含水率对软土无侧限强度研究

卢成伟，卢冠铜 （南京南大岩土工程技术有限公司，江苏 南京 210000）

1 引言

在软土地基上进行施工建设，常常会因为软土的力学特性造成地基的沉降变形，引发建筑物的损坏[1]。因此软土地区的土壤变形控制是值得关注的问题。

关于软土地基的特性研究和处理问题国内外已有诸多学者做出了探究。Whittle A J 等[2]建立了小应变模型来预测软土地基的建筑物沉降量；杨敏等[3]在4 种不同软土加固的基础上提出一种新的地基沉降预测办法；Peck[4]基于实测数据，将实测数据的地基沉降绘制成图表，探究基坑距离与沉降量的关系；王卫东等[5]对比了上海不同软土地区的沉降实测数据，从统计学的角度出发探究软土的流变特性。

本文对天然状态的软土和重塑土进行无侧限压缩试验，记录试验后样品的轴向应变和侧向应变，研究加载的轴向力和样品含水率对样品轴向应变和侧向应变值的影响规律。

2 试验描述

本文将普通固结仪进行改进，去掉固结盒，只使用传统固结仪的加载系统和位移量测系统，用于测量样品的无侧限压缩应力应变，这里称改进后的设备为无侧限压缩仪。将天然状态的软土和天然软土制成的重塑土制成环刀样品，使用无侧限压缩仪进行试验，记录试验后样品的轴向应变和侧向应变，研究加载的轴向力和样品含水率对样品轴向应变和侧向应变值的影响规律。

2.1 地质条件

本文实验用土取自江苏省南京市的长江漫滩相冲积平原，现状为待开发用地，杂草、树木丛生，土质为淤泥质粉质粘土，局部夹有中风化岩块，遇水易软化，属极破碎极软岩。原状土呈分层状态，淤泥质土与粉质黏土黑黄交错分布。土中有机质含量高，带有些许臭味，实验用土的物理指标见表1。根据现场踏勘及调查，取土场区及周边未见有岩溶、滑坡、危岩崩塌、泥石流、采空区、地面沉降、活动断裂等不良地质作用和地质灾害分布。

表1 软土的物理力学性质

2.2 样品制备

取天然软土，烘干后按照设计的含水率向土壤中均匀地加入所需含水率质量的水分，将拌合后的土壤放置在密封袋中静置24h，让水分迁移均匀。控制每个样品的干密度为1.5g/cm3。

设计样品的含水率分别为26%、24%、22%和20%，采用分层压实法，将样品制备成高20mm、截面面积为30cm2的圆柱体样品。

2.3 试验过程

样品的荷载施加采用分级加载的方式进行，分5 级（12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa和200kPa）施加荷载，施加完毕一级荷载后在饱载后的第5s、15s、30s、60s、120s、300s 和600s 读取百分表的示数，具体试验设计见表2。对样品进行无侧限压缩试验时，轴向力导致样品产生压缩变形，在无侧向束缚的情况下，样品还会发生侧向挤压变形，因此样品的侧边会出现较大的受拉裂缝，当出现这一现象时视为试验结束。

表2 试验设计

3 试验结果与讨论

3.1 原状软土的无侧限变形特性

将原状土制备的样品放在无侧限压缩仪中进行试验，对试验结果进行叠加处理。各级荷载施加后采用叠加处理，处理的数据绘制见图1。图1 展示了不同荷载条件下样品的轴向和侧向应变随加载时间的变化趋势。由图1 可知在各级荷载刚开始加载时样品产生的变形较大，且变形速度快，随着施加荷载的时间增长，样品的变形速度下降；样品的变形量随着加载时间的增长不断增大，但变化速率呈现出不断减小的趋势。为了更显著地比较在无侧向束缚的条件下样品的轴向变形和侧向变形的变化速率，将两种变形的变化率绘制于图2 中。由图2 可知，在无侧向束缚的条件下，样品的轴向与侧向变形的发展速度远远超过单轴压缩有侧向束缚的应变变化速率。在0～600s 的时间内，无侧限压缩环境中样品的轴向应变率从5.8%衰减为0.05%、侧向应变率从3.1%衰减为0.02%，单轴压缩环境中样品的轴向应变率从0.06%衰减为0.006%；在样品刚承受加载力值的瞬间，无侧限压缩试验的样品变形速率是单轴压缩试验样品变形速率的98倍；在加载结束时，无侧限压缩试验的样品变形速率是单轴压缩试验样品变形速率的8 倍。由此可见，在加载之初，相较于有侧向束缚，在无侧向束缚的条件下样品的变形速率更快，但随着加载时间的增长，样品的变形速率差距逐渐缩小，可以说明单轴压缩流变理论并不适用于流动状态的软土变形。

图1 原状样轴向和侧向应变ε-t曲线

图2 应变率ε-t曲线

在无侧向束缚的条件下，样品中的土颗粒在受到轴向力的挤压之后会发生位移，颗粒间的排列发生变化，导致粒间孔隙减小，表现为土体出现压缩变形。由于土体在荷载作用下需要经过很长一段时间才能达到稳定状态，保持变形量基本不变，在受压变形过程中土体中的水分会渐渐在外力作用下被排除，土体颗粒间的水膜厚度减少，颗粒间的接触面积增大，土体强度得到增强，在压缩过程中土体渐渐达到稳定。天然的土体虽然存在一定的粘聚力但数值较小。在受到侧向力的作用时，样品从边缘开始出现受拉裂缝，土体的抗拉强度基本可以忽略不计。由于受拉出现的裂缝随着受力时间的增长，裂缝宽度不断发展，由细小裂缝发展为大裂缝。在无侧向束缚的条件下，样品产生破坏的主要原因是由于土体受拉造成的，样品的受拉裂缝迅速发展，样品的强度也迅速下降。相较于有侧向束缚，在无侧向束缚的条件下样品的变形速率更快，并且能在600s 左右达到变形稳定的状态，而单向压缩条件下，土体达到压缩变形稳定需要耗费数十小时。

3.2 含水量对软土变形特性的影响

本文控制每个样品的干密度为1.5g/cm3，设计样品的含水率分别为26%、24%、22%和20 %，采用重塑土制备样品进行无侧限压缩试验。土体的重塑是将烘干后的天然状态软土锤碎并过2mm 筛作为试验用土。在重塑过程中会将天然土体的结构全部破坏，重塑土的强度会远低于天然软土，当重塑土的含水率大于30%时，土体就会表现出流体的状态。但是现有的试验条件无法精准测得施加荷载后重塑土样品的变形量，因此本文的试验样品含水率不能超过30%。比较相同试验条件下天然状态土壤和重塑土样品的无侧限压缩试验结果，发现重塑土的结构虽然被破坏，但是其在低含水率的区间内能够更好地展现土壤的压缩变形特性。样品在不同的含水量条件下轴向和侧向应变的变化趋势如图3 所示，样品在不同级别荷载条件下轴向和侧向应变的变化趋势如图4 所示。对比图2、图3、图4 可知，重塑土制备的样品在无侧向束缚的条件下压缩试验的变形规律与原状土的变形规律基本一致，轴向和侧向应变的发展趋势和应变的变化速率衰减趋势基本一致。

图3 不同含水量条件下重塑土试样轴向ε-t曲线

图4 不同含水量条件下重塑土试样侧向ε-t曲线

观察图3和图4可以发现，当含水率相同时，样品承受的轴向压力越大，样品产生的压缩变形越大，应变曲线表现为曲线上移，变形量也会越来越大。土体在外力作用下，承受的轴向压力上升，土体间的颗粒发生相对滑动位移越大，样品的轴向压缩变形量也越大。为了探究样品轴向应变与含水率间的关系，本文取施加荷载为100kPa 时样品在无侧限压缩试验中的数据进行分析，具体数据见表3。

表3 施加荷载为100kPa时样品在无侧限压缩试验中的数据

观察表3 中的数据可以发现，当样品承受相同的轴向压力时，样品的含水率越大，在侧向束缚的条件下样品产生的侧向和轴向压缩变形量就越大。因为土体含水率越高，土体颗粒间的间距就越大，包围在土体周围的结合水膜厚度越厚。在土体受到外力作用时，水起到了润滑剂的作用，减小了土体颗粒间的摩擦阻力，更容易发生相对位移，土体的流变性增强。因此软土流变特性变化与土中水分含量的多少息息相关。

观察图3、图4 可以看出，重塑土样品的无侧限压缩试验产生的轴向变形量和侧向变形量随加载时间增长的发展规律基本一致。样品承受的加载时间越长，产生的应变越大，但应变在加载后期趋于平稳状态。为了便于比较相同条件下重塑土轴向应变与侧向应变的发展关系，本文提出“应变比”这一概念，即求解轴向应变值与侧向应变值的比值。在不同含水率、不同荷载、不同受压时间条件下重塑土样品的应变比数值见表4。通过表4 的数据可以看出，当施加的荷载和含水率相同时，饱载时间对样品应变比的变化影响较小，因为这一条件下应变比的标准差计算值差距较小，应变可被视为一个常数。样品的含水率越低、承受的荷载值越小，则计算得出应变比的标准差差距越大，产生这一现象的原因可能是在低含水率的情况下，样品产生的变形较小，放大了由于测试度数产生的误差。因此在试验中，保持样品的荷载值和含水率相同时，应变比不会随着加载时间的增长而产生变化，即时间是与应变比无关的参数。综合比较表4中的数据可以发现，随着土体含水率的增大，样品的应变比逐渐减小并收敛于2。

表4 重塑土样品的应变比数值

4 结论

本文对天然状态的软土和重塑土进行无侧限压缩试验，记录试验后样品的轴向应变和侧向应变，研究加载的轴向力和样品含水率对样品轴向应变和侧向应变值的影响规律，主要研究结论如下。

①天然软土在各级荷载刚开始加载时样品产生的变形较大且变形速度快，随着施加荷载时间的增长，样品的变形速度下降；样品的变形量随着加载时间的增长不断增大，但变化速率呈现出不断减小的趋势。

②当样品承受相同的轴向压力时，样品的含水率越大，在侧向束缚的条下样品产生的侧向和轴向压缩变形量就越大。在土体受到外力作用时，水起到了润滑剂的作用，减小了土体颗粒间的摩擦阻力，更容易发生相对位移，土体的流变性增强。因此软土流变特性变化与土中水分含量的多少息息相关。

③重塑土样品的无侧限压缩试验产生的轴向变形量和侧向变形量随加载时间增长的发展规律基本一致。样品承受的加载时间越长，产生的应变越大，但应变在加载后期趋于平稳状态。