湖相软土固结变形特性试验及微观分析

李荐华，甘建军，万 胜，邓海忠

(1.江西省水利规划设计研究院，南昌 330029；2.南昌工程学院 鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室， 南昌 330099)

0 引 言

鄱阳湖是我国面积最大的淡水湖，是赣江、信江、饶河、修水、抚河五大支流的汇集之地，在鄱阳湖区工程建设中常常遇到第四系湖相淤泥质黏土、淤泥和砂质淤泥土，具有明显的固结沉降与流变特性，使上部构筑物发生沉降或不均匀沉降，至引起开裂、管涌甚至堤防失稳，造成了巨大的损失[1]。而且湖区每年水位变幅在10 m以上，气候或湖水位变化引起的软土受力环境发生变化，往往使固结历史发生较大的变化，导致软土的固结沉降特性发生复杂的加载效应。

湖相软土的固结特性研究关系到长江经济带工程建设的顺利实施与安全，特别对跨湖大桥、水利堤防、湖区环境治理等工程勘察设计至关重要。然而，以往的研究多集中于海相软土的固结特性方面[2-4]，而湖相软土的固结特性研究较少，随着“一带一路”战略的推进，湖相软土工程特性的研究越来越受到重视。本文结合鄱阳湖水利枢纽闸址可行性研究项目，对湖区典型软土在不同荷载的固结特性进行试验研究，以期为湖泊相沉积软基工程项目勘察提供科学参考。

1 基本物理力学指标

拟建鄱阳湖水利枢纽闸址位于江西省九江市长岭至都昌县屏峰之间，设计轴线总长2 993.6 m；拟设置64孔泄水闸，其中孔口净宽26 m的常规泄水闸60孔，孔口净宽60 m的大孔泄水闸4孔，闸底板高程分别为0、2及4 m；枢纽左岸设置三线3线单级船闸，船闸级别为Ⅰ级，闸室有效尺度采用280 m×34 m×5.5 m(长×宽×最小槛上水深)规划通航标准为2 000 t级，船闸规模按Ⅱ(1)级航道标准通航1顶4驳8 000 t级船队配套，闸室有效尺寸采用240 m×34 m×4.5 m；右岸并行布置2条鱼道，左侧鱼道为低水位鱼道，用于枯期(11月-次年3月)上、下游水位较低时过鱼，右侧鱼道为高水位鱼道，于汛后9-10月份上、下游水位较高时过鱼之用。

鄱阳湖水利枢纽闸址湖相结构第四系地层从上至下依次为淤泥质黏土，粉细砂、淤泥质黏土、卵(砾)石、黏土、砾质黏土、灰岩、黏土质砾石等底层砾石，典型钻孔剖面及含水层划分见表1。

表1 鄱阳湖区第四系含水层划分表Tab.1 Table of division of aquifer in Poyang lake area

通过对鄱阳湖水利枢纽闸址原状土样的室内试验，获得了不同深度的典型土样的物理力学指标，如表1所示。试验结果表明，湖心岛地表有1～2 m的黏土层，下伏8～25 m的软弱土层，主要为淤泥和淤泥质土。根据其透水性指标，软土一般可分为两弱透水层，第一层弱透水层为淤泥质黏土，埋深0.5～8.7 m;第二层弱透水层为淤泥和含砂泥淤泥，埋深13.2～17.5 m。地基土具有湖相沉积的“千层饼”特征，一般是软土和粉细砂交错，局部地段含有粉细砂透镜体。由于软土层渗透系数一般小于其下方的砂层渗透系数的一个数量级，形成了天然的弱透水层。从表2可以看出，软土层天然含水量大于39%，孔隙比大于1.18，软塑～流塑状，具有干缩效应。

表2 鄱阳湖区典型软土物理力学指标Tab.2 Physical and mechanical indexes of typical soft soil in Poyang lake area

2 软土固结试验

2.1 试验土样及制备

固结试验采用2.0～3.3 m灰黄色淤泥质黏土试样，其初始孔隙比为1.25，试样的矿物成分中原生矿物包括石英、长石类，约占52%；次生矿物主要包括伊利石、高岭石和绿泥石，约占48%；黏土矿物以伊利石(24.84%)、高岭石(12.48)等为主，蒙脱类(绿泥石)较少(10.6%)，伊利石含量大于绿泥石含量，表明该区域软弱土层总体水稳性较好[5]。

试验采用原状土样，按照GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》，用直径76.2 mm和厚度20 mm的环刀取样，测试一样品的初始含水率。而后把把试样放在水桶里静置24 h，使土样达到饱和。

2.2 试验仪器

试验采用南昌工程学院引进的GDSACTS(GDS Advanced Consolidation Testing System)高级固结试验系统，该系统主要包括固结压力室、反压/轴压控制器、传感器、数据采集器和GDSLAB数据处理系统，如图1所示。其中土样放置在固结压力室中，环刀放入导环中，上下分别加上透水石和滤纸，通过反压/轴压控制器加压，由数据处理系统通过传感器及其数值采集器自动收集记录试验数据。

图1 GDS高级固结试验系统Fig.1 GDS Advanced Consolidation Testing System

固结开始之前，先对土样进行反压饱和，通过轴压控制器施加反压p1和反压控制器施加反压p2，使两者之差保持在一个很小的范围之内，防止土压膨胀变形，本次试验采用Δp=p1-p2=5 kPa，每次反压饱和为2 h。为了保证土样达到饱和，采用饱和度B来进行控制，即当土样底部孔隙水压力Δu/轴压与反压差Δp大于或等于0.95时，就可以开始固结试验；当饱和度B<0.95时，在保持Δp=5 kPa不变的情况下，增大p1和p2, 接着开展反压饱和2 h，再计算饱和度值，当达到饱和度B≥0.95时再开展试验。

扫描试验仪器采用日立公司生产的S-3400N型扫描电子显微镜(配能谱仪)系统(图2)。

图2 SEM扫描电镜Fig.2 Scanning electron microscope

需要扫描的试样从剪切盒或压力室取出，利用钢丝锯和刀片切割时尽量避免扰动。图像分析工具采用南京大学开发的PCAS(颗粒裂隙分析系统)，并根据本课题研究的需要，重点考虑孔隙度分维值Dc，均形态系数F、形态分布分开维数D、定向概率熵Hm等4个参数作为主要研究对象。微观图像选取加压方向的剖面进行观察。对比分析不同固结压力下的4个主要参数的变化。

2.3 试验方案

为研究不同深度软土的主固结及次固结特性，试验采用等应变速率方式，应变速率采用0.01 mm/min，保持反压10 kPa不变，以不同的轴压p1(60、110、210、410、810、1 610 kPa)施加压力，保持p2为10 kPa不变，施加时间以24 h或变形基本保持不变2 h后固结试验完成。为确保试验结果可靠，每组固结试验进行3个平行试验，应用数理统计的方法对试验数据进行整理。

扫描试验样品选择原状土样在南昌工程学院土工实验室分别开展(50、100、200、400、800、1 600 kPa)固结试验，待实验完成之后，将压缩试样取出。为保证微观结构保持不变和试样水分彻底抽干，分别沿的垂直和水平方向将试样切成小条，进行真空低温处理。随后对土样进行二次喷金处理，提高试样的图像质量。在试验中注意土样的观察面采用平行于加压方向的自然掰开，分离面选择较平坦的一面进行观察，保证图像的景深和清楚，提高SEM分析的准确性。

3 固结变形特性分析

3.1 主、次固结变形特性分析

图3所示为等应变速率加载条件典型土样的位移-时间对数曲线，从图3中可以看出，在不同固结应力作用下的位移时间对数曲线(s～lgt)具有共同的阶段性变形特征，即第一阶段的抛物线段、第二阶段的斜直线段、第三阶段的近水平线段[6,7]。第一阶段的抛物线阶段在各固结应力作用历时基本接近，第二阶段的斜直线段固结应力越大，斜率越大，说明最先完成固结。

图3 不同固结应力下的时间-变形曲线Fig.3 Curve of time-displacement under different consolidation stresses

六组等应变固结试验中，固结应力越大，土样最终变形量越大，固结应力为800 kPa时与1 600 kPa的最终变形量基本接近，说明当固结应力超过800 kPa时，试样主固结和次固结都能在相近的短时间内基本完成。从固结时间上次看，在相同的固结历时，固结应力越大，其压缩变形值越大。50、100、200、400、800、1 600 kPa等6组固结应力作用24 h之后，其最终固结变形值分别为：0.465 1、0.589、1.300 2、2.413 2、3.407 1和2.444 6 mm。说明软土总固结随着固结应力或埋藏深度不断加大，但当固结应力超过800 kPa时，总固结增加幅度明显减小。

图4 不同固结应力下软土e～lg t的曲线Fig.4 Curve of e～lg t of the soft soil on different consolidation stresses

在鄱阳湖区工程实践中，经常出现深厚软土地基导致上部构筑物变形过大和后期沉降量大的现象，从本文不同固结应力的固结变形特性来看，当软土埋藏过厚或上部荷载过大的情况下，有可能导致地基加速沉降的现象。由于区内软土的沉积历史较长，固结沉降既有主固结，也有次固结，为研究其主次固结特性，采用Casagrande图解法[8]，作e～lgt固结试验曲线如图4，可延长各固结应力作用下的第二阶段斜直线和第三阶段近水平线相交于一点，该点对应的时间即为主固结时间。

从图4可见，随着固结应力的增大，主固结时间大小关系是tp50>tp100>tp200>tp400>tp800>tp1 600，说明固结应力越大，主固结时间tp越短。在各级固结应力作用下的曲线线型也有所不同，随着固结应力的提高，主固结压缩量与总压缩量之比(主因结比)越大，次固结占比越小。因此，对鄱阳湖软弱土层来说，主、次固结的作用时间及变形量占比有很大的不同，软土的这一工程特性，在地基固结沉降计算中具有重要的设计意义。

3.2 次固结系数分析

次固结是反映软土在主固结完成之后一段时间内仍然会持续压缩变形的特性，人们常用次固结系数Cα来研究软土的次固结，即：

(1)

式中：Ca是指次固结系数；Δe是指孔隙比增加量；t1、t2分别指主、次固结结束时间。

根据图4可得知鄱阳湖区软土在50、100、200、400、800、1 600 kPa作用下主固结时间t1约为10～1 000 min， 在0.001～0.015之间。因此，利用此方法计算得出的次固结系数受荷载水平、加荷历史的影响，其相应的次固结沉降计算也相差较大，以研究区上层软土中第一层软土8.2 m和第二层软土6.3 m为例，初始孔隙比e0选取1.25，利用次固结沉降规范公式(2)计算，可得如下结果(表2)。

(2)

式中：S是次固结沉降量；H是土层厚度；其余符号意义同前。

从表3中可知，鄱阳湖区软土的次固结特性跟初始固结时间和次固结系数的选取紧密相关，若初始固结时间t1为10 min时，次固结系数 为0.01时，计算得出的固结沉降S与t1为200 min时，次固结系数 为0.001时计算得到的S相差比值均在92%以上。引起这种差别的原因雷华阳等[9]认为用Casagrande法得到的次固结划分没有清晰的物理意义导致的，而有的学者[10]认为最终固结压力决定了次固结系数的不同。但有一种共识就是，次固结是土体主固结主要原因是孔隙水压力消散而发生的压缩，次固结是由于土颗粒骨架在有效应力基本不变之后发生的蠕变。因此，不管是主固结还是次固结，研究土颗粒的微观结构特征也可以间接反映软土的固结特性。

表3 鄱阳湖区典型软土次固结沉降量Tab.3 The secondary consolidation settlement of the soft soil in Poayang lake area

3.3 微观结构分析

利用电镜(SEM)对不同固结压力作用下的试样进行扫描研究。土样用刀片切成20 mm厚，5 mm×5 mm宽的薄片，经-70 ℃低温冷冻干燥后用锋利小刀切开后，将新鲜面放在500～5 000倍扫描电镜下观察，本次试验放大倍数为500、1 000和2 000倍，并抓拍SEM图像，对抓取SEM图像挑选清晰图像通过PCAS软件(Particles and Cracks Analysis System，即颗粒裂缝分析系统)进行分析，结果如图5及图6所示。

图5 不同压力条件的软土SEM图像Fig.5 SEM image of soft soil under different pressures

图6 经过PCAS二值化处理的各固结下的SEM图像Fig.6 SEM images of each consolidation after PCAS binarization

图5所示可以看出：鄱阳湖软土从空间架构上结构类型较多，既有蜂窝状结构、海绵状结构、絮状结构，也有片状、骨架状和凝块状结构。固结压力为50 kPa作用后，软土多为絮状、骨架状结构[图5(a)和图6(a)]；100 kPa作用后，土颗粒骨架排列多为片状，空隙多为大孔隙(d>10 μm)[图5(b)和图6(b)]；200 kPa固结压力作用下，颗粒结构为片状，颗粒孔隙变小，空隙转变为中孔隙(2.5 μm

为研究各个方向上的孔隙排列分布，将SEM图像定义为单元体，排列方向为0°～180°，将其平均分为18等份，每等分10°，可作出土颗粒孔隙分布的镜像玫瑰花如图7所示。从图7中可以看出，固结应力50 kPa，颗粒排列不均，定向角集中在0°～30°; 当固结压力为100、200 kPa时，颗粒排列不规划，定向角集中在40°～145较大的范围内°；当固结压力为400 kPa时，颗粒继续被压实，定向角为100°～160°；当固结压力为800 kPa时，颗粒排列变得有序，比较均匀；当固结压力为1 600 kPa时，土颗粒被压实，但又形成局部新的空隙。这说明，总体上随着压力的增大，颗粒由大孔隙被压实，逐渐变中孔隙和小孔隙，颗粒的定向性由非均匀性向均一性发展。当压力足够大时，裂缝面贯通，可形成“块体滑移”。

图7 不同压力条件的软土孔隙分布玫瑰花图Fig.7 Rose diagram of the soft soil under different pressures

3.4 固结特性与微观结构变化的关系

结合微观结构分形理论，利用PCAS软件的图像统计功能，分别不同压力条件对孔隙度、平均形状系数、概率熵、分维数进行统计分析。

3.4.1 固结压力与孔隙度分维值的关系

孔隙度分维是指小于某孔隙(r)的孔隙累积数目N(≤r)的分布特征，即：

(1)

式中：D是指容量维；P(r)为直径R的分布密度函数。由于一定区域内的土颗粒总数恒定，所以N(≤r)和N(≥r)存在一定的对应关系，假设V(r)是颗粒直径小于r的孔隙体积，V为试样孔隙总体积，则存在V(r)/V∝rb,对其进行求导，可得：

dV(r)/V∝rb-1

(2)

再对(1)求导可得：

dN(r) ∝r-D-1

(3)

(4)

联立式(2)和式(4)，可解得：

D=3-b

(5)

图8 孔隙度分维值随固结压力变化关系曲线Fig.8 Variations of pore porosity fractal dimension under different pressures

因此，可以利用r为横坐标，V(r)/V为纵坐标，绘制双对数关系曲线，取其稳定斜率b,即可求得孔隙分布的分维值。孔隙度分维值Dc越大，表明孔隙的均一化程度越差，孔隙间尺寸相关越大。如图7所示为孔隙度分维值随着固结压力的变化曲线。由图7可见，随着固结压力的增大，孔隙度分维值逐渐减小，其中，固结压力小于400 kPa孔隙分维值的变化斜率较大，而固结压力大于400 kPa时孔隙分维值减少的速率放缓，说明湖相软土中的孔隙度均一化随着固结压力增加趋于稳定。孔隙度分维值与固结压力存在负相关性，说明随着软土固结压力越大，孔隙度分维Dc越小。

3.4.2 固结压力与概率熵的关系

概率熵是指土颗粒中孔隙长轴方向在某一个角度分布的概率，它是用来描述、表征土体中颗粒或孔隙方向性程度指标，即：

(5)

式中：Hm为概率熵；mi表示孔隙长轴方向的在0～180°范围内n个等份区的第i个区位的个数；M为孔隙总量。当概率熵越大时，孔隙排列越混乱。

研究区典型软土的概率熵随着固结压力的变化规律见图8。从图8中可以看出，概率熵均值在0.92以上，总体上较为紊乱，随着固结压力的增加，表明孔隙的排列越来越具有一定方向性。固结压力小于100 kPa时，概率熵减少速率较快，说明颗粒受到挤压后孔隙变化较大；当固结压力大于400 kPa时，概率熵减少速率基本相近，说明在高固结压力作用下颗粒孔隙减少的速率放缓；概率熵与固结压力具有一定的负相关性，说明概率熵越低，其结构越稳定，渗透性越小，压缩性越小。

图9 概率熵随固结压力变化图Fig.9 Variation of probability entropy under different pressures

3.4.3 固结压力与平均形状系数的关系

平均形状系数是指统计区域内各颗粒或孔隙等面积的圆周长与实际周长比值的平均值，即：

(6)

式中：Fi为颗粒或孔隙等面积的圆周长Cc与颗粒或孔隙的实际周长Sa的比值；n为统计颗粒或孔隙个数。当平均形状系数越大，土体越紧密，渗透性和压缩性也随之降低，其孔隙的形状越圆滑。

图10 不同压力作用下平均形状系数变化曲线Fig.10 Variation of average form factor under different pressure

鄱阳湖区典型软土的平均形状系数如图9所示，由图9可以看出，平均形状系数随着固结压力的增加越来越大，说明总体上随着固结压力的增大，等面积土颗粒增加，孔隙减少。从变化曲线上看，低固结压力条件下(≤400 kPa)时平均形状系数增长较快，说明在初始加压阶段等面积土颗粒增加，速率较快；在高固结压力条件下(>400 kPa)时，曲线斜率变缓，说明土孔隙已经被压缩，很难继续被压实，平均形状系数增长相对缓慢，这说明土颗粒之的空间排列越来越紧密，土的渗透性和压缩性也随之降低。

3.4.4 固结压力与分形维数的关系

根据分形几何理论，孔隙形态分形维数是指用来描述孔隙结构非均匀形态的定量指标，假设孔隙具有不规则的分形特征，则一定存在如下关系式：

LgL=D/2×lgA+C

(7)

式中：L是孔隙的等效周长；D是指孔隙形态分形维数；A是孔隙的等效面积；C是定值。形态分形维数又简称为分形维数，其值在1～2之间， 分形维数值越大，则反映孔隙结构越复杂，孔隙的空间结构越粗糙，形态特征越不均匀。

图11为所示为不同固结压力作用下分形维数随着固结压力的变化规律图，从图11中可以看出，固结压力为50 kPa增加至400 kPa时，其分形维数迅速降低，说明湖相软土在原状土或初始加压时，颗粒孔隙基本呈不规则状，当施加一定压力后，颗粒孔隙结构会迅速由不规则结构转变为较平滑的结构；当固结压力由400 kPa调增到1 600 kPa时，分形维数降速减缓，说明颗粒孔隙由均一化程度接近定值。虽然分形维数与固结压力呈正相关关系，但在实际工程中(对比表2)，由于软土的沉积环境、成因及沉积历时，其压缩系数并不一定会随着深度的增加(固结压力的增大)而与分形维数成正相关关系，这在湖相软土勘察中要引起注意。研究固结压力作用下软土颗粒形态及几何特征变化规律的相关性，分别对固结压力与孔隙度分维值、概率熵、平均形状系数和分形维数进行二元多项式拟合，结果见表3，各相关系数均大于0.81，属于高度相关。

图11 不同固结压力下分形维数变化曲线Fig.11 Variation curve of pore fractal dimension under different pressure

xy相关性公式R2孔隙度分维值固结压力y = 6×10-7x2-0.001 4x+1.300 90.877 6概率熵固结压力y = 2E-9x2-4×10-5x+0.977 10.950 8平均形状系数固结压力y = 9×10-8x2+0.000 2x+0.345 30.817 1分形维数固结压力y = 1×10-7x2-0.003x+1.300 90.944

4 固结对软土物理力学性质影响的微(细)观机制

4.1 试样的固结排水过程微观机制探讨

根据孔隙的直径或长度，可以将其分为微孔(d<0.1 μm)、介孔(0.1 μm1 000 μm)，由于水分子的直径约4 000 μm，故大孔中的水以重力水为主，介孔中的水以毛细水为主，微孔里的以结合水为主[13]。在软土矿物颗粒表面，还存在结合水膜，越接近颗粒，结合水以强结合水为主，水分子厚度为1.0×104μm-1.0×106μm，在自身重力作用下难以运动；越偏离颗粒，结合水表现为弱结合水，水分子厚度为1.0×105μm～1.0×107μm。对于含有黏土矿物的软土来说，除了一部分水分进入黏土矿物颗粒空间[14]。

在低固结压力(≤400 kPa)阶段，固结基本完成后软土孔隙以大孔为主，样品固结排水过程中，水分由里向外渗透，水分以重力水、自由水为主，主要驱动力以重力、渗透压力、大气压、毛细力为主。在排水初期由于孔隙概率熵Hm降低速率极快，故渗透速度快，当孔隙概率熵与固结压力关系接近水平时，试样排水速率降低。土样加压开始阶段，大孔隙中重力水首先被排出，其次是毛细水被挤出，此后是排出弱结合水和矿物颗粒之间的层间水。

在高固结压力(>400 kPa)阶段，固结基本完成后软土的大孔隙逐渐被挤压，小孔隙个数增多，孔隙度、分形维数均与固结压力曲线接近水平，孔隙里的自由水基本被挤出。导致排水以毛细水、弱结合水为主，其次是碎屑矿物颗粒间的层间水，而强结合水很难以排出。故高压力压力阶段，渗透由弱渗透性向微渗透性转变，直到孔隙水消散为零。

根据软土固结过程中的微观结构变化与渗透性的关系，可以将软土饱和固结过程中的渗透过程分为3个阶段。①固结初期，在轴压、气压、水压、颗粒吸附力等作用下，主要是重力水由大孔隙向外迁移，带动毛细孔、微孔中的毛细水向外迁移，整个过程渗透速率快，渗透表现为强渗透性[图12(a)]；②固结中期，在持续加压条件下，大孔中重力水逐渐消散，当介孔和微孔里的毛细水不再能够补充重力水的散失后，结合水开始从结合水膜上脱落，该阶段主要表现为弱透水性[图12(b)]；③固结后期，当压力增大到极高压力后，软土孔隙以微孔为主，毛细水逐渐散失，软土颗粒表面的弱结合水开始散失，强结合水开始脱落，渗透速率极低，主要表现为微渗透性[图12(c)]。

4.2 固结过程的空隙微观演化机制探讨

软土受压后，宏观变形压缩表现实际上是土体内部微结构的调整再造的反映[15]。土体对压力比较敏感，在初始压力作用下，宏观上表现为土体快速压缩，试样的孔隙比迅速减少，空隙数量减少；微观上表现为土颗粒之间空隙被挤压，土体结构由絮状结构、蜂窝状结构等“宽松型结构”向“片状、块结构”转变，但空隙尺寸规模大，均一性差，方向性差[图13(a)]。

图12 土样固结排水过程示意图(据真实土样，用PCAS软件计算分析而成)Fig.12 schematic diagram of consolidation and drainage process of soil sample (according to real soil sample, made by PCAS software)

图13 土样固结空隙演化过程示意图(据真实土样，用PCAS软件计算分析而成)Fig.13 Schematic diagram of soil sample consolidation void evolution process (according to real soil sample, made by PCAS software)

随着压力逐渐增大，软土颗粒之间的嵌挤咬合，空隙被细颗粒充填，大空隙被切割成小空隙，使土体空隙的数量明显增多，但空隙的长度、宽度或直径明显减少，宏观上表现压缩变形速率减缓，微观上为孔隙被压扁，孔隙分形维数、分维度和概率熵缓慢降低，颗粒定向性明显，空隙难以连接成片，孔隙展现为片状、块状结构[图13(b)]。

当压力增大到极大时或土样经过长期固结后，颗粒的空隙被完全挤压充填，颗粒与颗粒之间接触紧密，宏观表现为土样很难以被压缩变形，外力基本由颗粒骨架承担；微观上对应再现出空隙由扁平状变为圆粒状、蜂窝状结构，空隙的直径、长度和周长变得更小，均一性增强，定向性减弱；几何形态参数如分形维数、分维度、概率熵和平均形状系数基本保持不变[图13(c)]。

4.3 固结对软土力学性质影响的微观机制

固结试验表明，软土在各级压力的固结作用下，都存在位移和应力应变拐点，从力学性质上可分为结构屈服前的初始阶段、团聚体之间的屈服阶段和黏粒间屈服阶段。微观结构变化是宏观力学性质的根本原因，通过各级固结压力下的微观结构分析，软土潜在的微观机制可分为2类：

(1)荷载屈服机制，即通过外荷发生变化后产生固结效应，荷载传递到土颗粒或团聚体之上，使颗粒或团聚体压密，孔隙变小，从而发生固结变形，该机制为不可逆的，可分为团聚体结构屈服的初始阶段、团聚体间屈服阶段、黏粒间屈服阶段。在固结时间曲线上(图3、图4)，先直线下降，再曲线下降，最后平缓接近直线。

(2)非荷载屈服机制，即通过排水排气使孔隙发生变化后产生的固结效应。饱和软土中水和气的排出，使孔隙体积变化；团聚体或颗粒之间距离变小，相邻颗粒的黏聚力、吸附力及层间力发生改变；当粒间距缩小到一定值时，软土中黏粒之间的吸附力增大，产生团聚作用，导致土体发生固结。

5 结 论

本研究以鄱阳湖水利枢纽闸址地基土湖相软土为研究对象，通过固结试验模拟土体沉积过程，并将固结后试样进行SEM扫描后用PCAS软件开展定量微观分析，得到如下结论：

(1)基于GDS固结试验，获得了软土试样在6种压力下的时间-变形曲线，湖相软土主固结和次固结分界点不明显，随着固结压力的增加，湖相软土的主固结比增大。在工程开挖时要注意次固结系数的选取，充分考虑荷载水平、加荷历史的影响。

(2)基于分形理论和SEM图像微观分析，不同深度的软土受到的固结压力影响不同，其变形和孔隙时间均经历快速变化、缓慢变化、基本保持不变三个阶段，反映到实际工程中，要注意不同软土固结的时间性。

(3)固结压力越大，孔隙度、概率熵、分形维数越小，平均形状系数越大，表明随着深度的增加，软土的均一性越好、压密度越高，定向性越差、土体越密实。固结压力与以上4个微观参数相关性均大于0.81，属高度相关，工程设计时要注意湖相软土的结构性。

(4)饱和湖相软土固结过程中微观结构变化过程反映其渗透、变形及力学性质的演变，用PCAS软件对其过程进行分析表明，低固结压力阶段因荷载屈服效应导致大孔隙重力水排水为主，土体变形速率大；随着压力增大，介孔和微孔中的毛细水和结合水参与排水，土体变形速率减小，非荷载屈服效应增强，在枢纽闸址开挖时要注意不同阶段的排水、变形和固结机制。

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