趙莎莎，馮海暴，劉敏，張嘉瑩

（1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；4.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；5.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模也與日俱增，沿海城市的建設(shè)受到土地資源不足的限制，填海造陸是解決土資源短缺問題的有效方法。當(dāng)前大連長(zhǎng)興島工業(yè)園區(qū)有約7 km2的面積需圍海造陸，本工程的地基土為第四紀(jì)濱海相沉積土以及海陸交互相粉質(zhì)黏土，主要土層有吹填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土。這種土沉積歷史較短，具有含水率高、壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性差等特點(diǎn)。在海洋工程建設(shè)過程中不可避免將對(duì)地基土體產(chǎn)生擾動(dòng)，但淤泥質(zhì)土尚未完成自重應(yīng)力下的固結(jié)，對(duì)施工擾動(dòng)更加敏感。由于黏性土自身的觸變性，會(huì)在擾動(dòng)完成后產(chǎn)生強(qiáng)度的恢復(fù)，但其強(qiáng)度恢復(fù)程度及時(shí)間與土體本身的性質(zhì)密切相關(guān)。開展淤泥質(zhì)土強(qiáng)度恢復(fù)規(guī)律的研究，對(duì)評(píng)價(jià)長(zhǎng)興島地基上結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要意義。

目前針對(duì)黏性土受到工程施工建設(shè)過程的擾動(dòng)后引發(fā)土體觸變性變化的研究，經(jīng)過多年的探索與積累經(jīng)驗(yàn)，形成了一些成果。李麗華等[1]研究土樣不同擾動(dòng)程度下測(cè)試各靜置時(shí)間下的不排水抗剪強(qiáng)度和土樣相同擾動(dòng)程度下測(cè)試各靜置時(shí)間下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，分析擾動(dòng)程度對(duì)土體觸變恢復(fù)強(qiáng)度的影響規(guī)律。高彥斌等[2]利用微型貫入儀對(duì)上海地區(qū)第4 層淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行土體觸變強(qiáng)度恢復(fù)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明土體擾動(dòng)后，強(qiáng)度隨著靜置時(shí)間的增加表現(xiàn)出明顯的正觸變性。張先偉等[3]利用微型貫入儀對(duì)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土擾動(dòng)后各階段的貫入阻力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，分析了觸變強(qiáng)度的恢復(fù)時(shí)間與過程，采用觸變強(qiáng)度比率評(píng)價(jià)該黏土的觸變特性。沈水龍等[4]在深層攪拌法或高壓旋噴法施工后，樁周土體經(jīng)過擾動(dòng)強(qiáng)度降低，經(jīng)過30 d 后樁周土體強(qiáng)度恢復(fù)至原狀土強(qiáng)度的40%左右。Alam 等[5]在相應(yīng)的液限下將收集3 種黏土制備成樣品，使其經(jīng)受觸變老化，對(duì)其進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和直接剪切試驗(yàn)以評(píng)估觸變強(qiáng)度恢復(fù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土體施工擾動(dòng)后恢復(fù)狀況的研究，主要是通過原位十字板剪切試驗(yàn)、室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸固結(jié)和排水試驗(yàn)等一些土工試驗(yàn)測(cè)定土體施工擾動(dòng)后強(qiáng)度恢復(fù)過程的不排水抗剪強(qiáng)度[6-7]。有些學(xué)者介紹了模擬土觸變強(qiáng)度恢復(fù)的數(shù)學(xué)理論和數(shù)學(xué)模型，綜述了評(píng)價(jià)土觸變特性的各種試驗(yàn)方法，他們認(rèn)為落錐試驗(yàn)是一種比較理想的測(cè)試土強(qiáng)度恢復(fù)的方法[8]。目前土的觸變性的研究中對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度的測(cè)定方法及擾動(dòng)程度、不同含水率、不同孔隙比對(duì)土的強(qiáng)度恢復(fù)影響以及強(qiáng)度恢復(fù)規(guī)律進(jìn)行了良好的闡述，但是欠固結(jié)土的觸變性變化非常復(fù)雜，其中對(duì)于欠固結(jié)土在不同擾動(dòng)程度下其強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律以及影響其強(qiáng)度恢復(fù)規(guī)律的因素尚未見有研究。

現(xiàn)針對(duì)長(zhǎng)興島吹填淤泥質(zhì)土開展室內(nèi)落錐試驗(yàn)測(cè)定其不排水抗剪強(qiáng)度，研究土樣在不同擾動(dòng)程度下強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律，以期得到欠固結(jié)土的強(qiáng)度恢復(fù)因子，用于實(shí)際海洋建設(shè)工程中評(píng)估不排水抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間的恢復(fù)和發(fā)展。

1 強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 落錐儀

采用落錐法對(duì)土樣的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)設(shè)備使用挪威Geonor 巖土儀器公司生產(chǎn)的落錐儀，型號(hào)G-200，如圖1 所示。圖中①為固定錐體；②為調(diào)整錐體高度；③為線性刻度盤；④為容納原狀土樣和重塑土樣的杯體；⑤為錐體。該設(shè)備能夠測(cè)定4～20 mm 的變形。錐軸旁有線性刻度盤，并能夠調(diào)整錐體高度，以便在錐體釋放之前，錐體尖端剛好接觸試樣表面。該設(shè)備有容納原狀土樣和重塑土樣的杯體，由剛性抗腐蝕材料制成，底部與輪輞平行，直徑50 mm，深度25 mm；配備的輔助工具有：樣品擠出機(jī)、鋼絲切割機(jī)、玻璃板等。

圖1 G-200 型落錐儀Fig.1 G-200 falling cone instrument

1.1.2 錐體裝置

落錐試驗(yàn)應(yīng)使用一組錐角為30°或60°和不同質(zhì)量的錐體測(cè)量不排水抗剪強(qiáng)度。具體參數(shù)見表1。

表1 錐體裝置的參數(shù)Table 1 Parameters of the cone device

1.2 試驗(yàn)方案

通過開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)欠固結(jié)土進(jìn)行強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)，研究不同擾動(dòng)程度下，欠固結(jié)土不排水抗剪強(qiáng)度和觸變恢復(fù)強(qiáng)度比隨時(shí)間的變化規(guī)律；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算欠固結(jié)土強(qiáng)度恢復(fù)因子，用于評(píng)估欠固結(jié)土的強(qiáng)度恢復(fù)程度或觸變程度。

試樣樣品為一組不同擾動(dòng)程度的原狀土，研究擾動(dòng)程度對(duì)欠固結(jié)土強(qiáng)度恢復(fù)的影響。擾動(dòng)土由飽和原狀土制備，將土體放入與其直徑相當(dāng)?shù)男A桶內(nèi)，利用擊實(shí)錘或者木碾，破壞原狀土的結(jié)構(gòu)，對(duì)每組土樣分別進(jìn)行時(shí)間為10 min、15 min、25 min 的擾動(dòng)，用以模擬不同擾動(dòng)程度下的土體。擾動(dòng)過程中需要將原狀土放入密封袋中，保證原狀土和重塑土的含水率幾乎不變。其中土樣應(yīng)制備成直徑50 mm 和高度25 mm。研究不同擾動(dòng)程度強(qiáng)度恢復(fù)的試驗(yàn)方案，如表2 所示。

表2 不同擾動(dòng)程度強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)Table 2 Strength recovery tests with different disturbance degree

2 強(qiáng)度恢復(fù)規(guī)律研究

2.1 擾動(dòng)程度與不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

2.1.1 不排水抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式

試驗(yàn)過程中土體試件在當(dāng)前狀態(tài)下的不排水抗剪強(qiáng)度，如式（1）所示：

式中：m 為錐體質(zhì)量，g；h 為錐頭錐入深度，mm；k 為錐頭相關(guān)系數(shù)（30°錐k=0.8；60°錐k=0.27）；Su為不排水抗剪強(qiáng)度，kPa。

2.1.2 結(jié)果及分析

由表2 和式（1）得到同一種土在不同擾動(dòng)程度下的不排水抗剪強(qiáng)度，如表3 所示。

表3 不同擾動(dòng)程度強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Strength recovery test results of different disturbance degree

圖2、圖3 分別為擾動(dòng)土靜置時(shí)間與不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系圖和相關(guān)性圖。

圖2 靜置時(shí)間與不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship between standing time and undrained shear strength

圖3 靜置時(shí)間與不排水抗剪強(qiáng)度的相關(guān)性Fig.3 Correlation of standing time and undrained shear strength

由圖2 可知，同一種原狀土的擾動(dòng)程度越大，相同的靜置時(shí)間下，不排水抗剪強(qiáng)度越小。同種土樣的擾動(dòng)程度不同，其落錐試驗(yàn)的不排水抗剪強(qiáng)度隨著靜置時(shí)間觸變恢復(fù)的速率與幅度也不相同。究其原因，大連長(zhǎng)興島吹填淤泥質(zhì)土以紊流狀和粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，受到施工擾動(dòng)的程度越大，其結(jié)構(gòu)破壞程度越強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為土體強(qiáng)度減小，隨著靜置時(shí)間的增加，因土顆粒、水以及吸附在內(nèi)部空間的各種離子重新排列，被破壞的結(jié)構(gòu)進(jìn)而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度緩慢恢復(fù)至未擾動(dòng)狀態(tài)下的土體強(qiáng)度。擾動(dòng)程度不同，土體的不排水抗剪強(qiáng)度也不同，因此，對(duì)不同擾動(dòng)程度土體的不排水抗剪強(qiáng)度與靜置時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到不排水抗剪強(qiáng)度與靜置時(shí)間的相關(guān)性分析圖，如圖3 所示。不同擾動(dòng)程度下的欠固結(jié)土，不排水抗剪強(qiáng)度與靜置周期呈線性正相關(guān)關(guān)系。

2.2 擾動(dòng)程度與觸變恢復(fù)強(qiáng)度比的關(guān)系

2.2.1 觸變恢復(fù)強(qiáng)度比計(jì)算公式

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)土樣在觸變性作用下其強(qiáng)度的相對(duì)恢復(fù)程度，定義某一時(shí)刻土樣的觸變恢復(fù)強(qiáng)度比Bt為：

式中：Su，0為原狀土的初始強(qiáng)度，kPa；Su，t為擾動(dòng)后靜置t 時(shí)間對(duì)應(yīng)下的不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；Su，rem為擾動(dòng)后靜置時(shí)間為0 對(duì)應(yīng)下的重塑強(qiáng)度值，kPa。

Bt可以量化土樣在觸變過程中恢復(fù)的強(qiáng)度值占原狀樣在重塑過程中強(qiáng)度減小量的百分比，當(dāng)Bt值為1 時(shí)，表示土體強(qiáng)度完全恢復(fù)至初始狀態(tài)下的原狀強(qiáng)度。

2.2.2 結(jié)果及分析

由表3 和式（2）得到同一種土在不同擾動(dòng)程度下的觸變恢復(fù)強(qiáng)度比，如表4 所示。

表4 不同擾動(dòng)程度的強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)觸變恢復(fù)強(qiáng)度比Table 4 The thixotropic recovery strength ratio in strength recovery tests with different disturbance degree

由圖4 可知，同一種原狀土的擾動(dòng)程度越大，相同的靜置時(shí)間下，觸變恢復(fù)強(qiáng)度比越小。究其原因，紊流狀結(jié)構(gòu)的土顆粒間存在聯(lián)結(jié)特征，受到擾動(dòng)后，顆粒間膠結(jié)作用產(chǎn)生破壞，隨著靜置時(shí)間的增加，被破壞的結(jié)構(gòu)進(jìn)而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，但強(qiáng)度的恢復(fù)值與擾動(dòng)過程中強(qiáng)度的損失值不等，因此擾動(dòng)程度越大，觸變恢復(fù)強(qiáng)度占比越小。相同的擾動(dòng)程度下，觸變恢復(fù)強(qiáng)度均隨靜置時(shí)間的增加而增大，前期增長(zhǎng)快，后期增長(zhǎng)慢至趨于穩(wěn)定。擾動(dòng)程度不同，土體的觸變恢復(fù)強(qiáng)度也不同，因此，對(duì)不同擾動(dòng)程度土體的觸變恢復(fù)強(qiáng)度比與靜置時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到觸變恢復(fù)強(qiáng)度比與靜置時(shí)間的相關(guān)性分析圖，如圖5所示。不同擾動(dòng)程度下的欠固結(jié)土，觸變恢復(fù)強(qiáng)度比與靜置周期呈線性正相關(guān)關(guān)系。

圖4 靜置時(shí)間與觸變恢復(fù)強(qiáng)度比的關(guān)系Fig.4 Relationship between standing time and thixotropic recovery strength ratio

圖5 靜置時(shí)間與觸變恢復(fù)強(qiáng)度比的相關(guān)性Fig.5 Correlation between standing time and thixotropic recovery strength ratio

2.3 強(qiáng)度恢復(fù)因子

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)土樣在擾動(dòng)作用下強(qiáng)度的恢復(fù)程度，定義某一時(shí)刻的強(qiáng)度恢復(fù)程度Rt為：

由表3 和式（3）得到同一種土在不同擾動(dòng)程度下的強(qiáng)度恢復(fù)程度，如表5 所示。

表5 不同擾動(dòng)程度的強(qiáng)度恢復(fù)程度Table 5 Strength recovery degree of different disturbance degree

擾動(dòng)程度不同，土體的強(qiáng)度恢復(fù)程度也不同，因此，對(duì)不同擾動(dòng)程度土體的強(qiáng)度恢復(fù)程度與靜置時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到強(qiáng)度恢復(fù)程度與靜置時(shí)間的相關(guān)性分析圖，如圖6 所示。

同一種土在各擾動(dòng)程度下強(qiáng)度恢復(fù)程度與靜置時(shí)間的關(guān)系式表達(dá)如式（4）所示：

式中：α、β 為參數(shù)。

結(jié)合圖6 與式（4）分析可知，參數(shù)β 越大，擾動(dòng)程度對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)程度的影響越小，β 越小，擾動(dòng)程度對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)程度的影響也越大，故認(rèn)為參數(shù)β 與土樣擾動(dòng)程度有相關(guān)性，定義為影響擾動(dòng)程度參數(shù)；式中土樣的強(qiáng)度恢復(fù)程度與參數(shù)α 正相關(guān)，故定義參數(shù)α 為強(qiáng)度恢復(fù)因子。

3 結(jié)語(yǔ)

本文為研究欠固結(jié)土觸變性的變化規(guī)律及影響因素，依托大連長(zhǎng)興島工業(yè)園區(qū)規(guī)劃航道淤泥處理工程，對(duì)該地區(qū)的淤泥質(zhì)土開展室內(nèi)模型試驗(yàn)。采用室內(nèi)擊實(shí)錘擊實(shí)土樣的方法模擬土樣擾動(dòng)程度，在不同擾動(dòng)程度（擊實(shí)10 min、15 min、25 min）下對(duì)淤泥質(zhì)土進(jìn)行落錐試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了在不同靜置時(shí)間（0 d、7 d、15 d、25 d、30 d）下土樣強(qiáng)度的恢復(fù)規(guī)律，得到強(qiáng)度恢復(fù)因子。

1）長(zhǎng)興島淤泥質(zhì)土在不同擾動(dòng)程度下，不排水抗剪強(qiáng)度、觸變恢復(fù)強(qiáng)度比、強(qiáng)度恢復(fù)程度均隨靜置時(shí)間的增加而逐漸增大；在相同靜置時(shí)間下，不排水抗剪強(qiáng)度、觸變恢復(fù)強(qiáng)度比、強(qiáng)度恢復(fù)程度均隨擾動(dòng)程度的增加而逐漸減小。

2）在不同擾動(dòng)程度下，強(qiáng)度恢復(fù)程度、觸變恢復(fù)強(qiáng)度比、不排水抗剪強(qiáng)度與靜置時(shí)間呈線性關(guān)系?；诓煌臄_動(dòng)程度，針對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)程度與靜置時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式，得出長(zhǎng)興島淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度恢復(fù)因子。