珠江三角洲软土触变性试验研究

阎 晓 玲，余 颂，赵 永 峰，黄 珏 皓，田 宁

(1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩石力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 3.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050； 4.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

土的触变现象现已成为岩土工程领域研究的热点。触变一词最先由Peterfi[1]提出。之后Freundlich[2]证明了触变性在土力学中的存在。Burgers等[3]把软土触变性定义为由于软土重塑而强度降低，土体结构随静置时间的增长而逐渐恢复的过程。Boswell[4]总结了代表性沉积物的触变特性，指出除纯砂外，其余土体材料均具有一定程度的触变性。因此，深刻认识软土触变特性对软土地区工程建设意义显著。

当前国内外学者在软土触变特性影响因素和触变机理方面开展了大量的研究工作，如Mitchell[5]指出土体初始含水率和结构性对土体触变性具有显著影响；Seed等[6]对不同含水率土体触变特性进行了研究，认为当含水率大于最优含水率时，含水率对土体触变特性影响最大；Zhang等[7]指出当含水率接近0.75倍液限时，触变强度最大，而含水率为0.55倍液限时，土体触变强度恢复最小；Shahriar等[8]基于落锥试验分析了不同含水率下，土体触变强度比随时间的变化关系；李丽华等[9]通过微型十字板剪切仪研究了不同深度、含水率和静置时间影响下，土体强度恢复曲线；刘娟娟等[10]通过无侧限压缩试验研究了扰动程度对土体触变特性的影响，并基于试验结果建立了土体强度恢复和扰动程度之间的关系；Tang等[11]基于土体无侧限压缩强度与静置时间的相关关系，提出了评价土体触变性强弱的指标；Kamil等[12]通过直剪试验、十字板剪切试验、无侧限压缩试验和三轴试验研究了土体扰动后强度随静置时间的变化关系。结合上述研究成果，国内外针对软土触变特性已经开展了大量的研究工作，但针对珠江入海口软土触变特性的研究较少，且能反映静置时间和含水率影响的软土强度触变模型也较少。

本文通过对深茂铁路珠江入海口三角洲软土开展了长达115 d的无侧限压缩试验和十字板剪切试验，研究了不同静置时间和含水率对软土触变特性的影响，在此基础上，建立了可反映静置时间和含水率影响的软土强度触变模型，以期加深对珠江入海口软土力学特性的认识，为后续软土触变特性数值实现提供试验基础。

1 试验土样与方案

1.1 试验土样

试验土样取自深茂铁路入海口，埋深0.3～28.9 m。按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》，获取了试验土样的基本物理性质如表1所列，粒径分布曲线如图1所示。从表1中可以看出，试验软土试样具有高含水率、大孔隙比和低渗透性的特点。

表1 试样基本物理性质指标

图1 颗粒粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve

1.2 试验方法

为研究试验土样触变特性，设置了不同静置时间(0，10，20，40，50，60，70，90，105，115 d)和不同含水率(34%，47%，54%，65%)，开展了无侧限压缩试验和十字板剪切试验。

试验步骤具体为：① 为便于试验，当对原状试样开展含水率试验时，将相近含水率试样归为一组，得到了含水率为34%，47%，54%，65%的试样。② 按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》制备重塑土样，即将土样置于塑料薄膜内搓捏破坏其结构，获得充分扰动的软塑状重塑土。4种含水率条件下分别制备了10个试样，整个试验共计80个试样。③ 将扰动后的不同含水率试样分别静置0，10，20，40，50，60，70，90，105，115 d等不同时间后，分别进行无侧限抗压试验和十字板剪切试验。其中，无侧限压缩试验的轴向应变速度保持在1%/min；十字板剪切速率恒定在6.48°/min。文中无侧限抗压强度为qu，十字板剪切强度为Ct。

2 试验结果与分析

2.1 触变性的判别

图2为土体触变过程示意图。采用文献[13]中对土体触变性质的表征方法，即触变恢复强度比Bt，其表达式为

(1)

式中：Cu代表原状土样的强度，kPa；Cr代表完全扰动土体强度，kPa；Ct代表触变过程中任意t时刻的强度，kPa。

因扰动损失的强度为Cu-Cr，触变恢复的强度为Ct-Cr。定义Bt为触变过程中任意t时刻强度恢复占扰动损失强度的百分比。

图2 材料的触变过程示意Fig.2 Scheme of thixotropic process of materials

2.2 无侧限试验

图3为不同含水率试样在不同静置时间条件下的无侧限压缩试验结果。从图3中可以看出：原状试样的轴向应力随应变的增长先快速增长，并在一定应变后达到峰值，随后应力随应变的增长逐渐减小，应力应变曲线呈应变软化型。对于不同静置时间的重塑试样而言，其无侧限压缩轴向应力随应变的增长逐渐增大，当应变达到一定值时，应力基本稳定，应力应变曲线呈应变硬化型。

图3 不同含水率试样的轴向应力-应变关系曲线Fig.3 Relationship between axial strain and axial stress of samples with different water contents

进一步，可以得到不同含水率原状试样和不同静置时间条件下重塑试样的强度，其中对于原状试样而言，取应力应变曲线顶点对应的应力为其强度；对于重塑试样而言，取应变为15%对应的轴向应力为强度值，试验数据如表2所列。无侧限压缩试验中含水率为34%，47%，54%，65%的原状试样抗压强度分别为45.06，42.12，30.20，27.24 kPa。

图4为不同含水率试样抗压强度值随静置时间的关系曲线。从图4中可以看出，不同含水率试样刚扰动后强度相差不大，含水率分别为34%，47%，54%和65%时，其扰动后初始强度分别为13.16，15.82，13.16，10.31 kPa。尽管不同含水率试样强度随静置时间的增长呈波动式发展，但仍然可以看出其强度随静置时间的增长呈逐渐恢复的趋势，其中较低含水率试样的强度恢复速度明显高于较高含水率试样的强度恢复速度。静置前10 d内，不同含水率试样的强度恢复速度大致相等。静置到70 d左右，不同含水率试样强度增长变得平缓，强度恢复速度近乎为0，表明此时不同含水率试样强度几乎停止增长。静置时间达到115 d时，不同含水率试样的强度值分别为21.54，19.44，17.78 kPa和12.44 kPa。

表2 无侧限抗压试验结果

图4 不同含水率试样无侧限抗压强度随静置时间变化曲线Fig.4 Relationship between strength and stewing time of samples with different water contents

图5为不同静置时间条件下，不同含水率试样抗压强度值随含水率的变化曲线。从图5中可以看出，相同静置时间条件下，不同含水率试样强度随含水率的增大而降低。含水率越低的试样在相同静置时间内触变强度恢复较为明显。例如含水率为34%的试样，静置时间为0 d时抗压强度为13.16 kPa，静置时间至115 d时抗压强度为21.54 kPa，增加了8.38 kPa；含水率为65%的试样，0 d时强度为10.31 kPa，115 d时强度为12.44 kPa，强度仅增加了2.13 kPa。

图5 无侧限抗压强度与含水率关系曲线Fig.5 Relationship between strength and water contents under different stewing times

2.3 十字板剪切试验

对一定含水率和静置时间条件下的试样开展2～3次测试，取其十字板剪切强度平均值即为该试验条件下的剪切强度，即触变强度。表3为十字板剪切试验数据。

图6为不同含水率试样剪切强度值随静置时间的关系曲线。从图6中可以看出，含水率分别为34%，47%，54%，65%的原状土试样抗剪强度分别为45.56，42.84，30.83，27.83 kPa，扰动后(即重塑0 d)强度分别降至16.64，16.92，15.28 kPa和14.73 kPa，可见不同含水率试样重塑后静置0 d时，强度相差不大。不同含水率试样重塑后触变强度在较短静置时间内恢复较为明显，较长静置时间后速率逐渐变缓。触变强度恢复速率变化的转折点为70 d，在此静置时间后，不同含水率试样的触变强度变化趋于稳定。当静置时间达到115 d时，不同含水率试样的强度值分别为27.28，24.83，22.92 kPa和22.92 kPa。

表3 十字板剪切试验结果

图6 不同含水率十字板剪切强度随静置时间变化曲线Fig.6 Relationship between strength and stewing time of sumples with different water contents

进一步，根据式(1) 可以计算得到不同含水率试样在不同静置时间条件下的触变恢复强度比，如图7所示。由图7可以看出，触变恢复强度比与触变强度的变化趋势类似，重塑后最初始时间内触变恢复强度比的增长最快，随静置时间增长触变恢复强度比的增长变缓，静置70 d时触变恢复强度比随静置时间的增长已经基本趋于稳定。不同含水率情况下0 d时触变恢复强度比均为0，静置前10 d内，不同含水率试样的触变恢复强度比变化趋势基本一致，说明不同含水率试样强度的恢复程度基本相同，静置时间小于70 d时，不同含水率试样触变恢复强度比均随静置天数增加较快，即在此段时间内的相对强度恢复程度较大，静置70 d后各试样的触变恢复强度比增长变得平缓，此时不同含水率试样强度几乎停止恢复。当静置时间达到115 d时，不同含水率试样的触变恢复强度比值分别为36.79%，30.52%，49.13%，62.52%，表明含水率越大，相同静置时间时触变恢复强度比越大。

图7 不同含水率条件下触变恢复强度比随静置天数的变化曲线Fig.7 Relationship between thixotropic recovery strength ratio and stewing time with different water contents

图8为不同静置时间条件下，试样剪切强度值与含水率的关系曲线。从图8中可以看出，在相同静置时间内，不同含水率试样强度均随含水率的增大而降低，且较高含水率试样比较低含水率试样的触变强度恢复变化较小。例如当含水率为34%，静置时间为0 d时相应十字板剪切强度为16.64 kPa，静置时间为115 d时抗剪强度为27.28 kPa，增加了10.64 kPa；而含水率为65%的试样，0 d时抗剪强度为14.73 kPa，115 d时强度为22.92 kPa，增加了8.19 kPa，表明静置相同时间时，含水率较小的试样触变强度恢复程度显著强于含水率较高的试样。

图8 十字板剪切强度与含水率关系曲线Fig.8 Relationship between strength and water contents under different stewing time

2.4 不同试验方法土体触变性对比

以含水率为47%的试样为例，图9比较了无侧限压缩试验和十字板剪切试验重塑试样强度随静置时间的发展趋势。可以看出，无论是无侧限压缩试验还是十字板剪切试验，试样强度均随静置时间的增长而逐渐恢复，均反映了软土试样的触变特性。静置时间较短时，2种试验强度均快速增长，静置时间大于90 d后，2种试验强度增长变缓，强度恢复曲线基本平行，表明此时试样强度达到稳定值，强度恢复过程完成。其中，静置时间为0 d时无侧限压缩强度和十字板剪切强度分别为15.82 kPa和16.92 kPa，当静置时间达到115 d时，试样的无侧限抗压强度为19.44 kPa，十字板剪切强度为24.83 kPa，对应触变恢复强度比分别为13.40%和30.52%，表明十字板剪切试验得到的剪切强度大于无侧限试验得到的压缩强度，且十字板剪切试验的触变恢复强度比大于无侧限压缩试验的触变恢复强度比，即十字板剪切试验的相对强度恢复程度强于无侧限压缩试验的相对强度恢复程度。

图9 不同静置时间抗压强度与剪切强度对比Fig.9 Comparison of compressive strength and shear strength at different stewing time

3 触变强度模型

通过绘制十字板剪切强度Ct、含水率W和静置时间t三者之间的三维散点图(见图10)，并采用数据拟合的方式得到了可考虑含水率和静置时间影响的十字板剪切强度模型，即：

Ct=69.27W3+0.72W2t-0.000956Wt2-

0.0000148t3-139.62W2-0.66Wt+

0.003t2+77.50W+0.15t+3.78

(2)

从图10可以看出，拟合曲面与实测数据的相关性较好，实测数据点基本分布在拟合曲面附近，表明式(2)可以较好地预测软土触变强度。

图10 实测值与拟合值对比Fig.10 Comparison of measured data and calculated values

4 结 论

为研究珠江入海口软土触变特性，本文对不同含水率软土开展了不同静置时间的无侧限压缩试验和十字板剪切试验，重点分析了含水率和静置时间对软土触变性质的影响，得到如下结论：

(1) 无论是无侧限压缩试验还是十字板剪切试验，不同含水率试样扰动后强度相差较小，强度随静置时间的增长逐渐恢复。相同静置时间，不同含水率试样强度随含水率增大而降低。

(2) 无论试验方式如何，不同含水率软土试样强度随静置时间恢复曲线趋势一致。然而，不同试验方法下土体触变强度恢复具有显著差异性，以含水率为47%的试样为例，十字板剪切和无侧限压缩试验条件下，软土触变恢复强度比分别为30.52%和13.40%，十字板剪切试验的土体触变恢复强度强于无侧限压缩试验。

(3) 基于十字板剪切试验数据，建立了反映初始含水率和静置时间影响的珠江入海口软土强度触变模型。通过实测值和计算值对比，验证了该模型的有效性。