預固結對長江漫灘相軟土抗剪強度的影響研究

崔志鵬 嚴剛 王軍 鐘萍 王振祥 吳琪

（1.江蘇省地質礦產局第一地質大隊，江蘇南京 210041；2.自然資源部城市地下空間探測評價工程技術創新中心 全要素測試實驗室，江蘇南京 210041；3.南京工業大學巖土工程研究所，江蘇南京 210009）

0 引言

我國長江流域特別是長江下游地區廣泛分布著新近沉積的漫灘相軟土，這些漫灘相軟土具有強度低、壓縮性高、孔隙比大、含水率高、多呈軟流塑狀態等特點[1-2]。這些工程特性給長江經濟帶城市建設特別是軌道交通和深基坑工程帶來了巨大的風險和挑戰[3]，因此，對長江漫灘相軟土的力學性質進行研究，對工程建設和區域經濟發展具有重要的意義。

軟土的不排水剪切強度是其最重要的力學指標之一[4-5]，尤其對地下工程，該指標是支護設計的重要參數。盛志強等[5]通過直剪試驗和三軸試驗，研究了超固結狀態和正常固結狀態飽和土強度指標的差異性，建議確定土的抗剪強度時，應結合前期固結壓力、靜止側壓力系數，根據工程實際確定圍壓和垂向壓力。王振祥等[6]利用靜三軸儀分析了預固結對南京長江漫灘相軟土抗剪強度的影響，并給出了不同固結度下抗剪強度折減系數參考值。鄭澤宇等[7]分別從孔壓和體變角度研究了固結度對飽和軟黏土抗剪強度的影響。汪洪星等[4]基于理論推導和室內試驗，對堆載作用下軟土抗剪強度指標隨固結度的變化規律進行了分析。馬海鵬等[8]研究了3 類土抗剪強度與比貫入阻力的關系，并總結了國內軟土地區土體抗剪強度與靜力觸探比貫入阻力之間的相關關系。

固結快剪試驗是常用的確定軟土不排水剪切強度的方法[9-10]，該方法操作簡單、原理清晰且經濟性好。目前部分學者從預固結角度對固結快剪試驗的抗剪強度進行了研究，但未涉及固結回彈對抗剪強度的影響。左旺[11]將洞庭湖區軟土放在固結儀上預固結后進行固結快剪試驗，得出抗剪強度指標隨固結度的增加而增加的結論。徐 可等[9]研究了飽和高嶺土抗剪強度隨固結度的變化規律，指出各級壓力下抗剪強度隨固結度的增大呈線性增長，并將試驗結果與微型十字板剪切儀試驗結果進行對比，驗證了微型十字板剪切儀研究飽和軟黏土抗剪強度的可行性。史卜濤等[12]利用預固結得到不同固結狀態下的黏土，分析了抗剪強度隨剪切速率的變化關系。

根據土的彈塑性理論及《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）建議，當試樣較多時，為滿足生產需要，試樣可以在其他儀器上固結（預固結），然后移至剪切盒內，繼續固結至穩定后，再進行剪切。然而實際操作過程中發現，漫灘相軟土預固結卸載后會發生回彈變形，再次固結穩定所需時間仍然很長，即對于長江漫灘相軟土而言，預固結操作并不能提高固結快剪試驗的效率，且考慮預固結回彈現象對抗剪強度影響的研究未見有文獻報道，因此有必要開展預固結對長江漫灘相軟土抗剪強度的影響研究，并探索提高漫灘相軟土固結快剪試驗效率的方法。

1 試驗內容與方法

1.1 試驗土樣

本次試驗所用漫灘相軟土試樣取自南京市浦口區某工程場地（見圖1），地質勘探資料顯示，研究區上部為淤泥質粉質黏土夾薄層粉土、粉砂，下部主要為砂、礫石層，為典型的河流沖積二元結構，上部漫灘相軟土厚度一般為10～30 m。

圖1 南京長江漫灘區域及取樣鉆孔位置

研究表明，結構性對原狀土的抗剪強度具有重要影響[5,13]，對于結構性強的長江漫灘相軟土而言，高質量的樣品是保證試驗數據準確性的關鍵，為減少取樣擾動對試樣力學性質的影響，本次現場取樣采用固定活塞薄壁取土器，并將樣品置于保濕箱內進行保存，從而獲得試驗所需高質量原狀樣（見圖2）。

圖2 高質量原狀樣照片

研究區漫灘相軟土的基本物理力學指標見表1。

表1 原狀土基本物理力學性質指標

1.2 試驗方案

將軟土置于固結儀上進行預先固結，然后放入剪切盒內再次固結穩定后，進行不排水剪切試驗，該過程中的土樣經歷了“固結-卸荷-再固結-不排水剪切”的應力路徑，預先固結的應力歷史會對軟土不排水剪切強度產生影響，但具體影響尚缺乏理論依據與規范指導。因此，有必要開展該過程中應力歷史變化對軟土不排水剪切強度的影響研究。

為此，根據試驗過程制定了3 種試驗方案：

①預固結穩定后將土樣放入剪切盒中直接剪切（預固結-卸載剪切）；②將土樣直接放入剪切盒中固結穩定后剪切（正常固結剪切）；③預固結穩定后，將土樣放入剪切盒再次固結穩定后剪切（預固結-卸載-再固結剪切）。固結和剪切時的法向壓力分別取50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，試驗程序按《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）執行。具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 固結度與固結時間的關系研究

為研究漫灘相軟土固結穩定時間，從應變的角度將固結度U定義為在一定固結壓力下試樣某一時刻的位移量與固結穩定時的最終固結位移量的比值[14]。

式中：st為某一固結度對應的位移量；s∞為固結穩定時的最大位移量。

根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）規定的固結穩定標準（當每小時垂直變形讀數變化不大于0.005 mm 時為固結穩定），試驗表明研究區軟土固結穩定需要5～8 h（見圖3），且各壓力下固結度與固結時間的變化關系基本一致。此外，分析試驗結果發現，固結1 h 后軟土的固結度普遍可以達到95%，可見長江漫灘相軟土前期固結非常迅速。

圖3 不同固結壓力下固結度與固結時間變化關系

為研究軟土固結1 h 內的固結度與固結時間關系，利用時間-應變采集系統對軟土的固結變形量進行密集采集（見表3），發現長江漫灘相軟土在固結前期固結變形非常迅速，固結25 min 時固結度可以達到95%，而完全固結則需要5～8 h（見圖4）。由此可見長江漫灘相軟土是一種前期固結迅速，后期固結穩定緩慢的軟土。

表3 固結度U 及對應固結時間t

圖4 固結度與時間平方根關系曲線

2.2 固結度對抗剪強度的影響

已有研究表明固結狀態對軟土抗剪強度有較大影響[15-17]，圖5 為研究區不同固結度和軸向壓力下的漫灘相軟土不排水抗剪強度趨勢線。由圖5 可知，抗剪強度τf均隨固結度U的增加呈增大趨勢，其增長速度逐漸減緩，各荷載條件下τf隨U提高的增長幅度基本相同。隨著U的增加，土體結構更加密實，孔隙率逐漸減小，原有的孔隙變小或被土顆粒充填，土顆粒間的摩擦增強，使其抗剪強度增加。另一方面，在對試樣施加垂向壓力的瞬間，土體中的水產生超靜孔 隙水壓力，隨著固結度的增加，顆粒間的水分逐漸排出，超靜孔隙水壓力減小，土顆粒所受有效應力增加，在外力的作用下土顆粒的排列更加致密，抗剪強度隨之增加。

圖5 不同固結度下的抗剪強度

由圖5 中試驗結果分析可知，當土體固結度從30%提升至100%時，對應的抗剪強度提升了約50%～70%，值得關注的是，當固結度為70%時，其抗剪強度達到完全固結時抗剪強度的90%以上，當固結度為80%時，其抗剪強度達到完全固結時抗剪強度的95%左右，當固結度為95%時，其抗剪強度與固結度為100%時基本一致。

2.3 預固結對直剪抗剪強度的影響分析

為滿足生產要求，保證工程進度，生產單位對軟土進行固結快剪試驗時，一般先將軟土置于固結儀上進行預先固結，然后將預先固結后的軟土置于直剪儀上進行固結快剪，該過程中的軟土經歷“固結-卸荷回彈-再固結-不排水剪切”的應力路徑（見圖6）。軟土的預估結可理解為有側限的一維滲流固結，根據土的彈塑性理論，可將土骨架和孔隙水模擬為彈簧和水體，土體在垂向固結壓力P的作用下，水通過透水石從土體的上頂面和下底面排出，土骨架在有效應力作用下發生垂向變形至固結穩定。固結壓力卸載后，土體不會恢復到原來的應變狀態，其中部分應變是可恢復的（εz2），部分應變是不可恢復的塑性應變（εz1），并且后者往往占很大比例。當再次施加壓力時，土體再次重復固結變形過程，直至變形穩定。

圖6 軟土預估結過程示意圖

為揭示長江漫灘相軟土預固結直剪試驗的應力歷史，取代表性軟土試樣進行以上操作，并采集固結度與固結時間的試驗數據，試驗發現土樣固結6 h 后變形穩定，卸壓5 min 后，50 kPa 壓力下土樣回彈至固結度80%左右，100 kPa、150 kPa、200 kPa 壓力下土樣回彈至固結度70%左右。再次固結1 h 后固結度達到90%以上，6 h 后各壓力下土樣固結穩定（見圖7）。

圖7 “固結-卸荷-再固結”的固結度-固結時間曲線

理論上，如果將固結儀上進行預固結完成的軟土置于直剪儀上，不再進行固結穩定，直接進行剪切試驗，相當于對固結度為70%～80%的土樣進行剪切，而研究固結度與直剪抗剪強度的關系表明，當固結度為70%～80%時，其抗剪強度達到完全固結時抗剪強度的90%～95%。

依據制定的試驗方案，取多組長江漫灘相軟土分別進行3 種試驗，并記錄不同固結壓力下的抗剪強度平均值（見表4）。表4 數據顯示，同一試驗方案下的軟土抗剪強度隨固結壓力的增大而增大，同一固結壓力下，軟土的抗剪強度基本表現為“預固結-卸載剪切”最小，“正常固結剪切”中等，“預固結-卸載-再固結剪切”最大。且“預固結-卸載剪切”各級壓力下的抗剪強度為“正常固結剪切”抗剪強度的95%左右。

表4 不同試驗方案及壓力下的抗剪強度平均值

對應的抗剪強度指標黏聚力c與內摩擦角φ表現為：3 種方案的黏聚力c值大小接近，在10 kPa左右；對于內摩擦角φ，“預固結-卸載剪切”最小，為25.42°；“正常固結剪切”中等，為27.10°；“預固結-卸載-再固結剪切”最大，為27.74°（見圖8）。

圖8 三種不同試驗方案的抗剪強度指標對比

從不同壓力下的抗剪強度τ和抗剪強度指標黏聚力c、內摩擦角φ的大小可以看出，3 種試驗方案的結果接近（見圖8），“預固結-卸載剪切”的抗剪強度約為“正常固結剪切”的95%。這是因為長江漫灘相軟土具有高壓縮性，在“預固結-卸載剪切”試驗過程中，雖然預固結-卸載后土樣有回彈變形，但是再次施加垂向荷載進行剪切時的瞬間，土樣的主固結已經完成。因此，當工期緊張時，建議對長江漫灘相軟土開展“預固結-卸荷-不排水剪切”，并將所得的抗剪強度除以0.95 的修正系數，即可得到實際抗剪強度和抗剪強度指標，從而大大縮短試驗時間，并能保證試驗結果的準確性。

3 結論

（1）長江漫灘相軟土是一種前期固結迅速、后期固結穩定緩慢的軟土。研究區軟土固結穩定需要5～8 h，固結25 min 時固結度可以達到95%，且各荷載作用下固結度與固結時間的變化規律基本一致。

（2）軟土抗剪強度均隨固結度U的增加呈增大趨勢，其增長速度逐漸減緩，各荷載條件下τf隨U提高的增長幅度基本相同。當固結度為70%～80%時，其抗剪強度達到完全固結時的90%～95%。

（3）3 種固結快剪試驗方案的漫灘相軟土抗剪強度指標接近，“預固結-卸載剪切”的抗剪強度約為“正常固結剪切”的95%。