海陸交互相軟土固結抗剪強度指標變化規律研究

摘 要：以珠三角地區海陸交互相淤泥質軟土為研究對象，通過室內直剪試驗探究不同固結壓力和固結度下抗剪強度及抗剪強度指標的變化規律，提出抗剪強度及對應指標-固結度-固結壓力三維Logistic數學模型。研究結果表明，當固結壓力 P≥200 kPa、固結度U≥40%時，軟土黏聚力（c）和內摩擦角（φ）增長較為明顯；當U=100%時，各級固結壓力作用下的軟土抗剪強度（τ）相較于初始狀態分別提高了7.89、12.73、13.50、18.20、22.38 kPa；所給出的三維數學模型可直接計算出某一固結壓力和固結度下的抗剪強度指標c、φ、τ。研究成果能夠更為準確地評價該地區軟土地基逐級加載過程中的整體穩定性。

關鍵詞：海陸交互相軟土； 分級加載； 抗剪強度指標； 固結度； 固結壓力

中圖分類號：TU411.7 文獻標識碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2024.04.023

Research on the Variation of Shear Strength Index of Marine-continental Facies Soft Soil after Consolidation

LIU Hongjun， HE Chengling*， CHEN Feng*， ZHOU Zhijun， YANG Chao

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuyi University， Jiangmen 529020， China）

Abstract： Taking the marine-continental facies soft silty soil in the Pearl River Delta region as the research object， the changing rules of shear strength and shear strength indexes under different consolidation pressures and degrees of consolidation were investigated through indoor straight shear tests， and a three-dimensional logistic mathematical model of shear strength and corresponding indexes-degree of consolidation-consolidation pressure was proposed. The results showed that： when P≥200 kPa， U≥40%， the growth of soft soil cohesion （c） and internal friction angle （φ） was more obvious； when U=100%， campared to the initial state， the soft soil shear strength （τ） under the action of all levels of consolidation pressure increased by 7.89， 12.73， 13.50， 18.20， 22.38 kPa， respectively； the given three-dimensional mathematical model can directly calculate the shear strength index and shear strength under a certain consolidation pressure and consolidation degree； the research results can more accurately evaluate the overall stability of the soft soil foundation in this area during the step-by-step loading process.

Keywords： Marin-continental facies soft soil； graded loading； shear strength indexes； consolidation degree； consolidation pressure

0 引言

在珠三角地區軟土分布廣泛，修建在該區域的道路易出現軟基失穩和工后沉降過大等工程地質問題。在實際工程應用中，常采用堆載預壓排水固結法來處理道路軟土地基，該方法有著施工便捷、處理面積大、造價低和工后沉降小等優點，但如果在堆載預壓過程中填土加載過快，軟土地基來不及在每級荷載作用下完全排水固結，易出現軟基整體失穩的現象。因此，為更加準確地評價道路軟土地基在分級加載作用下的整體穩定性和安全性，首先需要研究該區域的軟土在不同固結壓力和固結度下其抗剪強度指標及抗剪強度的變化規律，雖然目前這方面已取得了一定的研究成果，但軟土的物理力學性能還受區域性、成因等因素的影響［1-5］，通過簡單借鑒其他地區的軟土工程性質去評價該地區軟土地基穩定性和指導工程施工是不安全、不合理和不經濟的。

有學者采用三軸試驗方法來研究軟土在不同固結度下的力學特性［6-12］，但三軸試驗方法所需周期長，對采用大量試樣來探索抗剪強度指標的變化規律，三軸試驗就沒有直剪試驗簡單易行，故采用室內直剪試驗方法對江門市新會區海陸交互相淤泥質軟土進行抗剪強度指標及抗剪強度的研究，主要研究該地區軟土在不同固結壓力和固結度下抗剪強度指標及抗剪強度的變化規律，研究成果可為該地區道路軟土地基的設計、施工和安全穩定性評價提供合理的力學計算參數作為參考數據。

1 工程地質概況

江門市新會區軟土屬西江三角洲沖積平原，區內廣泛分布第四系全新統海陸交互相沉積軟土，是不良地基土，土類主要為淤泥和淤泥質軟土，具有含水率高、天然孔隙比大、土體接近完全飽和、滲透性低、抗剪強度低、壓縮性高、承載力低和結構性強等物理力學特性［13-18］。軟土層層頂埋深為1.80～6.20 m，層厚為8.00～17.95 m，平均厚度為12.18 m。為研究江門市新會區淤泥質土的抗剪強度特性，本研究的土樣均取自江門市新會區中科創新廣場周邊市政道路工程項目的淤泥質軟土路段作為研究對象，并通過人工現場鉆取，取土深度為5～6 m，土樣呈灰黑色，飽和，流塑狀態。依據《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020）試驗方法［18］，對所取原狀土樣進行室內試驗，其物理力學性質指標見表1。

2 試驗研究方案

本試驗研究采用直剪試驗法。在試驗過程中，通過固結壓縮量來計算某一級固結壓力下的固結度

U_t=S_t/S_∞ 。 （1）

式中：U_t為該級壓力下的固結度，%；S_t為該級壓力下達到某一固結度所需要的壓縮量，mm；S_∞為該級壓力最大壓縮量，mm。

具體操作步驟如下。第一，準備5組同種軟土試樣，每組4個，使每組試樣分別在固結壓力為25、50、100、200、400 kPa下進行壓縮固結試驗，當最后11 h內的壓縮量在0.01 mm以內，即固結度達到100%。記錄每個土樣的壓縮量，取各組中4個土樣的平均壓縮量，其作為每級固結壓力作用下固結度達100%時的壓縮量S_∞；第二，將每組試樣分別在剪切壓力為25、50、100、200 kPa下進行固結快剪，完成固結度為100%的剪切。進行剪切試驗前，在試樣上下方放入不透水的塑料薄膜，以保證試樣在剪切過程中盡量不產生排水；第三，軟土的固結度用壓縮量表示，即試樣壓縮量達總壓縮量的20%、40%、60%、80%時，代表該試樣固結度達到20%、40%、60%、80%。接著切取20組每組4個試驗，使每組試樣在每級固結壓力下達到相應的固結度后，按順序依次將每組試樣安裝在直剪儀器上，并分別在25、50、100、200 kPa剪切壓力下進行固結快剪，同時記錄試樣的剪切位移。

按上述方案進行試驗，即可研究軟土在某一固結壓力下的不同固結狀態對抗剪強度的影響。本試驗采用應變控制式直剪儀，剪切速率為0.8 mm/min，在3～5 min內剪損。根據《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020），當測力計百分表讀數不變或后退時，繼續剪切至剪切位移為4 mm時停止，記下破壞值；當在剪切過程中測力計百分表無峰值時，剪切至剪切位移達6 mm時停止。

3 試驗結果分析

3.1 抗剪強度指標與固結壓力、固結度的變化規律

通過室內直剪試驗得出軟土在不同固結壓力及固結度下的抗剪強度指標，見表2和表3。

圖1為不同固結壓力和固結度下軟土黏聚力的變化曲線，可以看出黏聚力在快剪時數值最小，隨固結壓力和固結度的增大，軟土黏聚力也隨之增大，每一級固結壓力下，黏聚力增幅趨勢隨固結度增加明顯，基本接近于直線的增長關系。圖2為不同固結壓力和固結度下軟土內摩擦角的變化曲線，由圖2可以看出，當固結壓力較小時，隨著固結度的增大，內摩擦角的變化幅度并不大，但隨著固結壓力的增大，內摩擦角隨固結度增加而增大趨勢越顯著，表明土顆粒排列得更加緊密。

3.2 抗剪強度指標-固結度-固結壓力三維數學模型的建立

基于對抗剪強度指標c、φ隨固結壓力和固結度的變化規律研究，得到本區域淺埋軟土的抗剪強度指標、固結壓力與固結度的三參數Logistic數學模型，該數學模型用于計算淺埋軟土在任意一級固結壓力和固結度下的抗剪強度指標c、φ。

1）軟土黏聚力（c）

c=A_2+（A_1-A_2）/（1+（U/68）^3.411 ） 。 （2）

式中：A1=1.6+0.026 1p-0.000 036p2；A2=-25.705·e（-p/278）+35.5；U為固結度，%；p為固結壓力，kPa；c為黏聚力，kPa。

由表4可知，2種方法得出的c相當接近，絕大部分擬合值與試驗值之間的絕對誤差在±0.975 kPa以內，個別的絕對誤差相對較大在±2.84 kPa以內；由圖3可知，數學模型推算的c隨固結度變化的曲線與實際試驗得出的曲線擬合程度較高，相關系數R2可達到0.95以上，說明本研究提出的數學模型是可采用的。

2）軟土內摩擦角（φ）

φ=A_2+（A_1-A_2）/（1+（U/68）^（A_1+1.15） ）。 （3）

式中：A1=4.087 03-4.459 08·e（-p/54）；A2=0.030 75p+5.12；φ為內摩擦角，（°）。

由圖4可知，數學模型推算的軟土內摩擦角隨固結度變化的曲線與實際試驗得出的曲線擬合程度較高，相關系數R2可達到0.90以上；由表5可知，2種方法得出的φ相當接近，絕大部分擬合值與試驗值之間的絕對誤差在-0.808 8°～0.645 8°，只有極個別的絕對誤差相對較大，說明本研究研究提出的數學模型是可采用的。

3.3 抗剪強度與固結壓力、固結度的變化規律

影響軟土抗剪強度的主要因素有黏聚力、內摩擦角和作用在剪切面上的法向應力。表6為軟土在不同固結壓力、固結度下的抗剪強度值，圖5為通過室內直剪試驗得出不同固結壓力和固結度下軟土抗剪強度的變化曲線。由圖5可知，隨著固結壓力和固結度的增大，淤泥質軟土的抗剪強度也在隨之增大，主要由于軟土在固結壓力作用下，增加了土粒間的作用力，使軟土抗剪強度增大。

3.4 抗剪強度-固結度-固結壓力三維數學模型的建立

依據固結壓力和固結度對抗剪強度影響的研究成果，得到本區域淺埋軟土的抗剪強度、固結度、固結壓力的三維Logistic數學模型，見式（4）。該數學模型可用于計算淺埋軟土在任意一級固結壓力和固結度下的抗剪強度τ。

τ=42.273-29.9e^（（-p）?404）+（29.9e^（（-p）?404）-8.85e^（（-p）?110）-32.478）/（1+（U/68）^2.65 ） 。 （4）

式中，τ為抗剪強度，kPa。

上述提出的軟土抗剪強度-固結度-固結壓力三維數學模型是在Logistic函數模型的基礎上，利用Origin軟件對大量試驗數據進行擬合分析而得的。圖6和表7是軟土的抗剪強度-固結度-固結壓力數學模型的擬合結果與試驗結果的對比情況。

由圖6可知，數學模型推算的軟土抗剪強度曲線與實際試驗得出的曲線擬合程度較高，相關系數R2可達到0.94以上；由表7可知，兩者得出的抗剪強度值相當接近，絕對誤差在±2.0 kPa以內，絕大部分的絕對誤差在±1.0 kPa以內。說明本研究提出的數學模型是可采用的。

4 結論

1）軟土的黏聚力在U=0%時的直剪試驗結果最小，而隨著固結壓力和固結度的增加，軟土的黏聚力也相應增加。在固結壓力P<200 kPa、固結度U<40%時，黏聚力處于緩慢增長的趨勢；而固結度U≥40%時，軟土黏聚力的增長速度明顯。當固結壓力P≥200 kPa時，黏聚力隨固結度持續增大而顯著增大。

2）軟土在不同等級荷載作用下，固結度在40%以內時，軟土的內摩擦角隨固結度持續增加而緩慢增大，且增幅較小；當固結度超過40%，內摩擦角隨固結度的持續增加而顯著增大。

3）在固結壓力、固結度持續升高的情況下，軟土抗剪強度有所提高；相較于初始未固結軟土，當固結度U=100%時，在各級固結壓力作用下抗剪強度分別提高了7.89、12.73、13.50、18.20、22.38 kPa。

4）依據不同固結壓力和固結度下對抗剪強度τ及相應指標c、φ的變化規律研究，提出本區域軟土的抗剪強度及抗剪強度指標c、φ與固結壓力、固結度的三維Logistic數學模型，可通過該數學模型直接計算出某一固結壓力、固結度下的抗剪強度指標和抗剪強度值，可為該地區的軟基施工設計提供參考。

5）研究成果可用于評價該地區軟土地基在逐級加載過程中的安全性與穩定性，以便于控制加載進度，但該地區軟土的抗剪強度特性的研究成果是否適用于其他地區，還需進一步研究。

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