史翠英，寇　婷，沙　俊

（江蘇省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇徐州221004）

黃泛平原結(jié)構(gòu)性低液限土的先期固結(jié)壓力確定

史翠英*，寇婷，沙俊

（江蘇省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇徐州221004）

以黃泛區(qū)平原低液限土為研究對(duì)象，在對(duì)比、分析了原狀土與重塑土的一維單向固結(jié)壓縮曲線形態(tài)后認(rèn)為：黃泛平原低液限土是一種具有結(jié)構(gòu)性的土，且經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱。經(jīng)采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法和還原曲線法來確定土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力及先期固結(jié)壓力，結(jié)果證實(shí)：①雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法同樣適用于低液限土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力求解；②傳統(tǒng)試驗(yàn)方法及Casagrande法確定結(jié)構(gòu)性低液限土的先期固結(jié)壓力是不合適的；同時(shí)初步探討了黃泛平原土的結(jié)構(gòu)性特征。

黃泛平原；土的結(jié)構(gòu)性；低液限土；先期固結(jié)壓力

土的結(jié)構(gòu)性，是指土體顆粒和孔隙的性狀和排列形式（又稱組構(gòu)）及顆粒之間的相互作用。土結(jié)構(gòu)性對(duì)土體的應(yīng)力—應(yīng)變、強(qiáng)度、滲透等工程性質(zhì)有著強(qiáng)烈的影響，從而引發(fā)人們的廣泛關(guān)注，并成為“21世紀(jì)土力學(xué)的核心”研究課題[1]。近年來的研究表明：各地區(qū)、各種類型的土都存在著結(jié)構(gòu)性，而且不同成因，不同類型，不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的土，其結(jié)構(gòu)性有著極大的差異。然而，對(duì)于成因特殊，分布區(qū)域廣泛的黃泛區(qū)平原土的結(jié)構(gòu)性研究卻鮮見文獻(xiàn)。

研究表明，黃泛平原區(qū)因黃河的沖淤積作用，區(qū)內(nèi)土質(zhì)呈層狀分布，土質(zhì)以低液限粉土、粉質(zhì)粘土為主（局部夾有高液限粘土層）；土中礦物成分中非粘土礦物（石英、長(zhǎng)石等）含量高（最高達(dá)89%）；粘土礦物含量低（平均26%，最低11%）[2]，土的工程特性表現(xiàn)為低塑性、高密度、低強(qiáng)度、中壓縮性等[3]。對(duì)取自濟(jì)南北某施工現(xiàn)場(chǎng)土樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)區(qū)內(nèi)土的結(jié)構(gòu)性及其對(duì)土的先期固結(jié)壓力這一土性指標(biāo)的影響予以探究，期望據(jù)此引發(fā)同行關(guān)注。

1　土的性質(zhì)與試驗(yàn)

1.1土的性質(zhì)

在鉆探現(xiàn)場(chǎng)，沿鉆孔不同深度取原狀樣三件，并依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG40-2007）測(cè)試土的各項(xiàng)土工參數(shù)，同時(shí)制作對(duì)應(yīng)的重塑樣，控制重塑樣的含水率、孔隙比與原狀土相近。土的主要物性指標(biāo)見表1。由表1可見試樣具有黃泛區(qū)平原土質(zhì)特征：表現(xiàn)為土的天然密度較大，孔隙比較小，土在天然狀態(tài)下密實(shí)；依土的液限和塑性指數(shù)，按規(guī)程（JTG40-2007）塑性圖分類，應(yīng)屬低液限土；土的顆粒組分顯示，土中粒組分散度不高，主要以粉粒組為主，粘粒含量較低。

表1　土的主要物性指標(biāo)

1.2試驗(yàn)

試驗(yàn)采用KTG-98全自動(dòng)高壓固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)加荷、判穩(wěn)及數(shù)據(jù)采集的全自動(dòng)控制，加荷速率取1，即試驗(yàn)壓力設(shè)置為：12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200（kPa）共9級(jí)?？紤]到該類土在有側(cè)限單向固結(jié)條件下，沉降穩(wěn)定較緩慢（張朋等）的特點(diǎn)，每級(jí)荷載歷時(shí)4d再施加下一級(jí)荷載，以獲取完整的試驗(yàn)成果。

2　試驗(yàn)成果與討論

2.1土的結(jié)構(gòu)性

如圖1所示，為原狀土與重塑土的壓縮曲線。由圖1可見：

（1）原狀土的壓縮曲線在初始低壓力段曲線變化平緩，隨著試驗(yàn)壓力的增大，曲線出現(xiàn)陡降；再增大試驗(yàn)壓力，曲線變化又趨緩，即原狀土的壓縮曲線變化呈緩慢-陡降-趨緩的三段式。而對(duì)應(yīng)重塑土的壓縮曲線則是隨著試驗(yàn)壓力增大以近乎直線的形式變化，只是在試驗(yàn)壓力大于1600kPa后才有所趨緩。對(duì)比原狀土和對(duì)應(yīng)重塑土的壓縮曲線形態(tài)可以認(rèn)為，試驗(yàn)所取土樣是具有結(jié)構(gòu)性的土。王立忠（2004）將原狀土的壓縮曲線形態(tài)分為2種：①三段式：平緩—陡降—再趨緩；②二段式：平緩—陡降，并認(rèn)為具第①種曲線形態(tài)的土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，而結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱與土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相關(guān)。試驗(yàn)表明，本文所取土為具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性土。

（2）在相同的垂向壓力下，原狀土與對(duì)應(yīng)重塑土之間存在一個(gè)孔隙比差Δe。這說明原狀土在沉積過程中形成了某種形態(tài)的結(jié)構(gòu)并且產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。當(dāng)試驗(yàn)壓力較小時(shí)，原狀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足以抵抗這種低應(yīng)力作用而不致使土體產(chǎn)生較大變形，所以相對(duì)重塑土而言Δe較大；隨著試驗(yàn)壓力增大，原狀土的結(jié)構(gòu)性部分損傷，土的沉降開始加大；當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到或超過土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk后，原狀土的結(jié)構(gòu)崩潰，結(jié)構(gòu)性喪失，處于結(jié)構(gòu)屈服狀態(tài)。原狀土結(jié)構(gòu)屈服后沉降量增大，壓縮曲線變化陡降，Δe值快速減小，原狀土壓縮曲線向重塑土壓縮曲線趨近。對(duì)于Δe值，Burland（1990）將其定義為附加孔隙比，用于定性表述土的結(jié)構(gòu)性。

2.2土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

對(duì)于具有結(jié)構(gòu)性的原狀土而言，土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk值是描述土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要參數(shù)，而結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk的確定。目前通用的方法是依原狀土在一維單向固結(jié)狀態(tài)下的壓縮曲線來確定。

2.2.1由Casagrande法確定σk值

傳統(tǒng)的casagrande法（下文簡(jiǎn)稱“C”法）所得出的是土的先期固結(jié)壓力，但這只是針對(duì)非結(jié)構(gòu)性土而言的。對(duì)于具有結(jié)構(gòu)性的土，當(dāng)壓力超過土的結(jié)構(gòu)屈服壓力后，土的結(jié)構(gòu)性喪失，沉降量增大，土處于結(jié)構(gòu)屈服狀態(tài)，表現(xiàn)在土的壓縮曲線上就是曲線形態(tài)出現(xiàn)陡降（如圖2所示）。因此，此時(shí)用“C”法所得應(yīng)是原狀結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk，而不是通常意義上的先期固結(jié)壓力[7]。

采用C法，本文所取原狀土的結(jié)構(gòu)屈服壓力σk是：試樣sy-1,

σk=70.3kPa；試樣sy-2,σk=109.9kPa；試樣sy-3, σk=138.6kPa；。

2.2.2雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法確定的σk值

由于采用C法確定結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)屈服壓力時(shí)，存在著最大曲率點(diǎn)難以確定，而且結(jié)構(gòu)性土在結(jié)構(gòu)屈服后的壓縮曲線形態(tài)并非完整的呈現(xiàn)直線形，從而使測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生難以避免的偏差。對(duì)比，殷杰（2012）推薦使用Butterfield提出的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法，并經(jīng)他本人對(duì)中外39件原狀樣（軟粘土）驗(yàn)證，有較好的適用性。

雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法就是用ln（1+e）-lgP雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)來處理土的壓縮試驗(yàn)成果。在該坐標(biāo)系內(nèi)，土的壓縮曲線就形成2條相交的直線，其交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)壓力即為土樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk，所對(duì)應(yīng)的孔隙比即為土在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力下的孔隙比。如圖3所示。

由雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法得到的原狀樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力是sy-1,σk=70kPa；試樣sy-2,σk=110kPa；試樣sy-3, σk=140kPa。與由“C”法所得值基本一致。這表明，雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法同樣適用于黃泛平原結(jié)構(gòu)性低液限土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力求解。

2.3土的先期固結(jié)壓力確定

2.3.1改進(jìn)后李濤模型

如上文所述對(duì)于具結(jié)構(gòu)性的土而言，傳統(tǒng)“C”法所確定的是該原狀土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk。而由此得出的超固結(jié)比OCR值也只能稱之為原狀土的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比。李濤（1987）等人的研究表明，依據(jù)土的壓縮及回彈特性，可以從完全喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重塑土（稱理想重塑土）來還原土的壓縮性狀并推求結(jié)構(gòu)性土的先期固結(jié)壓力，由此建立了還原土的壓縮曲線的數(shù)學(xué)模型。

由于該模型只考慮了土是正常固結(jié)土或超固結(jié)土而沒有考慮土結(jié)構(gòu)性的影響。王國欣等（2003）經(jīng)分析后認(rèn)為用結(jié)構(gòu)屈服壓力σk代替原模型中的上覆壓力P0，其他指標(biāo)不變。改進(jìn)后李濤數(shù)學(xué)模型為：

式中：e1——壓力1kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的孔隙比，可用初始孔隙比e0代替；

Cr——理想重塑樣的壓縮指數(shù)，即理想重塑樣壓縮線斜率；

Cs——重塑樣回彈指數(shù)；

σk——原狀樣結(jié)構(gòu)屈服壓力；

Pl——原狀樣與重塑樣壓縮曲線交點(diǎn)上對(duì)應(yīng)壓力值；

A——還原系數(shù)，它反映了還原后壓縮曲線的特征。

改進(jìn)后的李濤模型，經(jīng)王國欣室內(nèi)試驗(yàn)檢驗(yàn)和鮑國勝（2012）實(shí)際工程應(yīng)用，表明具有較好的實(shí)用性和較高的可靠性。

本文采用改進(jìn)后的李濤模型來確定試樣的先期固結(jié)壓力。

2.3.2土樣參數(shù)的確定

如圖4所示為模型計(jì)算用土樣參數(shù)的確定方法，這其中：

（1）理想壓縮曲線是重塑土的初始孔隙比與原狀土和重塑土交點(diǎn)的連線，該壓縮曲線的斜率可用壓力為100kPa和1000kPa及對(duì)應(yīng)孔隙比代入計(jì)算。

（2）關(guān)于原狀樣與重塑樣兩壓縮曲線的交點(diǎn)。本文所取試樣的試驗(yàn)結(jié)果（圖1）顯示：原狀樣與對(duì)應(yīng)重塑樣的壓縮曲線在試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)（≤3200kPa）沒有交點(diǎn)。但可以采用依照壓縮曲線趨勢(shì)延長(zhǎng)壓縮曲線辦法（王國欣，2003）獲得兩壓縮曲線的交點(diǎn)。依此，本試驗(yàn)3件試樣的壓縮曲線交點(diǎn)位分別是：sy-1,0.739e0；試樣sy-2,0.706e0；試樣sy-3,0.684e0。

文獻(xiàn)[9]介紹了薛邁特曼（Schmertmann）認(rèn)為在土的密實(shí)程度接近和壓力足夠大時(shí)，原狀土與擾動(dòng)土的壓縮曲線趨近并相交于孔隙比為0.42e0處。但經(jīng)眾多的試驗(yàn)成果考證，壓縮曲線的交點(diǎn)并不都是042e0。例如：王立忠所做3件溫州軟土其交點(diǎn)位分別是0.622e0、0.574e0和0.647e0；而王國欣所做杭州海積軟土的相交點(diǎn)位是0.59e0。本文所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果其交點(diǎn)位也并不在0.42e0。可以認(rèn)為，不同類型（成因）的原狀土與重塑土其壓縮曲線的相交點(diǎn)位是不盡相同的。

2.3.3還原壓縮曲線

各參數(shù)確定后，應(yīng)用改進(jìn)后的李濤模型，計(jì)算出各壓力級(jí)別下還原后壓縮曲線孔隙比。如圖5～圖7即為本文所取試樣還原后的壓縮曲線，依此曲線再采用“C”法確定土的先期固結(jié)壓力：sy-1，Pc=302kPa；sy-2，Pc=394kPa；sy-3，Pc=472kPa；

2.4土的結(jié)構(gòu)性影響

2.4.1土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力與自重應(yīng)力

將土的自重應(yīng)力、結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力和還原前后土的先期固結(jié)壓力等參數(shù)列于表2，可見各層位土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力均小于土的自重應(yīng)力，這表明黃泛平原低液限土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱。

王國欣（2003）認(rèn)為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力是先期固結(jié)壓力Pc與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度q之和；熊傳祥（2002）對(duì)杭州軟土的試驗(yàn)也證實(shí)土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力大于土的自重應(yīng)力。這些結(jié)論對(duì)于粘土而言是正確的。而本文之所以得出截然相反的試驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為是土質(zhì)差異所致。

由于黃泛平原的成土物源來自于黃土高原。土的物質(zhì)組成中非粘土礦物含量占80%以上；顆粒組分中粉粒組大于80%（表1）；在黃河水流的長(zhǎng)距離搬運(yùn)作用下，土粒間相互碰撞、摩擦造成土粒表面磨圓度高，表面強(qiáng)度低[2]。土粒在沉積成土后，顆粒間直接接觸，粒間缺少由粘土礦物所產(chǎn)生的絮膠狀和無定型膠體物質(zhì)，僅在上覆土層的自重應(yīng)力作用下，土粒之間相互擠壓、趨密，粒間相互咬合形成土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

龔曉南（2000）在分析粘土結(jié)構(gòu)性成因時(shí)認(rèn)為：土的物質(zhì)成分對(duì)結(jié)構(gòu)性影響是第一位的。其中不同的粘土礦物，尤其是具膨脹性粘土礦物在土的沉積成土過程中節(jié)點(diǎn)變質(zhì)、鹽基交換、粒間膠結(jié)等系列作用，都能影響土的結(jié)構(gòu)性。相比較，黃泛平原低液限土中粘土礦物含量極低，土粒間各種作用缺失；使得土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成因素單一。所以，當(dāng)土受到附加應(yīng)力作用時(shí)土粒間的聯(lián)結(jié)極易破損，土的結(jié)構(gòu)性易喪失，就表現(xiàn)出表2中的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力小于土的自重應(yīng)力。

表2　土的部分力學(xué)特特性參數(shù)

對(duì)比不同深度下土的自重應(yīng)力P0與結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk可見，隨著土樣埋深的增加，上覆土層的自重應(yīng)力增大，土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk也隨之增大，這種現(xiàn)象與軟粘土的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)一致（王立忠）。但結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk的增大幅度小于自重應(yīng)力P0的變化。這表明土的結(jié)構(gòu)性受成土環(huán)境影響同時(shí)這種影響對(duì)不同土質(zhì)所產(chǎn)生的作用不同。

2.4.2土的結(jié)構(gòu)性與壓密狀態(tài)

表2的試驗(yàn)結(jié)果還顯示：采用傳統(tǒng)的“C”法所確定的土的先期固結(jié)壓力Pc值均小于土的自重應(yīng)力，若依此判斷各層土的壓實(shí)狀態(tài)均屬“欠固結(jié)土”，顯然這種判斷是錯(cuò)誤的。

事實(shí)上，早在數(shù)十萬年前黃河就開始了塑造華北平原的歷程，進(jìn)入全新世，黃泛平原又經(jīng)歷了完整的海水進(jìn)退旋回；自全新世到進(jìn)入歷史時(shí)期，黃河又發(fā)生了數(shù)十次泛濫、改道[14]。這些應(yīng)力增減變化及漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史作用，使具一定埋深的土受到壓密，達(dá)到在相應(yīng)自重應(yīng)力下的固結(jié)或超固結(jié)狀態(tài)。但因試驗(yàn)過程中土結(jié)構(gòu)性的影響，使傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法得出的土的壓密狀態(tài)判斷與實(shí)際不符。但采用改進(jìn)后的李濤模型還原后的Pc值，則能較準(zhǔn)確反映土的壓密狀態(tài)。同時(shí)，比較表2中還原前后的先期固結(jié)壓力Pc值與結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)傳統(tǒng)試驗(yàn)方法所得出的是土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力而并非是土的先期固結(jié)壓力。

3　結(jié)論

（1）黃泛平原低液限土是具有結(jié)構(gòu)性的土；

（2）土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，具體表現(xiàn)在土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力小于自重應(yīng)力及還原后的先期固結(jié)壓力；

（3）對(duì)具有結(jié)構(gòu)性土的先期固結(jié)壓力Pc值應(yīng)采用還原壓縮曲線的辦法來確定，從而消除土結(jié)構(gòu)性的影響。

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P642

A

1004-5716（2016）11-0005-05

2016-01-13

2016-01-14

史翠英（1980-），女（漢族），江蘇徐州人，工程師、注冊(cè)巖土工程師，現(xiàn)從事巖土測(cè)試工作。