长兴岛欠固结土触变性试验研究

赵莎莎，冯海暴，刘敏，张嘉莹

（1.河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；4.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；5.天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

伴随着我国经济的快速增长，国家的基础设施建设规模也与日俱增，沿海城市的建设受到土地资源不足的限制，填海造陆是解决土资源短缺问题的有效方法。当前大连长兴岛工业园区有约7 km2的面积需围海造陆，本工程的地基土为第四纪滨海相沉积土以及海陆交互相粉质黏土，主要土层有吹填土、淤泥、淤泥质土、粉质黏土。这种土沉积历史较短，具有含水率高、压缩性大、强度低、透水性差等特点。在海洋工程建设过程中不可避免将对地基土体产生扰动，但淤泥质土尚未完成自重应力下的固结，对施工扰动更加敏感。由于黏性土自身的触变性，会在扰动完成后产生强度的恢复，但其强度恢复程度及时间与土体本身的性质密切相关。开展淤泥质土强度恢复规律的研究，对评价长兴岛地基上结构物的长期稳定性具有重要意义。

目前针对黏性土受到工程施工建设过程的扰动后引发土体触变性变化的研究，经过多年的探索与积累经验，形成了一些成果。李丽华等[1]研究土样不同扰动程度下测试各静置时间下的不排水抗剪强度和土样相同扰动程度下测试各静置时间下的无侧限抗压强度，分析扰动程度对土体触变恢复强度的影响规律。高彦斌等[2]利用微型贯入仪对上海地区第4 层淤泥质黏土进行土体触变强度恢复的试验研究，结果表明土体扰动后，强度随着静置时间的增加表现出明显的正触变性。张先伟等[3]利用微型贯入仪对湛江组结构性黏土扰动后各阶段的贯入阻力与无侧限抗压强度进行测定，分析了触变强度的恢复时间与过程，采用触变强度比率评价该黏土的触变特性。沈水龙等[4]在深层搅拌法或高压旋喷法施工后，桩周土体经过扰动强度降低，经过30 d 后桩周土体强度恢复至原状土强度的40%左右。Alam 等[5]在相应的液限下将收集3 种黏土制备成样品，使其经受触变老化，对其进行无侧限抗压强度和直接剪切试验以评估触变强度恢复。国内外学者对土体施工扰动后恢复状况的研究，主要是通过原位十字板剪切试验、室内振动试验、直接剪切试验、无侧限抗压强度试验、三轴固结和排水试验等一些土工试验测定土体施工扰动后强度恢复过程的不排水抗剪强度[6-7]。有些学者介绍了模拟土触变强度恢复的数学理论和数学模型，综述了评价土触变特性的各种试验方法，他们认为落锥试验是一种比较理想的测试土强度恢复的方法[8]。目前土的触变性的研究中对不排水抗剪强度的测定方法及扰动程度、不同含水率、不同孔隙比对土的强度恢复影响以及强度恢复规律进行了良好的阐述，但是欠固结土的触变性变化非常复杂，其中对于欠固结土在不同扰动程度下其强度随时间的变化规律以及影响其强度恢复规律的因素尚未见有研究。

现针对长兴岛吹填淤泥质土开展室内落锥试验测定其不排水抗剪强度，研究土样在不同扰动程度下强度随静置时间的变化规律，以期得到欠固结土的强度恢复因子，用于实际海洋建设工程中评估不排水抗剪强度随时间的恢复和发展。

1 强度恢复试验

1.1 试验装置

1.1.1 落锥仪

采用落锥法对土样的不排水抗剪强度进行测量，试验设备使用挪威Geonor 岩土仪器公司生产的落锥仪，型号G-200，如图1 所示。图中①为固定锥体；②为调整锥体高度；③为线性刻度盘；④为容纳原状土样和重塑土样的杯体；⑤为锥体。该设备能够测定4～20 mm 的变形。锥轴旁有线性刻度盘，并能够调整锥体高度，以便在锥体释放之前，锥体尖端刚好接触试样表面。该设备有容纳原状土样和重塑土样的杯体，由刚性抗腐蚀材料制成，底部与轮辋平行，直径50 mm，深度25 mm；配备的辅助工具有：样品挤出机、钢丝切割机、玻璃板等。

图1 G-200 型落锥仪Fig.1 G-200 falling cone instrument

1.1.2 锥体装置

落锥试验应使用一组锥角为30°或60°和不同质量的锥体测量不排水抗剪强度。具体参数见表1。

表1 锥体装置的参数Table 1 Parameters of the cone device

1.2 试验方案

通过开展室内模型试验，对欠固结土进行强度恢复试验，研究不同扰动程度下，欠固结土不排水抗剪强度和触变恢复强度比随时间的变化规律；根据试验结果计算欠固结土强度恢复因子，用于评估欠固结土的强度恢复程度或触变程度。

试样样品为一组不同扰动程度的原状土，研究扰动程度对欠固结土强度恢复的影响。扰动土由饱和原状土制备，将土体放入与其直径相当的小圆桶内，利用击实锤或者木碾，破坏原状土的结构，对每组土样分别进行时间为10 min、15 min、25 min 的扰动，用以模拟不同扰动程度下的土体。扰动过程中需要将原状土放入密封袋中，保证原状土和重塑土的含水率几乎不变。其中土样应制备成直径50 mm 和高度25 mm。研究不同扰动程度强度恢复的试验方案，如表2 所示。

表2 不同扰动程度强度恢复试验Table 2 Strength recovery tests with different disturbance degree

2 强度恢复规律研究

2.1 扰动程度与不排水抗剪强度的关系

2.1.1 不排水抗剪强度计算公式

试验过程中土体试件在当前状态下的不排水抗剪强度，如式（1）所示：

式中：m 为锥体质量，g；h 为锥头锥入深度，mm；k 为锥头相关系数（30°锥k=0.8；60°锥k=0.27）；Su为不排水抗剪强度，kPa。

2.1.2 结果及分析

由表2 和式（1）得到同一种土在不同扰动程度下的不排水抗剪强度，如表3 所示。

表3 不同扰动程度强度恢复试验结果Table 3 Strength recovery test results of different disturbance degree

图2、图3 分别为扰动土静置时间与不排水抗剪强度的关系图和相关性图。

图2 静置时间与不排水抗剪强度的关系Fig.2 Relationship between standing time and undrained shear strength

图3 静置时间与不排水抗剪强度的相关性Fig.3 Correlation of standing time and undrained shear strength

由图2 可知，同一种原状土的扰动程度越大，相同的静置时间下，不排水抗剪强度越小。同种土样的扰动程度不同，其落锥试验的不排水抗剪强度随着静置时间触变恢复的速率与幅度也不相同。究其原因，大连长兴岛吹填淤泥质土以紊流状和粒状镶嵌结构为主，受到施工扰动的程度越大，其结构破坏程度越强，宏观表现为土体强度减小，随着静置时间的增加，因土颗粒、水以及吸附在内部空间的各种离子重新排列，被破坏的结构进而逐渐转变为稳定状态，结构强度缓慢恢复至未扰动状态下的土体强度。扰动程度不同，土体的不排水抗剪强度也不同，因此，对不同扰动程度土体的不排水抗剪强度与静置时间的关系进行拟合，得到不排水抗剪强度与静置时间的相关性分析图，如图3 所示。不同扰动程度下的欠固结土，不排水抗剪强度与静置周期呈线性正相关关系。

2.2 扰动程度与触变恢复强度比的关系

2.2.1 触变恢复强度比计算公式

为进一步评价土样在触变性作用下其强度的相对恢复程度，定义某一时刻土样的触变恢复强度比Bt为：

式中：Su，0为原状土的初始强度，kPa；Su，t为扰动后静置t 时间对应下的不排水抗剪强度，kPa；Su，rem为扰动后静置时间为0 对应下的重塑强度值，kPa。

Bt可以量化土样在触变过程中恢复的强度值占原状样在重塑过程中强度减小量的百分比，当Bt值为1 时，表示土体强度完全恢复至初始状态下的原状强度。

2.2.2 结果及分析

由表3 和式（2）得到同一种土在不同扰动程度下的触变恢复强度比，如表4 所示。

表4 不同扰动程度的强度恢复试验触变恢复强度比Table 4 The thixotropic recovery strength ratio in strength recovery tests with different disturbance degree

由图4 可知，同一种原状土的扰动程度越大，相同的静置时间下，触变恢复强度比越小。究其原因，紊流状结构的土颗粒间存在联结特征，受到扰动后，颗粒间胶结作用产生破坏，随着静置时间的增加，被破坏的结构进而逐渐转变为稳定状态，但强度的恢复值与扰动过程中强度的损失值不等，因此扰动程度越大，触变恢复强度占比越小。相同的扰动程度下，触变恢复强度均随静置时间的增加而增大，前期增长快，后期增长慢至趋于稳定。扰动程度不同，土体的触变恢复强度也不同，因此，对不同扰动程度土体的触变恢复强度比与静置时间的关系进行拟合，得到触变恢复强度比与静置时间的相关性分析图，如图5所示。不同扰动程度下的欠固结土，触变恢复强度比与静置周期呈线性正相关关系。

图4 静置时间与触变恢复强度比的关系Fig.4 Relationship between standing time and thixotropic recovery strength ratio

图5 静置时间与触变恢复强度比的相关性Fig.5 Correlation between standing time and thixotropic recovery strength ratio

2.3 强度恢复因子

为进一步评价土样在扰动作用下强度的恢复程度，定义某一时刻的强度恢复程度Rt为：

由表3 和式（3）得到同一种土在不同扰动程度下的强度恢复程度，如表5 所示。

表5 不同扰动程度的强度恢复程度Table 5 Strength recovery degree of different disturbance degree

扰动程度不同，土体的强度恢复程度也不同，因此，对不同扰动程度土体的强度恢复程度与静置时间的关系进行拟合，得到强度恢复程度与静置时间的相关性分析图，如图6 所示。

同一种土在各扰动程度下强度恢复程度与静置时间的关系式表达如式（4）所示：

式中：α、β 为参数。

结合图6 与式（4）分析可知，参数β 越大，扰动程度对强度恢复程度的影响越小，β 越小，扰动程度对强度恢复程度的影响也越大，故认为参数β 与土样扰动程度有相关性，定义为影响扰动程度参数；式中土样的强度恢复程度与参数α 正相关，故定义参数α 为强度恢复因子。

3 结语

本文为研究欠固结土触变性的变化规律及影响因素，依托大连长兴岛工业园区规划航道淤泥处理工程，对该地区的淤泥质土开展室内模型试验。采用室内击实锤击实土样的方法模拟土样扰动程度，在不同扰动程度（击实10 min、15 min、25 min）下对淤泥质土进行落锥试验，重点分析了在不同静置时间（0 d、7 d、15 d、25 d、30 d）下土样强度的恢复规律，得到强度恢复因子。

1）长兴岛淤泥质土在不同扰动程度下，不排水抗剪强度、触变恢复强度比、强度恢复程度均随静置时间的增加而逐渐增大；在相同静置时间下，不排水抗剪强度、触变恢复强度比、强度恢复程度均随扰动程度的增加而逐渐减小。

2）在不同扰动程度下，强度恢复程度、触变恢复强度比、不排水抗剪强度与静置时间呈线性关系。基于不同的扰动程度，针对强度恢复程度与静置时间的关系表达式，得出长兴岛淤泥质土的强度恢复因子。