扰动程度对湛江组结构性黏土触变性的影响

汤 斌，姚 正，亢佳帅

(桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，桂林 541004)

随着中国“一带一路”的不断推进，一些重点工业项目落户中国北部湾沿岸地区。该地区广泛分布着湛江组结构性黏土，且上覆土层厚度一般数米到十几米不等[1]，为各种工程活动的主要载体。湛江组结构性黏土因其强结构性，受工程活动扰动后极易发生严重工程危害现象。在桩基施工中，试桩时遇到终压力达不到设计要求[1]；对防波堤进行爆破挤淤施工时出现堤心抛石未达到原设计标高[2]；古河道新近沉积松散充填物不均匀沉降[3]等。以上工程实例表明，湛江组结构性黏土受到扰动后，结构强度会发生剧烈变化，给工程设计与施工带来极大挑战。因此深入对湛江组结构性黏土触变性的研究，对解决以该土为基础的工程地基稳定性具有重要指导意义。

触变性是土体复杂的流变特性之一。中外学者对触变性的成因及影响因素进行了大量试验研究。在国外，Boswell[4]对大量沉积堆积物做了触变性检查，发现除了干净的砂以外，其他材料都呈现出触变特征；Kruyt[5]研究指出，触变性普遍存在于大多数黏土-水体系；Hvorslev[6]研究表明，扰动对软土地区土的结构性影响最大。在国内，冯秀丽等[7]、高彦斌等[8]、霍海峰等[9]分别通过旁侧声纳、微型贯入仪、十字板剪切仪对黄河三角洲砂质粉土和粉质黏土、上海地区第4层淤泥质黏土、天津滨海软黏土进行土体触变性试验研究，结果表明，土体扰动后强度随着静置时间的增加而增大，表现为正触变性；张虎臣[10]在对淤泥地基地震触变的研究中指出淤泥土体受扰动导致其固化内聚力及原始黏聚力被破坏，当扰动停止后，原始黏聚力可随时间部分恢复，固化黏聚力却无法在短期内恢复；徐永福等[11]则采用多维虚拟键模型模拟软土的触变全过程，发现扰动时间和扰动形式是引起超灵敏软土触变破坏的主要因素；张目极等[12-13]、殷建风[14]研究发现：含水率、孔隙比、灵敏度以及弱结合水含量的变化对受扰湛江组结构性黏土的强度恢复有显著影响；王巍[15]分别从宏微观角度分析湛江组结构性黏土触变性形成机制的影响因素，并诠释了湛江组结构性黏土触变机理；楼康明等[16]研究表明，含水量在上海地区饱和软黏土的触变强度增长中起着重要作用；刘娟娟等[17]对受扰粉土进行无侧限抗压强度试验，结果发现在相同静置时间下，粉土的强度恢复程度与扰动程度正相关，触变恢复强度比与扰动程度负相关。上述研究中从土的微观结构、物理力学性质、试验方法及扰动方面对土体触变性的概念以及影响因素进行了较好的阐述，但土体触变机制十分复杂，其中原状土在不同扰动程度下其触变强度的恢复规律尚未解释清楚。

现利用室内模型试验对湛江组结构性黏土原状土展开长期试验研究，观测其在不同扰动程度下强度随时间变化的趋势，分析扰动程度对土体触变性的影响规律。

1 室内模型试验

1.1 试验装置设计及取样

为探究扰动程度对湛江组结构性黏土触变性的影响规律，开展模型试验研究。基于现场原位十字板剪切试验，进行模型装置的设计。模型装置示意图如图1所示，包括量测系统、取土系统和扰动系统。其中量测系统为微型十字板剪切仪，采用板头规格为16 mm×32 mm，为原位十字板头直径的1/6.25，用于测试土样不排水抗剪强度；取土系统为取土器，材质选用PVC管，其尺寸按照原位十字板剪切试验对土的影响范围同比例缩小6.25倍，设计内径为160 mm、高度为160 mm、壁厚为4 mm，上部与下部配有顶盖和底盖，且底部带有刃口，用于现场取土；扰动系统为0.8 m电动调频振动台，采用的振动频率为60 Hz，振幅为0.3～0.6 mm，用于扰动土样。

1为微型十字板剪切仪；2为顶盖；3为取土器；4为底盖；5为土样；6为振动台

根据工程地质调查结果，选取典型地层进行勘察、取样。在广东省湛江市东海岛宝钢湛江钢铁基地场地内及外围共计3个地点取土，取土时分别用微型十字板剪切仪测定原状土不排水抗剪强度，土样1、土样2及土样3分别为162、121、62 kPa。用取土器直接取湛江组结构性黏土原状土土样1、土样2及土样3，各取25个试样，并分别编号为A1～A25、B1～B25、C1～C25。对三种土样进行室内物理力学性质试验，结果如表1所示。根据《港口工程地基规范》(JTS 147-1—2010)[18]，可将土样1、土样2、土样3分别划分为高灵敏度土、中灵敏度土、低灵敏度土。

表1 物理力学性质试验结果统计表

1.2 试验过程

1.2.1 试验方案设计

定义扰动程度D(t)的表达式为

(1)

式(1)中：cu,o为原状土微型十字板不排水抗剪强度，kPa；cu(t)为扰动t时刻土体微型十字板不排水抗剪强度，kPa；c′u为扰动程度为100%时微型十字板不排水抗剪强度，kPa。

试验采用室内振动试验模拟土样扰动，试验时扰动程度按照扰动时间来确定。将土样扰动程度分别为0(不扰动)、33%、66%、100%时对应的扰动时间分别记为0、t1、t2、t3，扰动时间与扰动程度的关系如表2所示。

表2 扰动时间与扰动程度的关系

在不同扰动程度(0、33%、66%、100%)、不同静置时间(0、7、28、56、91 d)下对3种土样进行微型十字板剪切试验，在扰动程度(66%)、不同静置时间(0、7、28、56、91 d)下对3种土样进行无侧限抗压强度试验，具体试验方案如表3所示。

表3 试验方案

1.2.2 试样扰动及静置

所取试样中A1～A5、B1～B5、C1～C5共15个试样不扰动，扰动程度D(t)为0，扰动时间为0 min；试样A6～A10、试样B6～B10、试样C6～C10扰动程度D(t)为33%，扰动时间分别为60、40、10 min；试样A11～A20、试样B11～B20、试样C11～C20扰动程度D(t)为66%，扰动时间分别为90、60、20 min；试样A21～A25、试样B21～B25、试样C21～C25扰动程度D(t)为100%，扰动时间分别为130、90、40 min，试样扰动过后开始静置。

1.2.3 试验及结果

按照试验方案进行试验，结果如表4所示。

表4 试验结果统计表

2 试验结果与分析

2.1 扰动时间与扰动程度的关系

根据表2建立扰动时间与扰动程度的关系，如图2所示。

由图2可知，土样1、土样2及土样3的扰动程度越大，所需扰动时间越长。

图2 扰动时间与扰动程度的关系

土样灵敏度不同，达到相同扰动程度所需扰动时间也不同，灵敏度越大，达到相同扰动程度所需扰动时间越长。

土体扰动时间与扰动程度正相关。究其原因，湛江组结构性黏土扰动程度越高，原状土微型十字板不排水抗剪强度与扰动后的微型十字板不排水抗剪强度绝对差值越大，所需扰动时间越长。

相同扰动程度下，土样灵敏度越高，原状土微型十字板不排水抗剪强度与扰动后的微型十字板不排水抗剪强度绝对差值越大，所需扰动时间越长。

2.2 相同扰动程度下土体触变规律

2.2.1 强度恢复程度与静置时间的关系

土体强度恢复程度RT(t)定义[19]为

(2)

式(2)中：cuT(t)为扰动t时刻土体静置时间T后的微型十字板不排水抗剪强度，kPa；cu(t)为扰动t时刻土体微型十字板不排水抗剪强度，kPa；cu,o为原状土微型十字板不排水抗剪强度，kPa。

由表4和式(2)得到3种土在不同静置时间下的强度恢复程度，如表5所示。

根据表5建立3种湛江组结构性黏土强度恢复程度与静置时间的关系，如图3所示。

由图3(a)可知，扰动程度为0时，土样1、土样2及土样3强度恢复程度随着静置时间的增加不发生变化，这是因为原状土静置后其结构及物理性质均未发生改变，其强度未发生变化。由图3(b)～图3(d)可知，扰动程度为33%、66%、100%时，土样1、土样2及土样3强度恢复程度均随静置时间的增加而增大，前期增长快，后期增长慢且逐渐趋于平缓。

图3 强度恢复程度与静置时间的关系

土样灵敏度不同，相同扰动程度下静置91 d后，强度恢复程度增大的幅度与速率也不同。土样1、土样2及土样3在土样扰动程度为33%时，强度恢复程度分别增大0.09、0.07、0.05，扰动程度为66%时，分别增大0.15、0.13、0.08，扰动程度为100%时，分别增大0.20、0.17、0.10。表明在相同扰动程度下，土样灵敏度越大，强度恢复程度增大的幅度与速率越大。

2.2.2 触变恢复强度比与静置时间的关系

为研究湛江组结构性黏土触变过程中相对强度随静置时间增加的恢复规律，引入触变恢复强度比Bt[20]，定义如下:

(3)

由表4和式(3)得到3种土在不同静置时间下的触变恢复强度比，如表6所示。

根据表6建立3种湛江组结构性黏土触边恢复强度比与静置时间的关系，如图4所示。

表6 3种土在不同静置时间下的触变恢复强比

由图4(a)～图4(c)可知，土样1、土样2及土样3在扰动程度分别为33%、66%及100%时，触变恢复强度比均随静置时间的增加而增大，前期增长快，后期增长慢且逐渐趋于平缓。

图4 触变恢复强度比与静置时间的关系

土样灵敏度不同，相同扰动程度下静置91 d后，触变恢复强度比增大的幅度与速率也不同。土样1、土样2及土样3在土样扰动程度为33%时，触变恢复强度比分别增大0.35、0.33、0.30，扰动程度为66%时，分别增大0.29、0.27、0.25，扰动程度为100%时，分别增大0.26、0.24、0.20。表明在相同扰动程度下，土样灵敏度越大，触变恢复强度比增大的幅度与速率越大。

2.2.3 触变灵敏度与静置时间的关系

定义触变灵敏度为触变过程中原状土无侧限抗压强度与不同静置时间下土样无侧限抗压强度之比。根据表1中原状土无侧限抗压强度值及表4中扰动程度为66%时各静置时间无侧限抗压强度值得到3种土样在各静置时间的触变灵敏度，如表7所示。

根据表7建立三种土样在扰动程度为66%时触变灵敏度与静置时间的关系，如图5所示。

表7 触变灵敏度结果统计表

图5 扰动程度为66%时触变灵敏度与静置时间的关系

由图5可知，土样1、土样2及土样3的扰动程度为66%时触变灵敏度均随静置时间的增加而逐渐降低，前期降低速率快，后期降低速率慢且逐渐趋于平缓。

土样灵敏度不同，相同扰动程度下静置91 d后，触变灵敏度随着静置时间增加而降低的幅度与速率也不同。土样1、土样2及土样3在土样扰动程度为66%时，触变灵敏度分别降低0.52、0.38、0.18，表明在相同扰动程度下，土样灵敏度越大，触变灵敏度降低的幅度与速率越大。

综上所述，湛江组结构性黏土强度恢复程度、触变恢复强度比及触变灵敏度与触变性有关。可以从土体组构方面来解释，土体处于天然状态时，其颗粒的相对位置、孔隙大小及吸附阳离子及水分子的排列等组构处于相对平衡的状态，当土体受到强烈扰动后，这种相对平衡状态被打破，土的结构变成分散结构，从宏观上体现为土体强度降低，土体灵敏度越高，结构性越强，受到扰动后强度降低幅度越大。随着静置时间的增加，土颗粒及水分子等组构重新排列，强度也逐渐恢复，土体结构性越强，其颗粒及水分子等聚集越快，强度恢复速率越快。

2.3 不同扰动程度下土体触变规律

2.3.1 强度恢复程度与扰动程度的关系

根据表5建立三种土样各静置时间强度恢复程度与扰动程度的关系，如图6所示。

由图6(a)可知，未经静置时，土样1、土样2及土样3强度恢复程度随扰动程度的增大不发生变化，这是由于土样扰动后静置时间过短，破坏的结构未恢复，强度未发生变化。由图6(b)～图6(e)可知，静置时间为7、28、56、91 d时，土样1、土样2及土样3的强度恢复程度均随着扰动程度的增大而增大，强度恢复程度与扰动程度呈线性关系。

土样灵敏度不同，在相同扰动程度下，静置时间为7、28、56、91 d时强度恢复程度也不同。灵敏度越大，相同扰动程度下，土样强度恢复程度越大。

2.3.2 触变恢复强度比与扰动程度的关系

根据表6建立3种土样各静置时间触变恢复强度比与扰动程度的关系，如图7所示。

由图7(a)可知，未经静置时，土样1、土样2及土样3触变恢复强度比随扰动程度的增大不发生变化，这是由于土样扰动后静置时间过短，结构未恢复，强度未发生变化。由图7(b)～图7(e)可知，静置时间为7、28、56、91 d时，土样1、土样2及土样3的触变恢复强度比均随着扰动程度的增大而减小，呈反比例关系。

图7 触变恢复强度比与扰动程度的关系

土样灵敏度不同，在相同扰动程度下，静置时间为7、28、56、91 d的触变恢复强度比也不同。灵敏度越大，相同扰动程度下，土样触变恢复强度比越大。

湛江组结构性黏土触变性与扰动程度有关。究其原因，湛江组结构性黏土的土颗粒间存在强胶结作用，受到外力扰动后，颗粒间强胶结作用遭到破坏，扰动程度越大，破坏程度越高，随着静置时间的增加，土体一部分结构强度因土体结构的自适应调整而得以恢复，土体结构性越强，结构强度恢复的速率与幅度越大，但恢复的结构强度值仍不能弥补不同扰动程度下因强胶结作用被破坏而损失的结构强度差值。

3 结论

(1)湛江组结构性黏土扰动程度为33%、66%和100%时，灵敏度为4.42的土样1所需扰动时间分别为60、90、130 min，灵敏度为3.28的土样2所需扰动时间分别为40、60、90 min，灵敏度为1.96的土样3所需扰动时间分别为10、20、40 min。表明土样1、土样2及土样3所需扰动时间均随扰动程度的增大而增加，且灵敏度越大，达到相同扰动程度所需扰动时间越长。

(2)湛江组结构性黏土在相同扰动程度下，强度恢复程度、触变恢复强度比均随静置时间的增加而逐渐增大，触变灵敏度随静置时间的增加而逐渐降低，土体结构性越强，强度恢复程度、触变恢复强度比增长幅度与速率越大，触变灵敏度降低幅度与速率越大。

(3)湛江组结构性黏土在静置时间为7、28、56、91 d时，强度恢复程度与扰动程度呈线性关系，触变恢复强度比与扰动程度呈反比例关系。