王庶懋，陳恩得

(華東電力設(shè)計院，上海 200063)

1 土的結(jié)構(gòu)性理論

“結(jié)構(gòu)性”(structure)一詞最早由Mitchel(1976)引入以研究粘土的性狀，他將結(jié)構(gòu)性描述為聯(lián)結(jié)(bond)和組構(gòu)(fabric)的共同作用。其后在1990年的Rankine講座上，Burland系統(tǒng)地總結(jié)了西方國家在天然軟土結(jié)構(gòu)性的研究成果。國內(nèi)以沈珠江、謝定義以及洪振舜等為代表的學(xué)者們也對結(jié)構(gòu)性進行了大量的試驗和理論研究，沈珠江等主要對天然粘土進行了研究。取得了廣泛的成果，此外他們還創(chuàng)造了人工制備結(jié)構(gòu)性粘土的方法，從而可以模擬不同的天然結(jié)構(gòu)性粘土。謝定義等則提出了以綜合結(jié)構(gòu)勢為土結(jié)構(gòu)性參數(shù)，對土結(jié)構(gòu)性進行定量化研究，駱亞生則利用這個理論對黃土的結(jié)構(gòu)變化特性進行了靜力和動力兩方面的研究。洪振舜等則利用高壓三軸儀對具有強結(jié)構(gòu)性的天然硅藻土進行了強度和變形特性的試驗研究。

總的來說，“結(jié)構(gòu)性”是指土體在外界因素(荷載、溫度或濕度)作用時保持其在沉積條件下獲得的原有結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定的能力，決定其強弱的因素不僅在于顆粒間的膠結(jié)程度，還在于顆粒接觸面積，顆粒礦物成份、顆粒間的摩擦均勻程度(比如非均質(zhì)土體)、顆粒的排列等組構(gòu)征。結(jié)構(gòu)性的“強”與“弱”在目前并沒有一個統(tǒng)一的指標(biāo)去衡量，其中靈敏度能較為直觀地反映結(jié)構(gòu)性土在受到擾動時不排水強度的變化，被較多地用作表征結(jié)構(gòu)性強弱的指標(biāo)。

2 軟土結(jié)構(gòu)性的成因

軟土是一種簡稱，目前對其工程特性的共識，主要是指高含水量、高壓縮性、高靈敏度和低強度，值得注意的是，這里所說的軟土只有將其置于所處的原位環(huán)境中才有工程意義。我國《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)是按照物理性質(zhì)進行軟土的判別，即：“天然孔隙比大于或等于 1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土應(yīng)判定為軟土”，而國外則常以力學(xué)性質(zhì)作為判別標(biāo)準(zhǔn)，即定義不排水抗剪強度低于25kPa 的粘性土為軟土。由高靈敏度引起的取樣擾動易使得軟土在原位狀態(tài)下形成的結(jié)構(gòu)性受到破壞，因此結(jié)構(gòu)性對軟土特性的影響往往未引起足夠的重視，尤其是當(dāng)物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)并不匹配時，無法給出合理的解釋。

軟土在我國沿海一帶分布很廣，如渤海灣及天津塘沽、長江三角洲、浙江、珠江三角洲以及福建沿海地區(qū)都存在海相或湖相沉積的軟土，結(jié)構(gòu)性的形成主要有內(nèi)因和外因兩方面。內(nèi)因主要是指軟土的粘土礦物和沉積過程。粘土中不同的礦物成分及其含量都會影響粘土的結(jié)構(gòu)性，尤其是粘土中存在高嶺石等膨脹性粘土礦物時，膨脹和收縮會導(dǎo)致土結(jié)構(gòu)性的消失和減少，其他礦物成分也會影響其結(jié)構(gòu)性。以長江三角洲和浙江沿海一帶的軟土為例，其成分主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土，具有典型的海綿結(jié)構(gòu)和層理結(jié)構(gòu)。淤泥層含有粉細(xì)砂土層，平面上有所差異，垂直方向上具有明顯的分選性。由于粘粒多，且含有機質(zhì)，結(jié)合水膜較厚，顆粒間距離越遠(yuǎn)，其聯(lián)結(jié)力減弱，強度就降低。經(jīng)上覆土層作用壓密，經(jīng)過固結(jié)，土顆粒發(fā)生凝聚作用，部分水析出，聯(lián)結(jié)力加強，土體強度有所提高。此外，土的沉積過程對土體的結(jié)構(gòu)性形成有較大的影響。土在沉積過程中，若形成絮凝結(jié)構(gòu)則可能形成結(jié)構(gòu)性強的欠壓密土；若形成散絮結(jié)構(gòu)，則土體結(jié)構(gòu)性不會太強。軟土主要為自第四紀(jì)中期開始，在多次海陸變遷歷史中，堆積了較厚的由陸相到海陸交互相的松散沉積物。全新統(tǒng)為以海相淤泥質(zhì)土為主的沉積層，成因有海積、沖海積、濱海沼澤相沉積。因此根據(jù)其微觀結(jié)構(gòu)分為海綿結(jié)構(gòu)和層理結(jié)構(gòu)來判斷，結(jié)構(gòu)性較強。土中水的性質(zhì)和成分也會對土的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生影響。對軟土而言，由于其顆粒的比表面積很大，土中液相對其性質(zhì)影響也很大。液相通過物理和化學(xué)作用來改變土顆粒之間以及土中固、液相之間的相互作用從而改變其結(jié)構(gòu)性[8]。

3 軟土結(jié)構(gòu)性在工程實踐中的反映

3.1 動力排水固結(jié)

動力排水固結(jié)法是一種有效的軟土地基處理方法，它以插設(shè)塑料排水板作為排水系統(tǒng)，以強夯產(chǎn)生的動荷載和軟土上覆土層形成的靜荷載作為加壓系統(tǒng)，既克服了傳統(tǒng)強夯法不能有效排除軟土中孔隙水的不足，又比超載預(yù)壓排水固結(jié)法縮短了工期，并能改善軟土的結(jié)構(gòu)性，減小工后沉降，有效提高地基承載力。

傳統(tǒng)的變形理論，包括彈塑性理論和次固結(jié)理論認(rèn)為土在較快加荷條件下的固結(jié)過程與顆粒接觸點的滑移密切相關(guān)，滑移的結(jié)果導(dǎo)致接觸點的增加、水膜變薄和孔隙比減小，從而能抵抗增加了的荷載，但是這主要是依據(jù)重塑土室內(nèi)試驗的結(jié)果。天然軟土在長期荷載作用下存在另一種可稱為結(jié)點固化的變形機理，即荷載的緩慢增加允許顆粒接觸點上發(fā)生緩慢的物理化學(xué)作用，使接觸點的強度增加以抵抗荷載的增加。固化過程中顆粒間不發(fā)生滑移，土的結(jié)構(gòu)保持原狀，但接觸點的水膜可能減薄，從而孔隙比也會有所變小，但這一減小量與因顆粒滑移引起的減小量相比要小得多，這就是天然土中往往存在高孔隙比的原因。動力排水固結(jié)的基本思想是要考慮壓縮引起的強度增長。而忽略剪縮引起的強度增長，在這期間，動荷載(強夯)和靜荷載(上覆土層壓力)引起的孔隙水壓力變化規(guī)律是有區(qū)別的，如圖1所示，在動荷載沖擊作用下，土體中孔隙水壓力急劇上升，隨著孔壓的快速消散，土粒結(jié)構(gòu)重新排列、調(diào)整，土體強度恢復(fù)很快，動荷載激發(fā)出較大孔壓的迅速消散促使土體含水量降低，強度提高，土體物理力學(xué)性質(zhì)得到改善。而在排水固結(jié)過程中，孔隙水壓力相對較低，土體處于以彈性為主的變形階段。

3.2 施工擾動的影響

圖1 動、靜荷載作用下超孔隙水壓力消散時程曲線

施工擾動的起因很多，如沉樁、砂井以及堆載等等，天然軟土的原生結(jié)構(gòu)會受到這些擾動的影響，從而使得土顆粒間的膠結(jié)以及土粒、離子和水的平衡體系被打破，導(dǎo)致強度降低、壓縮性增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)均發(fā)生改變。但在軟土的時效性作用下，擾動結(jié)束后，軟土?xí)幸欢ǖ慕Y(jié)構(gòu)恢復(fù)，這將會影響其此后的受荷特性。

在軟土地區(qū)進行預(yù)制樁施工時，沉樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)將使得樁周土中形成塑性區(qū)，而在與樁體接觸的土體界面中，超孔隙水壓力增長最大，結(jié)構(gòu)受到擾動的程度最大，在這個過程中，土顆粒間的膠結(jié)首先被破壞，繼而顆粒的排列等組構(gòu)特征被打破，產(chǎn)生相對滑移，導(dǎo)致塑性變形。由于樁的施工是連續(xù)進行，打完一根樁后，對于土層中某一單元，土的結(jié)構(gòu)在尚未進入下一個穩(wěn)定狀態(tài)前又被相鄰樁的施工所擾動，而且在群樁施工中，這種對土體結(jié)構(gòu)的擾動是隨著打樁的位置、速度和密度不斷變化的。沉樁結(jié)束后，擾動停止，超孔隙水壓力開始消散，若軟土的超孔隙水壓力在擠土效應(yīng)下超過了軸向或徑向的約束應(yīng)力，土體將會產(chǎn)生裂縫，這增加了孔隙水的消散通道，土顆粒在離子作用下重新排列、組合，顆粒間的膠結(jié)再次產(chǎn)生，重新形成的雙電層使得土體的結(jié)構(gòu)朝著更緊密的趨勢恢復(fù)，這個過程即為地基土的再固結(jié)，在此作用下，樁基下拽，但就剛性長樁而言，一般都支承在地質(zhì)條件較好的地層中，這就阻止樁基的下沉。樁周地基土的再固結(jié)沉降量通常大于樁身沉降量，同時由于樁基的存在，又會阻止地基土的下沉，這樣樁基與其周圍土體之間產(chǎn)生相對位移，則樁身產(chǎn)生摩擦力，由于土體的再固結(jié)使其結(jié)構(gòu)性比擾動前更強，因此樁基也將獲得比土體原位狀態(tài)下更大的摩阻力。此外，再固結(jié)穩(wěn)定往往需要很長時間，樁基沉降的時間也常達(dá)數(shù)年之久，并呈逐漸減小的趨勢，如圖2所示。而根據(jù)目前的工程經(jīng)驗，基坑開挖前樁基的休止時間往往小于一個月，此時，土體的結(jié)構(gòu)尚未恢復(fù)穩(wěn)定，基坑開挖的卸荷作用對其又產(chǎn)生擾動，這會導(dǎo)致土體的力學(xué)指標(biāo)尤其是軟土的壓縮性指標(biāo)與原位狀態(tài)時有較大差別，并將最終影響整個結(jié)構(gòu)的沉降，而這個因素是目前軟土地基設(shè)計中沒有很好考慮的，因此，建立考慮擾動影響的土體結(jié)構(gòu)性模型，能夠更準(zhǔn)確地模擬軟土地基在復(fù)雜施工條件下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化，從而更好地指導(dǎo)工后沉降的預(yù)測。

圖2 樁頂沉降時程曲線[9]

3.3 取樣擾動的影響

對于結(jié)構(gòu)性土而言，取樣擾動是一個不可避免的問題，引起取樣擾動的原因有以下兩個：一是卸荷作用，即土樣由原位取到地上后引起的總應(yīng)力和孔隙壓力的一系列變化；二是機械擾動作用，包括取土器的壓入及切樣擾動等。取樣擾動的主要影響表現(xiàn)為：①壓縮曲線趨于平緩，低壓力下的壓縮性增大，固結(jié)系數(shù)降低，高壓力下壓縮性變小，結(jié)構(gòu)強度也相應(yīng)降低；②無側(cè)限壓縮曲線的峰值顯著降低，變形模量隨之降低，峰值應(yīng)變則相應(yīng)增大；③不排水剪切試驗中的孔隙壓力系數(shù)和排水剪切試驗中的剪縮性均有所降低。

對于軟土而言，結(jié)構(gòu)強度或結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力是結(jié)構(gòu)性的主要體現(xiàn)，但取土過程中產(chǎn)生的擾動使其在室內(nèi)試驗中無法完全體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)強度，這使得在確定軟土力學(xué)性質(zhì)時產(chǎn)生偏差，而且有時造成力學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)的不匹配。此外，軟土在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力前后壓縮性發(fā)生突變，即所謂的“倒大”，而對軟土壓縮性進行評價的時候，習(xí)慣采用壓力在100～200kPa區(qū)間的壓縮系數(shù)av0.l一0.2來評價土的壓縮性，這對于某些結(jié)構(gòu)強度較大的結(jié)構(gòu)性軟土，可能會產(chǎn)生偏差，因此根據(jù)工程施加的荷載區(qū)間來評價壓縮性，應(yīng)能較準(zhǔn)確地反映軟土在原位狀態(tài)下受荷的真實表現(xiàn)。

4 結(jié)論

軟土的結(jié)構(gòu)性在工程上既有有利的一面，如動力排水固結(jié)中利用孔壓消散使得強度增長，也有不利的影響，如動力置換中需要確保擾動土體的強度能降至可以施工的水平，土體結(jié)構(gòu)性的合理利用能縮短工期、減少工程量，更為重要的是它對某些工程的安全及成敗起著關(guān)鍵的作用，在實踐中應(yīng)結(jié)合具體工程進行分析，以保證工程的順利實施。

[1]Mitchell，J.K.Fundamantals of soil behavior[M].New York： Wiley，1976.

[2]Burland，J.B.On the compressibility and shear strength of natural clays[J].Geotechnique，1990，40(3).

[3]沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設(shè)計[J].巖土工程學(xué)報，1998，20(1).

[4]蔣明鏡，沈珠江.結(jié)構(gòu)性粘土試樣人工制備方法研究[J].水利學(xué)報，1997，(1).

[5]謝定義，齊吉琳.土結(jié)構(gòu)性及其定量化參數(shù)研究的新途徑[J].巖土工程學(xué)報，1999，21(6).

[6]駱亞生.非飽和黃土在動、靜復(fù)雜應(yīng)力條件下的結(jié)構(gòu)變化特性及結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關(guān)系研究[D].博士學(xué)位論文，西安理工大學(xué)，2003.

[7]洪振舜，立石義孝，鄧永鋒.天然硅藻土的應(yīng)力水平與孔隙空間分布的關(guān)系[J].巖土力學(xué)，2004，25(7).

[8]龔曉南，熊傳祥，向可祥等.黏土結(jié)構(gòu)性對其力學(xué)性質(zhì)的影響即形成原因分析[J].水力學(xué)報，2000(10).

[9]張雪松等.軟粘土地基中擠土樁沉降時效性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(19).