張目極 殷建風(fēng) 王 巍 趙盛男 湯 斌

(桂林理工大學(xué)，廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，桂林 541004，中國)

0 引 言

土的觸變性是指當(dāng)土體受到擾動時，原有結(jié)構(gòu)遭到破壞，其力學(xué)強(qiáng)度迅速下降，停止擾動后，隨著時間的增長，其力學(xué)強(qiáng)度又逐漸恢復(fù)的一種性質(zhì)。

近年來，隨著沿海地區(qū)的開發(fā)建設(shè)，在軟土地基上的工程項目日益增多(倪靜， 2019)。湛江組結(jié)構(gòu)性黏土是北部灣沿岸地區(qū)分布最廣泛的軟土體，出露于地表或下伏于第四系全新統(tǒng)土體或中更新統(tǒng)土體之下，為各種工程活動的主要載體。湛江組結(jié)構(gòu)性黏土在遭到擾動后易出現(xiàn)嚴(yán)重的工程危害現(xiàn)象，在北部灣沿岸地區(qū)實際工程勘察、設(shè)計與施工中發(fā)現(xiàn)的碼頭持續(xù)性變形(張誠厚， 1985)、堤心拋石未能達(dá)到原設(shè)計標(biāo)高(呂海波等， 2001； 孔令偉等， 2002)、沉積填充物不均勻沉降(李振等， 2018)等問題均與湛江組結(jié)構(gòu)性黏土的擾動有關(guān)。在湛江組結(jié)構(gòu)性黏土基礎(chǔ)工程施工中必須注意保護(hù)基槽，盡量減少對土體結(jié)構(gòu)的擾動，如湛江市馮村垃圾處理場、湛江市霞山機(jī)械廠廠房、湛江市十小教學(xué)樓等建筑基礎(chǔ)，均以灰色黏土作持力層并在施工過程中保護(hù)好基坑，減少土體擾動，取得了較好的工程處置效果(陳書榮， 2006)，為后期許多工程提供了實例參考和借鑒。北部灣沿岸地區(qū)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土具有高含水率、高孔隙比、強(qiáng)結(jié)構(gòu)性、強(qiáng)觸變性的特點，因其特殊性使當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)工程的承載性狀極為復(fù)雜，也為當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)工程的設(shè)計與施工帶來極大挑戰(zhàn)。因而加強(qiáng)對北部灣沿岸地區(qū)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變性的研究，具有重要的理論意義和巨大的應(yīng)用價值。

觸變性是分散體系流變學(xué)的重要研究內(nèi)容之一，國內(nèi)外學(xué)者致力于研究觸變性的本構(gòu)方程、模型、影響因素及成因，以建立完整的觸變理論及應(yīng)用。

在觸變性的影響因素及成因研究方面，Mitchell(1960)通過研究發(fā)現(xiàn)溫度越高，強(qiáng)度增長速率越快，即隨著溫度升高觸變強(qiáng)度恢復(fù)率增加。楊順安等(2000)認(rèn)為觸變性是復(fù)雜的流變特性之一，土體的組成物質(zhì)和天然狀態(tài)不同，其強(qiáng)度的恢復(fù)程度以及恢復(fù)快慢也將不同。馮秀麗等(2004)、Díaz-Rodríguez et al.(1999)、李麗華等(2010)、霍海峰等(2016)分別利用旁側(cè)聲納、電導(dǎo)率法、微型十字板剪切儀、十字板剪切儀對黃河三角洲粉土、墨西哥土、翠湖濕地軟土和天津濱海軟黏土的觸變性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：觸變性的影響能使擾動土重塑后強(qiáng)度增加達(dá)到100%甚至更多。王亮等(2015)利用研制的微型十字板剪切儀對重塑后靜置一定時間的太湖與白馬湖兩種疏浚淤泥進(jìn)行了強(qiáng)度測試，對兩種疏浚淤泥的觸變特性進(jìn)行了研究與比較。研究結(jié)果表明，兩種疏浚淤泥重塑后最初始時間內(nèi)觸變強(qiáng)度的增長最快，隨時間增長觸變強(qiáng)度的增長變慢， 第448天時觸變強(qiáng)度隨時間的增長趨于穩(wěn)定。高彥斌等(2015)采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、室內(nèi)微型十字板剪切試驗和原位十字板剪切試驗對上海地區(qū)廣泛分布的淤泥質(zhì)黏土的靈敏性進(jìn)行了研究，并通過長達(dá)半年的觸變恢復(fù)試驗評價觸變性對該軟黏土靈敏性的作用。張先偉等(2014)在長達(dá)500天的齡期內(nèi)，觀測湛江黏土擾動后不同靜置齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與貫入阻力，分析觸變強(qiáng)度的恢復(fù)時間與過程，利用觸變強(qiáng)度比率評價湛江黏土的觸變性，認(rèn)為湛江組結(jié)構(gòu)性黏土具有明顯的觸變性。這些研究成果從外界溫度變化、土的結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等方面對土的觸變性進(jìn)行描述，較好地闡釋和分析了土體觸變性的概念及其影響因素。黏土的觸變機(jī)制十分復(fù)雜，上述成果中還有以下問題有待深入研究和解決：影響?zhàn)ね劣|變性的因素構(gòu)成比較模糊，黏土在擾動和靜置過程中其物理力學(xué)特性對土體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)恢復(fù)的影響尚未完全解釋清楚。

為了研究湛江組結(jié)構(gòu)性黏土的物理力學(xué)特性對其觸變性的影響，本文對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變特性進(jìn)行了一系列的宏觀試驗研究，通過改變含水率、孔隙比及靈敏度，得到不同物理力學(xué)特性重塑土在不同靜置齡期觸變強(qiáng)度比率(土樣擾動后t時刻的強(qiáng)度與0時刻的強(qiáng)度之比)，建立3種變量下重塑土觸變強(qiáng)度比率與靜置齡期的關(guān)系，分析湛江組結(jié)構(gòu)性黏土含水率、孔隙比及靈敏度對其觸變性強(qiáng)弱的影響。

1 基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗

1.1 湛江組結(jié)構(gòu)性黏土物理性質(zhì)試驗

通過已有區(qū)域地質(zhì)資料及工程地質(zhì)調(diào)查，選取典型地層進(jìn)行勘察、鉆探、取樣。在廣東省湛江市東海島寶鋼湛江鋼鐵基地場地內(nèi)取4組不同深度湛江組結(jié)構(gòu)性黏土原狀土土樣A、B、C、D。土樣A、B、C、D的取土深度分別為19.25～20.05m、33.25～34.05m、53.25～54.05m、65.25～66.05m。對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土進(jìn)行土天然含水率、天然密度、比重、界限含水率試驗等基本物理性質(zhì)試驗，其試驗結(jié)果如表 1、表 2所示。

1.2 湛江組結(jié)構(gòu)性黏土力學(xué)性質(zhì)試驗

土的靈敏度指天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與該土重塑后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比，是表征土體結(jié)構(gòu)性的重要指標(biāo)。通過對4個不同取土深度的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土原狀土試樣及重塑土試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，各個點無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值及靈敏度見表 3。

對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土(土樣A、B、C、D)分別進(jìn)行垂直破壞面上的自然放置方向的固結(jié)不排水直剪實驗，結(jié)果如表 4所示。

2 含水率、孔隙比及靈敏度對黏土觸變性強(qiáng)弱的影響試驗研究

2.1 含水率對觸變性狀的影響試驗研究

選取同一深度區(qū)間(取土深度為19.25～20.05m)內(nèi)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土原狀土完全擾動，制備成干密度相同而含水率不同(含水率為40%、45%和50%)的直徑為39.1mm和高度為80mm圓柱形試樣，經(jīng)過不同靜置齡期(0d、1d、7d、30d、60d)分別測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(表 5)，得到3種不同含水率重塑土試樣在不同靜置齡期觸變強(qiáng)度比率(表 6)，建立3種不同含水率重塑土觸變強(qiáng)度比率與不同靜置齡期的關(guān)系曲線(圖 1)，分析湛江組結(jié)構(gòu)性黏土含水率對其觸變性強(qiáng)弱的影響。

表 1 湛江組結(jié)構(gòu)性黏土物理性質(zhì)試驗結(jié)果Table 1 Physical property test results of clay samples

表 2 湛江組結(jié)構(gòu)性黏土界限含水率試驗結(jié)果Table 2 Boundary water content test results of clay samples

表 3 各點無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值及靈敏度統(tǒng)計表Table 3 Unconfined compressive strength and sensitivity test results of clay samples

表 4 土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表Table 4 Soil shear strength test results of clay samples

表 5 3種不同含水率重塑土在不同靜置齡期 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 5 Unconfined compressive strengths of three remolded clay samples with different conditions of water content and standing time

表 6 3種不同含水率重塑土在不同靜置齡期 觸變強(qiáng)度比率AtTable 6 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of water content and standing time

圖 1 3種不同含水率重塑土觸變強(qiáng)度比率 與不同靜置齡期的關(guān)系Fig. 1 Thixotropic strength ratio development under different water content conditions

由圖 1可知，觸變強(qiáng)度比率隨靜置齡期的增加而增大，且觸變強(qiáng)度比率增長的速率表現(xiàn)為前期增長快，后期增長慢。表明湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度隨時間的增加而增大，且前期觸變強(qiáng)度增長快，后期觸變強(qiáng)度增長慢。

重塑土試樣含水率不同，其觸變強(qiáng)度比率隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度也不同。在0～30d靜置齡期范圍內(nèi)，隨著含水率增大，觸變強(qiáng)度比率增長的速率與幅度沒有顯著的規(guī)律，但在30～60d靜置齡期范圍內(nèi)，隨著含水率增大，觸變強(qiáng)度比率增長的速率與幅度顯著增加。這表明，在前期，含水率的變化對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度影響不顯著，在后期，隨著含水率增大，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度增長的速率與幅度顯著增加。

總體而言，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土強(qiáng)度恢復(fù)情況與含水率有關(guān)。湛江組結(jié)構(gòu)性黏土擾動后，含水率對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度影響較大，隨著靜置齡期的增加，含水率越大，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度增長的速率與幅度越大。土-水的相互作用使水分子在進(jìn)入到土顆粒中時被迅速吸附在顆粒表面形成結(jié)合水膜，具有較強(qiáng)的黏滯阻力。含水率大的黏土與水的接觸更充分，隨著時間的增加，形成的結(jié)合水膜面積也就更大，因此黏土的強(qiáng)度恢復(fù)得快，觸變性也就更強(qiáng)。

2.2 孔隙比對觸變性狀的影響試驗研究

選取同一深度區(qū)間(取土深度65.25～66.05m)內(nèi)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土原狀土完全擾動，制備成干密度相同而孔隙比不同(孔隙比為1.11、1.08、1.03)的直徑為39.1mm和高度為80mm圓柱形試樣，經(jīng)過不同靜置齡期(0d、1d、7d、30d、60d)分別測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(表 7)，得到3種不同孔隙比重塑土試樣在不同靜置齡期觸變強(qiáng)度比率(表 8)，建立3種不同孔隙比重塑土觸變強(qiáng)度比率與不同靜置齡期的關(guān)系曲線(圖 2)，分析湛江組結(jié)構(gòu)性黏土孔隙比對其觸變性強(qiáng)弱的影響。

表 7 3種不同孔隙比重塑土在不同靜置齡期的 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 7 Unconfined compressive strengths of three remolded clay samples with different conditions of void ratio and standing time

表 8 3種不同孔隙比重塑土在不同靜置齡期的 觸變強(qiáng)度比率AtTable 8 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of void ratio and standing time

圖 2 3種不同孔隙比重塑土觸變強(qiáng)度比率 與不同靜置齡期的關(guān)系Fig. 2 Thixotropic strength ratio development under different void ratio conditions

由圖 2可知，觸變強(qiáng)度比率隨靜置齡期的增加而增大，且觸變強(qiáng)度比率增長的速率表現(xiàn)為前期增長慢，中期增長快，后期增長慢。重塑土試樣孔隙比不同，其觸變強(qiáng)度比率隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度不同。在0～7d靜置齡期范圍內(nèi)，隨著孔隙比增大，觸變強(qiáng)度比率增長的速率與幅度沒有顯著的規(guī)律，但在7～60d靜置齡期范圍內(nèi)，隨著孔隙比增大，觸變強(qiáng)度比率增長的速率與幅度顯著減小。這表明，在前期，孔隙比的變化對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度影響不顯著，在后期，隨著孔隙比增大，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度增長的速率與幅度顯著減小。

表 9 3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土重塑土 在不同靜置齡期的黏聚力Table 9 Cohesive forces of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

表 10 3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土重塑土 在不同靜置齡期的內(nèi)摩擦角Table 10 Internal friction angles of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

表 11 3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土重塑土 在不同靜置齡期的觸變強(qiáng)度比率AtTable 11 Thixotropic strength ratios of three remolded clay samples with different conditions of sensitivity and standing time

總體而言，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土強(qiáng)度恢復(fù)情況與孔隙比有關(guān)，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土擾動后，隨著靜置齡期的增加，不同孔隙比重塑土試樣觸變強(qiáng)度比率增長規(guī)律基本一致，可分為3個階段，在擾動后靜置前期，其觸變強(qiáng)度比率增長速度緩慢，而后觸變強(qiáng)度比率增長速度加快，最后增長速度減小。

孔隙比對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度影響較大，且孔隙比越大，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度增長的速率與幅度越小。對于形成這種現(xiàn)象的原因，從土體自身的角度可以理解為其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要是由土顆粒間的咬合力和機(jī)械摩擦力所構(gòu)成，孔隙比較大的黏土，顆粒間的聯(lián)結(jié)程度較低，土體結(jié)構(gòu)整體較松散，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，擾動后的觸變性能也相對較弱。

2.3 靈敏度對觸變性狀的影響試驗研究

選取3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土(取土深度分別為33.25～34.05m、53.25～54.05m、65.25～66.05m)完全擾動后，將其制成直徑為61.8mm和高度為20mm的圓餅形試樣及直徑為39.1mm和高度為80mm圓柱形試樣，靜置養(yǎng)護(hù)0d、1d、7d、30d、60d，對直徑為61.8mm和高度為20mm的圓餅形試樣進(jìn)行直剪試驗，對直徑為39.1mm和高度為80mm圓柱形試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。

獲得3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土重塑土在不同靜置齡期的黏聚力、內(nèi)摩擦角、觸變強(qiáng)度比率(表 9、表 10、表 11)。建立3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土重塑土黏聚力與不同靜置齡期的關(guān)系(圖 3)、內(nèi)摩擦角與不同靜置齡期的關(guān)系(圖 4)、觸變強(qiáng)度比率與不同靜置齡期的關(guān)系(圖 5)，分析湛江組結(jié)構(gòu)性黏土靈敏度對其觸變性強(qiáng)弱的影響。

圖 3 3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土 重塑土黏聚力與不同靜置齡期的關(guān)系Fig. 3 Cohesive force development under different sensitivity conditions

圖 4 3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土 重塑土內(nèi)摩擦角與不同靜置齡期的關(guān)系Fig. 4 Internal friction angle development under different sensitivity conditions

圖 5 3種不同靈敏度值的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土 重塑土觸變強(qiáng)度比率與不同靜置齡期的關(guān)系Fig. 5 Thixotropic strength ratio development under different sensitivity conditions

由圖 3、圖 4可知，黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨靜置齡期的增加而增大，且增長的速率表現(xiàn)為前期增長快，后期增長慢。表明湛江組結(jié)構(gòu)性黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角隨時間的增加而增大，且前期增長快，后期增長慢。

靈敏度不同，其黏聚力和內(nèi)摩擦角隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度不同。靈敏度值越大，其黏聚力和內(nèi)摩擦角隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度越大。

由圖 5可知，觸變強(qiáng)度比率隨靜置齡期的增加而增大，且觸變強(qiáng)度比率增長的速率表現(xiàn)為前期增長快，后期增長慢。表明湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度隨時間的增加而增大，且前期觸變強(qiáng)度增長快，后期觸變強(qiáng)度增長慢。

重塑土試樣靈敏度值不同，其觸變強(qiáng)度比率隨靜置齡期增加而增長的速率和幅度不同。在0～7d靜置齡期范圍內(nèi)，隨著靈敏度增大，觸變強(qiáng)度比率增長的速率與幅度基本一致； 在7～30d靜置齡期范圍內(nèi)，隨著靈敏度增大，觸變強(qiáng)度比率增長的速率與幅度逐漸增大； 在30～60d靜置齡期范圍內(nèi)，隨著靈敏度增大，觸變強(qiáng)度比率增長的速率與幅度逐漸減小。這表明，在前期(0～7d)，靈敏度的變化對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度影響并不明顯，到了中后期(7～60d)，靈敏度的變化對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度增長的速率與幅度影響顯著增加。

總體而言，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土強(qiáng)度恢復(fù)情況與靈敏度有關(guān)，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土擾動后，隨著靜置齡期的增加，不同靈敏度重塑土試樣黏聚力、內(nèi)摩擦角、觸變強(qiáng)度比率均增大，且靈敏度越大，黏土的觸變性越強(qiáng)。在擾動后靜置前期，試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角、觸變強(qiáng)度比率均增長快，在后期，其黏聚力、內(nèi)摩擦角、觸變強(qiáng)度比率增長慢。究其原因，黏土受到擾動后結(jié)構(gòu)遭到破壞，靜置后，土顆粒受到靜電引力及顆粒間的膠結(jié)作用開始趨向聚集，結(jié)構(gòu)不斷恢復(fù)，靈敏度大的黏土本身結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，在觸變恢復(fù)的過程中顆粒聚集的更快，強(qiáng)度恢復(fù)的也越快，因此觸變性更強(qiáng)。

3 結(jié) 論

(1)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土擾動后，隨著靜置齡期的增加，含水率對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度影響較大，且含水率越大，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度增長的幅度越大，且觸變強(qiáng)度比率增長的速率表現(xiàn)為前期增長快，后期增長慢。

(2)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土擾動后，在前期，孔隙比的變化對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度影響不顯著，在后期，隨著孔隙比增大，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變強(qiáng)度增長的速率與幅度顯著減小。

(3)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土強(qiáng)度恢復(fù)情況與靈敏度有關(guān)，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土擾動后，隨著靜置齡期的增加，不同靈敏度重塑土黏聚力、內(nèi)摩擦角、觸變強(qiáng)度比率均增大，在擾動后靜置前期，其黏聚力、內(nèi)摩擦角、觸變強(qiáng)度比率均增長快，在后期，其黏聚力、內(nèi)摩擦角、觸變強(qiáng)度比率增長慢。