黃 博，史海棟，凌道盛，陳云敏

（1. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所，杭州 310058；2. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058）

1 引 言

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，大量交通項(xiàng)目（機(jī)場(chǎng)、高速公路、高速鐵路、地鐵）都建在沿海地區(qū)的地基之上。同時(shí)，國(guó)內(nèi)交通量也在不斷增大，造成工程病害頻發(fā)，使用壽命急劇降低[1－2]。究其原因，是對(duì)地基土的差異以及交通荷載作用下地基土工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)不夠。

我國(guó)沿海地區(qū)分布有廣泛而深厚的粉質(zhì)黏土層，從渤海灣到東南沿海等地區(qū)都有大量分布，屬于第四紀(jì)地質(zhì)歷史時(shí)期沖洪積形成。粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)為10～17，壓縮性較高，強(qiáng)度差，工程特性接近介于砂土和黏土之間。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行了一定研究：Chung-Jung Lee等[3]研究了循環(huán)荷載下臺(tái)北粉質(zhì)黏土的剛度與阻尼變化規(guī)律；凌賢長(zhǎng)等[4]針對(duì)哈爾濱和青藏鐵路沿線粉質(zhì)黏土研究?jī)鐾恋膭?dòng)靜強(qiáng)度；唐益群等[5]結(jié)合上海地鐵施工中采用的凍結(jié)施工法，探索上海粉質(zhì)黏土凍融前后力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)關(guān)系；陳國(guó)興等[6]著眼于南京粉質(zhì)黏土與粉砂互層土抗液化性能?？偨Y(jié)文獻(xiàn)和本次試驗(yàn)結(jié)果，表1給出了我國(guó)沿海各地粉質(zhì)黏土的大致分布深度以及基本特性[7－8]，表中杭州和天津粉質(zhì)黏土的數(shù)據(jù)為本次試驗(yàn)結(jié)果，其他地區(qū)數(shù)據(jù)是總結(jié)文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)得到。從表中可以看出，我國(guó)各地區(qū)粉質(zhì)黏土物理特性明顯不同，這將會(huì)影響土體的力學(xué)特性。研究我國(guó)廣泛分布的粉質(zhì)黏土靜、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)差異可加強(qiáng)對(duì)粉質(zhì)黏土地基強(qiáng)度、變形作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)以及探索新的設(shè)計(jì)方法，具有較強(qiáng)理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

本文試驗(yàn)試樣分別取自京-津高鐵沿線和杭州地鐵1號(hào)線附近，從這兩種土的物理力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)特征比較入手，并且結(jié)合實(shí)際交通荷載情況采用 GDS動(dòng)三軸儀進(jìn)行了交通荷載下高振次循環(huán)荷載試驗(yàn)以及振后抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)兩種土的動(dòng)力特性、動(dòng)強(qiáng)度和振后抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了分析。同時(shí)也進(jìn)行了相同密度下重塑試樣的力學(xué)特性對(duì)比，研究?jī)煞N土的結(jié)構(gòu)性影響。

表1 各地粉質(zhì)黏土指標(biāo)Table 1 Indices of silty clays

2 土的基本性質(zhì)

京-津高鐵試驗(yàn)土樣取自京津城際高速鐵路沿線某勘察路段，取土深度為5～18 m。杭州地鐵試驗(yàn)土樣取自杭州地鐵1號(hào)線湘湖站，試驗(yàn)用土深度為5～15 m。根據(jù)兩個(gè)工程場(chǎng)地的鉆孔資料，圖1給出了兩個(gè)取土地點(diǎn)的大致土層分布情況。由圖可見(jiàn)，兩個(gè)取土地點(diǎn)都分布有厚達(dá)數(shù)十米的深厚的粉質(zhì)黏土層。

圖1 取土地點(diǎn)土層分布情況Fig.1 The profile of drill sites

兩種土基本物理指標(biāo)見(jiàn)表 1，典型土樣的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，兩種土的最大粒徑都小于0.1 mm，其中黏粒（＜0.005 mm）含量都低于15%，粉粒占了土粒組成的絕大部分。不過(guò)兩種土的粉粒粒徑 有較大差距，杭州土主要由較細(xì)粉粒（0.01～0.005 mm）組成，而京津土主要由較粗粉粒（0.075～0.01 mm）組成。杭州土的不均勻系數(shù)為1.57，京津土為2.08。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中土的分類(lèi)，兩種土都是級(jí)配不良的粉質(zhì)黏土。

由表 1可知，京津土密度在 1.79～1.89 g/cm3之間，而杭州土密度在1.60～1.79 g/cm3之間。圖3給出了兩種土壓縮曲線：杭州土為高壓縮性土，而京津土則相對(duì)密實(shí)，屬于中壓縮性土，兩者初始孔隙比相差很大。綜合以上各項(xiàng)指標(biāo)可見(jiàn)，杭州土的含水率高、密度低、孔隙比大、壓縮性高。

圖2 典型顆粒級(jí)配曲線對(duì)比Fig.2 Grain distribution curves of tested soils

圖3 典型e-p曲線對(duì)比Fig.3 Typical e-p curves of tested soils

3 微觀結(jié)構(gòu)

土的宏觀性狀很大程度上受到微觀結(jié)構(gòu)的控制。本次試驗(yàn)還用電子顯微鏡觀察兩種粉質(zhì)黏土微觀結(jié)構(gòu)，從微觀上比較兩種土的差異。

試驗(yàn)選取了典型土層進(jìn)行電鏡掃描，其中京津土掃描15 m深度處原狀樣，杭州土掃描10.5 m深度處原狀樣。為了盡量保持土顆粒結(jié)構(gòu)的天然狀態(tài)，采用真空冷凍升華干燥的方法制備試樣。干燥后使用Philips公司環(huán)境電子顯微鏡對(duì)土樣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

圖4為京津土和杭州土的縱向豎直面電鏡掃描照片，觀察放大倍數(shù)分別為800倍和2000倍。對(duì)比放大2000倍的掃描照片可以發(fā)現(xiàn)，杭州土的孔隙不僅多，而且體積較大。從顆粒單元的性狀以及大小來(lái)看，杭州土的顆粒之間形成片狀以及板狀的集合體較多，京津土則以單粒結(jié)構(gòu)居多。

圖4 電鏡掃描照片F(xiàn)ig.4 Electron microscope photographs

從微觀結(jié)構(gòu)照片對(duì)比中可以推測(cè)，杭州土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)于京津土。因?yàn)楹贾萃令w粒之間集合體較多，而且集合體之間有較大的孔隙。這種結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了土體受擾動(dòng)后強(qiáng)度會(huì)大幅下降的特性。

4 抗剪強(qiáng)度

采用固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)方法測(cè)試土體的靜強(qiáng)度。靜三軸試驗(yàn)步驟參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]。原狀土用薄壁取土器從兩個(gè)場(chǎng)地埋深5～10 m土層中取出，切削成型，試樣高度為 80 mm，直徑為39.1 mm；重塑樣取原狀土的平均干密度，用干搗法分5層裝樣，京津土干密度取1.38 g/cm3，杭州土干密度取 1.18 g/cm3。均用真空飽和法飽和，裝樣完成后，再施加300 kPa反壓，使試樣孔壓系數(shù)B≥0.96。試樣等向固結(jié)，待排水體變基本穩(wěn)定時(shí)固結(jié)結(jié)束。剪切速率控制在0.06 mm/min。

每組試驗(yàn)分別在3個(gè)固結(jié)壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)中杭州土的固結(jié)壓力分別為100、150、250 kPa；京津土的固結(jié)壓力分別為60、150、200 kPa。

圖5為150 kPa圍壓下兩種土原狀和重塑樣靜三軸試驗(yàn)結(jié)果。在不同圍壓下，各土體試驗(yàn)曲線形狀相似，限于篇幅，不一一給出。由圖可見(jiàn)，杭州和京津土原狀試樣的表現(xiàn)大為不同：京津土為應(yīng)變硬化，杭州土則為應(yīng)變軟化；杭州土試樣中的孔壓增幅要比京津土高；且京津土強(qiáng)度遠(yuǎn)高于杭州土。在 150 kPa圍壓下，京津原狀樣主應(yīng)力差峰值為178 kPa，杭州土原狀樣為95.7 kPa。

兩種土的重塑樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化。京津重塑土除強(qiáng)度有一定降低外，其響應(yīng)與原狀樣幾乎沒(méi)有差異。而杭州重塑土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與原狀土完全不同，不僅從應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化，且原狀樣峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)?3%，重塑樣則剪切至 22%軸向應(yīng)變?nèi)晕闯霈F(xiàn)峰值。這說(shuō)明擾動(dòng)對(duì)杭州土影響較大，會(huì)引起土體變形特性發(fā)生很大改變。對(duì)比唐益群等[5]、吳剛等[11]等試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)江中下游地區(qū)粉質(zhì)黏土力學(xué)指標(biāo)差異較大，抗剪強(qiáng)度差距可達(dá)2倍左右。

表2給出了靜三軸試驗(yàn)測(cè)得的兩種土原狀及重塑樣總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo) c、φ以及有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c′、φ′。破壞標(biāo)準(zhǔn)取主應(yīng)力差峰值，若無(wú)峰值則取15%應(yīng)變對(duì)應(yīng)強(qiáng)度。原狀樣組數(shù)較多，且試樣因深度、密度不一，因而強(qiáng)度指標(biāo)在一定范圍內(nèi)變化。

杭州重塑土黏聚力降低為11.4 kPa，相比原狀樣降低23.5%～47.9%?？梢?jiàn)重塑后改變了顆粒間的微觀結(jié)構(gòu)，破壞了結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)作用，導(dǎo)致黏聚力下降。而京津重塑土黏聚力較原狀樣沒(méi)有降低，說(shuō)明重塑對(duì)土顆粒間的聯(lián)結(jié)作用影響較小。這結(jié)果證實(shí)了前文中的掃描電鏡觀察中的推測(cè)，說(shuō)明杭州土在擾動(dòng)后特別是重塑后黏聚力會(huì)有較大地下降，而對(duì)京津土影響較小。

圖5 原狀和重塑京津、杭州粉質(zhì)黏土靜三軸試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 CU test results of undisturbed and remolded samples

由此可見(jiàn)，處理長(zhǎng)江中下游地區(qū)的深厚軟土地基時(shí)要特別注意土的結(jié)構(gòu)性影響，減少對(duì)土體的擾動(dòng)。而在北方地區(qū)的粉質(zhì)黏土地基，靈敏度低，擾動(dòng)的影響會(huì)相對(duì)較弱。

表2 固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比Table2 Comparison of consolidated undrained shear strength parameters

5 動(dòng)力特性

5.1 試驗(yàn)方法及動(dòng)力荷載

本次動(dòng)力試驗(yàn)采用 GDS公司的雙向振動(dòng)動(dòng)三軸系統(tǒng)。試樣尺寸與前文中靜三軸試驗(yàn)相同，固結(jié)壓力均為80 kPa。

由于本文所研究的兩種土在實(shí)際工況中均要承受長(zhǎng)期交通荷載作用，因此，在動(dòng)力試驗(yàn)中，動(dòng)荷載模擬高鐵運(yùn)行荷載，排水條件設(shè)定為不排水，在極限狀態(tài)下研究地基土在交通荷載作用下的動(dòng)力特性。在動(dòng)應(yīng)力比的選取上，選取了較大的動(dòng)應(yīng)力比，為了在動(dòng)力試驗(yàn)中使土體發(fā)生破壞，研究土體動(dòng)強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)荷載波形采用京津高速鐵路相應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行列車(chē)-鋼軌-板式軌道-路基和地基系統(tǒng)進(jìn)行整體耦合振動(dòng)分析，模擬得到的豎直方向動(dòng)應(yīng)力形式，如圖 6所示。方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。通過(guò)前人的研究發(fā)現(xiàn)[13－14]，地鐵運(yùn)行過(guò)程中地基土所受動(dòng)力荷載波型也與圖6所示波型相似。因此認(rèn)為，可以用圖6所示波型來(lái)大致模擬地鐵運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)力荷載，所以本次試驗(yàn)中對(duì)杭州地鐵沿線的粉質(zhì)黏土也使用上述波形加載。

圖6 模擬交通荷載波型Fig.6 Simulated traffic loading in the test

5.2 動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.2.1 變形特性

圖7給出了不排水條件下兩種土累積應(yīng)變（循環(huán)荷載中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?yōu)槔鄯e應(yīng)變）隨振次的變化關(guān)系。從圖中可見(jiàn)，在較小的動(dòng)應(yīng)力下，試樣的累積應(yīng)變會(huì)慢慢趨向穩(wěn)定；在較大的動(dòng)應(yīng)力下，則可能發(fā)生應(yīng)變的突然增大而導(dǎo)致破壞。如：京津土在動(dòng)應(yīng)力比0.5（動(dòng)應(yīng)力定義為：C SR=σd/2σ3，σd如圖6所示，σ3=80 kPa）作用下，前30000次振動(dòng)后應(yīng)變僅為 2%，但是在后面的振動(dòng)中應(yīng)變迅速發(fā)展，最終達(dá)到10%以上。可見(jiàn)，粉質(zhì)黏土在長(zhǎng)期交通荷載作用下，若排水條件不暢，會(huì)產(chǎn)生很大的工后沉降。在這兩種應(yīng)變發(fā)展模式之間，存在一臨界動(dòng)應(yīng)力比，這一概念的提出可參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，即動(dòng)應(yīng)力比小于臨界動(dòng)應(yīng)力比，變形最終趨于穩(wěn)定；若動(dòng)應(yīng)力比超過(guò)臨界動(dòng)應(yīng)力比，土體變形會(huì)急劇增大，并最終超過(guò)工程許可。因此可以推論，要控制鐵路地基長(zhǎng)期沉降可以采取兩種方法：一是提高地基土臨界動(dòng)應(yīng)力比；二是降低交通荷載產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力。

5.2.2 動(dòng)強(qiáng)度

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)飽和粉質(zhì)黏土動(dòng)力荷載下的特性做了研究。但對(duì)其破壞標(biāo)準(zhǔn)取值方面國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有形成共識(shí)。其中有變形標(biāo)準(zhǔn)（1%、3%、5%、10%等[16－17]）；屈服標(biāo)準(zhǔn)（陳穎平等[18]提出了用累積應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)的方法來(lái)判定應(yīng)變）；孔壓標(biāo)準(zhǔn)（動(dòng)荷載引起的殘余孔壓達(dá)到極限平衡時(shí)的孔壓或達(dá)到起始液化時(shí)的孔壓[19－20]）等。在粉質(zhì)黏土動(dòng)力破壞判別標(biāo)準(zhǔn)上，主要是采用應(yīng)變判別標(biāo)準(zhǔn)。即在一定振次下達(dá)到認(rèn)為破壞的目標(biāo)應(yīng)變所需要的動(dòng)應(yīng)力幅值。從動(dòng)強(qiáng)度的定義可以看出，選取不同的動(dòng)強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)強(qiáng)度也就不同。

表3給出了京津、杭州兩地粉質(zhì)黏土的原狀和重塑試樣動(dòng)三軸試驗(yàn)情況匯總表。表3中振次是本次試驗(yàn)中兩種土的原狀以及重塑試樣在各種動(dòng)應(yīng)力比的交通荷載下達(dá)到 3%應(yīng)變所需要的振次情況。表中“未達(dá)到”是表示試樣在110000次交通荷載作用后應(yīng)變?nèi)孕∮?%。

Boulanger和Idriss[21]認(rèn)為，黏性土在應(yīng)變達(dá)到3%時(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞，Lee等[22]學(xué)者在研究中也發(fā)現(xiàn)，高靈敏性黏土和低靈敏性黏土在應(yīng)變分別達(dá)到2%～3%和 4%～6%時(shí)會(huì)形成剪切破壞面，之后土體將產(chǎn)生大變形。且從靜三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線來(lái)看，杭州土在應(yīng)變達(dá)到 3%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值。而一般路基是以強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)，而對(duì)于高速鐵路以及城市軌道交通工程等項(xiàng)目，變形控制是路基工程設(shè)計(jì)的主要控制因素。因?yàn)樵趶?qiáng)度破壞前，可能已出現(xiàn)了不容許的過(guò)大變形。因此，擬選取瞬時(shí)應(yīng)變達(dá)到3%為破壞標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 不排水條件下試樣累積應(yīng)變隨振次的變化關(guān)系Fig.7 Relationships between accumulated strain and vibration number in undrained condition

表3 動(dòng)三軸試驗(yàn)匯總Table3 Summary of dynamic triaxial tests

圖8為根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪出的動(dòng)強(qiáng)度曲線，表中未破壞的試樣假設(shè)在這個(gè)動(dòng)應(yīng)力條件下破壞振次無(wú)窮大；結(jié)合圖7對(duì)比發(fā)現(xiàn)，原狀京津土動(dòng)強(qiáng)度高于杭州土。兩種重塑土動(dòng)強(qiáng)度都比原狀樣有所下降，然而杭州土重塑后的動(dòng)強(qiáng)度下降更為明顯，其臨界動(dòng)應(yīng)力比大約在0.20～0.25，只有原狀土的50%左右。而京津重塑土的臨界動(dòng)應(yīng)力比在0.3左右，大約相當(dāng)于原狀土的70%，明顯高于杭州土。

圖8 動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.8 Dynamic strength curves

6 振后抗剪強(qiáng)度

由于低路堤高速公路和鐵路的軟土地基會(huì)在長(zhǎng)期交通荷載作用發(fā)生軟化，導(dǎo)致地基承載力降低，影響工程安全正常使用。因此，本文也對(duì)京津土和杭州土在循環(huán)荷載作用后抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了研究。振動(dòng)結(jié)束后，立即進(jìn)行不排水剪試驗(yàn)。

圖9～12給出了兩種粉質(zhì)黏土振后靜力剪切過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展、孔壓發(fā)展以及應(yīng)力路徑等。靜力剪切試驗(yàn)中的應(yīng)變計(jì)算仍設(shè)試樣初始高度8cm為基礎(chǔ)，并在動(dòng)力試驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)變和孔壓基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此，應(yīng)變和孔壓的初值不為0。

表4是兩種土原狀和重塑試樣的振后有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。表中 u0表示振動(dòng)后產(chǎn)生的殘余孔壓。動(dòng)應(yīng)力比為0的情況即試樣的靜三軸抗剪強(qiáng)度。振后c′、φ′值的計(jì)算中破壞標(biāo)準(zhǔn)同靜三軸剪切試驗(yàn)。從兩種原狀土以及重塑土的振后強(qiáng)度研究中可以發(fā)現(xiàn)，振后試樣抗剪強(qiáng)度隨著循環(huán)荷載動(dòng)應(yīng)力比的增大而減小。這是由于在較大動(dòng)力荷載作用后，孔壓上升也較大，導(dǎo)致有效圍壓減小，抗剪強(qiáng)度降低。原狀土樣有受到小幅振動(dòng)后使強(qiáng)度升高的現(xiàn)象。這種較小振幅的長(zhǎng)期往復(fù)振動(dòng)作用，類(lèi)似于預(yù)剪作用[23（]prestraining）。對(duì)重塑試樣，則不存在該現(xiàn)象。

從原狀土的振后黏聚力來(lái)看，京津土的振后黏聚力值有一定提高，杭州土則比振前減小。兩種土的振后φ′值比原狀土都有一定增長(zhǎng)。重塑土的振后c′、φ′值比振前有所下降。

圖9 京津原狀土振后三軸試驗(yàn)Fig.9 Standard triaxial tests after cyclic loading for undisturbed Beijing-Tianjin soil

圖10 杭州原狀土振后三軸試驗(yàn)Fig.10 Standard triaxial tests after cyclic loading for undisturbed Hangzhou soil

圖11 京津重塑土振后三軸試驗(yàn)Fig.11 Standard triaxial tests after cyclic loading for remoulded Beijing-Tianjin soil

圖12 杭州重塑土振后三軸試驗(yàn)Fig.12 Standard triaxial tests after cyclic loading for remoulded Hangzhou soil

表4 振后抗剪強(qiáng)度Table 4 Shear strength after dynamic loading

7 結(jié) 論

（1）與京津土相比，杭州土有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低的特點(diǎn)。動(dòng)、靜強(qiáng)度都明顯低于京津土。

（2）微觀結(jié)構(gòu)反映出杭州土顆粒間聚合較多且聚合顆粒之間有較大孔隙；而京津土以單粒結(jié)構(gòu)為主，且孔隙較小。因此，杭州土靈敏度較京津土高。

（3）長(zhǎng)期交通荷載作用下，減少動(dòng)應(yīng)力或增大地基土的臨界動(dòng)應(yīng)力比可使地基土的應(yīng)變發(fā)展過(guò)程更快地趨于穩(wěn)定。

（4）粉質(zhì)黏土在承受較大交通荷載且排水不暢時(shí)應(yīng)變可能會(huì)持續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)應(yīng)變過(guò)大的情況。

（5）小幅振動(dòng)后，土樣強(qiáng)度變化很小或有一定增大，而隨著振幅增大振動(dòng)后強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減。重塑樣的振后強(qiáng)度均低于未經(jīng)歷振動(dòng)時(shí)的不排水強(qiáng)度值。

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