兩種粉質黏土的動、靜強度特性對比研究

黃 博，史海棟，凌道盛，陳云敏

（1. 浙江大學 巖土工程研究所，杭州 310058；2. 浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，杭州 310058）

1 引 言

隨著沿海地區經濟高速增長，大量交通項目（機場、高速公路、高速鐵路、地鐵）都建在沿海地區的地基之上。同時，國內交通量也在不斷增大，造成工程病害頻發，使用壽命急劇降低[1－2]。究其原因，是對地基土的差異以及交通荷載作用下地基土工程性質的認識不夠。

我國沿海地區分布有廣泛而深厚的粉質黏土層，從渤海灣到東南沿海等地區都有大量分布，屬于第四紀地質歷史時期沖洪積形成。粉質黏土塑性指數為10～17，壓縮性較高，強度差，工程特性接近介于砂土和黏土之間。近年來，國內外學者對粉質黏土進行了一定研究：Chung-Jung Lee等[3]研究了循環荷載下臺北粉質黏土的剛度與阻尼變化規律；凌賢長等[4]針對哈爾濱和青藏鐵路沿線粉質黏土研究凍土的動靜強度；唐益群等[5]結合上海地鐵施工中采用的凍結施工法，探索上海粉質黏土凍融前后力學性質及本構關系；陳國興等[6]著眼于南京粉質黏土與粉砂互層土抗液化性能。總結文獻和本次試驗結果，表1給出了我國沿海各地粉質黏土的大致分布深度以及基本特性[7－8]，表中杭州和天津粉質黏土的數據為本次試驗結果，其他地區數據是總結文獻中提供的數據得到。從表中可以看出，我國各地區粉質黏土物理特性明顯不同，這將會影響土體的力學特性。研究我國廣泛分布的粉質黏土靜、動力學性質差異可加強對粉質黏土地基強度、變形作用機制的認識以及探索新的設計方法，具有較強理論和工程應用價值。

本文試驗試樣分別取自京-津高鐵沿線和杭州地鐵1號線附近，從這兩種土的物理力學特性和微觀結構特征比較入手，并且結合實際交通荷載情況采用 GDS動三軸儀進行了交通荷載下高振次循環荷載試驗以及振后抗剪強度試驗，對兩種土的動力特性、動強度和振后抗剪強度進行了分析。同時也進行了相同密度下重塑試樣的力學特性對比，研究兩種土的結構性影響。

表1 各地粉質黏土指標Table 1 Indices of silty clays

2 土的基本性質

京-津高鐵試驗土樣取自京津城際高速鐵路沿線某勘察路段，取土深度為5～18 m。杭州地鐵試驗土樣取自杭州地鐵1號線湘湖站，試驗用土深度為5～15 m。根據兩個工程場地的鉆孔資料，圖1給出了兩個取土地點的大致土層分布情況。由圖可見，兩個取土地點都分布有厚達數十米的深厚的粉質黏土層。

圖1 取土地點土層分布情況Fig.1 The profile of drill sites

兩種土基本物理指標見表 1，典型土樣的顆粒級配曲線見圖2。從圖2可見，兩種土的最大粒徑都小于0.1 mm，其中黏粒（＜0.005 mm）含量都低于15%，粉粒占了土粒組成的絕大部分。不過兩種土的粉粒粒徑 有較大差距，杭州土主要由較細粉粒（0.01～0.005 mm）組成，而京津土主要由較粗粉粒（0.075～0.01 mm）組成。杭州土的不均勻系數為1.57，京津土為2.08。按《建筑地基基礎設計規范》[9]中土的分類，兩種土都是級配不良的粉質黏土。

由表 1可知，京津土密度在 1.79～1.89 g/cm3之間，而杭州土密度在1.60～1.79 g/cm3之間。圖3給出了兩種土壓縮曲線：杭州土為高壓縮性土，而京津土則相對密實，屬于中壓縮性土，兩者初始孔隙比相差很大。綜合以上各項指標可見，杭州土的含水率高、密度低、孔隙比大、壓縮性高。

圖2 典型顆粒級配曲線對比Fig.2 Grain distribution curves of tested soils

圖3 典型e-p曲線對比Fig.3 Typical e-p curves of tested soils

3 微觀結構

土的宏觀性狀很大程度上受到微觀結構的控制。本次試驗還用電子顯微鏡觀察兩種粉質黏土微觀結構，從微觀上比較兩種土的差異。

試驗選取了典型土層進行電鏡掃描，其中京津土掃描15 m深度處原狀樣，杭州土掃描10.5 m深度處原狀樣。為了盡量保持土顆粒結構的天然狀態，采用真空冷凍升華干燥的方法制備試樣。干燥后使用Philips公司環境電子顯微鏡對土樣微觀結構進行觀察。

圖4為京津土和杭州土的縱向豎直面電鏡掃描照片，觀察放大倍數分別為800倍和2000倍。對比放大2000倍的掃描照片可以發現，杭州土的孔隙不僅多，而且體積較大。從顆粒單元的性狀以及大小來看，杭州土的顆粒之間形成片狀以及板狀的集合體較多，京津土則以單粒結構居多。

圖4 電鏡掃描照片Fig.4 Electron microscope photographs

從微觀結構照片對比中可以推測，杭州土的結構性強于京津土。因為杭州土顆粒之間集合體較多，而且集合體之間有較大的孔隙。這種結構形式決定了土體受擾動后強度會大幅下降的特性。

4 抗剪強度

采用固結不排水三軸試驗方法測試土體的靜強度。靜三軸試驗步驟參照《土工試驗方法標準》[10]。原狀土用薄壁取土器從兩個場地埋深5～10 m土層中取出，切削成型，試樣高度為 80 mm，直徑為39.1 mm；重塑樣取原狀土的平均干密度，用干搗法分5層裝樣，京津土干密度取1.38 g/cm3，杭州土干密度取 1.18 g/cm3。均用真空飽和法飽和，裝樣完成后，再施加300 kPa反壓，使試樣孔壓系數B≥0.96。試樣等向固結，待排水體變基本穩定時固結結束。剪切速率控制在0.06 mm/min。

每組試驗分別在3個固結壓力下進行剪切試驗，試驗中杭州土的固結壓力分別為100、150、250 kPa；京津土的固結壓力分別為60、150、200 kPa。

圖5為150 kPa圍壓下兩種土原狀和重塑樣靜三軸試驗結果。在不同圍壓下，各土體試驗曲線形狀相似，限于篇幅，不一一給出。由圖可見，杭州和京津土原狀試樣的表現大為不同：京津土為應變硬化，杭州土則為應變軟化；杭州土試樣中的孔壓增幅要比京津土高；且京津土強度遠高于杭州土。在 150 kPa圍壓下，京津原狀樣主應力差峰值為178 kPa，杭州土原狀樣為95.7 kPa。

兩種土的重塑樣均表現為應變硬化。京津重塑土除強度有一定降低外，其響應與原狀樣幾乎沒有差異。而杭州重塑土應力-應變曲線與原狀土完全不同，不僅從應變軟化轉變為應變硬化，且原狀樣峰值強度對應應變為 3%，重塑樣則剪切至 22%軸向應變仍未出現峰值。這說明擾動對杭州土影響較大，會引起土體變形特性發生很大改變。對比唐益群等[5]、吳剛等[11]等試驗結果發現,長江中下游地區粉質黏土力學指標差異較大，抗剪強度差距可達2倍左右。

表2給出了靜三軸試驗測得的兩種土原狀及重塑樣總應力強度指標 c、φ以及有效應力強度指標c′、φ′。破壞標準取主應力差峰值，若無峰值則取15%應變對應強度。原狀樣組數較多，且試樣因深度、密度不一，因而強度指標在一定范圍內變化。

杭州重塑土黏聚力降低為11.4 kPa，相比原狀樣降低23.5%～47.9%。可見重塑后改變了顆粒間的微觀結構，破壞了結構的聯結作用，導致黏聚力下降。而京津重塑土黏聚力較原狀樣沒有降低，說明重塑對土顆粒間的聯結作用影響較小。這結果證實了前文中的掃描電鏡觀察中的推測，說明杭州土在擾動后特別是重塑后黏聚力會有較大地下降，而對京津土影響較小。

圖5 原狀和重塑京津、杭州粉質黏土靜三軸試驗結果Fig.5 CU test results of undisturbed and remolded samples

由此可見，處理長江中下游地區的深厚軟土地基時要特別注意土的結構性影響，減少對土體的擾動。而在北方地區的粉質黏土地基，靈敏度低，擾動的影響會相對較弱。

表2 固結不排水抗剪強度指標對比Table2 Comparison of consolidated undrained shear strength parameters

5 動力特性

5.1 試驗方法及動力荷載

本次動力試驗采用 GDS公司的雙向振動動三軸系統。試樣尺寸與前文中靜三軸試驗相同，固結壓力均為80 kPa。

由于本文所研究的兩種土在實際工況中均要承受長期交通荷載作用，因此，在動力試驗中，動荷載模擬高鐵運行荷載，排水條件設定為不排水，在極限狀態下研究地基土在交通荷載作用下的動力特性。在動應力比的選取上，選取了較大的動應力比，為了在動力試驗中使土體發生破壞，研究土體動強度。

本次試驗荷載波形采用京津高速鐵路相應數據，進行列車-鋼軌-板式軌道-路基和地基系統進行整體耦合振動分析，模擬得到的豎直方向動應力形式，如圖 6所示。方法詳見文獻[12]。通過前人的研究發現[13－14]，地鐵運行過程中地基土所受動力荷載波型也與圖6所示波型相似。因此認為，可以用圖6所示波型來大致模擬地鐵運行過程中的動力荷載，所以本次試驗中對杭州地鐵沿線的粉質黏土也使用上述波形加載。

圖6 模擬交通荷載波型Fig.6 Simulated traffic loading in the test

5.2 動力試驗結果與分析

5.2.1 變形特性

圖7給出了不排水條件下兩種土累積應變（循環荷載中產生的塑性應變為累積應變）隨振次的變化關系。從圖中可見，在較小的動應力下，試樣的累積應變會慢慢趨向穩定；在較大的動應力下，則可能發生應變的突然增大而導致破壞。如：京津土在動應力比0.5（動應力定義為：C SR=σd/2σ3，σd如圖6所示，σ3=80 kPa）作用下，前30000次振動后應變僅為 2%，但是在后面的振動中應變迅速發展，最終達到10%以上。可見，粉質黏土在長期交通荷載作用下，若排水條件不暢，會產生很大的工后沉降。在這兩種應變發展模式之間，存在一臨界動應力比，這一概念的提出可參見文獻[15]，即動應力比小于臨界動應力比，變形最終趨于穩定；若動應力比超過臨界動應力比，土體變形會急劇增大，并最終超過工程許可。因此可以推論，要控制鐵路地基長期沉降可以采取兩種方法：一是提高地基土臨界動應力比；二是降低交通荷載產生的動應力。

5.2.2 動強度

國內外許多學者對飽和粉質黏土動力荷載下的特性做了研究。但對其破壞標準取值方面國內外還沒有形成共識。其中有變形標準（1%、3%、5%、10%等[16－17]）；屈服標準（陳穎平等[18]提出了用累積應變轉折點的方法來判定應變）；孔壓標準（動荷載引起的殘余孔壓達到極限平衡時的孔壓或達到起始液化時的孔壓[19－20]）等。在粉質黏土動力破壞判別標準上，主要是采用應變判別標準。即在一定振次下達到認為破壞的目標應變所需要的動應力幅值。從動強度的定義可以看出，選取不同的動強度破壞標準動強度也就不同。

表3給出了京津、杭州兩地粉質黏土的原狀和重塑試樣動三軸試驗情況匯總表。表3中振次是本次試驗中兩種土的原狀以及重塑試樣在各種動應力比的交通荷載下達到 3%應變所需要的振次情況。表中“未達到”是表示試樣在110000次交通荷載作用后應變仍小于3%。

Boulanger和Idriss[21]認為，黏性土在應變達到3%時會產生破壞，Lee等[22]學者在研究中也發現，高靈敏性黏土和低靈敏性黏土在應變分別達到2%～3%和 4%～6%時會形成剪切破壞面，之后土體將產生大變形。且從靜三軸試驗應力-應變關系曲線來看，杭州土在應變達到 3%時強度達到峰值。而一般路基是以強度控制設計，而對于高速鐵路以及城市軌道交通工程等項目，變形控制是路基工程設計的主要控制因素。因為在強度破壞前，可能已出現了不容許的過大變形。因此，擬選取瞬時應變達到3%為破壞標準。

圖7 不排水條件下試樣累積應變隨振次的變化關系Fig.7 Relationships between accumulated strain and vibration number in undrained condition

表3 動三軸試驗匯總Table3 Summary of dynamic triaxial tests

圖8為根據表3數據繪出的動強度曲線，表中未破壞的試樣假設在這個動應力條件下破壞振次無窮大；結合圖7對比發現，原狀京津土動強度高于杭州土。兩種重塑土動強度都比原狀樣有所下降，然而杭州土重塑后的動強度下降更為明顯，其臨界動應力比大約在0.20～0.25，只有原狀土的50%左右。而京津重塑土的臨界動應力比在0.3左右，大約相當于原狀土的70%，明顯高于杭州土。

圖8 動強度曲線Fig.8 Dynamic strength curves

6 振后抗剪強度

由于低路堤高速公路和鐵路的軟土地基會在長期交通荷載作用發生軟化，導致地基承載力降低，影響工程安全正常使用。因此，本文也對京津土和杭州土在循環荷載作用后抗剪強度變化規律進行了研究。振動結束后，立即進行不排水剪試驗。

圖9～12給出了兩種粉質黏土振后靜力剪切過程中應力-應變發展、孔壓發展以及應力路徑等。靜力剪切試驗中的應變計算仍設試樣初始高度8cm為基礎，并在動力試驗產生的應變和孔壓基礎上進行的，因此，應變和孔壓的初值不為0。

表4是兩種土原狀和重塑試樣的振后有效應力抗剪強度指標。表中 u0表示振動后產生的殘余孔壓。動應力比為0的情況即試樣的靜三軸抗剪強度。振后c′、φ′值的計算中破壞標準同靜三軸剪切試驗。從兩種原狀土以及重塑土的振后強度研究中可以發現，振后試樣抗剪強度隨著循環荷載動應力比的增大而減小。這是由于在較大動力荷載作用后，孔壓上升也較大，導致有效圍壓減小，抗剪強度降低。原狀土樣有受到小幅振動后使強度升高的現象。這種較小振幅的長期往復振動作用，類似于預剪作用[23（]prestraining）。對重塑試樣，則不存在該現象。

從原狀土的振后黏聚力來看，京津土的振后黏聚力值有一定提高，杭州土則比振前減小。兩種土的振后φ′值比原狀土都有一定增長。重塑土的振后c′、φ′值比振前有所下降。

圖9 京津原狀土振后三軸試驗Fig.9 Standard triaxial tests after cyclic loading for undisturbed Beijing-Tianjin soil

圖10 杭州原狀土振后三軸試驗Fig.10 Standard triaxial tests after cyclic loading for undisturbed Hangzhou soil

圖11 京津重塑土振后三軸試驗Fig.11 Standard triaxial tests after cyclic loading for remoulded Beijing-Tianjin soil

圖12 杭州重塑土振后三軸試驗Fig.12 Standard triaxial tests after cyclic loading for remoulded Hangzhou soil

表4 振后抗剪強度Table 4 Shear strength after dynamic loading

7 結 論

（1）與京津土相比，杭州土有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、強度低的特點。動、靜強度都明顯低于京津土。

（2）微觀結構反映出杭州土顆粒間聚合較多且聚合顆粒之間有較大孔隙；而京津土以單粒結構為主，且孔隙較小。因此，杭州土靈敏度較京津土高。

（3）長期交通荷載作用下，減少動應力或增大地基土的臨界動應力比可使地基土的應變發展過程更快地趨于穩定。

（4）粉質黏土在承受較大交通荷載且排水不暢時應變可能會持續發展，出現應變過大的情況。

（5）小幅振動后，土樣強度變化很小或有一定增大，而隨著振幅增大振動后強度會發生衰減。重塑樣的振后強度均低于未經歷振動時的不排水強度值。

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