上海地区饱和软黏土触变特性试验研究

上海地区饱和软黏土触变特性试验研究楼康明高彦斌摘要：采用室内微型十字板剪切试验对上海两种含水量（w=45.45%,w=34.93%）的饱和软黏土的触变特性进行了研究。结果表明，两种含水量的软黏土重塑扰动后，在触变恢复初期强度增长速度较快，7天后强度恢复速率明显变缓。上海饱和软黏土不是完全触变材料，触变性是其具有高灵敏性的原因之一，其中低水量土样触变性对其灵敏性的贡献明显大于高含水量土样。关键词：上海;饱和软黏土;触变性;微型十字板;强度Keywords：Shanghai;saturatedsoftclay;thixotropy;laboratorymini-vaneapparatus;strength0引言饱和软黏土的触变性是指软黏土受到外界扰动后强度显著降低，在含水量保持不变的情况下土体结构随时间推移逐渐趋于新的平衡，其强度也逐渐增长的现象。土的触变性研究主要包括两方面：①扰动后土体强度降低的特性（即触变软化），是土的灵敏性研究内容之一;②扰动后土体在密度和含水量不变条件下随时间而逐渐硬化的特性（即触变硬化或触变恢复）。国内学者通过原位测试和室内土工试验等方法对我国沿海一带软黏土的灵敏性进行了一些研究［1-4］，提出了我国各地区软黏土的灵敏度和灵敏性分类，对灵敏度成因、重塑方式等对灵敏度的影响等进行了分析。此外，也有从矿物成分、微观结构等方面对我国软黏土的结构性和灵敏性进行了研究［5-6］，认为软土的微结构特征、矿物成分等多方面因素造成了我国软黏土具有中等-高灵敏性和灵敏度差异。在触变恢复研究方面，Mitchell［7］总结了前人的实验结果，最早建立了解释黏性土触变机理的微结构模型。Skempton和Northey［8］对6种不同灵敏度的黏性土进行触变性研究，表明：高灵敏性软黏土扰动后强度恢复少于20%，中等灵敏性软黏土扰动后强度恢复较快，有些可在1年内恢复至天然强度。国内有学者对我国分布的软黏土进行了一些试验研究工作，如李丽华等［9］对北京翠湖湿地软土的触变性进行了研究。另外还有学者（冯秀丽等［10］，2022;郭秀军等［11］，2022）对黄河水下三角洲粉土的触变性进行了研究。总体来说，国内对软黏土触变性展开的系统研究工作相对较少。本文通过室内微型十字板剪切试验对上海地区两种不同含水量的饱和软黏土经人工重塑后进行触变恢复研究，初步探讨分析上海第4层饱和软黏土的触变恢复特性。试验土样及试验方案试验土样基本物理特性本次试验的两类土样（A类土w=45.45%，B类土w=34.93%）分别为在上海徐汇区思南路和松江区莘砖公路某基坑采取的块状土样，均为上海第4层饱和软黏土，但A类土的孔隙比、含水量及液塑限和塑性指数均比B类土样大，土样基本物理特性详见表1。试验仪器通过室内微型十字板剪切试验对两种软黏土的触变恢复特性进行研究。室内微型十字板直径D为20mm，高度H为40mm，叶片厚度为1mm，轴杆直径d为4mm,轴杆长度L为80mm,十字板剪切面积比小于15%。试验通过手工扭转十字板上的把手施加剪切力矩，由应变传感器向采集仪传递数据。试验方案主要试验过程如下：①块状土样微型十字板剪切试验。在直径250mm、高度200mm的块状土样中用微型十字板头进行试验，分别测得cui。口②人工重塑土制备及十字板剪切试验。原状土样试验后在天然含水量条件下彻底重塑，填入长宽高为622X470X258mm的模型箱中，填土高度约170mm，用厚2mm的隔板符其分隔为150X150mm的12个正方形格室，格室边长大于微型十字板4倍直径。在整平土面后立即对人工重塑土进行十字板剪切试验,测得重塑后静置时间t=0时的强度。口③人工重塑土养护。拔出隔板对土样重新重塑，在不同位置及不同深度取样测定含水量,整平土面后涂抹一层凡士林,重新静压入隔板并铺设保鲜膜密封。将模型箱置于湿度＞95%的养护室内静置,以保证土样含水量不发生明显变化。④对于A类土样，分别于触变恢复第3d、6d、30d、60d、170d在格室内做十字板剪切试验，每次做两组（即两个格室）取平均值;B类土样取样及试验开始时间晚于A类土样约3个多月，分别于触变恢复第3d、14d、28d、60d进行十字板剪切试验;每次试验后分别在对应格室的浅部和中部取样测试含水量。触变特性试验结果与分析原状土以及重塑后的强度A、B两类软黏土原状土和重塑土的十字板剪切曲线如图1所示。A类土原状峰值强度和重塑强度分别为29.46kPa和4.92kPa，B类土原状峰值强度和重塑强度分别为29.67kPa和7.10kPa。口触变恢复过程中含水量变化A、B两类土重塑后0时刻及静置过程中土样表层及中部的含水量变化情况如图2所示，两类土样在触变恢复过程中，含水量基本稳定，变化范围均在1%以内，且表层和中部含水量基本一致。表明本试验采取的土样密封措施及养护条件是有效的，可以排除静置过程中土样因排水固结引起强度增大的影响。触变恢复过程中的强度变化土的触变性大小主要通过触变强度增长绝对值和触变强度比两个指标来评价。触变强度增长绝对值是指土样在t时刻的强度与扰动后零时刻强度的差值，“触变强度比TSR(ThixotropicStrengthRatio)”是指土样在t时刻的强度与扰动后零时刻强度的比值。口A、B两类重塑土样触变强度增长绝对值Acu与触变强度比TSR随时间变化的规律分别如图3和图4所示。土样触变过程中各测试时间段内的强度增长速率分布分别如图5和图6所示。可以看出：①A、B两类不同含水量的土样强度增长均在触变恢复初期快，在7d后强度增长速率明显减缓，且8类土(低含水量)的强度增长速率明显大于A类土(高含水量)；②土样触变强度增长明显。A类土(w=45.45%)的抗剪强度cu由重塑零时刻的4.92kPa,在第170d增长到8.74kPa,强度增长绝对值Acu为3.82kPa,强度增长1.78倍，恢复到原状土强度的30%;B类土（w=34.93%）的抗剪强度cu由重塑零时刻的7.10kPa,在第60d增长到13.11kPa,强度增长绝对值Acu为6.00kPa,强度增长1.85倍，约恢复到原状土强度的44%。根据本次对不同含水量的两种软黏土触变恢复试验，A、B两类土在试验观测时间内十字板剪切强度的恢复程度如表2所示，表中强度恢复比例为触变强度增长绝对值Acu与重塑导致土体强度降低值的比值，即口X100%口可以看出，在保持含水量不变的条件下，A类土在170d（约6个月）内强度恢复3.82kPa,仅占重塑导致强度损失（24.54kPa）的15.57%,而B类土在60d（2个月）内强度恢复6.00kPa,强度恢复值占重塑导致强度损失值（22.57kPa）的26.63%;B类土（低含水量）重塑扰动后强度恢复程度明显高于A类土（高含水量）。口结论与讨论①通过对上海第4层两种不同含水量（45.45%和34.93%）的软黏土原状土样和手工彻底重塑土样的微型十字板剪切试验，高含水量土样灵敏度约为6.0，低含水量土样灵敏度约为4.2，属于高灵敏性土。两种不同含水量的土样强度均在触变恢复初期快速增长，在7d后强度增长速率明显减小并逐渐趋于平缓，推测土颗粒在重塑后静置过程的初期剧烈调整，趋于新的平衡导致强度的较快速增长。本次触变恢复试验结果表明，上海第4层软黏土具有触变特性，触变强度增长明显但强度恢复程度有限。高含水量土样在试验观测的170d内，十字板强度增长1.78倍，恢复到原状土强度的约30%，但强度增长值仅占重塑导致强度损失值的15.57%；低含水量土样在试验观测的60d内,十字板强度增长1.85倍，恢复到原状土强度