黃泛平原結構性低液限土的先期固結壓力確定

史翠英，寇　婷，沙　俊

（江蘇省地礦局第五地質大隊，江蘇徐州221004）

黃泛平原結構性低液限土的先期固結壓力確定

史翠英*，寇婷，沙俊

（江蘇省地礦局第五地質大隊，江蘇徐州221004）

以黃泛區平原低液限土為研究對象，在對比、分析了原狀土與重塑土的一維單向固結壓縮曲線形態后認為：黃泛平原低液限土是一種具有結構性的土，且經試驗結果證實土的結構強度較弱。經采用雙對數坐標法和還原曲線法來確定土的結構屈服應力及先期固結壓力，結果證實：①雙對數坐標法同樣適用于低液限土的結構屈服應力求解；②傳統試驗方法及Casagrande法確定結構性低液限土的先期固結壓力是不合適的；同時初步探討了黃泛平原土的結構性特征。

黃泛平原；土的結構性；低液限土；先期固結壓力

土的結構性，是指土體顆粒和孔隙的性狀和排列形式（又稱組構）及顆粒之間的相互作用。土結構性對土體的應力—應變、強度、滲透等工程性質有著強烈的影響，從而引發人們的廣泛關注，并成為“21世紀土力學的核心”研究課題[1]。近年來的研究表明：各地區、各種類型的土都存在著結構性，而且不同成因，不同類型，不同內部結構的土，其結構性有著極大的差異。然而，對于成因特殊，分布區域廣泛的黃泛區平原土的結構性研究卻鮮見文獻。

研究表明，黃泛平原區因黃河的沖淤積作用，區內土質呈層狀分布，土質以低液限粉土、粉質粘土為主（局部夾有高液限粘土層）；土中礦物成分中非粘土礦物（石英、長石等）含量高（最高達89%）；粘土礦物含量低（平均26%，最低11%）[2]，土的工程特性表現為低塑性、高密度、低強度、中壓縮性等[3]。對取自濟南北某施工現場土樣，進行室內試驗，對區內土的結構性及其對土的先期固結壓力這一土性指標的影響予以探究，期望據此引發同行關注。

1　土的性質與試驗

1.1土的性質

在鉆探現場，沿鉆孔不同深度取原狀樣三件，并依照《公路土工試驗規程》（JTG40-2007）測試土的各項土工參數，同時制作對應的重塑樣，控制重塑樣的含水率、孔隙比與原狀土相近。土的主要物性指標見表1。由表1可見試樣具有黃泛區平原土質特征：表現為土的天然密度較大，孔隙比較小，土在天然狀態下密實；依土的液限和塑性指數，按規程（JTG40-2007）塑性圖分類，應屬低液限土；土的顆粒組分顯示，土中粒組分散度不高，主要以粉粒組為主，粘粒含量較低。

表1　土的主要物性指標

1.2試驗

試驗采用KTG-98全自動高壓固結試驗系統，可實現加荷、判穩及數據采集的全自動控制，加荷速率取1，即試驗壓力設置為：12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200（kPa）共9級。考慮到該類土在有側限單向固結條件下，沉降穩定較緩慢（張朋等）的特點，每級荷載歷時4d再施加下一級荷載，以獲取完整的試驗成果。

2　試驗成果與討論

2.1土的結構性

如圖1所示，為原狀土與重塑土的壓縮曲線。由圖1可見：

（1）原狀土的壓縮曲線在初始低壓力段曲線變化平緩，隨著試驗壓力的增大，曲線出現陡降；再增大試驗壓力，曲線變化又趨緩，即原狀土的壓縮曲線變化呈緩慢-陡降-趨緩的三段式。而對應重塑土的壓縮曲線則是隨著試驗壓力增大以近乎直線的形式變化，只是在試驗壓力大于1600kPa后才有所趨緩。對比原狀土和對應重塑土的壓縮曲線形態可以認為，試驗所取土樣是具有結構性的土。王立忠（2004）將原狀土的壓縮曲線形態分為2種：①三段式：平緩—陡降—再趨緩；②二段式：平緩—陡降，并認為具第①種曲線形態的土具有較強的結構性，而結構性的強弱與土的結構強度相關。試驗表明，本文所取土為具有一定結構強度的結構性土。

（2）在相同的垂向壓力下，原狀土與對應重塑土之間存在一個孔隙比差Δe。這說明原狀土在沉積過程中形成了某種形態的結構并且產生一定的結構強度，即土的結構屈服應力。當試驗壓力較小時，原狀土的結構強度足以抵抗這種低應力作用而不致使土體產生較大變形，所以相對重塑土而言Δe較大；隨著試驗壓力增大，原狀土的結構性部分損傷，土的沉降開始加大；當試驗壓力達到或超過土的結構屈服應力σk后，原狀土的結構崩潰，結構性喪失，處于結構屈服狀態。原狀土結構屈服后沉降量增大，壓縮曲線變化陡降，Δe值快速減小，原狀土壓縮曲線向重塑土壓縮曲線趨近。對于Δe值，Burland（1990）將其定義為附加孔隙比，用于定性表述土的結構性。

2.2土的結構強度

對于具有結構性的原狀土而言，土的結構屈服應力σk值是描述土的結構強度的重要參數，而結構屈服應力σk的確定。目前通用的方法是依原狀土在一維單向固結狀態下的壓縮曲線來確定。

2.2.1由Casagrande法確定σk值

傳統的casagrande法（下文簡稱“C”法）所得出的是土的先期固結壓力，但這只是針對非結構性土而言的。對于具有結構性的土，當壓力超過土的結構屈服壓力后，土的結構性喪失，沉降量增大，土處于結構屈服狀態，表現在土的壓縮曲線上就是曲線形態出現陡降（如圖2所示）。因此，此時用“C”法所得應是原狀結構性土的結構屈服應力σk，而不是通常意義上的先期固結壓力[7]。

采用C法，本文所取原狀土的結構屈服壓力σk是：試樣sy-1,

σk=70.3kPa；試樣sy-2,σk=109.9kPa；試樣sy-3, σk=138.6kPa；。

2.2.2雙對數坐標法確定的σk值

由于采用C法確定結構性土的結構屈服壓力時，存在著最大曲率點難以確定，而且結構性土在結構屈服后的壓縮曲線形態并非完整的呈現直線形，從而使測試結果產生難以避免的偏差。對比，殷杰（2012）推薦使用Butterfield提出的雙對數坐標法，并經他本人對中外39件原狀樣（軟粘土）驗證，有較好的適用性。

雙對數坐標法就是用ln（1+e）-lgP雙對數坐標來處理土的壓縮試驗成果。在該坐標系內，土的壓縮曲線就形成2條相交的直線，其交叉點對應的試驗壓力即為土樣的結構屈服應力σk，所對應的孔隙比即為土在結構屈服應力下的孔隙比。如圖3所示。

由雙對數坐標法得到的原狀樣的結構屈服應力是sy-1,σk=70kPa；試樣sy-2,σk=110kPa；試樣sy-3, σk=140kPa。與由“C”法所得值基本一致。這表明，雙對數坐標法同樣適用于黃泛平原結構性低液限土的結構屈服應力求解。

2.3土的先期固結壓力確定

2.3.1改進后李濤模型

如上文所述對于具結構性的土而言，傳統“C”法所確定的是該原狀土的結構屈服應力σk。而由此得出的超固結比OCR值也只能稱之為原狀土的結構應力比。李濤（1987）等人的研究表明，依據土的壓縮及回彈特性，可以從完全喪失結構強度的重塑土（稱理想重塑土）來還原土的壓縮性狀并推求結構性土的先期固結壓力，由此建立了還原土的壓縮曲線的數學模型。

由于該模型只考慮了土是正常固結土或超固結土而沒有考慮土結構性的影響。王國欣等（2003）經分析后認為用結構屈服壓力σk代替原模型中的上覆壓力P0，其他指標不變。改進后李濤數學模型為：

式中：e1——壓力1kPa時對應的孔隙比，可用初始孔隙比e0代替；

Cr——理想重塑樣的壓縮指數，即理想重塑樣壓縮線斜率；

Cs——重塑樣回彈指數；

σk——原狀樣結構屈服壓力；

Pl——原狀樣與重塑樣壓縮曲線交點上對應壓力值；

A——還原系數，它反映了還原后壓縮曲線的特征。

改進后的李濤模型，經王國欣室內試驗檢驗和鮑國勝（2012）實際工程應用，表明具有較好的實用性和較高的可靠性。

本文采用改進后的李濤模型來確定試樣的先期固結壓力。

2.3.2土樣參數的確定

如圖4所示為模型計算用土樣參數的確定方法，這其中：

（1）理想壓縮曲線是重塑土的初始孔隙比與原狀土和重塑土交點的連線，該壓縮曲線的斜率可用壓力為100kPa和1000kPa及對應孔隙比代入計算。

（2）關于原狀樣與重塑樣兩壓縮曲線的交點。本文所取試樣的試驗結果（圖1）顯示：原狀樣與對應重塑樣的壓縮曲線在試驗壓力范圍內（≤3200kPa）沒有交點。但可以采用依照壓縮曲線趨勢延長壓縮曲線辦法（王國欣，2003）獲得兩壓縮曲線的交點。依此，本試驗3件試樣的壓縮曲線交點位分別是：sy-1,0.739e0；試樣sy-2,0.706e0；試樣sy-3,0.684e0。

文獻[9]介紹了薛邁特曼（Schmertmann）認為在土的密實程度接近和壓力足夠大時，原狀土與擾動土的壓縮曲線趨近并相交于孔隙比為0.42e0處。但經眾多的試驗成果考證，壓縮曲線的交點并不都是042e0。例如：王立忠所做3件溫州軟土其交點位分別是0.622e0、0.574e0和0.647e0；而王國欣所做杭州海積軟土的相交點位是0.59e0。本文所得實驗結果其交點位也并不在0.42e0。可以認為，不同類型（成因）的原狀土與重塑土其壓縮曲線的相交點位是不盡相同的。

2.3.3還原壓縮曲線

各參數確定后，應用改進后的李濤模型，計算出各壓力級別下還原后壓縮曲線孔隙比。如圖5～圖7即為本文所取試樣還原后的壓縮曲線，依此曲線再采用“C”法確定土的先期固結壓力：sy-1，Pc=302kPa；sy-2，Pc=394kPa；sy-3，Pc=472kPa；

2.4土的結構性影響

2.4.1土的結構屈服應力與自重應力

將土的自重應力、結構屈服應力和還原前后土的先期固結壓力等參數列于表2，可見各層位土的結構屈服應力均小于土的自重應力，這表明黃泛平原低液限土的結構強度較弱。

王國欣（2003）認為結構屈服應力是先期固結壓力Pc與結構強度q之和；熊傳祥（2002）對杭州軟土的試驗也證實土的結構屈服應力大于土的自重應力。這些結論對于粘土而言是正確的。而本文之所以得出截然相反的試驗結果，筆者認為是土質差異所致。

由于黃泛平原的成土物源來自于黃土高原。土的物質組成中非粘土礦物含量占80%以上；顆粒組分中粉粒組大于80%（表1）；在黃河水流的長距離搬運作用下，土粒間相互碰撞、摩擦造成土粒表面磨圓度高，表面強度低[2]。土粒在沉積成土后，顆粒間直接接觸，粒間缺少由粘土礦物所產生的絮膠狀和無定型膠體物質，僅在上覆土層的自重應力作用下，土粒之間相互擠壓、趨密，粒間相互咬合形成土的結構強度。

龔曉南（2000）在分析粘土結構性成因時認為：土的物質成分對結構性影響是第一位的。其中不同的粘土礦物，尤其是具膨脹性粘土礦物在土的沉積成土過程中節點變質、鹽基交換、粒間膠結等系列作用，都能影響土的結構性。相比較，黃泛平原低液限土中粘土礦物含量極低，土粒間各種作用缺失；使得土體結構強度形成因素單一。所以，當土受到附加應力作用時土粒間的聯結極易破損，土的結構性易喪失，就表現出表2中的結構屈服應力小于土的自重應力。

表2　土的部分力學特特性參數

對比不同深度下土的自重應力P0與結構屈服應力σk可見，隨著土樣埋深的增加，上覆土層的自重應力增大，土的結構屈服應力σk也隨之增大，這種現象與軟粘土的結構性表現一致（王立忠）。但結構屈服應力σk的增大幅度小于自重應力P0的變化。這表明土的結構性受成土環境影響同時這種影響對不同土質所產生的作用不同。

2.4.2土的結構性與壓密狀態

表2的試驗結果還顯示：采用傳統的“C”法所確定的土的先期固結壓力Pc值均小于土的自重應力，若依此判斷各層土的壓實狀態均屬“欠固結土”，顯然這種判斷是錯誤的。

事實上，早在數十萬年前黃河就開始了塑造華北平原的歷程，進入全新世，黃泛平原又經歷了完整的海水進退旋回；自全新世到進入歷史時期，黃河又發生了數十次泛濫、改道[14]。這些應力增減變化及漫長地質歷史作用，使具一定埋深的土受到壓密，達到在相應自重應力下的固結或超固結狀態。但因試驗過程中土結構性的影響，使傳統的試驗方法得出的土的壓密狀態判斷與實際不符。但采用改進后的李濤模型還原后的Pc值，則能較準確反映土的壓密狀態。同時，比較表2中還原前后的先期固結壓力Pc值與結構屈服應力σk值，實驗結果證實傳統試驗方法所得出的是土的結構屈服應力而并非是土的先期固結壓力。

3　結論

（1）黃泛平原低液限土是具有結構性的土；

（2）土的結構強度較弱，具體表現在土的結構屈服應力小于自重應力及還原后的先期固結壓力；

（3）對具有結構性土的先期固結壓力Pc值應采用還原壓縮曲線的辦法來確定，從而消除土結構性的影響。

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P642

A

1004-5716（2016）11-0005-05

2016-01-13

2016-01-14

史翠英（1980-），女（漢族），江蘇徐州人，工程師、注冊巖土工程師，現從事巖土測試工作。