淤泥及黏土的原狀土和重塑土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)比研究

羅家琪

(福州市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 福建福州 350001)

0 引言

工程上由于設(shè)計(jì)施工等原因造成基坑垮塌、邊坡滑塌時(shí)，土體塌陷破壞。破壞后的土體力學(xué)特性相比天然原狀土發(fā)生了改變。當(dāng)重新對(duì)土體支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取應(yīng)該重新進(jìn)行評(píng)價(jià)。土在擾動(dòng)重塑后結(jié)構(gòu)被破壞，不固結(jié)、不排水剪強(qiáng)度降低，尤其對(duì)于靈敏度高的土強(qiáng)度降低幅度很大。對(duì)于固結(jié)不排水剪強(qiáng)度，土體在一定壓力下固結(jié)后被壓密，并重新獲得一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，強(qiáng)度增加。不同狀態(tài)的土，前期固結(jié)壓力、固結(jié)條件及固結(jié)時(shí)間不一樣；土樣破壞重塑后，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行固結(jié)的條件與原狀土的應(yīng)力歷史不同，因此不同狀態(tài)的土擾動(dòng)重塑后的固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)與原狀土相比有不同的差異。因此，通過對(duì)原狀土和重塑土的固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比研究，可為工程上的運(yùn)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)方法

取某工程3層不同狀態(tài)的土樣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，即分別為淤泥、可塑黏土和硬塑黏土，各取6組土樣。每組土樣的土取自同一深度，同一鉆孔附近，土樣均勻，差異小。試驗(yàn)土層主要物理指標(biāo)如表1所示。對(duì)該3層土分別進(jìn)行原狀土的固結(jié)快剪試驗(yàn)和重塑土的固結(jié)快剪試驗(yàn)。為使試驗(yàn)結(jié)果更具對(duì)比性，原狀土和重塑土取自同一土樣。將土樣均分成兩半，一半按照原狀土進(jìn)行制樣；另一半除去表面，包于塑料薄膜內(nèi)用手搓捏，充分破壞其結(jié)構(gòu)，重塑成圓柱形后制成與原狀土密度、含水率相等的環(huán)刀試樣。硬塑黏土由于土樣較硬，重塑土制樣方法即將土體切碎后錘擊重塑成與原狀土密度、含水率相等的試樣。淤泥的試驗(yàn)垂直壓力為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，可塑黏土和硬塑黏土的試驗(yàn)垂直壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。原狀土的固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，為各級(jí)垂直荷載作用下。每小時(shí)垂直變形讀數(shù)變化不超過0.005mm(達(dá)到此穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為主固結(jié)完成)，記錄固結(jié)時(shí)間。重塑土采用與原狀土相同的固結(jié)時(shí)間進(jìn)行固結(jié)，目的是為了消除固結(jié)時(shí)間不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比造成影響。試驗(yàn)固結(jié)時(shí)間如表2所示。試驗(yàn)嚴(yán)格執(zhí)行土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1]。

表1 試驗(yàn)土層主要物理指標(biāo)

表2 試驗(yàn)固結(jié)時(shí)間

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

各試驗(yàn)土層的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。各試驗(yàn)土層的固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)平均值如表4所示。

表3 試驗(yàn)土層的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

表4 試驗(yàn)土層的固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)平均值

2.2 結(jié)果分析

為便于對(duì)比，根據(jù)各土層的固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)平均值，作出各土層的原狀土和重塑土的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線對(duì)比圖，如圖1～圖3所示。

圖1 淤泥原狀土與重塑土抗剪強(qiáng)度對(duì)比

圖2 可塑黏土原狀土與重塑土抗剪強(qiáng)度對(duì)比

圖3 硬塑黏土原狀土與重塑土抗剪強(qiáng)度對(duì)比

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)及抗剪強(qiáng)度對(duì)比圖可知，淤泥重塑后的固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)與原狀土幾乎一致；可塑黏土擾動(dòng)重塑后的固結(jié)快剪強(qiáng)度降低不明顯，內(nèi)摩擦角與原狀土接近，黏聚力值大約降低了約15%；硬塑黏土擾動(dòng)重塑后的固結(jié)快剪強(qiáng)度相校于原狀土則有較大的降低，黏聚力大約降低了50%，而內(nèi)摩擦角相比于原狀土略微有降低。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，原狀土越硬，重塑后的固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度對(duì)比原狀土的固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度則降低越多。表現(xiàn)出原狀土由軟到硬則重塑土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度降低幅度越大的趨勢(shì)。并且重塑土固結(jié)不排水剪強(qiáng)度的降低，主要表現(xiàn)為黏聚力的降低，內(nèi)摩擦角與原狀土接近。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果原因分析

黏性土的抗剪強(qiáng)度包括內(nèi)摩擦力與黏聚力兩部分。內(nèi)摩擦力是土體顆粒相對(duì)移動(dòng)時(shí)，土粒表面相互摩擦產(chǎn)生的阻力，這部分力主要與土的礦物成分、土顆粒形狀及密度含水率有關(guān)，土的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響內(nèi)摩擦力[2]，影響較小。土體重塑后影響土的內(nèi)摩擦力主要因素并未變化，因此重塑土固結(jié)快剪指標(biāo)的內(nèi)摩擦角相較于原狀土不會(huì)有明顯差別。

土的黏聚力來源于土粒間的各種物理化學(xué)作用，包括庫(kù)倫力、范德華力及膠結(jié)作用力等，受土的礦物成分、密度、含水率及膠結(jié)時(shí)間影響。另外，黏性土具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，體現(xiàn)黏聚力。天然硬土層在沉積過程經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的高壓固結(jié)和次固結(jié)后，土粒表面結(jié)核水膜蠕變、土顆粒結(jié)構(gòu)重新排列，在物理化學(xué)作用下強(qiáng)度緩慢增加，具有更強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)和膠結(jié)結(jié)構(gòu)[3-4]。土體重塑后，結(jié)構(gòu)被破壞，黏聚力降低。固結(jié)快剪試驗(yàn)的固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)為固結(jié)至主固結(jié)完成，硬土重塑土體在主固結(jié)完成后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并未完全恢復(fù)。因此，在固結(jié)快剪試驗(yàn)的固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)下，硬土重塑土的固結(jié)快剪黏聚力降低明顯。

而天然淤泥多為欠固結(jié)或正常固結(jié)土，前期固結(jié)壓力小，固結(jié)時(shí)間不長(zhǎng)，并未經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的次固結(jié)，甚至主固結(jié)未結(jié)束，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低。固結(jié)快剪試驗(yàn)中土體在主固結(jié)完成后被壓密，重新生成新的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，天然土體與重塑土體的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度相當(dāng)。

2.4 固結(jié)時(shí)間對(duì)重塑土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度影響

對(duì)硬塑黏土層進(jìn)行不同固結(jié)時(shí)間的固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，硬土重塑土的固結(jié)不排水剪強(qiáng)度隨著固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增長(zhǎng)，主要表現(xiàn)為黏聚力的增大。其因是土體顆粒間的膠結(jié)程度隨固結(jié)時(shí)間增加而增強(qiáng)，膠結(jié)力逐漸增大，具有更大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。延長(zhǎng)固結(jié)時(shí)間后，重塑土強(qiáng)度增長(zhǎng)由快到慢，當(dāng)固結(jié)時(shí)間達(dá)到7d時(shí)，強(qiáng)度與原狀土很接近，之后強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，如圖4所示。

表5 不同固結(jié)時(shí)間硬塑黏土重塑土的固結(jié)快剪強(qiáng)度

圖4 黏聚力與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié)語

不同狀態(tài)的土，其重塑土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度相比原狀土有不同程度的降低。淤泥擾動(dòng)重塑后，固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度與原狀土相近；而土體越硬重塑后的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度相較于原狀土降低越多，具體表現(xiàn)為黏聚力降低，內(nèi)摩擦角變化不大。

延長(zhǎng)硬土重塑土的固結(jié)時(shí)間后，固結(jié)不排水強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)；當(dāng)固結(jié)時(shí)間達(dá)到7d時(shí)，強(qiáng)度與原狀土接近，之后強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯。重塑土不同于原狀土，由于重塑土破壞了土粒間的結(jié)構(gòu)，在研究重塑土的力學(xué)特性時(shí)，特別是硬土?xí)r，應(yīng)充分考慮固結(jié)時(shí)間的影響。

土是自然的產(chǎn)物，不同的成因、組成、沉積歷史等使得土的物理力學(xué)特性多樣化，不同的試驗(yàn)方法得到的強(qiáng)度指標(biāo)也存在差異，工程上應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況、具體問題具體分析。