预固结对长江漫滩相软土抗剪强度的影响研究

崔志鹏 严刚 王军 钟萍 王振祥 吴琪

（1.江苏省地质矿产局第一地质大队，江苏南京 210041；2.自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心 全要素测试实验室，江苏南京 210041；3.南京工业大学岩土工程研究所，江苏南京 210009）

0 引言

我国长江流域特别是长江下游地区广泛分布着新近沉积的漫滩相软土，这些漫滩相软土具有强度低、压缩性高、孔隙比大、含水率高、多呈软流塑状态等特点[1-2]。这些工程特性给长江经济带城市建设特别是轨道交通和深基坑工程带来了巨大的风险和挑战[3]，因此，对长江漫滩相软土的力学性质进行研究，对工程建设和区域经济发展具有重要的意义。

软土的不排水剪切强度是其最重要的力学指标之一[4-5]，尤其对地下工程，该指标是支护设计的重要参数。盛志强等[5]通过直剪试验和三轴试验，研究了超固结状态和正常固结状态饱和土强度指标的差异性，建议确定土的抗剪强度时，应结合前期固结压力、静止侧压力系数，根据工程实际确定围压和垂向压力。王振祥等[6]利用静三轴仪分析了预固结对南京长江漫滩相软土抗剪强度的影响，并给出了不同固结度下抗剪强度折减系数参考值。郑泽宇等[7]分别从孔压和体变角度研究了固结度对饱和软黏土抗剪强度的影响。汪洪星等[4]基于理论推导和室内试验，对堆载作用下软土抗剪强度指标随固结度的变化规律进行了分析。马海鹏等[8]研究了3 类土抗剪强度与比贯入阻力的关系，并总结了国内软土地区土体抗剪强度与静力触探比贯入阻力之间的相关关系。

固结快剪试验是常用的确定软土不排水剪切强度的方法[9-10]，该方法操作简单、原理清晰且经济性好。目前部分学者从预固结角度对固结快剪试验的抗剪强度进行了研究，但未涉及固结回弹对抗剪强度的影响。左旺[11]将洞庭湖区软土放在固结仪上预固结后进行固结快剪试验，得出抗剪强度指标随固结度的增加而增加的结论。徐 可等[9]研究了饱和高岭土抗剪强度随固结度的变化规律，指出各级压力下抗剪强度随固结度的增大呈线性增长，并将试验结果与微型十字板剪切仪试验结果进行对比，验证了微型十字板剪切仪研究饱和软黏土抗剪强度的可行性。史卜涛等[12]利用预固结得到不同固结状态下的黏土，分析了抗剪强度随剪切速率的变化关系。

根据土的弹塑性理论及《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）建议，当试样较多时，为满足生产需要，试样可以在其他仪器上固结（预固结），然后移至剪切盒内，继续固结至稳定后，再进行剪切。然而实际操作过程中发现，漫滩相软土预固结卸载后会发生回弹变形，再次固结稳定所需时间仍然很长，即对于长江漫滩相软土而言，预固结操作并不能提高固结快剪试验的效率，且考虑预固结回弹现象对抗剪强度影响的研究未见有文献报道，因此有必要开展预固结对长江漫滩相软土抗剪强度的影响研究，并探索提高漫滩相软土固结快剪试验效率的方法。

1 试验内容与方法

1.1 试验土样

本次试验所用漫滩相软土试样取自南京市浦口区某工程场地（见图1），地质勘探资料显示，研究区上部为淤泥质粉质黏土夹薄层粉土、粉砂，下部主要为砂、砾石层，为典型的河流冲积二元结构，上部漫滩相软土厚度一般为10～30 m。

图1 南京长江漫滩区域及取样钻孔位置

研究表明，结构性对原状土的抗剪强度具有重要影响[5,13]，对于结构性强的长江漫滩相软土而言，高质量的样品是保证试验数据准确性的关键，为减少取样扰动对试样力学性质的影响，本次现场取样采用固定活塞薄壁取土器，并将样品置于保湿箱内进行保存，从而获得试验所需高质量原状样（见图2）。

图2 高质量原状样照片

研究区漫滩相软土的基本物理力学指标见表1。

表1 原状土基本物理力学性质指标

1.2 试验方案

将软土置于固结仪上进行预先固结，然后放入剪切盒内再次固结稳定后，进行不排水剪切试验，该过程中的土样经历了“固结-卸荷-再固结-不排水剪切”的应力路径，预先固结的应力历史会对软土不排水剪切强度产生影响，但具体影响尚缺乏理论依据与规范指导。因此，有必要开展该过程中应力历史变化对软土不排水剪切强度的影响研究。

为此，根据试验过程制定了3 种试验方案：

①预固结稳定后将土样放入剪切盒中直接剪切（预固结-卸载剪切）；②将土样直接放入剪切盒中固结稳定后剪切（正常固结剪切）；③预固结稳定后，将土样放入剪切盒再次固结稳定后剪切（预固结-卸载-再固结剪切）。固结和剪切时的法向压力分别取50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，试验程序按《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）执行。具体试验方案见表2。

表2 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 固结度与固结时间的关系研究

为研究漫滩相软土固结稳定时间，从应变的角度将固结度U定义为在一定固结压力下试样某一时刻的位移量与固结稳定时的最终固结位移量的比值[14]。

式中：st为某一固结度对应的位移量；s∞为固结稳定时的最大位移量。

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）规定的固结稳定标准（当每小时垂直变形读数变化不大于0.005 mm 时为固结稳定），试验表明研究区软土固结稳定需要5～8 h（见图3），且各压力下固结度与固结时间的变化关系基本一致。此外，分析试验结果发现，固结1 h 后软土的固结度普遍可以达到95%，可见长江漫滩相软土前期固结非常迅速。

图3 不同固结压力下固结度与固结时间变化关系

为研究软土固结1 h 内的固结度与固结时间关系，利用时间-应变采集系统对软土的固结变形量进行密集采集（见表3），发现长江漫滩相软土在固结前期固结变形非常迅速，固结25 min 时固结度可以达到95%，而完全固结则需要5～8 h（见图4）。由此可见长江漫滩相软土是一种前期固结迅速，后期固结稳定缓慢的软土。

表3 固结度U 及对应固结时间t

图4 固结度与时间平方根关系曲线

2.2 固结度对抗剪强度的影响

已有研究表明固结状态对软土抗剪强度有较大影响[15-17]，图5 为研究区不同固结度和轴向压力下的漫滩相软土不排水抗剪强度趋势线。由图5 可知，抗剪强度τf均随固结度U的增加呈增大趋势，其增长速度逐渐减缓，各荷载条件下τf随U提高的增长幅度基本相同。随着U的增加，土体结构更加密实，孔隙率逐渐减小，原有的孔隙变小或被土颗粒充填，土颗粒间的摩擦增强，使其抗剪强度增加。另一方面，在对试样施加垂向压力的瞬间，土体中的水产生超静孔 隙水压力，随着固结度的增加，颗粒间的水分逐渐排出，超静孔隙水压力减小，土颗粒所受有效应力增加，在外力的作用下土颗粒的排列更加致密，抗剪强度随之增加。

图5 不同固结度下的抗剪强度

由图5 中试验结果分析可知，当土体固结度从30%提升至100%时，对应的抗剪强度提升了约50%～70%，值得关注的是，当固结度为70%时，其抗剪强度达到完全固结时抗剪强度的90%以上，当固结度为80%时，其抗剪强度达到完全固结时抗剪强度的95%左右，当固结度为95%时，其抗剪强度与固结度为100%时基本一致。

2.3 预固结对直剪抗剪强度的影响分析

为满足生产要求，保证工程进度，生产单位对软土进行固结快剪试验时，一般先将软土置于固结仪上进行预先固结，然后将预先固结后的软土置于直剪仪上进行固结快剪，该过程中的软土经历“固结-卸荷回弹-再固结-不排水剪切”的应力路径（见图6）。软土的预估结可理解为有侧限的一维渗流固结，根据土的弹塑性理论，可将土骨架和孔隙水模拟为弹簧和水体，土体在垂向固结压力P的作用下，水通过透水石从土体的上顶面和下底面排出，土骨架在有效应力作用下发生垂向变形至固结稳定。固结压力卸载后，土体不会恢复到原来的应变状态，其中部分应变是可恢复的（εz2），部分应变是不可恢复的塑性应变（εz1），并且后者往往占很大比例。当再次施加压力时，土体再次重复固结变形过程，直至变形稳定。

图6 软土预估结过程示意图

为揭示长江漫滩相软土预固结直剪试验的应力历史，取代表性软土试样进行以上操作，并采集固结度与固结时间的试验数据，试验发现土样固结6 h 后变形稳定，卸压5 min 后，50 kPa 压力下土样回弹至固结度80%左右，100 kPa、150 kPa、200 kPa 压力下土样回弹至固结度70%左右。再次固结1 h 后固结度达到90%以上，6 h 后各压力下土样固结稳定（见图7）。

图7 “固结-卸荷-再固结”的固结度-固结时间曲线

理论上，如果将固结仪上进行预固结完成的软土置于直剪仪上，不再进行固结稳定，直接进行剪切试验，相当于对固结度为70%～80%的土样进行剪切，而研究固结度与直剪抗剪强度的关系表明，当固结度为70%～80%时，其抗剪强度达到完全固结时抗剪强度的90%～95%。

依据制定的试验方案，取多组长江漫滩相软土分别进行3 种试验，并记录不同固结压力下的抗剪强度平均值（见表4）。表4 数据显示，同一试验方案下的软土抗剪强度随固结压力的增大而增大，同一固结压力下，软土的抗剪强度基本表现为“预固结-卸载剪切”最小，“正常固结剪切”中等，“预固结-卸载-再固结剪切”最大。且“预固结-卸载剪切”各级压力下的抗剪强度为“正常固结剪切”抗剪强度的95%左右。

表4 不同试验方案及压力下的抗剪强度平均值

对应的抗剪强度指标黏聚力c与内摩擦角φ表现为：3 种方案的黏聚力c值大小接近，在10 kPa左右；对于内摩擦角φ，“预固结-卸载剪切”最小，为25.42°；“正常固结剪切”中等，为27.10°；“预固结-卸载-再固结剪切”最大，为27.74°（见图8）。

图8 三种不同试验方案的抗剪强度指标对比

从不同压力下的抗剪强度τ和抗剪强度指标黏聚力c、内摩擦角φ的大小可以看出，3 种试验方案的结果接近（见图8），“预固结-卸载剪切”的抗剪强度约为“正常固结剪切”的95%。这是因为长江漫滩相软土具有高压缩性，在“预固结-卸载剪切”试验过程中，虽然预固结-卸载后土样有回弹变形，但是再次施加垂向荷载进行剪切时的瞬间，土样的主固结已经完成。因此，当工期紧张时，建议对长江漫滩相软土开展“预固结-卸荷-不排水剪切”，并将所得的抗剪强度除以0.95 的修正系数，即可得到实际抗剪强度和抗剪强度指标，从而大大缩短试验时间，并能保证试验结果的准确性。

3 结论

（1）长江漫滩相软土是一种前期固结迅速、后期固结稳定缓慢的软土。研究区软土固结稳定需要5～8 h，固结25 min 时固结度可以达到95%，且各荷载作用下固结度与固结时间的变化规律基本一致。

（2）软土抗剪强度均随固结度U的增加呈增大趋势，其增长速度逐渐减缓，各荷载条件下τf随U提高的增长幅度基本相同。当固结度为70%～80%时，其抗剪强度达到完全固结时的90%～95%。

（3）3 种固结快剪试验方案的漫滩相软土抗剪强度指标接近，“预固结-卸载剪切”的抗剪强度约为“正常固结剪切”的95%。