的存在形态以及含量的不同，使得土体中的胶结连结作用不相同，而当游离氧化铁的含量不同，对土中胶结作用的影响更为显著，表现为在其它因素差异不大时，随着土中游离氧化铁含量的增加，土体的结构屈服应力呈逐渐增大的趋势，如图7所示.原状红黏土结构较完整，土体内部胶结连接强度较高，而重塑红土破坏原有结构，土颗粒重新形成新的连接，力学性质也会受到很大影响，非饱和红黏土中氧化铁的含量及赋存状态对于其力学特性影响较大，在工程中应予以重视［11］.

图7 结构屈服应力与游离氧化铁含量关系曲线［12］Fig.7 Relationship of structural yield stress and free iron oxide content

3.2 温度影响

红土在我国分布的范围明显受到自然气候的控制，其分布主要在北纬23.5°以南或者说是长江以南的热带和亚热带地区.北方红土分布不具有规律性，只有零星分布.在红土形成的地质历史环境中，环境温度对红土中游离氧化铁的影响十分显著，从而表现在同一种红土固结强度随着纬度的变化而变化的特性.

通过室内Fe（OH）3体系中试验发现当温度为30℃时红土中氧化铁变化并不明显，原因是当温度条件为30℃以下时，存在于红土中的无定形氧化铁的老化速率极低；而当温度上升到40℃时，红土中游离铁的老化速率7 d可以达到24.33%，而在10～14 d时，水铁矿开始老化，可能形成针铁矿、赤铁矿或者二者混合晶型的氧化铁.因此，红土在40℃温度条件下，铁的老化率迅速增加；而温度增加到50℃，则在15 d时老化率达到51.77%.如图8所示［12］.

图8 游离氧化铁与温度关系曲线Fig.8 Relationship of free oxide and temperature

通过试验得到在不同温度条件下红土中游离氧化铁含量的变化曲线可知，加温时间越长，土中游离氧化铁含量越高，并且阳离子交换量越低，红土颗粒的粒径也越大，塑性指标越大，且力学指标中的内摩擦角也明显增大；表现在加温15 d的土样其工程地质要较加温7 d的土样好［12］.

3.3 环境的变更

当气候存在明显的干湿变化时，天然状态下土体的含水率会发生急剧下降现象，如吹填土层由于干缩作用在土体表面形成大量龟裂，但同时土体也表现出明显的超固结特性，并且使得吹填土的浅表层土体形成能够承受一定压力的硬壳，这有利于软土的进一步固化处理.

同样由于受到强烈的蒸发作用使得松嫩平原地区形成了大面积的盐渍化土，由于盐渍土区水分场、温度场、化学场和力场之间的相互作用影响使得土体内部的水分、盐分发生运移，进而使得盐渍土内部结构发生改变，从而发生其土体强度要远远大于同物质组成的土体，不难发现这类土的结构性也较强.因此土体的结构强度形成的机理如图9所示.

图9 结构强度形成的三场耦合图Fig.9 Three-field coupling diagram of structural strength formation

由于不同物理场的作用，使地表不深范围内的土体前期固结压力可能达到非常之高，图10为吉林西部镇赉地区盐渍土在地面以下不同深度处土样的高压固结试验结果，图中，e为孔隙比.由图10可知，该土层的前期固结压力随着深度产生不同程度的变化.这种由多场相互作用引起的盐分运移使得盐分在地表发生聚集，不光可以提高土体的强度，也会引发土体次生盐渍化等地质环境系统灾变问题.

图10 镇赉原状土样e-lg P曲线Fig.10 e-lg P curves of undisturbed soil samples collected in Zhenlai

3.4 原岩结构影响

长春市区第四纪下伏基岩层主要由白垩纪泥岩、砂岩等组成，大量的工程地质勘察工程发现，该层强风化岩体具有较强的结构性，即原位试验时得到该层岩性的力学强度均较高，并且土体承载力可达到200～300 kPa，但是取样进行室内常规试验得到该地层的承载力只有160～180 kPa［13］，可见该层土体具有较强的结构性.

对于所有的残积土，由于其风化程度不尽相同，每种土体均保留有基岩的结构和构造特征，这种残余结构力是造成土体Pc值偏高的因素之一.

由上述讨论可见，土体产生超固结现象和前期固结压力较大的原因较多，Pc值的大小不仅受自身自重作用所致，而且还受到后期游离氧化物、黏土矿物、有机质等物质的胶结作用影响、土体渗流作用、残余结构力、土体的成因条件的作用等因素影响，因此，传统意义上的前期固结压力一部分是由自重应力作用，另外一部分是由土体结构强度两部分共同作用所形成.

4 结 论

（1）结构性土与传统意义上的前期固结压力的区别

天然状态的黏性土其前期固结压力值的大小通常情况下与其地质成因密切相关.对于冲积、洪积、风积、残积和坡积等成因土体，在其形成的地质历史过程中，土中颗粒在外界介质的动力作用下，大都经历了一定程度的迁移作用，并在漫长历史荷载作用下形成能反映一定地质成因的排列组合方式和物质构成.由于大量的胶结物质和温度等使土中存在分子间力、离子连结、氢键连结、离子静电连结等结构连结力，土体保留了一定的结构性，从而产生超固结的地质特征.

（2）人工土体结构强度的来源

大量人工形成的土体其强度形成的机制主要取决于人工添加剂的种类、强度、掺入量等因素.如我们团队研究的吹填土结构强度是随着水泥或石灰掺入量的不同而导致土体强度不同，并建立了不同添加剂掺入比条件下，结构强度随压力增长曲线，发现了结构强度随压力呈线性增长的趋势，并且计算出每种添加剂掺入比试样的初始结构强度，以此初始值作为结构强度增长的界限点［14］.

（3）结构强度是三场（M-C-E）耦合过程的产物

土体的结构强度高低决定了土体前期固结压力的大小，也决定了土体的强度与变形大小.结构力对土体土颗粒的作用类似于指向颗粒内部的拉应力的作用，因此，土中颗粒对结构力的作用一般采用其结构强度来衡量.在微观尺度上，当在胶结力或残余应力的作用下，颗粒间的连结力增大，无论是氧化铁在黏土矿物中的离子静电引力还是氢键的连结力均可以产生一定连结强度，对于土体来说，这些连结力是混合在一起的，很难从不同连结力的性质上加以区分，所以土体的这种连结力则采用结构强度来表示.通过上面的论述可以看出，土体内部结构强度的形成过程实质上是一个典型的物质场—应力场—环境场（C-M-E）耦合过程，如图8所示.从各场之间的耦合关系，可以看出这三场之间耦合的结果即为结构强度.

土体的结构强度是在三场作用下形成的一种特殊强度，而在土体的结构单元体之间或者之内由于土颗粒相互接触、咬合、镶嵌作用，在长期的压应力场作用下颗粒间相互产生固化凝聚力；由原岩的残余结构亦可形成较强的固化力；在漫长的地质历史时期中，原岩经过3种风化作用，可溶性物质被溶蚀在新环境中沉积下来［15］，形成3种不同溶解度的盐，直接影响着土体的结构强度，造成了不同类型盐渍土具有较大干强度的结果；而原岩中那些不可溶的物质，在另外一种新的环境中沉积下来，形成另外一种胶结物，其中最常见的是红土中的游离氧化铁，下蜀土中的游离氧化铝，并且由于温度不同，产生的胶结物种类、作用效果相差也较大，直接影响着土体的结构强度.

另外，由于环境中的干湿交替、渗透压力、地下水升降和蒸发作用的不同，土体中含水率变化过程剧烈.土中在结合水膜的作用下相邻土粒间连结起来形成水胶结构连结、渗透水流的动水压力作用下而产生渗透固结力等不同性质的胶结强度.总之，三场的共同作用使得颗粒间产生一定程度的结构连结，并且该强度的大小直接决定了与（T-H-M）三场相关物质的性质，而三场耦合作用的结果导致了结构强度的变化.

致谢：国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室开放基金（KLLSMP201601）；广西岩土力学与工程重点实验室基金资助（14-KF-01）.

向在我们团队工作过和正在工作的成员表示衷心感谢！

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结构性土体固结压力的力学效应

王 清1， 孔元元1， 张旭东1， 阮云凯1， 陈 冶2

Mechanical Effect of Pre-consolidation Pressure of Structural Behavior Soil

WANG Qing1， KONG Yuanyuan1， ZHANG Xudong1， RUAN Yunkai1， CHEN Ye2
（1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China；2.Applied Technology College of Jilin University，Changchun 130022，China）

Special soil such as loess，saline soil，red soil，Xiashu loess，soft soil，or solidified dredger fill，has high pre-consolidation pressure（Pc）and high over-consolidation ratio（OCR），and with the increase of soil depth，the Pc value decreases obviously.To investigate these uncommon facts，soil structure force，structural strength and other issues in structural soils were analyzed.From experimental data，the factors affecting pre-consolidation pressure（Pc）were discussed，including the soil cementation type，soil genesis characteristics，original rock structure and environment.Soil structural strength was determined according to the compression curves of undisturbed and remolded soil，and the formation mechanism of structure force was explored.The results show that those factors affect the soil structure strength，which changes pre-consolidation pressure.It is found that the preconsolidation pressure includes two parts，the traditional pre-consolidation pressure and soil structural strength；the structure force is the solidified bond strength between particles.Finally，the definitions of structural strength and structural soil were presented.

special soil mass；structural behavior；structural strength；pre-consolidation pressure；mechanical effect

王清，孔元元，张旭东，等.结构性土体固结压力的力学效应［J］.西南交通大学学报，2016，51（5）：987-994.

0258-2724（2016）05-0987-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.023

TU411

A

2016-06-20

国家自然科学基金资助项目（41430642，41372267）

王清（1959—），女，教授，博士生导师，研究方向为土体工程地质，E-mail：wangqing@jlu.edu.cn

陈冶（1958—），男，副教授，研究方向为工程地质，E-mail：changchunchenye@163.com

（中文编辑：唐 晴 英文编辑：周 尧）