原状和重塑软土力学特性的比较研究★

钱长根 陈 波 闻敏杰

(1.嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036； 2.衢州学院，浙江 衢州 324000)

1 概述

软黏土作为长期在复杂的水文、地质条件沉积过程中形成的天然材料，具有不同程度的结构性并影响其物理力学特性。胡瑞林[1]将土体颗粒本身的大小、形状，土体颗粒的空间排列形式、孔隙状况以及颗粒间和接触联结特性称为结构性。土体中存在的结构性将使软黏土原状样和重塑样的变形、强度等力学特性方面存在明显的差异[2-6]。目前，在工程计算中应用广泛的修正剑桥模型[7]是在临界状态土力学的框架下，并基于重塑软黏土的试验结果建立起来的弹塑性模型，然而，其与工地现场的结构性原状软黏土仍然存在着不小的差距。因此，需要开展结构性对软黏土力学特性的影响研究，基于研究结果的基础上建立能反映原状软黏土变形、强度等力学特性的本构模型，即结构性软黏土本构模型。

国内外学者根据大量的试验结果，得到一些重要的研究结论，如：根据强结构性软黏土的压缩试验结果得出，结构性土的压缩曲线具有明显的结构屈服应力，压缩曲线的初始阶段很平缓，当固结压力达到一定值后，压缩曲线则出现明显的陡降段，并向该土体重塑样的压缩曲线接近[2-4]；根据三轴剪切试验结果得出的结论为：强结构性软黏土的应力—应变曲线不仅与重塑样的应力—应变曲线存在明显的区别，而且结构性使原状样的强度包线呈折线形[2,5]。根据单向固结试验结果得出的结论为：结构性软黏土的固结系数在屈服应力之前较高，达到屈服应力后则明显的降低，并与重塑样的固结系数相接近，固结系数变化可达几十倍[6]。

本文分别对上海淤泥质软黏土的原状样及相应的重塑样开展多次等向压缩和三轴排水剪切试验，分别得到它们的等向压缩曲线和应力—应变—体变曲线。根据测得的压缩曲线可知：结构性的存在使原状土具有更大的孔隙比、压缩指数Cc和膨胀指数Cs。根据测得的应力—应变—体变曲线可知：原状样在不同围压下的应力—应变—体变曲线不同，而重塑样在不同围压下的应力—应变—体变曲线基本一致，说明围压对原状样的应力—应变曲线有影响，对重塑样几乎没有影响；同一围压下原状样的强度却低于相应重塑样的强度，并认为这是由于同一围压下，原状样比重塑样具有更大的孔隙比引起的。

2 等向压缩试验

2.1 试验内容

试验用土取自地表以下深度10 m～15 m，地质勘察报告表明该深度为上海地区最具代表性的第④层淤泥质黏土。为研究结构性对软黏土压缩特性的影响，对现场取来的原状样进行一组等向压缩回弹试验后，对重塑样进行同样的一组对比试验，分别得到软黏土原状样和重塑样的等向压缩回弹曲线。试验采用分级加载，为保证土样在每级荷载下固结完成，本试验每级荷载固结1 d。制备试验用的重塑样采用如下方法：将充分搅拌的土样制成饱和泥浆，倒入自己加工的大固结容器后分级加载，待固结完成后得到所需的试样。

2.2 试验结果

原状样和重塑样等向压缩试验得到的2条压缩曲线如图1所示，从图1所示的试验结果中，可以得到以下结论：

重塑土的压缩曲线近似为一直线，其压缩指数Cc、膨胀指数Cs为一常数。计算得到该软黏土重塑样的压缩指数Cc的平均值为0.260；回弹指数Cs的平均值为0.049。原状样的压缩指数Cc平均值为0.315，回弹指数Cs的平均值为0.056。因此，对于本次试验用的软黏土而言，原状样的压缩指数Cc比重塑样大了约22%，膨胀指数Cs大了约14%。众多试验结果表明，对于上海淤泥质软黏土，压缩指数Cc最大可相差40%[6]。

2.3 结果分析

软黏土原状样在缓慢沉积过程中，颗粒之间的化学胶结阻碍了土的进一步压密，使软黏土具有不同程度的结构性，并造成了土体的孔隙比较大。同时，由于化学胶结而成的土体结构易受固结压力影响，并不是稳定结构，因此，原状样与重塑样的压缩特性存在明显的区别。软黏土的结构性使固结压力低于屈服应力值时，原状样的压缩性较小，当固结压力高于屈服应力值时，原状样的压缩性出现急剧增大，因此，软黏土原状样的压缩曲线形状为一条陡降形的曲线，压缩性发生巨变对应的点即为土体的结构屈服应力点[2-4]。本文根据等向压缩试验得到原状土的压缩曲线是一条结构屈服点并不明显的平缓曲线。这是由于本试验土样取样时采用的厚壁取样器，且运输过程中未注意保护，导致原状样的扰动较大，从而不同程度的破坏了土体的原始结构。因此，为更好的研究结构性对软黏土力学特性的影响，应尽量采用对原状样取样扰动少的块状取样方式，从而减小对原状样的结构性的破坏。

3 排水剪切试验

3.1 试验内容

为了研究结构性对软黏土应力—应变—体变曲线的影响，对原状样及相应的重塑样进行等围压的固结排水剪切对比试验。即，首先对原状样开展一组(3个)不同围压的排水剪切试验，然后对重塑样进行一组与原状样相同剪切围压的排水剪切试验，分别得到原状样和重塑土的应力比—应变曲线。为防止剪切产生的超孔隙水无法完全排出，影响试验结果， 剪切速率需进行严格控制，本试验选用的剪切速率为0.002 8 %/min。

3.2 试验结果

原状样和重塑样在不同围压下排水剪切试验得到的应力比—应变—体变曲线如图2所示，从图2所示的试验结果中，可以得到以下结论：

1)固结压力大于结构屈服后，原状样和重塑样的三轴排水剪切试验得到的应力比—应变—体变曲线为典型的剪缩硬化型。不同围压下原状样的应力比—应变—体变曲线存在差异，而重塑样的应力比—应变—体变曲线却基本相同，说明剪切围压对原状样的应力比—应变—体变曲线有影响，对重塑样则几乎没有影响。

2)国内外学者根据试验结果得到原状土中因结构的存在使土体具有更高的强度的结论[2,6]。图2中的结果则显示，相同围压下剪切时，原状样的强度小于相应重塑样的强度，与一般试验结果不同。这是由于在相同围压下剪切时，原状样和重塑样的孔隙比存在差异，原状样的孔隙比大，从而导致其抗剪强度降低。

3)根据软黏土原状样的压缩曲线具有陡降段的特点，国内外专家对结构屈服破坏做了如下解释：即，具有结构性的原状样存在着结构屈服应力，若应力水平超过该土样的结构屈服应力，软黏土的结构将会发生逐渐破坏，结构性影响逐渐消失[4]。而本文根据原状样在不同剪切围压下得到的应力比—应变—体变曲线的特点，可知结构性软黏土在大剪切围压下得到的剪切应力比低于小剪切围压下的剪切应力比，更好地印证了软黏土的结构性是逐渐破坏的。

3.3 结果分析

国内外学者大量的剪切试验结果显示相同围压剪切时，软黏土原状样的强度大于相应的重塑样的强度，本文得到的试验结果却正好相反，即，相同围压下剪切时，原状土的强度小于相应重塑样的强度。这主要是影响软黏土抗剪强度的因素众多，如：土体的孔隙比、土体结构性、剪切速率、应力历史等。因此，比较原状样和重塑样的强度大小时，不是仅仅考虑土体结构对原状样强度的增强作用，还需要考虑孔隙比增大对原状样强度降低的作用。

Graham等[5]开展的Winnipeg软黏土原状样和重塑样不排水剪切试验结果表明，相同围压下的原状样的强度也低于相应重塑样的强度，与本文得到的剪切试验结果基本一致。随后，利用剪切完成后得到的平均主应力p和相应的比容(v=1+e)的关系，得到在正常固结状态下，原状样和重塑样在临界状态时的临界状态线，即v—logp曲线是相互平行的，且由于原状样的比容大于相应重塑样的比容，因而原状样的临界状态线位于相应重塑样的上方。本文用类似的方法，将临界状态时上方软黏土原状样和重塑样的孔隙比e与其对应的抗剪强度q进行整理后，得到如图3所示的e—logq曲线。图3中，e为孔隙比，q为土的抗剪强度。

图3的试验点和拟合曲线显示：正常固结状态下，原状土和重塑土临界状态时的e—logq曲线都具有很好的线性相关性。而且，原状样的强度曲线位于相应重塑样的强度曲线上方，说明若原状样和重塑样的孔隙比相同时，原状样的强度将大于相应重塑样的强度，这是由于原状样中存在结构性引起的。而本文得到的原状土和重塑土在相同围压下剪切时，重塑土的强度大于原状土的强度是由于重塑土孔隙比小于原状土的孔隙比导致的，孔隙比也是影响强度的重要因素。因此，本文得出的重塑土的排水强度大于原状土的强度是由于重塑土的孔隙比小引起的，并不与现有的结构性强度理论相冲突。

4 结语

1)经过计算得到重塑土的压缩指数Cc、回弹指数Cs分别为0.260和0.049；用普通取样方法得到的原状土的压缩指数Cc、回弹指数Cs分别为0.315和0.056。因此，重塑土和原状土相比，压缩指数Cc小22%左右，膨胀指数Cs小14%左右。

2)在不同围压下剪切，原状样的应力比—应变—体变曲线存在着差异，而重塑样的应力比—应变—体变曲线基本相同，说明剪切围压对原状样的抗剪强度有影响，而对重塑土的抗剪强度却几乎没有影响，具有很好归一性。在相同剪应变下原状土在围压低时应力比大于围压高时应力比，说明结构是逐渐破坏的。

3)软黏土的强度、变形等力学特性不仅与土体长期沉积过程中形成的结构性密切相关，还与剪切破坏时的孔隙比密切相关。由于原状样的孔隙比大于相应重塑样的孔隙比，导致相同围压下剪切得到的原状样的强度小于相应重塑土的强度。若两者的孔隙比相同，则原状样的强度由于结构性的增强效应，其强度将大于相应重塑土的强度。

[1] 胡瑞林.粘性土微结构定量模型及其工程特性研究[M].北京:地质出版社,1995：3-13.

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[5] Graham J.,Li E C C.Comparison of natural and remolded plastic clay[J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1985,111(7):865-881.

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