固结与荷载耦合作用下吹填土力学性质与微结构参数关联性

2019-10-14杨爱武封安坤李潇雯

水文地质工程地质 2019年5期

杨爱武, 封安坤, 姜帅, 仲涛, 李潇雯

(1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；3.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

天津滨海新区拥有围海造陆土地资源开发的良好自然条件，目前已完成大部分吹填造陆工程。吹填软土作为一种特殊性土，自重沉积时间短，在自重作用下获得的固结度小于天然软土，这表明吹填软土具有更大的欠固结特性与可压缩特性[1]。杜东菊等[2]、孙明乾[3]从宏观角度出发对不同地区吹填软土的工程特性进行了研究分析，总结出吹填软土的自然条件及其本质上的物理加固条件优于天然软土，更有利于地基土的加固处理。由于土的微观结构特征是决定其宏观力学性质的本质因素[4]，从微观角度，王清等[5]、张玲玲[6]运用WD-5图像处理系统对土体的微观结构作定量分析, 发现经过排水处理后土中结构单元体从较为松散的状态转变为团聚状态，孔隙数量逐渐减少，土体固结程度变高，并通过SEM图像处理技术提出了黏性土微观结构中结构单元体形态特征以及定向性等结构要素的定量评价指标。另有许多学者对吹填软土在沉积固化过程中形成的结构性及微观结构进行了研究[7-9]。刘莹等[10]对沉积后连云港地区吹填土微观结构进行了定量测试，分析表明土水比对吹填土沉积后的微观结构特征起决定作用，且试样土水比越大，沉积后结构越紧密。杨爱武等[11]、彭劼等[12]通过对软土结构性形成原因的分析，提出了时间和加荷方式是影响其微观结构和力学性质形成的重要因素。在工程实际中，高黏粒含量吹填土无一不采用固结处理，但往往固结效果不一，其在安全运营阶段由于上部荷载的持续作用，微观结构和力学特性会发生一定变化[13]，目前还鲜有学者对此进行系统研究。基于此，本文以天津滨海新区一定含水率的重塑吹填软土为研究对象，对其在不同固结条件和荷载效应下的力学性质以及微结构特性进行研究，利用灰色系统优选出几种对力学特性影响较大的微结构参数，通过理论分析，建立起宏观力学性质与微结构参数之间的联系，以期为相关工程实践提供理论依据。

1 试验方案

天津滨海新区吹填土在现场吹填完成后含水率一般高达120%以上[1]，本试验考虑到该土具有塑性指数较高的特点，难以在高含水率下制成标准试样，经多次试配确定保证试样在初始条件下不自行塌落的最高含水率为48.5%，该含水率高于进行一般固结处理后地基含水率。由于吹填土在地基处理过程中可近似认为由扰动状态逐渐变为原状状态，采用重塑土在一定条件下进行三轴试验，可以认为符合吹填软土地基处理过程中土的状态变化，故采用含水率48.5%的重塑吹填土作为试样。重塑土体基本物理力学性质如表4所示。为模拟现场实际，将试验人为分为固结和不排水蠕变两个作用过程。先进行的固结试验分为无偏压固结和有偏压固结两种，以模拟前期地基处理(一般为真空固结法和堆载法)。研究表明，吹填现场地基固结处理的有效深度一般在6 m以内[1]，故选用50 kPa作为试验围压。目前吹填场地地基处理时间一般控制在90 d以内，有时由于工程进度要求，处理时间略有差异，也就是说经过初始地基处理后土体固结度大小不一。由于受土体尺寸限制，一般室内固结时间远小于现场地基处理所需时间，经多次试验表明在50 kPa围压下固结12 h后，固结度较高，接近固结完成，故人工控制室内固结时间分别为0.5，1，2 d以模拟不同的初始固结条件。对于蠕变试验阶段，由于吹填软土在运营阶段是长期荷载的作用过程，且吹填软土塑性指数较高，现场难以有较好的排水条件，故采用不排水蠕变试验模拟吹填软土安全运营阶段。为使土体在荷载作用下产生稳定型流动蠕变而非破坏型蠕变，采用的蠕变应力和固结偏压根据试验土体的三轴压缩屈服应力确定，取10 kPa作为蠕变应力。吹填土在安全运营阶段蠕变变形一般会持续相当长时间，室内很难按实际时间进行试验，目前尚未有统一标准，在试验过程中一般按最后24 h变形量小于0.01 mm为准，国内外相关研究表明，对于一般软土在96 h就能满足上述要求，即近似认为蠕变已稳定，本试验总时间选取15 d即可充分体现吹填土稳定的蠕变过程。固结与蠕变阶段具体试验方案如表1所示。试验仪器采用TSS100土体三轴流变仪，试样尺寸为70 mm2×140 mm。选取蠕变过程中具有代表性的3，6，9，12，15 d的试样(取样示意图如图1所示)，利用应变控制式电动直接剪切仪(主要技术指标如表2所示)测定其直剪抗剪强度指标，同时制取进行微结构测试样品(制备过程如表3所示)，利用德国LEO场发射扫描电子显微镜和LeicaQwin500图像处理系统进行电镜扫描测试以及相关的数据处理，最后利用灰色绝对关联度建立起宏观力学指标与微结构参数之间的关联性。

表1 试验方案

图1 取样示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling

试样规格杠杆比最大垂直荷重/kN最大推动力/kN手轮每转一周推杆行程/mm单相交流电源30 cm2×2 cm1∶121.21.50.2220 V

表3 微观结构试样的制备过程

表4 吹填软土的物理力学性质指标

注：表中C，φ为直剪快剪指标

2 试验结果与分析

2.1 力学特性

在吹填软土不排水蠕变过程中取样，进行力学特性分析。本文主要对抗剪强度指标的变化进行研究，得出黏聚力和内摩擦角随蠕变时间的变化曲线(图2、图3)。

由图2、图3可以看出随固结与蠕变时间的增加，试样黏聚力和内摩擦角逐渐变大，经历一段时间蠕变变形后，增长速率逐渐减小，黏聚力和内摩擦角随蠕变时间的增加逐渐趋于稳定。经多次计算发现黏聚力和内摩擦角与蠕变时间的关系用多项式表示时拟合度较好。在相同固结方式下，经历相同蠕变时间后，初始固结时间越长的试样，黏聚力和内摩擦角增长速率越快，且进入稳定阶段时间越长；当有偏压固结时试样黏聚力和内摩擦角增长速率较快，经历相同蠕变时间后，其数值也越大，说明合理的初始固结压力作用下，固结越充分，土体强度增长越快。另外，未进行蠕变时，初始固结时间的增加对试样黏聚力和内摩擦角影响极为有限，其中固结0.5～1 d时间段内试样初始黏聚力和内摩擦角增幅较大，而固结1～2 d时间段内增幅并不明显，究其原因是固结过程中随着孔隙水压力减小，有效应力增加，土颗粒相互接触挤压，粒间结构由松散走向集聚，土体强度会相应加强，而2 d时固结近完成，土体结构趋于稳定，强度增长缓慢。蠕变开始后其强度增幅明显加大，主要因为蠕变过程是土体结构趋于紧密的过程，包括土颗粒间的挤压和滑移，粒间孔隙被分割与填充，在这个过程中土体强度也进一步提高，一段时间后土体内部结构趋于稳定，强度增幅随之逐渐减小并趋于稳定。这充分表明经过初始固结后再蠕变对吹填土强度的增长起到积极作用。

2.2 典型微观结构分析

按试验方案对相应的试样进行制样、电镜扫描测试，研究其微观结构的变化。限于篇幅，本文选取固结试验完成，即固结2 d不同蠕变时间SEM典型照片(图4～5)。

图2 黏聚力与蠕变时间关系曲线Fig.2 Relationship between the cohesive force and creep time

图3 内摩擦角与蠕变时间关系曲线Fig.3 Relationship between the internal friction angle and creep time

图4 无偏压固结时不同蠕变时间SEM照片Fig.4 SEM photos of different creep time without bias consolidation

图5 有偏压固结时不同蠕变时间SEM照片Fig.5 SEM photos of different creep time with bias consolidation

由图4、图5中可以看出，随着蠕变时间的增加，孔隙逐渐变小，土颗粒逐渐聚合变大，由片堆状结构慢慢变为片架结构，粒间接触由线面接触转变为面面接触；有偏压固结时，孔隙相对较小，颗粒聚合较快，排列比较紧密，整体结构和粒间接触变化更为明显。

采用LeicaQwin5000偏光图像处理系统对扫描多组的SEM照片进行处理和定量分析，微结构参数统计值如表5。由表5分析可得颗粒和孔隙数量、周长整体上呈减少趋势；颗粒的等效直径、形态比和圆度随着蠕变时间的增加呈增大的趋势，而孔隙的等效直径、形态比和圆度则随着蠕变时间的增加呈减小的趋势。无初始偏压时，随初始固结时间的增长，表现为表5中的数据呈增大趋势的数值增长得更大，减小的数值变得更小，原因是经过初始固结与蠕变作用后，小颗粒向大颗粒聚集并相互聚合，大孔隙被分割，小孔隙被填充，最终颗粒由于聚合导致颗粒数量减少，等效直径增大，孔隙则呈相反的趋势，初始固结时间越长，作用效果越显著。有初始偏压固结时，由于孔隙水排出较快，有效应力增加快，孔隙被分割程度增加，颗粒聚合速度增加，因此，与无初始偏压相比，表现为表5中数值呈增大趋势的数值增长得更大，减小的数值变得更小。

表5 微结构参数统计

3 力学指标与微结构参数关联度分析

灰色关联分析法实质上是关联系数的分析。先是求各个方案与由最佳指标组成的理想方案的关联系数，由关联系数得到关联度，再按关联度的大小进行排序、分析，得出结论[15]。由于影响力学特性的微观参数有很多种，无法逐一进行计算，本文利用灰色关联分析优选出几种与剪切强度指标(黏聚力C与内摩擦角φ)绝对关联度较大的微结构参数，进而分析力学特性与主要微结构参数之间的演化关系。表5给出了抗剪强度指标C，φ与微结构参数的量化关系，其中C，φ值随颗粒等效直径、形态比和圆度的增大而增大，但随颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度的增大而减小。由于颗粒与孔隙为互补关系，故只计算颗粒的关联度。按所列公式(1)～(8)计算表5数据可得颗粒微结构参数与黏聚力的绝对关联度：ε颗粒数量=0.52，ε颗粒等效直径=0.92，ε颗粒形态比=0.67，ε颗粒周长=0.52，ε颗粒圆度=0.77。同理，按照上述方法计算可得颗粒微结构参数与内摩擦角的绝对关联度：ε颗粒数量=0.52，ε颗粒等效直径=0.88，ε颗粒形态比=0.65，ε颗粒周长=0.52，ε颗粒圆度=0.74。分析所得绝对关联度可发现等效直径、圆度是影响黏聚力和内摩擦角大小的主要因素，因此本文主要研究黏聚力和内摩擦角与颗粒(孔隙)等效直径、圆度这4个微结构参数的关系。

Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n))

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Xi——系统因素；

xi(k)——在序号k上的观测数据(k=1,2,…,n)；

εij——绝对关联度。

3.1 剪切强度指标与颗粒(孔隙)等效直径关系

颗粒(孔隙)等效直径与剪切强度指标的关系如图6、图7所示。由图6、图7可以看出，相同固结方式下固结时间越长，试样初始黏聚力、内摩擦角以及初始孔隙等效直径会越大，颗粒等效直径越小。其中固结0.5 d与固结1 d时相比试样初始黏聚力、内摩擦角以及颗粒(孔隙)等效直径变化较大，究其原因是固结过程中随着孔隙水压力减小，有效应力增加，土颗粒相互接触挤压，粒间结构由松散走向集聚，土体强度会相应增加；固结1 d与固结2 d时相比试样初始黏聚力、内摩擦角以及颗粒(孔隙)等效直径未发生明显变化，因为1～2 d时固结近完成，土体结构趋于稳定，强度增幅并不明显。蠕变开始后，黏聚力和内摩擦角与颗粒(孔隙)等效直径近似呈二次函数关系，随颗粒等效直径的增大而增大，随孔隙等效直径的增大而减小，这是因为蠕变过程中土颗粒间发生相对位移，细小的土颗粒相互黏聚成大颗粒，颗粒逐渐以团粒的形式存在，表现出颗粒等效直径增大，土颗粒或团粒产生滑动或滚动而重新排列且变得更加密实，土体中原本存在的大孔隙逐渐分变成小孔隙，表现出孔隙等效直径减小。同时，由于土颗粒之间变得更加紧密，颗粒间的离子键等粒间作用力得到增强，导致了土体黏聚力的增大，表现出了黏聚力随颗粒等效直径增大而增大，随孔隙等效直径的增大而减小的趋势。此外，随着颗粒等效直径的增大，颗粒之间接触面粗糙度增大，颗粒之间滑动时产生的表面摩擦力增大。同时，互相咬合和彼此嵌固的颗粒需要更多的能量才能发生原位抬起或啃断而发生移动，导致土体内摩擦角的增大，表现出了内摩擦角随颗粒等效直径增大而增大，随孔隙等效直径增大而减小的趋势。有偏压固结时，孔隙水排出较快，土体强度增长速度加快，蠕变过程中促使颗粒相互位移程度较高，土颗粒间连接更紧密，土体结构更加稳定，同时相同颗粒和孔隙等效直径下黏聚力和内摩擦角较无偏压固结时大。

3.2 剪切强度指标与颗粒(孔隙)圆度关系

图8、图9为剪切强度指标与颗粒(孔隙)圆度关系。

图6 黏聚力、内摩擦角与颗粒等效直径关系曲线Fig.6 Relationship between the cohesive force, internal friction angle with the particle equivalent diameter

图7 黏聚力、内摩擦角与孔隙等效直径关系曲线Fig.7 Relationship between the cohesive force, internal friction angle with the pore equivalent diameter

图8 黏聚力、内摩擦角与颗粒圆度关系曲线Fig.8 Relationship between the cohesive force, internal friction angle with the particle roundness

图9 黏聚力、内摩擦角与孔隙圆度关系曲线Fig.9 Relationship between the cohesive force, internal friction angle with the pore roundness

由图8、图9可以看出固结时间越长，初始颗粒圆度也越大，而初始孔隙圆度越小。其中固结0.5 d和固结1 d相比土体剪切强度指标以及颗粒圆度增幅较大，而固结1 d和固结2 d相比土体剪切强度指标以及颗粒(孔隙)圆度并未发生明显变化，这是因为1 d时固结接近完成，孔隙水排出较少，有效应力增幅不大，土体结构趋于稳定。随着蠕变开始，颗粒圆度逐渐增大，黏聚力和内摩擦角也随之增大，原因主要为在蠕变过程中土颗粒发生相对位移并重新排列，原本细小颗粒逐渐聚集成具有一定方向性且形状不规则的较大颗粒，孔隙由原本形状不规则的大孔隙逐渐分成形状较为规则的小孔隙，从而导致颗粒圆度的增大，孔隙圆度的减小。与等效直径对黏聚力的影响类似，由于颗粒之间变得更加紧密而离子键等粒间作用力得到增强，导致了土体黏聚力的增大，表现出了黏聚力随颗粒圆度增大而增大随孔隙圆度增大而减小的趋势。此外，随着颗粒圆度的增大，颗粒之间的嵌固填充和咬合作用增强，导致土体内摩擦角的增大，表现出了内摩擦角随颗粒圆度增大而增大，随孔隙圆度增大而减小的趋势。初始固结时间、偏压固结等因素对颗粒(孔隙)圆度与土体剪切强度指标之间的关系也存在着一定的影响，其规律和初始固结时间、偏压固结等因素对颗粒(孔隙)等效直径与土体剪切强度指标之间的关系的影响规律一致。

3.3 机理探讨

灰色关联度分析的基本思想是根据确定的因素之间曲线几何形状的相似程度来判断因素之间的关联程度情况。由于黏聚力和内摩擦角与各微观参数单位不统一，所以需对各因素进行量化，通过算子作用使之化为无量纲数据，从而进行关联度分析。等效直径是反映土颗粒和孔隙大小特征的重要参数，颗粒等效直径变大，颗粒聚合体越大，孔隙连通性强；等效直径变小，表明土体结构破坏，部分团粒发生破碎，孔隙被分割。圆度是反映颗粒和孔隙形态的重要参数，其值越趋近于1，颗粒和孔隙形态越趋近于圆形，其值越远离1，颗粒和孔隙形态越不规则。初始固结过程中，由于孔隙水排出，土中有效应力增加，土体剪切强度也会得到提高。当固结时间不同时，孔隙水压力消散程度不同，土体强度增量会存在差异，宏观上表现为初始黏聚力和内摩擦角不同。其中固结0.5 d和固结1 d相比试样初始剪切强度增幅较大，土体微结构参数变化较大，而固结1 d和固结2 d相比土体剪切强度指标以及颗粒(孔隙)微结构参数并未发生明显变化，主要原因是1 d时固结近完成，孔隙水排出较少，土体强度趋于稳定。蠕变过程中土体剪切强度增加主要因为土颗粒间相互挤压，发生相对位移，孔隙被分割填充，土颗粒之间的连接趋于紧密，土体结构由松散趋于稳定，土颗粒之间的联结作用与嵌固和咬合作用得到增强。有偏压固结后的蠕变过程中，土颗粒间相互位移更明显，土体强度增长速度加快，相同颗粒和孔隙等效直径下黏聚力和内摩擦角数值较大。从固化沉积的角度来看，固结和蠕变时间越长，微结构调整越稳定，土体强度值则越大。