淤泥及黏土的原状土和重塑土的固结不排水抗剪强度对比研究

罗家琪

(福州市建筑设计院有限责任公司 福建福州 350001)

0 引言

工程上由于设计施工等原因造成基坑垮塌、边坡滑塌时，土体塌陷破坏。破坏后的土体力学特性相比天然原状土发生了改变。当重新对土体支护设计时，土体抗剪强度指标的选取应该重新进行评价。土在扰动重塑后结构被破坏，不固结、不排水剪强度降低，尤其对于灵敏度高的土强度降低幅度很大。对于固结不排水剪强度，土体在一定压力下固结后被压密，并重新获得一定的结构强度，强度增加。不同状态的土，前期固结压力、固结条件及固结时间不一样；土样破坏重塑后，在规定的试验条件下进行固结的条件与原状土的应力历史不同，因此不同状态的土扰动重塑后的固结不排水强度指标与原状土相比有不同的差异。因此，通过对原状土和重塑土的固结不排水剪强度指标进行对比研究，可为工程上的运用提供一定参考。

1 试验方法

取某工程3层不同状态的土样进行固结快剪试验，即分别为淤泥、可塑黏土和硬塑黏土，各取6组土样。每组土样的土取自同一深度，同一钻孔附近，土样均匀，差异小。试验土层主要物理指标如表1所示。对该3层土分别进行原状土的固结快剪试验和重塑土的固结快剪试验。为使试验结果更具对比性，原状土和重塑土取自同一土样。将土样均分成两半，一半按照原状土进行制样；另一半除去表面，包于塑料薄膜内用手搓捏，充分破坏其结构，重塑成圆柱形后制成与原状土密度、含水率相等的环刀试样。硬塑黏土由于土样较硬，重塑土制样方法即将土体切碎后锤击重塑成与原状土密度、含水率相等的试样。淤泥的试验垂直压力为50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，可塑黏土和硬塑黏土的试验垂直压力为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。原状土的固结稳定标准，为各级垂直荷载作用下。每小时垂直变形读数变化不超过0.005mm(达到此稳定标准认为主固结完成)，记录固结时间。重塑土采用与原状土相同的固结时间进行固结，目的是为了消除固结时间不同对试验结果的对比造成影响。试验固结时间如表2所示。试验严格执行土工试验方法标准规定[1]。

表1 试验土层主要物理指标

表2 试验固结时间

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

各试验土层的试验结果数据如表3所示。各试验土层的固结快剪强度指标平均值如表4所示。

表3 试验土层的试验结果数据

表4 试验土层的固结快剪强度指标平均值

2.2 结果分析

为便于对比，根据各土层的固结快剪强度指标平均值，作出各土层的原状土和重塑土的抗剪强度包络线对比图，如图1～图3所示。

图1 淤泥原状土与重塑土抗剪强度对比

图2 可塑黏土原状土与重塑土抗剪强度对比

图3 硬塑黏土原状土与重塑土抗剪强度对比

由试验数据及抗剪强度对比图可知，淤泥重塑后的固结快剪强度指标与原状土几乎一致；可塑黏土扰动重塑后的固结快剪强度降低不明显，内摩擦角与原状土接近，黏聚力值大约降低了约15%；硬塑黏土扰动重塑后的固结快剪强度相校于原状土则有较大的降低，黏聚力大约降低了50%，而内摩擦角相比于原状土略微有降低。

由试验结果可知，原状土越硬，重塑后的固结不排水剪切强度对比原状土的固结不排水剪切强度则降低越多。表现出原状土由软到硬则重塑土的固结不排水抗剪强度降低幅度越大的趋势。并且重塑土固结不排水剪强度的降低，主要表现为黏聚力的降低，内摩擦角与原状土接近。

2.3 试验结果原因分析

黏性土的抗剪强度包括内摩擦力与黏聚力两部分。内摩擦力是土体颗粒相对移动时，土粒表面相互摩擦产生的阻力，这部分力主要与土的矿物成分、土颗粒形状及密度含水率有关，土的结构也会影响内摩擦力[2]，影响较小。土体重塑后影响土的内摩擦力主要因素并未变化，因此重塑土固结快剪指标的内摩擦角相较于原状土不会有明显差别。

土的黏聚力来源于土粒间的各种物理化学作用，包括库伦力、范德华力及胶结作用力等，受土的矿物成分、密度、含水率及胶结时间影响。另外，黏性土具有结构强度，体现黏聚力。天然硬土层在沉积过程经过长时间的高压固结和次固结后，土粒表面结核水膜蠕变、土颗粒结构重新排列，在物理化学作用下强度缓慢增加，具有更强的骨架结构和胶结结构[3-4]。土体重塑后，结构被破坏，黏聚力降低。固结快剪试验的固结标准为固结至主固结完成，硬土重塑土体在主固结完成后结构强度并未完全恢复。因此，在固结快剪试验的固结标准下，硬土重塑土的固结快剪黏聚力降低明显。

而天然淤泥多为欠固结或正常固结土，前期固结压力小，固结时间不长，并未经过长时间的次固结，甚至主固结未结束，结构强度低。固结快剪试验中土体在主固结完成后被压密，重新生成新的结构强度，天然土体与重塑土体的固结不排水抗剪强度相当。

2.4 固结时间对重塑土的固结不排水抗剪强度影响

对硬塑黏土层进行不同固结时间的固结快剪试验，试验结果如表5所示。由试验结果可知，硬土重塑土的固结不排水剪强度随着固结时间的延长不断增长，主要表现为黏聚力的增大。其因是土体颗粒间的胶结程度随固结时间增加而增强，胶结力逐渐增大，具有更大的结构强度。延长固结时间后，重塑土强度增长由快到慢，当固结时间达到7d时，强度与原状土很接近，之后强度增长不明显，如图4所示。

表5 不同固结时间硬塑黏土重塑土的固结快剪强度

图4 黏聚力与固结时间的关系

3 结语

不同状态的土，其重塑土的固结不排水抗剪强度相比原状土有不同程度的降低。淤泥扰动重塑后，固结不排水剪切强度与原状土相近；而土体越硬重塑后的固结不排水抗剪强度相较于原状土降低越多，具体表现为黏聚力降低，内摩擦角变化不大。

延长硬土重塑土的固结时间后，固结不排水强度不断增长；当固结时间达到7d时，强度与原状土接近，之后强度增长不明显。重塑土不同于原状土，由于重塑土破坏了土粒间的结构，在研究重塑土的力学特性时，特别是硬土时，应充分考虑固结时间的影响。

土是自然的产物，不同的成因、组成、沉积历史等使得土的物理力学特性多样化，不同的试验方法得到的强度指标也存在差异，工程上应该根据实际情况、具体问题具体分析。