超固結淤泥質軟土塑性軟化與剪切帶形成機理實驗研究

摘 要 超載預壓處理后軟土地基在使用荷載過大時超固結土會出現塑性軟化，這將導致路基塌陷、建筑物傾斜倒塌等工程災害. 基于汕頭淤泥質軟土的三軸不排水剪切實驗，探究了先期固結壓力和超固結比對軟土塑性力學特性的影響規律，試驗結果顯示：在相同先期固結壓力下，超固結比越大，超固結軟土的應變軟化現象越明顯. 在塑性軟化階段超固結軟土存在明顯的剪切帶，超固結比越大土體的剪切帶越寬越明顯，剪切帶傾角越小；超固結土的塑性軟化現象與土體剪切帶密切相關，土體由正常固結狀態轉變為超固結狀態時土體出現剪切帶，土體應變軟化現象也隨之出現. 基于上述試驗結果并結合土體的抗剪強度機理，從微觀尺度出發建立了超固結土抗剪強度分析模型；基于土體孔隙水的運移作用下土顆粒之間的靜摩擦力與滑動摩擦力的轉換，揭示了超固結土塑性軟化機理；提出了工程上預防超固結土因塑性軟化導致土體強度下降的指導方案，可為超固結軟土地區工程實踐提供參考.

關鍵詞 軟土；超固結比；剪切帶；塑性軟化機理

中圖分類號 TU447 文獻標識碼 A

1 引 言

針對軟土地區的交通建設，地基處理通常采用經濟效益高、施工方便的超載預壓法. 盡管通過超固結可以顯著提高淤泥質軟土的強度，但是當使用荷載一旦超過超固結土體的極限強度時，超固結土的塑性軟化特性將導致土體的強度迅速降低，引發路基滑塌、基坑坍塌等嚴重的工程災害. 探究超固結軟土在加載后期塑性軟化引起土體強度降低的內在機理，對于提高超固結軟土地基強度的同時保證建筑物長期安全穩定使用有著重要意義.

目前國內許多學者已經對超固結軟土進行了大量的研究，并取得了很多有益成果[1]，Anderson[2]、Qian等[3]認為超固結的過程會使土體結構更為致密，會增強土體的抗變形能力和不排水抗剪強度. Fleming和Duncan[4]發現，隨著超固結比的增加，歸一化剪切強度也會相應地提高. Ladd C C[5]通過室內實驗驗證了超固結土在超固結比（OCR）相同的情況下，固結圍壓和剪切圍壓對土體的c、φ值幾乎沒有影響. Wang等[6]的研究得出，土體超固結比越大，峰值偏應力越大，負超空隙壓力越大，試樣會有較為明顯的膨脹. Ren[7]、Zhou[8]、Yasuhara[9]、韓劍[10]等通過試驗研究發現超固結比對飽和軟黏土的動力特性的影響不容忽視. 姚海林等[11]、溫國勝[12]通過重塑土的固結不排水實驗發現在同一固結壓力下，OCR越大，土體的強度越高. 姚愛敏等[13]、孫德安等[14]通過分析大量的實驗數據發現，超固結軟土具有峰值抗剪強度，但隨著應變進一步增加，則強度減弱. 目前國內外的研究多是集中在超固結對軟土強度提升方面，但是在超固結軟土在加載后期出現塑性軟化以及出現塑性軟化的機理方面研究相對較少.

天然軟土剪切帶性狀一直是巖土力學界的研究重點，對于黏性土剪切帶的研究，Hicher等[15]、Otani等[16]利用三軸實驗研究了黏土剪切帶的形成過程. Gylland等[17]通過不同軸向應變速率的三軸實驗發現，軸向應變速率越大，軟土受到的剪應力和試樣的累積孔隙水壓力也越大，進而導致局部化變形也越大. Wu[18]通過試驗探究平面應變條件下超固結黏土的應變局部化響應發現，隨著剪切帶不斷發展，土樣的有效內摩擦角及對應的能提供的有效摩擦力將顯著減小. 蔣明鏡和沈珠江[19]首先利用SEM和定量分析技術，從宏、微觀方面對人工制備結構性土的剪切帶形成進行了分析. 萬航等[20]通過對風化千枚巖進行CT三軸實驗發現，粗粒土剪切帶的形成經歷了壓密、孕育、擴展，直至貫通的漸進演化過程. 李蓓等[21]通過對上海原狀粉質黏土進行固結不排水的平面應變壓縮試驗，研究了剪切帶傾角隨固結壓力的變化情況，認為剪切帶的形成與孔隙水的運動密切相關. 蔣明鏡等[22]通過珠海軟土進行常規固結不排水實驗，采用電鏡掃描和壓汞法對剪切帶內外及邊緣微觀結構進行定量分析，并討論了剪切帶傾角的問題. 目前針對軟土剪切帶的研究主要集中在分析剪切帶產生原因方面，但超固結軟土塑性軟化特性與剪切帶的關聯機制尚有不足.

本文基于廣東潮汕地區典型淤泥質軟土，利用三軸滲透實驗系統對不同先期固結壓力和不同超固結比的軟土進行不排水剪切實驗，得到超固結汕頭軟土的強度和變形特征，以及試樣在不同超固結比下的破壞形態，建立了超固結土抗剪強度分析模型，通過分析土體由正常固結狀態轉為超固結狀態時土體內孔隙水的運移特點，揭示了超固結軟土塑性軟化以及剪切帶形成的機理問題.

2 實驗研究

2.1 土體基本物理性質

試驗土樣采集于廣東省汕頭市澄海區南澳聯絡線一期工程SG01標段的典型軟質黏土，平均取土深度在10.5～11.5 m，土樣呈灰褐色，采用薄壁鐵筒取土器封裝后，在實驗室按《土工試驗方法標準》（GB/ T 50123-2019）相關規定進行試驗加工和試驗，獲得土樣的基本物理參數，見表1.

土體的基本特征為天然含水率高且大于液限，孔隙比大于1，壓縮性高，透水性差，處于飽和流塑—軟塑狀態. 試驗土樣多為淤泥質土、粉砂質淤泥，含有機質（1.69%～7.76%）及貝殼碎片較多，如圖1所示.

2.2 實驗儀器

試驗采用英國VJ公司生產的三軸滲透試驗系統（型號Trican-so Pro），如圖2所示. 主要參數：試樣直徑5 0 mm、壓力室圍壓3.5 MPa、荷載架承載力50 kN、雙通道全自動控制器壓力/體積量程：3 MPa / 250 ml、滲透壓力控制器壓力/體積量程：3 MPa / 250 ml、荷載架應變速率：0.000 01-50.800 00 mm / min、孔壓傳感器量程：1 Mpa；精度+/-0.2%、位移傳感器量程：25 mm；精度0.1%，該系統反壓管路采用電磁閥控制，可實現全自動試驗.

2.3 實驗方法

2.3.1 試樣制備

將現場取回的原狀土拆封，用手動式推土器從薄壁取土器中沿徑向切取一定厚度的土樣，放在切土盤的上、下圓盤之間，然后按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）中關于三軸實驗的規范步驟，制備成直徑d＝50 mm、高度h＝100 mm的標準圓柱試樣，并稱其質量. 試樣飽和采用真空飽和與反壓飽和結合的方式，首先將制備好的試樣用飽和器裝入真空缸中抽真空飽和，然后將試樣置于壓力室，采用三軸滲透系統中自帶的Saturation模塊，設置目標反壓300 kPa，圍壓310 kPa，待孔壓和反壓穩定后進行B值檢測，B值達到0.98可認為試樣已經飽和. 為了加快實驗過程中的固結排水速度，在試樣四周貼上濾紙條，并在試樣上下端面與透水石之間放有濾紙.

2.3.2 固結不排水剪切實驗

進行了兩組三軸不排水剪切（CU）實驗，如表2所示. 第一組實驗是將試樣分別等向加載到800 kPa，固結后卸荷至50、400、800 kPa，固結后保持圍壓不變，以0.8 mm / min的軸向剪切速率不排水剪切，本組實驗的初始超固結比分別為1、2、16. 第二組實驗是將試樣分別等向加載到1 000 kPa，固結后卸荷至200、400、1 000 kPa，固結后保持圍壓不變，以0.8 mm / min的軸向剪切速率不排水剪切，本組實驗的初始超固結比分別為1、2.5、5. 剪切前試樣孔隙水壓力消散95%視為固結完成. 每組實驗均設置3個平行實驗，共計18個試樣.

3 實驗結果及分析

3.1 超固結軟土塑性軟化特征

圖3給出了試樣的偏應力應變關系曲線，從中我們可以看出，試樣在不同先期固結壓力下的偏應力-應變曲線有著相同的變化趨勢. 隨著軸向應變的持續增長，偏應力由剛開始的近似線性增長變為緩慢增長并最終達到峰值，這一階段屬于應變硬化階段. 偏應力達到峰值之后，隨著軸向應變繼續增加，偏應力開始逐漸減小，進入應變軟化階段. 在相同的先期固結壓力下，隨著超固結比的增大，土體進入應變軟化階段的時刻提前，土體應變軟化的現象越明顯.

圖4給出了試樣在不同先期固結壓力條件下的峰值強度與殘余強度的對比圖，觀察發現：在不同先期固結壓力下，OCR（超固結比）的增加導致土體峰值強度與殘余強度顯著降低，且強度損失加劇. 具體而言，先期固結壓力較低時（如800 kPa），OCR增大引起的強度損失更為顯著；而在較高先期固結壓力（如1 000 kPa）下，OCR變化對強度損失的影響相對較小，但仍呈增加趨勢.

表3給出了不同應力狀態下的偏應力峰值及其對應的應變信息. 觀察發現，先期固結壓力和剪切時的試驗圍壓都會對土體的強度產生影響. 在相同的剪切試驗圍壓下，先期固結壓力大的土體強度要大于先期固結壓力小的土體強度；在相同的先期固結壓力下，土體的強度隨著超固結比的增大而減小，且土體達到應力峰值的應變也隨之減小，這表明隨著超固結比的增大，土體進入塑性強化階段的時刻將隨之提前，土體也將更早的進入塑性軟化階段，導致土體的強度在較短的時間內迅速降低.

3.2 超固結土剪切帶演化特征

圖5給出了試樣的剪切破壞形態，從中我們可以看出，先期固結壓力與剪切試驗圍壓都會對土體的破壞形態產生影響. 在相同的先期固結壓力下，隨著OCR的增大，試樣的破壞形態由鼓狀破壞轉變為剪切帶破壞，且OCR越大土體的剪切帶越寬越明顯，剪切角越小. 對比T2和T5的破壞形態發現，在相同的剪切圍壓下，隨著OCR的增大，試樣的破壞形態由剪切帶破壞轉變為鼓狀破壞，且OCR越大，土體越不容易出現剪切帶.

通過試驗發現，先期固結壓力與超固結比均會對超固結土的強度變形特征產生影響，下面將從土體的抗剪強度機理出發進一步分析影響超固結土強度的因素.

4 超固結軟土塑性軟化分析模型研究

4.1 土的抗剪強度機理

土作為一種“摩擦強化型”物質，它摩擦強度的主要部分來自于土顆粒之間的沿著表面滑動而產生的摩擦力. 影響滑動摩擦的因素十分多，比如固體顆粒間的實際接觸面積、法向荷載等. 圖6表示的是土顆粒之間的接觸示意圖，土中顆粒間的實際接觸面積是非常小的，故接觸點的應力非常大. 太沙基認為材料一般在凸起的接觸點達到屈服，于是實際接觸面積Ac取決于材料屈服強度和法向荷載. 假設固體土顆粒不會發生破壞，那么土的抗剪強度中摩擦力是由作用在土顆粒上的法向應力決定的.

4.2 固結壓力對土體抗剪強度的影響

對飽和土體而言，根據有效應力原理可知，作用在土體上的總應力P由孔隙水中的孔隙水壓力u和土顆粒形成的土骨架上的有效應力P'共同承擔. 圖6示意了飽和土體中荷載的傳遞情況，當固結壓力剛開始施加時，土骨架還未及時發生變形，此時產生的總應力完全由孔隙水壓力承擔，隨著固結過程的持續進行，孔隙水緩慢消散，孔隙水壓力逐漸減小，此時的總應力由孔隙水壓力和土骨架上有效應力共同承擔，且有效應力逐漸增大. 故固結壓力增大會導致土體中的孔隙體積變小，作用在土顆粒上的法向應力和土顆粒之間的實際接觸面積變大，土體的抗剪強度提高.

4.3 影響超固結土抗剪強度的機理

超固結土是指先期固結壓力大于現有自重壓力的土，說明土在歷史上曾受過比現有自重壓力大的固結壓力. 這相當于土體經歷過一個“卸載”的過程，由之前的一個很大的應力狀態卸載到當前一個較小的應力狀態. 圖7表示的是超固結土土顆粒之間的接觸示意圖. 土體在歷史固結壓力作用下時相當于正常的固結過程，土體孔隙體積變小，土顆粒之間的實際接觸面積變大，如圖7（b）所示. 在經歷“卸載”之后，土體會發生“回彈”現象，此時土體的孔隙體積變大，土顆粒之間的實際接觸面積變小，如圖7（c）所示，土骨架承受的有效應力也變小，土體的抗剪強度降低.

土體因先期固結壓力產生的體應變由兩部分組成，分別為可恢復的彈性應變和不可恢復的塑性應變. 土體經卸載“回彈”產生的體應變來自可恢復的彈性變形，由于塑性應變的存在，雖然土體經過卸載后產生了回彈，但無法恢復到未施加先期固結壓力之前的狀態，對比圖7（a）和圖7（c）.

土體在承受先期固結壓力時，土顆粒之間實際接觸面積大，接觸緊密，在剪應力的作用下，土顆粒不會發生滑動，此時土顆粒之間的摩擦力為靜摩擦力，如圖8（a）、（b）所示，此時土體的破壞形態將呈現出“鼓脹”破壞，如圖8（c）所示. 當土體承受的固結壓力卸載到P'時，土體發生“回彈”，土體孔隙體積變大，且隨著OCR的增大，土體可恢復的彈性應變將隨之增大，這意味著土顆粒之間的孔隙體積逐漸變大，在剪應力的作用下，土顆粒的旋轉效應將變得更為明顯，更容易發生滑動或滾動，土顆粒之間的摩擦力變為滑動摩擦力. 同時，卸載將會引起土體孔隙水在孔隙之間運移，這一過程會在土顆粒表面形成一層“水膜”，由于這層水膜的存在，土顆粒之間的實際接觸面積將進一步減小，如圖8（d）、（e）所示. 以上兩個因素的綜合影響將導致土體的抗剪強度進一步降低，此時土體將出現“剪切帶”破壞形態，如圖8（f）所示.

5 結 論

通過對汕頭地區淤泥質軟土原狀土樣的不排水剪切實驗以及影響超固結軟土抗剪強度的因素分析，得到原狀汕頭軟土超固結狀態下的強度和變形特性和影響超固結土抗剪強度的機理，結論如下：

（1） 在相同先期固結壓力條件下，隨著超固結比的增大，土的強度顯著減小，且土體更早地進入應變軟化階段，軟化現象更加顯著. 此外，超固結比的增加還導致土體剪切帶變得更寬且更明顯，這表明超固結狀態對土體的力學行為和穩定性有重要影響. 因此，在工程中應用超載預壓法處理軟土地基時，必須謹慎控制預壓荷載，避免過大的卸荷比導致超固結土發生塑性軟化，從而降低土體強度.

（2） 研究發現，超固結土的塑性軟化現象與剪切帶的形成與孔隙水的運移密切相關. 孔隙水的移動過程改變了土顆粒間的相互作用方式，由靜摩擦轉變為滑動摩擦，這是導致土體出現剪切帶和塑性軟化的內在原因. 這一發現揭示了土體內部微觀結構變化與宏觀力學行為之間的緊密聯系，為理解超固結土的變形和破壞機制提供了新的視角.

（3） 基于上述結論，針對超固結土在工程實踐中的特性，提出以下應對措施：首先，在基坑開挖等工程中應重視降排水措施的實施，通過減少土體的含水率來抑制孔隙水的運移，從而提高土層的固結度和穩定性；其次，在設計超載預壓方案時，應充分考慮超固結比的影響，合理控制預壓荷載和卸荷比，避免超固結土發生塑性軟化導致的強度降低.

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Experimental Study on Plastic Softening and Shear Band

Formation Mechanism of Over-Consolidated Silty Soft Soil

ZHOU Ziyu1， WANG Zhen1， YANG Yongyu2， WANG Zhen2， XU Shulin2

（1. College of Engineering， Shantou University， Shantou 515063， Guangdong， China;

2. Shantou Highway Affairs Center， Shantou 515063， Guangdong， China）

Abstract" When the overloading preloading method is used to treat soft soil foundations， the plastic softening of over-consolidated soil will lead to subgrade collapse， building tilting collapse， and other engineering disasters. Based on the triaxial undrained shear test of unaltered soil samples in Shantou， the influence of different pre-consolidation pressures and different over-consolidation ratios on the plastic mechanical properties of soft soil is investigated. The test results show that under the same pre-consolidation pressure， the larger the over-consolidation ratio is， the more obvious the strain-softening phenomenon of over-consolidated soft soil is. There are obvious shear bands in the plastic softening stage of the over-consolidated soft soil. The larger the over-consolidation ratio is， the wider the shear band is， the more obvious the shear band is， and the smaller the shear band inclination is. The plastic softening phenomenon of over-consolidated soil is closely related to the shear band of soil. When soil changes from a normal consolidation state to an over-consolidation state， the shear band and strain-softening phenomenon of soil occurs. Based on the above experimental results and combined with the shear strength mechanism of soil， a shear strength analysis model for over-consolidated soft soil was established from a microscopic scale. Based on the transformation of static friction force and sliding friction force between soil particles under the action of soil pore water migration， the plastic softening mechanism of over-consolidated soil is revealed， and the guiding scheme for preventing the soil strength decline caused by plastic softening of over-consolidated soil is proposed， which can provide a reference for engineering practice in over-consolidated soft soil area.

Keywords" soft soil; over-consolidated ratio; shear band; plastic softening mechanism

收稿日期：2024－07－03

通訊作者：王 震（1988—），男（漢族），山東煙臺人，博士，講師. 研究方向：主要從事巖土凍融方面研究.

E-mail：wzhen@stu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金（41831278）；汕頭大學科研啟動基金（NTF21015）