湛江组结构性黏土物理力学特性对其触变性的影响*

2021-09-19张目极殷建风赵盛男

工程地质学报 2021年4期

张目极殷建风王巍赵盛男汤斌

(桂林理工大学，广西岩土力学与工程重点实验室，桂林 541004，中国)

0 引言

土的触变性是指当土体受到扰动时，原有结构遭到破坏，其力学强度迅速下降，停止扰动后，随着时间的增长，其力学强度又逐渐恢复的一种性质。

近年来，随着沿海地区的开发建设，在软土地基上的工程项目日益增多(倪静， 2019)。湛江组结构性黏土是北部湾沿岸地区分布最广泛的软土体，出露于地表或下伏于第四系全新统土体或中更新统土体之下，为各种工程活动的主要载体。湛江组结构性黏土在遭到扰动后易出现严重的工程危害现象，在北部湾沿岸地区实际工程勘察、设计与施工中发现的码头持续性变形(张诚厚， 1985)、堤心抛石未能达到原设计标高(吕海波等， 2001；孔令伟等， 2002)、沉积填充物不均匀沉降(李振等， 2018)等问题均与湛江组结构性黏土的扰动有关。在湛江组结构性黏土基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土体结构的扰动，如湛江市冯村垃圾处理场、湛江市霞山机械厂厂房、湛江市十小教学楼等建筑基础，均以灰色黏土作持力层并在施工过程中保护好基坑，减少土体扰动，取得了较好的工程处置效果(陈书荣， 2006)，为后期许多工程提供了实例参考和借鉴。北部湾沿岸地区湛江组结构性黏土具有高含水率、高孔隙比、强结构性、强触变性的特点，因其特殊性使当地基础工程的承载性状极为复杂，也为当地基础工程的设计与施工带来极大挑战。因而加强对北部湾沿岸地区湛江组结构性黏土触变性的研究，具有重要的理论意义和巨大的应用价值。

触变性是分散体系流变学的重要研究内容之一，国内外学者致力于研究触变性的本构方程、模型、影响因素及成因，以建立完整的触变理论及应用。

在触变性的影响因素及成因研究方面，Mitchell(1960)通过研究发现温度越高，强度增长速率越快，即随着温度升高触变强度恢复率增加。杨顺安等(2000)认为触变性是复杂的流变特性之一，土体的组成物质和天然状态不同，其强度的恢复程度以及恢复快慢也将不同。冯秀丽等(2004)、Díaz-Rodríguez et al.(1999)、李丽华等(2010)、霍海峰等(2016)分别利用旁侧声纳、电导率法、微型十字板剪切仪、十字板剪切仪对黄河三角洲粉土、墨西哥土、翠湖湿地软土和天津滨海软黏土的触变性进行研究，结果表明：触变性的影响能使扰动土重塑后强度增加达到100%甚至更多。王亮等(2015)利用研制的微型十字板剪切仪对重塑后静置一定时间的太湖与白马湖两种疏浚淤泥进行了强度测试，对两种疏浚淤泥的触变特性进行了研究与比较。研究结果表明，两种疏浚淤泥重塑后最初始时间内触变强度的增长最快，随时间增长触变强度的增长变慢，第448天时触变强度随时间的增长趋于稳定。高彦斌等(2015)采用无侧限抗压强度试验、室内微型十字板剪切试验和原位十字板剪切试验对上海地区广泛分布的淤泥质黏土的灵敏性进行了研究，并通过长达半年的触变恢复试验评价触变性对该软黏土灵敏性的作用。张先伟等(2014)在长达500天的龄期内，观测湛江黏土扰动后不同静置龄期下的无侧限抗压强度与贯入阻力，分析触变强度的恢复时间与过程，利用触变强度比率评价湛江黏土的触变性，认为湛江组结构性黏土具有明显的触变性。这些研究成果从外界温度变化、土的结构、物理力学性质等方面对土的触变性进行描述，较好地阐释和分析了土体触变性的概念及其影响因素。黏土的触变机制十分复杂，上述成果中还有以下问题有待深入研究和解决：影响黏土触变性的因素构成比较模糊，黏土在扰动和静置过程中其物理力学特性对土体结构及力学性质恢复的影响尚未完全解释清楚。

为了研究湛江组结构性黏土的物理力学特性对其触变性的影响，本文对湛江组结构性黏土触变特性进行了一系列的宏观试验研究，通过改变含水率、孔隙比及灵敏度，得到不同物理力学特性重塑土在不同静置龄期触变强度比率(土样扰动后t时刻的强度与0时刻的强度之比)，建立3种变量下重塑土触变强度比率与静置龄期的关系，分析湛江组结构性黏土含水率、孔隙比及灵敏度对其触变性强弱的影响。

1 基本物理力学性质试验

1.1 湛江组结构性黏土物理性质试验

通过已有区域地质资料及工程地质调查，选取典型地层进行勘察、钻探、取样。在广东省湛江市东海岛宝钢湛江钢铁基地场地内取4组不同深度湛江组结构性黏土原状土土样A、B、C、D。土样A、B、C、D的取土深度分别为19.25～20.05m、33.25～34.05m、53.25～54.05m、65.25～66.05m。对湛江组结构性黏土进行土天然含水率、天然密度、比重、界限含水率试验等基本物理性质试验，其试验结果如表 1、表 2所示。

1.2 湛江组结构性黏土力学性质试验

土的灵敏度指天然土体的无侧限抗压强度与该土重塑后的无侧限抗压强度之比，是表征土体结构性的重要指标。通过对4个不同取土深度的湛江组结构性黏土原状土试样及重塑土试样进行无侧限抗压强度试验，各个点无侧限抗压强度值及灵敏度见表 3。

对湛江组结构性黏土(土样A、B、C、D)分别进行垂直破坏面上的自然放置方向的固结不排水直剪实验，结果如表 4所示。

2 含水率、孔隙比及灵敏度对黏土触变性强弱的影响试验研究

2.1 含水率对触变性状的影响试验研究

选取同一深度区间(取土深度为19.25～20.05m)内湛江组结构性黏土原状土完全扰动，制备成干密度相同而含水率不同(含水率为40%、45%和50%)的直径为39.1mm和高度为80mm圆柱形试样，经过不同静置龄期(0d、1d、7d、30d、60d)分别测定其无侧限抗压强度(表 5)，得到3种不同含水率重塑土试样在不同静置龄期触变强度比率(表 6)，建立3种不同含水率重塑土触变强度比率与不同静置龄期的关系曲线(图 1)，分析湛江组结构性黏土含水率对其触变性强弱的影响。

表 1 湛江组结构性黏土物理性质试验结果Table 1 Physical property test results of clay samples

表 2 湛江组结构性黏土界限含水率试验结果Table 2 Boundary water content test results of clay samples

表 3 各点无侧限抗压强度值及灵敏度统计表Table 3 Unconfined compressive strength and sensitivity test results of clay samples

表 4 土体抗剪强度指标表Table 4 Soil shear strength test results of clay samples

表 5 3种不同含水率重塑土在不同静置龄期无侧限抗压强度Table 5 Unconfined compressive strengths of three remolded clay samples with different conditions of water content and standing time

表 6 3种不同含水率重塑土在不同静置龄期触变强度比率AtTable 6 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of water content and standing time

图 1 3种不同含水率重塑土触变强度比率与不同静置龄期的关系Fig. 1 Thixotropic strength ratio development under different water content conditions

由图 1可知，触变强度比率随静置龄期的增加而增大，且触变强度比率增长的速率表现为前期增长快，后期增长慢。表明湛江组结构性黏土触变强度随时间的增加而增大，且前期触变强度增长快，后期触变强度增长慢。

重塑土试样含水率不同，其触变强度比率随静置龄期增加而增长的速率和幅度也不同。在0～30d静置龄期范围内，随着含水率增大，触变强度比率增长的速率与幅度没有显著的规律，但在30～60d静置龄期范围内，随着含水率增大，触变强度比率增长的速率与幅度显著增加。这表明，在前期，含水率的变化对湛江组结构性黏土触变强度影响不显著，在后期，随着含水率增大，湛江组结构性黏土触变强度增长的速率与幅度显著增加。

总体而言，湛江组结构性黏土强度恢复情况与含水率有关。湛江组结构性黏土扰动后，含水率对湛江组结构性黏土触变强度影响较大，随着静置龄期的增加，含水率越大，湛江组结构性黏土触变强度增长的速率与幅度越大。土-水的相互作用使水分子在进入到土颗粒中时被迅速吸附在颗粒表面形成结合水膜，具有较强的黏滞阻力。含水率大的黏土与水的接触更充分，随着时间的增加，形成的结合水膜面积也就更大，因此黏土的强度恢复得快，触变性也就更强。

2.2 孔隙比对触变性状的影响试验研究

选取同一深度区间(取土深度65.25～66.05m)内湛江组结构性黏土原状土完全扰动，制备成干密度相同而孔隙比不同(孔隙比为1.11、1.08、1.03)的直径为39.1mm和高度为80mm圆柱形试样，经过不同静置龄期(0d、1d、7d、30d、60d)分别测定其无侧限抗压强度(表 7)，得到3种不同孔隙比重塑土试样在不同静置龄期触变强度比率(表 8)，建立3种不同孔隙比重塑土触变强度比率与不同静置龄期的关系曲线(图 2)，分析湛江组结构性黏土孔隙比对其触变性强弱的影响。

表 7 3种不同孔隙比重塑土在不同静置龄期的无侧限抗压强度Table 7 Unconfined compressive strengths of three remolded clay samples with different conditions of void ratio and standing time

表 8 3种不同孔隙比重塑土在不同静置龄期的触变强度比率AtTable 8 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of void ratio and standing time

图 2 3种不同孔隙比重塑土触变强度比率与不同静置龄期的关系Fig. 2 Thixotropic strength ratio development under different void ratio conditions

由图 2可知，触变强度比率随静置龄期的增加而增大，且触变强度比率增长的速率表现为前期增长慢，中期增长快，后期增长慢。重塑土试样孔隙比不同，其触变强度比率随静置龄期增加而增长的速率和幅度不同。在0～7d静置龄期范围内，随着孔隙比增大，触变强度比率增长的速率与幅度没有显著的规律，但在7～60d静置龄期范围内，随着孔隙比增大，触变强度比率增长的速率与幅度显著减小。这表明，在前期，孔隙比的变化对湛江组结构性黏土触变强度影响不显著，在后期，随着孔隙比增大，湛江组结构性黏土触变强度增长的速率与幅度显著减小。

表 9 3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土重塑土在不同静置龄期的黏聚力Table 9 Cohesive forces of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

表 10 3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土重塑土在不同静置龄期的内摩擦角Table 10 Internal friction angles of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

表 11 3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土重塑土在不同静置龄期的触变强度比率AtTable 11 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

总体而言，湛江组结构性黏土强度恢复情况与孔隙比有关，湛江组结构性黏土扰动后，随着静置龄期的增加，不同孔隙比重塑土试样触变强度比率增长规律基本一致，可分为3个阶段，在扰动后静置前期，其触变强度比率增长速度缓慢，而后触变强度比率增长速度加快，最后增长速度减小。

孔隙比对湛江组结构性黏土触变强度影响较大，且孔隙比越大，湛江组结构性黏土触变强度增长的速率与幅度越小。对于形成这种现象的原因，从土体自身的角度可以理解为其结构强度主要是由土颗粒间的咬合力和机械摩擦力所构成，孔隙比较大的黏土，颗粒间的联结程度较低，土体结构整体较松散，因此结构强度较低，扰动后的触变性能也相对较弱。

2.3 灵敏度对触变性状的影响试验研究

选取3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土(取土深度分别为33.25～34.05m、53.25～54.05m、65.25～66.05m)完全扰动后，将其制成直径为61.8mm和高度为20mm的圆饼形试样及直径为39.1mm和高度为80mm圆柱形试样，静置养护0d、1d、7d、30d、60d，对直径为61.8mm和高度为20mm的圆饼形试样进行直剪试验，对直径为39.1mm和高度为80mm圆柱形试样进行无侧限抗压强度试验。

获得3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土重塑土在不同静置龄期的黏聚力、内摩擦角、触变强度比率(表 9、表 10、表 11)。建立3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土重塑土黏聚力与不同静置龄期的关系(图 3)、内摩擦角与不同静置龄期的关系(图 4)、触变强度比率与不同静置龄期的关系(图 5)，分析湛江组结构性黏土灵敏度对其触变性强弱的影响。

图 3 3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土重塑土黏聚力与不同静置龄期的关系Fig. 3 Cohesive force development under different sensitivity conditions

图 4 3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土重塑土内摩擦角与不同静置龄期的关系Fig. 4 Internal friction angle development under different sensitivity conditions

图 5 3种不同灵敏度值的湛江组结构性黏土重塑土触变强度比率与不同静置龄期的关系Fig. 5 Thixotropic strength ratio development under different sensitivity conditions

由图 3、图 4可知，黏聚力和内摩擦角均随静置龄期的增加而增大，且增长的速率表现为前期增长快，后期增长慢。表明湛江组结构性黏土黏聚力和内摩擦角随时间的增加而增大，且前期增长快，后期增长慢。

灵敏度不同，其黏聚力和内摩擦角随静置龄期增加而增长的速率和幅度不同。灵敏度值越大，其黏聚力和内摩擦角随静置龄期增加而增长的速率和幅度越大。

由图 5可知，触变强度比率随静置龄期的增加而增大，且触变强度比率增长的速率表现为前期增长快，后期增长慢。表明湛江组结构性黏土触变强度随时间的增加而增大，且前期触变强度增长快，后期触变强度增长慢。

重塑土试样灵敏度值不同，其触变强度比率随静置龄期增加而增长的速率和幅度不同。在0～7d静置龄期范围内，随着灵敏度增大，触变强度比率增长的速率与幅度基本一致；在7～30d静置龄期范围内，随着灵敏度增大，触变强度比率增长的速率与幅度逐渐增大；在30～60d静置龄期范围内，随着灵敏度增大，触变强度比率增长的速率与幅度逐渐减小。这表明，在前期(0～7d)，灵敏度的变化对湛江组结构性黏土触变强度影响并不明显，到了中后期(7～60d)，灵敏度的变化对湛江组结构性黏土触变强度增长的速率与幅度影响显著增加。

总体而言，湛江组结构性黏土强度恢复情况与灵敏度有关，湛江组结构性黏土扰动后，随着静置龄期的增加，不同灵敏度重塑土试样黏聚力、内摩擦角、触变强度比率均增大，且灵敏度越大，黏土的触变性越强。在扰动后静置前期，试样的黏聚力、内摩擦角、触变强度比率均增长快，在后期，其黏聚力、内摩擦角、触变强度比率增长慢。究其原因，黏土受到扰动后结构遭到破坏，静置后，土颗粒受到静电引力及颗粒间的胶结作用开始趋向聚集，结构不断恢复，灵敏度大的黏土本身结构性较强，在触变恢复的过程中颗粒聚集的更快，强度恢复的也越快，因此触变性更强。