天然结构性软黏土一维压缩性状模拟★

殷 杰 苗永红

0 引言

大量研究表明天然沉积软黏土在沉积过程及沉积后的过程中大多会受土结构性的影响［1］，使得天然土与相应重塑土的力学性状存在显著的差异［2］。土结构性对土的工程特性有着强烈的影响，Leroueil等强调指出结构性对天然土力学性状的影响，与初始孔隙率及应力历史的影响同等重要［3］。国内沈珠江院士更是强调指出，发展考虑结构性影响的土体数学模型是“2l世纪土力学的核心问题”［4］。土结构性对天然沉积软黏土的压缩性状的影响是国内外研究的重点，压缩性状反映到一维压缩曲线上，均存在明显的固结屈服压力［5］，并且天然土的压缩曲线位于相应重塑土压缩曲线的上方，随着固结压力的增加，与重塑土的压缩曲线逐渐趋于一致。天然土的压缩曲线在固结屈服前后也存在显著的差异，诸多一维固结试验结果表明，以固结屈服压力为分界点，固结屈服前阶段，天然土的压缩变形非常小，对于结构性很强的土而言，几乎是没有变形的［6］，这是由于土结构性所产生的抵抗力所引起的，抵抗了土样的变形，相应的重塑土不受土结构性的影响，在固结压力作用下产生较大变形，致使达到固结屈服压力时，两者的孔隙比差值达到最大值;固结屈服后阶段，天然土的压缩性较屈服前骤然增加，压缩性比重塑土的要高，故随着固结压力的增加，天然土的压缩曲线逐渐与重塑土趋于一致。有的学者根据这一现象提出天然土在固结屈服后阶段，即当固结压力超过屈服压力时，土结构性的影响是逐渐消失的［6，7］，也有的学者通过分析天然土强度与变形特性，提出达到屈服压力时，结构性的影响是完全丧失的［8，9］。

笔者通过对天然沉积土和重塑土的对比研究，得出重塑土的变形特性不仅取决于它的基本特性，也受到初始含水率的影响［10，11］。天然土屈服时压缩曲线位于相应重塑土的上方，意味着两者在固结屈服压力下的含水率是不同的，因此，屈服后压缩曲线的差异可以解释为是由于对应屈服点含水率不同引起的。

在上述研究结论的基础上，以重塑土压缩曲线为参考基准对天然软黏土一维压缩曲线进行分析，对屈服前后的压缩性状进行模拟，提出屈服后天然土一维压缩曲线的定量表达式。并通过搜集已有文献数据，验证定量公式的有效性和适用范围，为天然沉积土压缩特性的深入研究与压缩性模型的建立奠定基础。

1 天然软黏土一维压缩曲线

大量的试验研究表明，天然软黏土的一维压缩性状反映在压缩曲线上，存在明显的固结屈服点，在e—lgσ'v坐标下，天然土的一维压缩曲线简化为如图1中实线所示。以固结屈服压力σ'vy为分界，天然土软黏土原状样的压缩曲线可以分两段进行模拟，屈服前阶段，由于结构性影响产生的抵抗作用，不扰动样的压缩变形量非常小，可假定为完全弹性变形［11］，相比而言重塑土没有受到结构性的影响，在相同的固结压力下产生较大的压缩变形，如图1中的虚线所示，屈服前阶段天然原状土样的压缩曲线位于相应重塑土样的上方，达到固结屈服压力时，两者的孔隙比差值达到最大值。

需要指出，重塑土样的初始含水率w0与天然原状土样的含水率wn一致，达到固结屈服压力时，两者的孔隙比差值Δe达到最大，此时天然原状土样的孔隙比为ey，对应重塑土的孔隙比为e*y，存在如下关系:

因此，原状土样与重塑土样在屈服前阶段，初始含水率相同的条件下，孔隙比的差异完全是由于结构性的影响而产生的，如图1中结构性影响的区域;固结屈服前后，原状土样的压缩曲线有很明显的变化，屈服后阶段的压缩性骤然增加，使得与重塑土压缩曲线的增量孔隙比Δe，随着固结压力的增加而逐渐减小，最终两个压缩曲线趋于一致。根据已有的研究结果，屈服后阶段，天然土原状土样与重塑土样压缩曲线的差异可以很好地解释为因对应固结屈服压力时二者的孔隙比(含水率)的不同引起的，与土的结构性无关，见图1中初始含水率影响的区域。根据如图1所示的天然土压缩曲线分段示意图，可以对其压缩曲线进行模拟。

笔者曾通过研究发现，重塑土的压缩特性不仅与土的基本特性(液限)有关，而且受到初始含水率的影响［10，11］。重塑土的压缩指数C*c及100 kPa下的孔隙比e1*00，与液限wL、初始含水率之间的定量关系可以表示为:

根据重塑土压缩曲线的定量表达式［2］:

如图1所示，屈服后阶段，天然土的压缩曲线与重塑土的差异是由于屈服点含水率不同引起的，而与土的结构性无关，表明屈服后的压缩曲线可以用上述基于重塑土得出的定量公式描述。即天然土的压缩曲线可以通过假定某个初始含水率(记为wi，与重塑土压缩曲线中的初始含水率w0相区别)、液限(wL)的重塑土样代入式(4)获得。

其中，eu100为屈服后阶段对应固结压力为100 kPa时的孔隙比，可表示为:

需要指出，如果固结屈服压力超过100 kPa后，可根据屈服后的压缩曲线向前外延至100 kPa确定eu100，但该点并不在天然土的压缩曲线之上。

根据这两个压缩参数，代入式(4)，便可得到天然软黏土屈服后阶段的压缩曲线定量表达式:

由于固结屈服点在压缩曲线上，因此可将固结屈服压力σ'xy和孔隙比ey代入式(7)，确定假定的初始含水率wi。

2 屈服后压缩参数定量公式的验证

搜集已有文献中不同天然土原状样压缩曲线的试验数据［2，10，11］，共计41个原状土样。土样的基本物理指标统计如表1所示。土样取自世界各地，液限分布范围比较广，从37%～122.5%。根据土样的实测压缩曲线，可以确定天然土的压缩参数Cuc和。

表1 41个天然土原状土样的基本指标

根据本文提出的压缩参数的定量式(5)，式(6)，可以计算出屈服后阶段天然软黏土的压缩参数和，与试验压缩曲线确定的和进行比较，验证基于重塑土得到的定量公式对于天然土压缩曲线预测的有效性，对比的结果分别如图2，图3所示。

可以看出，图2和图3显示了大部分的计算值与实测值都比较吻合，基于重塑土定量公式计算结果可以很好的模拟天然软黏土屈服后压缩性状，进一步表明天然软黏土达到固结屈服后，它的压缩性状取决于屈服时的含水率，屈服后压缩特性与土的结构性无关。

3 结语

基于重塑土压缩性状的定量变化规律，对天然软黏土的压缩性状进行模拟，主要得到以下结论:

1)天然软黏土压缩曲线可以分两段进行模拟，屈服前变形较小，认为是完全弹性变形;

2)屈服后阶段，原状土样压缩曲线与重塑土的差异是由于屈服时天然土的含水率高于重塑土所致，给出了与重塑土一致的天然沉积土的压缩参数表达式;

3)通过41组天然土实测的结果对比，验证了天然土压缩性指标定量表达式的有效性和适用性，进一步明确了天然沉积土屈服破坏的概念，屈服后天然沉积土的压缩性状与结构性无关。

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