羅家琪

(福州市建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司 福建福州 350001)

0 引言

工程上由于設(shè)計施工等原因造成基坑垮塌、邊坡滑塌時，土體塌陷破壞。破壞后的土體力學(xué)特性相比天然原狀土發(fā)生了改變。當(dāng)重新對土體支護設(shè)計時，土體抗剪強度指標(biāo)的選取應(yīng)該重新進行評價。土在擾動重塑后結(jié)構(gòu)被破壞，不固結(jié)、不排水剪強度降低，尤其對于靈敏度高的土強度降低幅度很大。對于固結(jié)不排水剪強度，土體在一定壓力下固結(jié)后被壓密，并重新獲得一定的結(jié)構(gòu)強度，強度增加。不同狀態(tài)的土，前期固結(jié)壓力、固結(jié)條件及固結(jié)時間不一樣；土樣破壞重塑后，在規(guī)定的試驗條件下進行固結(jié)的條件與原狀土的應(yīng)力歷史不同，因此不同狀態(tài)的土擾動重塑后的固結(jié)不排水強度指標(biāo)與原狀土相比有不同的差異。因此，通過對原狀土和重塑土的固結(jié)不排水剪強度指標(biāo)進行對比研究，可為工程上的運用提供一定參考。

1 試驗方法

取某工程3層不同狀態(tài)的土樣進行固結(jié)快剪試驗，即分別為淤泥、可塑黏土和硬塑黏土，各取6組土樣。每組土樣的土取自同一深度，同一鉆孔附近，土樣均勻，差異小。試驗土層主要物理指標(biāo)如表1所示。對該3層土分別進行原狀土的固結(jié)快剪試驗和重塑土的固結(jié)快剪試驗。為使試驗結(jié)果更具對比性，原狀土和重塑土取自同一土樣。將土樣均分成兩半，一半按照原狀土進行制樣；另一半除去表面，包于塑料薄膜內(nèi)用手搓捏，充分破壞其結(jié)構(gòu)，重塑成圓柱形后制成與原狀土密度、含水率相等的環(huán)刀試樣。硬塑黏土由于土樣較硬，重塑土制樣方法即將土體切碎后錘擊重塑成與原狀土密度、含水率相等的試樣。淤泥的試驗垂直壓力為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，可塑黏土和硬塑黏土的試驗垂直壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。原狀土的固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，為各級垂直荷載作用下。每小時垂直變形讀數(shù)變化不超過0.005mm(達(dá)到此穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為主固結(jié)完成)，記錄固結(jié)時間。重塑土采用與原狀土相同的固結(jié)時間進行固結(jié)，目的是為了消除固結(jié)時間不同對試驗結(jié)果的對比造成影響。試驗固結(jié)時間如表2所示。試驗嚴(yán)格執(zhí)行土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1]。

表1 試驗土層主要物理指標(biāo)

表2 試驗固結(jié)時間

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

各試驗土層的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。各試驗土層的固結(jié)快剪強度指標(biāo)平均值如表4所示。

表3 試驗土層的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

表4 試驗土層的固結(jié)快剪強度指標(biāo)平均值

2.2 結(jié)果分析

為便于對比，根據(jù)各土層的固結(jié)快剪強度指標(biāo)平均值，作出各土層的原狀土和重塑土的抗剪強度包絡(luò)線對比圖，如圖1～圖3所示。

圖1 淤泥原狀土與重塑土抗剪強度對比

圖2 可塑黏土原狀土與重塑土抗剪強度對比

圖3 硬塑黏土原狀土與重塑土抗剪強度對比

由試驗數(shù)據(jù)及抗剪強度對比圖可知，淤泥重塑后的固結(jié)快剪強度指標(biāo)與原狀土幾乎一致；可塑黏土擾動重塑后的固結(jié)快剪強度降低不明顯，內(nèi)摩擦角與原狀土接近，黏聚力值大約降低了約15%；硬塑黏土擾動重塑后的固結(jié)快剪強度相校于原狀土則有較大的降低，黏聚力大約降低了50%，而內(nèi)摩擦角相比于原狀土略微有降低。

由試驗結(jié)果可知，原狀土越硬，重塑后的固結(jié)不排水剪切強度對比原狀土的固結(jié)不排水剪切強度則降低越多。表現(xiàn)出原狀土由軟到硬則重塑土的固結(jié)不排水抗剪強度降低幅度越大的趨勢。并且重塑土固結(jié)不排水剪強度的降低，主要表現(xiàn)為黏聚力的降低，內(nèi)摩擦角與原狀土接近。

2.3 試驗結(jié)果原因分析

黏性土的抗剪強度包括內(nèi)摩擦力與黏聚力兩部分。內(nèi)摩擦力是土體顆粒相對移動時，土粒表面相互摩擦產(chǎn)生的阻力，這部分力主要與土的礦物成分、土顆粒形狀及密度含水率有關(guān)，土的結(jié)構(gòu)也會影響內(nèi)摩擦力[2]，影響較小。土體重塑后影響土的內(nèi)摩擦力主要因素并未變化，因此重塑土固結(jié)快剪指標(biāo)的內(nèi)摩擦角相較于原狀土不會有明顯差別。

土的黏聚力來源于土粒間的各種物理化學(xué)作用，包括庫倫力、范德華力及膠結(jié)作用力等，受土的礦物成分、密度、含水率及膠結(jié)時間影響。另外，黏性土具有結(jié)構(gòu)強度，體現(xiàn)黏聚力。天然硬土層在沉積過程經(jīng)過長時間的高壓固結(jié)和次固結(jié)后，土粒表面結(jié)核水膜蠕變、土顆粒結(jié)構(gòu)重新排列，在物理化學(xué)作用下強度緩慢增加，具有更強的骨架結(jié)構(gòu)和膠結(jié)結(jié)構(gòu)[3-4]。土體重塑后，結(jié)構(gòu)被破壞，黏聚力降低。固結(jié)快剪試驗的固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)為固結(jié)至主固結(jié)完成，硬土重塑土體在主固結(jié)完成后結(jié)構(gòu)強度并未完全恢復(fù)。因此，在固結(jié)快剪試驗的固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)下，硬土重塑土的固結(jié)快剪黏聚力降低明顯。

而天然淤泥多為欠固結(jié)或正常固結(jié)土，前期固結(jié)壓力小，固結(jié)時間不長，并未經(jīng)過長時間的次固結(jié)，甚至主固結(jié)未結(jié)束，結(jié)構(gòu)強度低。固結(jié)快剪試驗中土體在主固結(jié)完成后被壓密，重新生成新的結(jié)構(gòu)強度，天然土體與重塑土體的固結(jié)不排水抗剪強度相當(dāng)。

2.4 固結(jié)時間對重塑土的固結(jié)不排水抗剪強度影響

對硬塑黏土層進行不同固結(jié)時間的固結(jié)快剪試驗，試驗結(jié)果如表5所示。由試驗結(jié)果可知，硬土重塑土的固結(jié)不排水剪強度隨著固結(jié)時間的延長不斷增長，主要表現(xiàn)為黏聚力的增大。其因是土體顆粒間的膠結(jié)程度隨固結(jié)時間增加而增強，膠結(jié)力逐漸增大，具有更大的結(jié)構(gòu)強度。延長固結(jié)時間后，重塑土強度增長由快到慢，當(dāng)固結(jié)時間達(dá)到7d時，強度與原狀土很接近，之后強度增長不明顯，如圖4所示。

表5 不同固結(jié)時間硬塑黏土重塑土的固結(jié)快剪強度

圖4 黏聚力與固結(jié)時間的關(guān)系

3 結(jié)語

不同狀態(tài)的土，其重塑土的固結(jié)不排水抗剪強度相比原狀土有不同程度的降低。淤泥擾動重塑后，固結(jié)不排水剪切強度與原狀土相近；而土體越硬重塑后的固結(jié)不排水抗剪強度相較于原狀土降低越多，具體表現(xiàn)為黏聚力降低，內(nèi)摩擦角變化不大。

延長硬土重塑土的固結(jié)時間后，固結(jié)不排水強度不斷增長；當(dāng)固結(jié)時間達(dá)到7d時，強度與原狀土接近，之后強度增長不明顯。重塑土不同于原狀土，由于重塑土破壞了土粒間的結(jié)構(gòu)，在研究重塑土的力學(xué)特性時，特別是硬土?xí)r，應(yīng)充分考慮固結(jié)時間的影響。

土是自然的產(chǎn)物，不同的成因、組成、沉積歷史等使得土的物理力學(xué)特性多樣化，不同的試驗方法得到的強度指標(biāo)也存在差異，工程上應(yīng)該根據(jù)實際情況、具體問題具體分析。