廣州南沙軟土結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗(yàn)研究

廣州南沙軟土結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗(yàn)研究

1研究路徑和方法土壤結(jié)構(gòu)是指土壤結(jié)構(gòu)變化對土壤力學(xué)特性的影響的性質(zhì)。天然土體都具有一定的結(jié)構(gòu)性,但軟黏土原有結(jié)構(gòu)破壞會(huì)導(dǎo)致力學(xué)特性發(fā)生明顯變化,包括壓縮特性、剪切特性、固結(jié)系數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等,對工程建設(shè)影響較大,一直被國內(nèi)外巖土工程者廣泛關(guān)注。由于土力學(xué)基本理論及本構(gòu)模型較多基于對重塑土的認(rèn)識(shí),因而不能準(zhǔn)確反映原狀黏土的力學(xué)特性,土的結(jié)構(gòu)性及對工程的影響正處于認(rèn)識(shí)與再認(rèn)識(shí)的過程中,研究路徑一般有下述幾種:一是通過土的微觀結(jié)構(gòu)模型描述土顆粒的排列特征(幾何特征)和聯(lián)結(jié)特征(力學(xué)特征),這種方法目前從微觀指導(dǎo)宏觀方面還存在一些障礙;二是通過數(shù)學(xué)力學(xué)方法建立能描述土結(jié)構(gòu)性的力學(xué)模型,以反映受荷過程中土體的變形特性和強(qiáng)度特性,這種方法在數(shù)學(xué)推導(dǎo)上可以是嚴(yán)密的,但對土體機(jī)制的描述卻不得不通過較多的假設(shè)使之符合數(shù)學(xué)要求,因而其應(yīng)用范圍有嚴(yán)格界定;三是通過土工試驗(yàn)方法探討土結(jié)構(gòu)性的宏觀表現(xiàn)特征和對土體力學(xué)特性的影響,并從中總結(jié)出某些規(guī)律用以指導(dǎo)工程實(shí)踐,這種方法在成果的代表性、變形機(jī)制描述方面還有許多不完善的地方,但不失為是一種非常實(shí)用的方法。廣州南沙地區(qū)位于珠江三角洲幾何中心地帶,土體多為第四系土層,在長期的河流沖刷及搬運(yùn)作用下,該地區(qū)形成了軟土夾粉細(xì)砂土層,夾層厚薄不一,層次多少不等,土質(zhì)力學(xué)特性很差。由于大規(guī)模建設(shè)的需要,對南沙軟土的研究近年來一直沒有停止,但根據(jù)具體工程通過土工試驗(yàn)對其結(jié)構(gòu)性進(jìn)行研究,仍然是進(jìn)一步揭示其特性的重要工作。本文采用土工試驗(yàn)的研究方法,以南沙地區(qū)的典型土樣為研究對象,從土體的結(jié)構(gòu)性入手,分別對原狀土和重塑土進(jìn)行了數(shù)組直剪、固結(jié)、無側(cè)限抗壓等對比試驗(yàn),研究了結(jié)構(gòu)性土的強(qiáng)度特征和變形特征,得出了一些對工程實(shí)踐有指導(dǎo)意義的結(jié)論。2固結(jié)和直剪試驗(yàn)為盡可能地減小對土體的擾動(dòng),試樣采用薄壁取土器小心取自軟土層,鉆孔深度為11m,由上至下土性指標(biāo)如表1所示。對研究土樣分別進(jìn)行了直剪試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn):直剪試驗(yàn)采用應(yīng)變控制,垂直壓力分別為50,100,200,400kPa,分快剪和固結(jié)快剪兩組;固結(jié)試驗(yàn)采用一維固結(jié)和各向等壓固結(jié),一維固結(jié)試驗(yàn)分兩組分級(jí)加荷,加卸荷過程見圖1;各向等壓固結(jié)試驗(yàn)采用應(yīng)力控制式三軸儀,加卸荷過程為50-100-200-400-200-100-50kPa。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1直接切割試驗(yàn)3.1.1土體剪切試驗(yàn)結(jié)果分析第1組土樣取土深度為10.5~10.7m,第2組土樣取土深度為5.1~5.3m,每組備樣8個(gè):4個(gè)原狀土、4個(gè)重塑土(控制含水率和密度與原狀土相等),相互交叉選取。試驗(yàn)所得各級(jí)荷載下剪應(yīng)力τ與剪切變形δ的關(guān)系見圖2,相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表2。試驗(yàn)結(jié)果顯示:土體的天然結(jié)構(gòu)對變形有一定的延遲作用,但當(dāng)豎向荷載較大時(shí),這種影響被弱化;原狀土樣的剪應(yīng)力-剪切變形關(guān)系在豎向荷載較小時(shí)呈現(xiàn)近似的理想彈塑性材料的特征,隨著豎向荷載的增加呈變形硬化特征,而重塑土樣基本呈理想彈塑性體的變形特征。表2和表3所示原狀土與重塑土的峰值強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表明,擾動(dòng)后的土體強(qiáng)度下降明顯,其中凝聚力降幅大大高于內(nèi)摩擦角,表明土體的聯(lián)系關(guān)系被破壞后,土體的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度基本喪失。3.1.2固結(jié)作用的降低固結(jié)快剪試樣取土深度為5.5~5.7m,試驗(yàn)成果見圖3和圖4。圖3和圖4成果顯示,將土樣經(jīng)過充分固結(jié)后再實(shí)施剪切,原狀土和重塑土的結(jié)果是非常接近的,說明固結(jié)作用降低甚至消除了土的結(jié)構(gòu)性對土體強(qiáng)度的影響。通過這一試驗(yàn)結(jié)果與圖2試驗(yàn)結(jié)果的對比可知,對于具有結(jié)構(gòu)性特征的土體可以通過各種荷載預(yù)壓措施來降低結(jié)構(gòu)性對工程的影響。3.2土樣破壞特征無側(cè)限抗壓試驗(yàn)的試樣取土深度為3.5~3.7m,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,土樣破壞特征如圖6。上述結(jié)果表明,原狀土樣軸向應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)抨P(guān)系有峰值出現(xiàn),土樣有明顯破壞面,重塑土樣應(yīng)力隨著應(yīng)變漸增,沒有峰值和明顯的穩(wěn)定值,破壞土樣呈鼓形。該土樣靈敏度St=qu/qu′=3.6,為中靈敏性土。3.3固結(jié)試驗(yàn)一維固結(jié)試驗(yàn)的試樣取土深度為4.5~4.8m,各向等壓固結(jié)試驗(yàn)試樣取土深度為10.5~10.7m。3.3.1土體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)對變形特性的影響土的結(jié)構(gòu)性大小可通過比較原狀土和重塑土的壓縮曲線來判斷。由一維固結(jié)試驗(yàn)和各向等壓固結(jié)試驗(yàn)成果整理得到的壓縮曲線如圖7所示,相關(guān)指標(biāo)列入表4,各向等壓固結(jié)試驗(yàn)成果如圖8所示。圖中σpc根據(jù)Casagrande法求出,對于欠壓密的結(jié)構(gòu)性土,σpc為土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的表現(xiàn),可理解為結(jié)構(gòu)屈服壓力。圖7表明,原狀土壓縮曲線的初始段是很平緩的,當(dāng)固結(jié)壓力近似σpc值時(shí)出現(xiàn)陡降段,大于σpc后漸與重塑土壓縮曲線平行,圖8所示的各向等壓固結(jié)試驗(yàn)成果更清晰地揭示了這一過程。這一現(xiàn)象較好地描述了土體結(jié)構(gòu)性對變形特性的影響。當(dāng)土體結(jié)構(gòu)未被破壞時(shí),結(jié)構(gòu)性對于減小土體壓縮有一定作用;當(dāng)土體結(jié)構(gòu)破壞后,由于土體內(nèi)部聯(lián)結(jié)狀態(tài)的改變,使得土體的變形增大;隨著固結(jié)壓力的進(jìn)一步增加,土體結(jié)構(gòu)性對壓縮性的影響逐漸消失,直至原狀土與重塑土壓縮特性完全趨于一致。對比試驗(yàn)中不同土樣的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),雖然土體結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱有不同,但這一規(guī)律是共性的,結(jié)構(gòu)屈服壓力是控制壓縮特性的重要控制因素。根據(jù)結(jié)構(gòu)性土的壓縮特性,可定義原狀土和重塑土壓縮系數(shù)-固結(jié)壓力曲線相交的點(diǎn)為結(jié)構(gòu)屈服壓力σy。對于所研究土樣,σy與σpc的近似性如圖8所示。該方法不僅適合具有不同應(yīng)力歷史的結(jié)構(gòu)性土體,而且更能反映結(jié)構(gòu)性土的變形機(jī)制。3.3.2土體擾動(dòng)前后固結(jié)特性分析圖9和圖10為一維固結(jié)試驗(yàn)中不同固結(jié)壓力下的e-t曲線和e-lgt曲線。圖9表明:(1)原狀土和重塑土在恒載作用下的一維變形規(guī)律相似,變形量以固結(jié)為主;(2)隨著固結(jié)壓力的增加,不僅變形增量越來越小,而且次固結(jié)所占比例也越來越小,表明當(dāng)固結(jié)壓力較大時(shí)土體變形主要產(chǎn)生于主固結(jié);(3)重塑土變形規(guī)律與原狀土大致相同,但在相同荷載作用下,重塑土的累積沉降量大于原狀土的累積沉降量,蠕動(dòng)固結(jié)過程也長于原狀土,表明擾動(dòng)后的土體在壓縮性增加的同時(shí),次固結(jié)變形所占比例隨之增加。圖10所示結(jié)果進(jìn)一步描述了土體擾動(dòng)前后的固結(jié)特性:在相同的固結(jié)壓力下,土體經(jīng)擾動(dòng)后的主次固結(jié)界限更為明顯,次固結(jié)所占比例增大。對于結(jié)構(gòu)性軟土,沉降計(jì)算中應(yīng)充分考慮土體被施工擾動(dòng)的現(xiàn)狀,以合理的計(jì)算次固結(jié)變形量。另外,圖示結(jié)果還表明,固結(jié)壓力低于或高于結(jié)構(gòu)屈服壓力時(shí),e-lgt曲線前段斜率有所不同,進(jìn)一步表明土體結(jié)構(gòu)性對固結(jié)特性是有影響的。4荷載預(yù)壓措施(1)結(jié)構(gòu)性軟土受到擾動(dòng)后抗剪強(qiáng)度明顯降低,由于顆粒膠結(jié)聯(lián)結(jié)的破壞,使得凝聚力c的降低幅度大大高于內(nèi)摩擦角?。(2)固結(jié)作用可以降低甚至消除土的結(jié)構(gòu)性對土體強(qiáng)度的影響,故對于具有結(jié)構(gòu)性特征的土體,可以通過各種荷載預(yù)壓措施來降低結(jié)構(gòu)性對工程的影響。(3)結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲線根據(jù)結(jié)構(gòu)屈服壓力一般分為三段:初始平緩段、陡降段和與重塑土平行段,結(jié)構(gòu)屈服壓力可通過原狀土和重塑土的壓縮系數(shù)和固結(jié)壓力的關(guān)系確定,該方法有更好的適應(yīng)性。(4)原狀土和重塑土在恒載作用下的變形規(guī)律基本一致,但土體經(jīng)擾動(dòng)后在兩方面明顯不同