长江口软基围堤施工的加载速率效应

赵丁凤,钱 健,潘 强,孙近阳,贾敏才

(1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092)

随着基础设施建设的快速发展，为缓解土地用地日益紧缺的问题，可持续利用滩涂资源的围海造陆工程不断兴起。围堤工程的堤坝通常建于深厚的淤泥质软土地基上，受沉积环境和土体颗粒性质影响，软黏土普遍具有含水量高、压缩性大、强度低、透水性差的特性。国内外在类似的滩涂、海堤围填造地工程中也积累了较多经验。

袋装砂棱体快速堆载是围堤施工较为常用的方法。在施工过程中，当监测到深层土体位移(沉降)速率超限时，则适当放缓施工进度甚至暂停该区域范围内的全部施工，但对确保工程稳定性的效果仍不明朗，且不利于控制工期。而基于目前规范[1-3]对深层土体位移(沉降)速率的控制要求，仍发现围堤施工及后期运营中存在侧向位移大的问题。已有试验研究结果表明，软土具有明显的加载速率效应，在宏观上表现为不排水抗剪强度的加载速率效应[4-9]。针对该现象，Hinchberger等[10]和Qu等[11]提出了速率敏感参数的概念来定义应变速率变化对土体强度参数的影响。此外，Hanzawa等[12]、Kabbaj等[13]对比了软黏土室内试验、现场试验的应力-应变关系指出，工程施工堆载软基的应变速率为10-5～10-4/h，而实验室常规试验的应变速率为5×10-3～5×10-2/h，量级差异较大。朱启银等[14]针对软黏土加载速率效应也指出，单纯以实验室加载速率标准下取得的抗剪强度作为工程设计依据，而不考虑土的加载速率效应，极易导致围堤在施工阶段时发生失稳。因此，根据工程特点，仍须进一步开展特定加载路径下区域性软黏土的工程特性研究。

围堤施工大部分为分级加载法，即每级荷载增加后需要静置一段时间，再进行下一级堆载。由于围堤工程施工工期短、堆载速率快，故可认为在施工过程中土体水未能及时排出，我国大部分围堤工程均采用不排水条件下的试验参数进行设计。此外，对于未经地基处理的天然结构性的软土地基，土体渗透系数低、分级静置过程中固结缓慢，强度增长非常有限。因此，可主要考虑加载速率对结构强度、静置时间对软黏土地基触变性和流变作用的影响。考虑到现场试验一般耗时较长，自然环境复杂多变，控制试验条件困难，目前仍以室内试验为主要研究手段。Hinchberger等[15]通过统计大量的三轴试验结果表明，不排水抗剪强度的增长幅度与土体固结状态、固结应力及试验类型(伸长或压缩)均无关，仅与土体的物理力学性质相关。鉴于此，本文以长江口某围堤建设工程为例，通过不同分级加载及静置时间下的室内三轴试验，开展长江口软黏土结构性破坏下的应力-应变关系、结构损伤特性、破坏强度、应变速率的试验研究，预测长期条件下的土体力学行为，并为围堤施工的合理方案确定提出相关建议。

1 试验概况

1.1 试验土样

试验土样取自长江口9 ～ 16 m深度范围内的淤泥质粉质黏土，为该工程堤基的主要压缩层，土体天然含水率大，呈流塑状态，具有高压缩性，主要物理性质指标：含水率w为38.4%，湿密度ρ为1.83 t/m3,土粒相对密度Gs为2.73，孔隙比e为1.06，饱和度Sr为98.6%，液限ωL、塑限ωP分别为36.1%、21.2%，塑性指数IP、液性指数IL分别为14.9、1.25，垂直向渗透系数Kv、水平向渗透系数Kh分别为5.65×10-7、35.3×10-7cm/s，压缩系数a1-2为0.71 MPa-1,压缩模量Es为2.925 MPa。

1.2 试验仪器和试样制备

试验采用GDS多功能三轴仪。试样为实心圆柱形，上、中、下的平均直径约为39.1 mm，高度为80 mm。试样制备完成后，采用真空饱和法进行饱和。随后装样进行反压饱和，反压加至300 kPa，至孔压系数B值大于0.98时认为试样饱和。

1.3 试验方案

饱和完成后，对试样进行K0固结，有效围压为70 kPa。当固结排水变化量小于0.1 cm3,或5 min内的轴向变形≤ 0.005 mm，达到固结完成标准。经前期试验测试，本次试验的固结时间统一为48 h。随后，对试样进行应力控制的不排水分级加载三轴试验(CTC试验)，各试样每级分段施加荷载，先以特定速率加载后保持荷载不变，至设计时间后再进入下一级加载，直至试样发生破坏。试样的破坏标准为：应力-应变曲线表现为应变硬化时，取应变达到15%时的分级应力(σ1-σ3)a作为破坏点；应力-应变曲线表现为应变软化时，取应力峰值为破坏点。

软黏土的结构可能使其力学和工程特性截然不同，故本次共设计了13组试验，以时间为参数，系统性研究淤泥质粉质黏土的加载速率效应，研究方案及相应的试验强度结果见表1。

表1 试验方案及试验强度结果

2 长江口软黏土的试验结果及分析

2.1 典型试验结果及分级应力-应变关系

为模拟施工堆载过程中地基土的强度和变形特性，现分析不同应变速率下土的应力-应变关系，各工况下得到的应力-应变试验曲线如图1所示。可以看出，随着分级加载级数的增加，土体蠕变逐渐发挥。

注：分级加载速率为5 kPa/min，原状土。

图2为各级加载下土体的应力-应变发展关系。整体而言，当分级应力(σ1-σ3)a< 45 kPa时，3个加载速率下的分级应力-应变曲线较为接近，土样内的剪应力较小，并不足以破坏土体的结构性，使得土的强度几乎不受加载速率影响。此时，现场施工时可较快加载，以加快施工进度。由图2c)可知，当分级总时间为300 min时，每级加载速率为1和0.2 kPa/min原状土的应力-应变曲线基本重合，表明特定间歇期下可能存在加载速率阈值，使得加载速率对土的结构性产生的影响减弱。

进一步对比同一加载模式下原状土和重塑土的分级应力-应变关系可知，由于重塑土的结构已遭到破坏，造成同一加载模式下，重塑土的应变较原状土发展更快。但在不考虑固结的前提下，两者的试验强度基本一致，即结构损伤的快慢并不影响土体的最终强度。

图2 分级加载速率对土体分级应力-应变曲线的影响

Vaid等[16]、Zhu等[17]对比了室内三轴试验和现场监测结果，结果表明：三轴不排水抗剪强度峰值对应的应变与加载速率无关。因此，现采用各工况下的试验强度qf来归一化分级应力与分级应变的关系，如图3所示。可以看出，归一化后的分级应力可基本消除加载模式对长江口软黏土应变发展的影响，土体在软化前呈对数发展关系。综上，仍主要考虑加载模式对长江口软黏土强度的影响。

图3 归一化分级应力与分级应变的关系曲线

2.2 加载模式对强度的影响

为了定量分析加载速率(速率效应)和分级时间(蠕变影响)对土体强度的影响，汇总的原状土和重塑土在不同加载模式下的qf值见图4。可看出，土体强度与加载速率、静置时间均存在紧密联系。当保持分级总时间相同时，分级加载速率越快，qf越低。而当分级加载速率不变时，受土体蠕变的影响，分级静置时间越长，试样的qf显著降低。其中，加载速率为5 kPa/min，加载总时间为300 min时的qf(=105 kPa)最低。且相较于每级加载速率为1 kPa/min、静置时间为30 min的qf(=165 kPa)，土体强度降低了36.4%。实际施工时，若快速堆载后伴随较长的间歇期，将不利于土体强度的发挥。

图4 不同加载模式下的土体强度

进一步拟合同一加载速率下的结果发现，分级总时间ta与qf呈现较好的对数关系：

qf=A1lgta+A2

(1)

式中：A1为与加载总时间相关的拟合参数；A2为与分级加载速率相关的参数。对于本次试验，A1=-36.02时，拟合效果均较好。

现采用分级加载时间t1来等效分级加载速率，并与A2值建立关系，如图5所示。经拟合，两者满足如下关系：

A2=-28.98×101/t1+257.41

(2)

综合式(1)、(2)可得：

qf=-36.02lg(t1+t2)-28.98×101/t1+257.41

(3)

式中：t2为分级静置时间。

图5 拟合参数A2与分级加载时间的关系

根据式(3)，给出长江口软黏土分级加载时间-分级静置时间-强度的三维曲线色谱图，见图6。可以看出，当分级加载时间较短(< 6 min)，即加载速率较快(> 2.5 kPa/min)时，不同分级静置时间下，土体强度均较低，qf普遍小于130 kPa。分级加载时间在7 ～ 40 min内、静置时间在35～70 min范围内时，土体强度均处于较高的水平，qf普遍超过160 kPa。此外，由色谱图还可知，过慢的分级加载速率(大于40 min)将使土体强度有所降低。因此，实际施工时，控制分级加载速率，并尽量缩短分级静置时间，可以有效防止土体蠕变导致的强度降低。

图6 分级加载时间-分级静置时间-强度的三维曲线色谱图

2.3 加载模式对应变速率的影响

实际工程中，通常使用变形速率的绝对值和变形趋势来作为土体的失稳标准。目前，根据国内建筑和交通行业规范提出的沉降速率的控制标准，对天然地基建议采用沉降速率≤10 mm/d的标准来控制填土速率，以保证填筑期间地基的稳定性。此次试验土样的应变速率曲线见图7。

图7 不同加载模式下土的应变率时程曲线

由图7可知，每级加载时间为3 min，分级总时间为30和120 min时，土体失稳时两者的应变速率相差约2.4%；每级加载时间为75 min，分级总时间为120和300 min时，土体失稳时两者的应变速率相差约13.3%。而当静置时间均为120 min时，相较于每级加载时间为75 min土样失稳时的应变率，每级加载时间为3 min土体失稳时的应变率更大，相差约44%。综上，土体失稳时的应变率与加载速率和静置时间均相关，但受加载速率的影响更大。因此，采用统一的应变速率标准来判断土样是否发生破坏，仍无法很好地预判土体是否失稳。

现选取加载至应变软化的试验土样进行讨论，并给出了不同加载模式下土体每级最大应变速率与归一化分级应力的发展关系，如图8所示。整体而言，当加荷至土体强度的80%前，每级最大应变速率基本呈线性发展模式；而当加荷超过土体强度的80%时(图中灰色区域)，即使土样尚未发生应变软化现象，分级最大应变率也逐渐偏离加载初期的线性变化。此时，土样已濒临破坏，实际工程中当土样每级最大应变率发生非线性变化时，需要引起警惕。

图8 不同加载模式下每级最大应变率变化曲线

此外，对比各工况，分级加载速率为1 kPa/min下的每级最大应变速率发展趋势呈现较好的连续性，每级的最大应变速率也较小，有利于加载过程中地基稳定性的控制；而加载速率为0.2 kPa/min时，土体在破坏前仍呈现较好的线性关系，但随着蠕变作用的发挥，土体很有可能在下一次加载过程中突然破坏，使得土体的失稳难以预判，易造成工程事故。

3 结论

1)三轴不排水抗剪强度对应的应变与加载速率无关，但与分级加载时间和分级静置时间存在相互作用关系，并以此建立了相应的强度模型。从模型参数分析，当加载速率大于1 kPa/min时，分级静置时间的影响很小，此时土的不排水抗剪强度均较低。当分级加载速率小于1 kPa/min时，分级静置时间越短，土的不排水抗剪强度越高。实际施工时，选取相对较慢的分级加载速率，并尽量缩短分级静置时间，可以有效防止土体蠕变导致的强度降低。

2)当分级应力(σ1-σ3)a< 45 kPa时，加载速率对强度的影响并不明显。此时土样内的剪应力较小，并不足以破坏土体的结构性，使得土的强度几乎不受加载速率影响。在加载初期，长江口软黏土受结构性保护，在较快的加载速率下仍能保持强度，故建议适当提高加载速率、缩短施工工期。同时，在较高堆载下也将有助于提高软黏土未来的排水和固结速度。

3)从应变率曲线来看，利用变形速率的绝对值来判断土体失稳缺乏说服力，土体失稳时的应变率与加载速率和静置时间均有一定关系，且受加载速率的影响更大。当分级最大应变率偏离加载初期的线性变化或达到不排水抗剪强度的80%时，需要引起警惕。在加载的中和末期，长江口软黏土的结构性逐渐被破坏，应变率不断提升，建议此时逐渐加强对应变率的监测，适当提升最大应变率的控制标准，及时关注应变率的变化趋势，当分级最大应变率呈非线性变化时，随时调整施工方案，以避免工程事故的发生。