含水率對軟土無側限強度研究

盧成偉，盧冠銅 （南京南大巖土工程技術有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

在軟土地基上進行施工建設，常常會因為軟土的力學特性造成地基的沉降變形，引發建筑物的損壞[1]。因此軟土地區的土壤變形控制是值得關注的問題。

關于軟土地基的特性研究和處理問題國內外已有諸多學者做出了探究。Whittle A J 等[2]建立了小應變模型來預測軟土地基的建筑物沉降量；楊敏等[3]在4 種不同軟土加固的基礎上提出一種新的地基沉降預測辦法；Peck[4]基于實測數據，將實測數據的地基沉降繪制成圖表，探究基坑距離與沉降量的關系；王衛東等[5]對比了上海不同軟土地區的沉降實測數據，從統計學的角度出發探究軟土的流變特性。

本文對天然狀態的軟土和重塑土進行無側限壓縮試驗，記錄試驗后樣品的軸向應變和側向應變，研究加載的軸向力和樣品含水率對樣品軸向應變和側向應變值的影響規律。

2 試驗描述

本文將普通固結儀進行改進，去掉固結盒，只使用傳統固結儀的加載系統和位移量測系統，用于測量樣品的無側限壓縮應力應變，這里稱改進后的設備為無側限壓縮儀。將天然狀態的軟土和天然軟土制成的重塑土制成環刀樣品，使用無側限壓縮儀進行試驗，記錄試驗后樣品的軸向應變和側向應變，研究加載的軸向力和樣品含水率對樣品軸向應變和側向應變值的影響規律。

2.1 地質條件

本文實驗用土取自江蘇省南京市的長江漫灘相沖積平原，現狀為待開發用地，雜草、樹木叢生，土質為淤泥質粉質粘土，局部夾有中風化巖塊，遇水易軟化，屬極破碎極軟巖。原狀土呈分層狀態，淤泥質土與粉質黏土黑黃交錯分布。土中有機質含量高，帶有些許臭味，實驗用土的物理指標見表1。根據現場踏勘及調查，取土場區及周邊未見有巖溶、滑坡、危巖崩塌、泥石流、采空區、地面沉降、活動斷裂等不良地質作用和地質災害分布。

表1 軟土的物理力學性質

2.2 樣品制備

取天然軟土，烘干后按照設計的含水率向土壤中均勻地加入所需含水率質量的水分，將拌合后的土壤放置在密封袋中靜置24h，讓水分遷移均勻。控制每個樣品的干密度為1.5g/cm3。

設計樣品的含水率分別為26%、24%、22%和20%，采用分層壓實法，將樣品制備成高20mm、截面面積為30cm2的圓柱體樣品。

2.3 試驗過程

樣品的荷載施加采用分級加載的方式進行，分5 級（12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa和200kPa）施加荷載，施加完畢一級荷載后在飽載后的第5s、15s、30s、60s、120s、300s 和600s 讀取百分表的示數，具體試驗設計見表2。對樣品進行無側限壓縮試驗時，軸向力導致樣品產生壓縮變形，在無側向束縛的情況下，樣品還會發生側向擠壓變形，因此樣品的側邊會出現較大的受拉裂縫，當出現這一現象時視為試驗結束。

表2 試驗設計

3 試驗結果與討論

3.1 原狀軟土的無側限變形特性

將原狀土制備的樣品放在無側限壓縮儀中進行試驗，對試驗結果進行疊加處理。各級荷載施加后采用疊加處理，處理的數據繪制見圖1。圖1 展示了不同荷載條件下樣品的軸向和側向應變隨加載時間的變化趨勢。由圖1 可知在各級荷載剛開始加載時樣品產生的變形較大，且變形速度快，隨著施加荷載的時間增長，樣品的變形速度下降；樣品的變形量隨著加載時間的增長不斷增大，但變化速率呈現出不斷減小的趨勢。為了更顯著地比較在無側向束縛的條件下樣品的軸向變形和側向變形的變化速率，將兩種變形的變化率繪制于圖2 中。由圖2 可知，在無側向束縛的條件下，樣品的軸向與側向變形的發展速度遠遠超過單軸壓縮有側向束縛的應變變化速率。在0～600s 的時間內，無側限壓縮環境中樣品的軸向應變率從5.8%衰減為0.05%、側向應變率從3.1%衰減為0.02%，單軸壓縮環境中樣品的軸向應變率從0.06%衰減為0.006%；在樣品剛承受加載力值的瞬間，無側限壓縮試驗的樣品變形速率是單軸壓縮試驗樣品變形速率的98倍；在加載結束時，無側限壓縮試驗的樣品變形速率是單軸壓縮試驗樣品變形速率的8 倍。由此可見，在加載之初，相較于有側向束縛，在無側向束縛的條件下樣品的變形速率更快，但隨著加載時間的增長，樣品的變形速率差距逐漸縮小，可以說明單軸壓縮流變理論并不適用于流動狀態的軟土變形。

圖1 原狀樣軸向和側向應變ε-t曲線

圖2 應變率ε-t曲線

在無側向束縛的條件下，樣品中的土顆粒在受到軸向力的擠壓之后會發生位移，顆粒間的排列發生變化，導致粒間孔隙減小，表現為土體出現壓縮變形。由于土體在荷載作用下需要經過很長一段時間才能達到穩定狀態，保持變形量基本不變，在受壓變形過程中土體中的水分會漸漸在外力作用下被排除，土體顆粒間的水膜厚度減少，顆粒間的接觸面積增大，土體強度得到增強，在壓縮過程中土體漸漸達到穩定。天然的土體雖然存在一定的粘聚力但數值較小。在受到側向力的作用時，樣品從邊緣開始出現受拉裂縫，土體的抗拉強度基本可以忽略不計。由于受拉出現的裂縫隨著受力時間的增長，裂縫寬度不斷發展，由細小裂縫發展為大裂縫。在無側向束縛的條件下，樣品產生破壞的主要原因是由于土體受拉造成的，樣品的受拉裂縫迅速發展，樣品的強度也迅速下降。相較于有側向束縛，在無側向束縛的條件下樣品的變形速率更快，并且能在600s 左右達到變形穩定的狀態，而單向壓縮條件下，土體達到壓縮變形穩定需要耗費數十小時。

3.2 含水量對軟土變形特性的影響

本文控制每個樣品的干密度為1.5g/cm3，設計樣品的含水率分別為26%、24%、22%和20 %，采用重塑土制備樣品進行無側限壓縮試驗。土體的重塑是將烘干后的天然狀態軟土錘碎并過2mm 篩作為試驗用土。在重塑過程中會將天然土體的結構全部破壞，重塑土的強度會遠低于天然軟土，當重塑土的含水率大于30%時，土體就會表現出流體的狀態。但是現有的試驗條件無法精準測得施加荷載后重塑土樣品的變形量，因此本文的試驗樣品含水率不能超過30%。比較相同試驗條件下天然狀態土壤和重塑土樣品的無側限壓縮試驗結果，發現重塑土的結構雖然被破壞，但是其在低含水率的區間內能夠更好地展現土壤的壓縮變形特性。樣品在不同的含水量條件下軸向和側向應變的變化趨勢如圖3 所示，樣品在不同級別荷載條件下軸向和側向應變的變化趨勢如圖4 所示。對比圖2、圖3、圖4 可知，重塑土制備的樣品在無側向束縛的條件下壓縮試驗的變形規律與原狀土的變形規律基本一致，軸向和側向應變的發展趨勢和應變的變化速率衰減趨勢基本一致。

圖3 不同含水量條件下重塑土試樣軸向ε-t曲線

圖4 不同含水量條件下重塑土試樣側向ε-t曲線

觀察圖3和圖4可以發現，當含水率相同時，樣品承受的軸向壓力越大，樣品產生的壓縮變形越大，應變曲線表現為曲線上移，變形量也會越來越大。土體在外力作用下，承受的軸向壓力上升，土體間的顆粒發生相對滑動位移越大，樣品的軸向壓縮變形量也越大。為了探究樣品軸向應變與含水率間的關系，本文取施加荷載為100kPa 時樣品在無側限壓縮試驗中的數據進行分析，具體數據見表3。

表3 施加荷載為100kPa時樣品在無側限壓縮試驗中的數據

觀察表3 中的數據可以發現，當樣品承受相同的軸向壓力時，樣品的含水率越大，在側向束縛的條件下樣品產生的側向和軸向壓縮變形量就越大。因為土體含水率越高，土體顆粒間的間距就越大，包圍在土體周圍的結合水膜厚度越厚。在土體受到外力作用時，水起到了潤滑劑的作用，減小了土體顆粒間的摩擦阻力，更容易發生相對位移，土體的流變性增強。因此軟土流變特性變化與土中水分含量的多少息息相關。

觀察圖3、圖4 可以看出，重塑土樣品的無側限壓縮試驗產生的軸向變形量和側向變形量隨加載時間增長的發展規律基本一致。樣品承受的加載時間越長，產生的應變越大，但應變在加載后期趨于平穩狀態。為了便于比較相同條件下重塑土軸向應變與側向應變的發展關系，本文提出“應變比”這一概念，即求解軸向應變值與側向應變值的比值。在不同含水率、不同荷載、不同受壓時間條件下重塑土樣品的應變比數值見表4。通過表4 的數據可以看出，當施加的荷載和含水率相同時，飽載時間對樣品應變比的變化影響較小，因為這一條件下應變比的標準差計算值差距較小，應變可被視為一個常數。樣品的含水率越低、承受的荷載值越小，則計算得出應變比的標準差差距越大，產生這一現象的原因可能是在低含水率的情況下，樣品產生的變形較小，放大了由于測試度數產生的誤差。因此在試驗中，保持樣品的荷載值和含水率相同時，應變比不會隨著加載時間的增長而產生變化，即時間是與應變比無關的參數。綜合比較表4中的數據可以發現，隨著土體含水率的增大，樣品的應變比逐漸減小并收斂于2。

表4 重塑土樣品的應變比數值

4 結論

本文對天然狀態的軟土和重塑土進行無側限壓縮試驗，記錄試驗后樣品的軸向應變和側向應變，研究加載的軸向力和樣品含水率對樣品軸向應變和側向應變值的影響規律，主要研究結論如下。

①天然軟土在各級荷載剛開始加載時樣品產生的變形較大且變形速度快，隨著施加荷載時間的增長，樣品的變形速度下降；樣品的變形量隨著加載時間的增長不斷增大，但變化速率呈現出不斷減小的趨勢。

②當樣品承受相同的軸向壓力時，樣品的含水率越大，在側向束縛的條下樣品產生的側向和軸向壓縮變形量就越大。在土體受到外力作用時，水起到了潤滑劑的作用，減小了土體顆粒間的摩擦阻力，更容易發生相對位移，土體的流變性增強。因此軟土流變特性變化與土中水分含量的多少息息相關。

③重塑土樣品的無側限壓縮試驗產生的軸向變形量和側向變形量隨加載時間增長的發展規律基本一致。樣品承受的加載時間越長，產生的應變越大，但應變在加載后期趨于平穩狀態。