[科普中国]-欠固结粘土

简介

欠固结土的力学特性不同于正常固结土也有别于超固结土。欠固结土的孔压和强度特性与正常固结土固结机理的本质区别，正常固结土初始孔压等于静水压力，而欠固结土前者大于后者。利用现场CPT试验测定欠固结土剪切强度的方法，分析了超固结比对欠固结土海洋土力学特性的影响。此外，还对比了正常固结、超固结与欠固结土的模量变化规律。国内学者中，居俊突破了以往孔压静力触探(CPTU)技术计算超固结比只适用于超固结土的限制，确定出了由CPTU来定量评价欠固结度的方法。李作勤指出欠固结土所受应力水平的不同是造成孔隙水压力和剪切应力一应变关系变化的重要因素，即不同压密程度的欠固结土会表现出不同的性质。刘元雪通过原状土与重塑土不同应力路径的三轴试验结果对比表明:欠固结土结构性的增强可以使土样的内摩擦角增大，对于欠固结土结构性的破坏体应变要强于剪应变。路德春以剑桥模型和修正剑桥模型为基础，利用插值法理论上得出了可以反映土体欠固结程度的弹塑性本构模型1。

循环荷载下软粘土动力特性研究关于循环荷载作用下的饱和软粘土动力特性，主要有以下研究。挪威土工研究所的Andersen等对典型的Drammen软粘土进行了大量试验研究，以期获得更多的研究成果来支持北海重力式石油平台工程的顺利进行;日本Matsui等主要研究了这种具有高塑性指数的粘土在孔隙压力变化发展方面的动力性质，并着重分析了残余孔压与循环荷载作用历史对于剪切作用的影响;Kagawa等主要研究了软粘土的动剪切模量与阻尼比随剪应变的变化规律，并进一步深入具体研究了软粘土小应变剪切模量的影响因素和计算方法;Matasovic和Vucetic以具有高塑性特点的VPN粘土为对象，通过多组不同超固结比下的室内试验，研究了超固结比对于土样软化的影响;Martin等分析了岩土材料峰值强度各向异性并建立了用来描述岩土材料临界破坏状态和峰值强度的剪切破坏准则;Jun Wang和Yuan-Qian等分析了初始剪应力对软粘土强度、应变累积及循环软化的影响，得到了软粘土的非线性软化模型;王军和蔡袁强等究了杭州饱和软粘土孔压、软化指数与循环次数的关系并得到了考虑土体结构性的软粘土的破坏标准。

随着双向循环三轴仪的出现，对双向循环荷载下土体的动力特性研究也有所报道。与单向轴向加载作用相比，在轴向与径向复合加载下土体的的动强度大小与变形特点发生了显著的变化。Ishihara等通过单元体双向直剪和单向直剪试验得出:在双向循环加载路径下，土体的破坏剪应力比只有单向循环加载路径下相应剪应力比的65%左右。Ishihara等通过砂土的双向振动试验表明:双向振动下土体的峰值孔压要高于单向振动的20%累积变形高于单向振动的12%土体的抗液化能力要明显弱于单向振动的情况。栗茂田等通过不固结不排水双向循环荷载试验研究了初始剪应力对重塑饱和软粘土的应力一应变关系与孔压发展情况的影响，并通过进一步分析建立了双向祸合循环加载下土体的破坏准则。ChuanGu、Jun Wang等研究了循环围压和循环偏应力耦合作用下饱和温州软粘土的动力特性，发现相比较于单向循环偏应力的作用，循环围压的加入使土样的累积变形发展速率大大加快，这也就说明了复杂的应力路径对土体的影响很大。

在研究了双向循环作用下饱和软粘土动力性质后，又有学者将研究对象放到了交通荷载所引起的土体在主应力轴旋转复杂应力路径下的动力特性试验研究与试验模拟上。国外学者如Grade等利用空心圆柱系统对重塑软粘土进行了一系列主应力轴旋转应力路径试验，得出了主应力轴旋转对于长期循环荷载作用下软粘土变形特性的影响不可忽略。国内学者沈扬根据进行的大量软粘土试验得出在排水试验中主应力轴旋转并不会影响土体的整体强度而是影响土体的原状各向异性，具体地说便是主应力轴单向旋转所造成的固结效果使土样的原状各向异性轴旋转。栗茂田等[[26]也对饱和软粘土的主应力轴旋转进行了相关的试验研究，但是大多得出的只是试验现象的描述，缺少理论定量的成果。另外，由于试验仪器的局限，上述大部分研究也仅限于考虑主应力轴定向旋转的影响而较少涉及连续旋转的影响，更无法未能模拟出小主应力循环变化的工程实际情况2。

循环荷载下软粘土变形及路基沉降研究方面就交通荷载下软土地基长期沉降的分析方法来看，最理想方法无疑是直接将经典的动力弹塑性模型与Biot动力有限元分析相结合，从而将动力问题的应力、变形与孔压祸合在一个数值分析中。然而，这种方法需要准确模拟每一个循环加载过程，难以分析高达数百万次交通往复循环荷载下的路基变形问题。因此，长期以来预测交通荷载下的路基沉降仍求助于拟静力方法，即基于室内试验建立累积塑性变形与循环次数之间直接关系的经验方法并与分层总和法相结合最终实现路基沉降预测。

在该方面，Seed等较早地研究了循环荷载作用下压缩性粘土的变形特性，但是由于早期试验仪器的不足，并未能确定有效变形的具体数值。Monismith等has研究了软粘土路基土在重复荷载作用下击实条件、应力水平和应力次序对永久变形的影响。Jin和Miura考虑初始应力场的影响，对模型进行了进一步的修正，但确定新引入的参数仍有一定困难。国内这方面的研究起步较晚，主要针对加载次数、加载频率和波形、应力水平及超固结土超固结比等影响因素来研究国内不同地区软土的循环加载特征。交通荷载作用下，土体所受应力水平远小于土体的抗剪强度，但作用数量巨大，王军，蔡袁强等研究结果表明，高循环次数下软粘土应变累积模式与低循环次数相比相差很大，传统的模型无法准确实现2。

总结研究对象主要是温州地区的欠固结软粘土，由于土的形成历史的特殊性，因为存在着各种复杂的特性，而交通循环荷载下软粘土的静动力性质研究更是一项比较复杂和艰难的工作，需要考虑的因素及解决的问题很多。虽然对欠固结软粘土进行了不排水剪切试验与循环三轴试验，并在试验结果分析的基础上得出了一些静动力方面的初步性质，主要有以下几个方面还需要进行深入的研究:

1需要考虑更多的影响因素，进行更多的相关的室内振动试验对不同初始偏应力历史以及不同振动频率对温州欠固结软粘土动力特性进行分析。更进一步，如果时间充足，在相同的控制因素下，进行多组试验，减小试验过程中由于土样的离散性、试验者的操作以及试验仪器所造成的试验结果误差。

2试验中如何更贴近实际地模拟交通荷载也是需要更深入地考虑的。恒定围压下的循环三轴试验对于交通荷载的模拟是非常粗略的，因而可以考虑进一步开展双向循环三轴试验来研究在双向循环荷载下欠固结软粘土的动力性质。另外，还可以进行空心圆柱试验来研究主应力轴连续旋转以及中小主应力循环变化对欠固结软粘土动力性质的影响3。