（岩土工程专业论文）重塑上海软土的强度与变形特性.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 工程计算中使用的本构模型的压缩和膨胀指数大多是用单向压缩仪测定 的，这并不符合许多本构模型( 如剑桥模型) 的试验条件。本文用等向压缩试 验确定这些参数，并与由单向压缩试验测得的数值进行了比较。另外，本文还 研究了重塑上海软土的流变特性及超固结状态下的力学特性。具体工作有： 1 原状上海软土与重塑上海软土的压缩试验。采用常规应变控制式三轴 仪，分别对原状上海软土和重塑上海软土进行等向压缩试验和等向膨胀试验。 分析了原状上海软土与重塑上海软土压缩性状的异同点，并阐述了产生差别的 原因。 2 重塑上海软土的变形特性试验。根据用不同试验方法( 等向压缩、砀 压缩) 所做的重塑上海软土的压缩试验，研究了这两种不同试验方法所测得的 压缩指数g 和膨胀指数c s 的异同，并得出膨胀指数c s 与超固结比o c r 的关系。 另外，根据重塑上海软土的凰试验，得出上海软土的扬值及其随加载一卸载 过程的变化规律，并总结出凰值随超固结比o c r 的变化规律。 3 重塑上海软土的流变试验。通过重塑上海软土的流变试验，研究了上海 软土的流变特性，并得到上海软土的流变模型参数。 4 超固结状态下重塑上海软土试验。通过对超固结重塑上海软土在平均有 效应力p 不变的情况下进行的排水剪切试验，初步研究了重塑上海软土在超固 结状态下的变形和强度特性。 关键词：重塑上海软土，变形特性，流变特性，超固结土，强度特性，本构模 型 v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t c o m p r e s s i o na n ds w e l li n d e x e si nc o n s t i t u t i v em o d e l sa r em o s t l ym e a s u r e db y o n e d i m e n s i o n a lc o m p r e s s i o nt e s t si np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，w h i c hd on o tm a t c hw e l l w i t hm o s tm o d e l s a s s u m p t i o n t h e s ep a r a m e t e r ss h o u l db ed e t e r m i n e df r o mt h e i s o t r o p i cc o m p r e s s i o nt e s t s i nt h i sp a p e r , t h ec o m p r e s s i o na n ds w e l li n d e x e sf r o m o n e d i m e n s i o n a lc o m p r e s s i o na n di s o t r o p i cc o m p r e s s i o nt e s t so nr e m o u l d e d s h a n g h a is o f tc l a ya r ec o m p a r e d t h i st h e s i sa l s os t u d i e dt h er h e o l o g yb e h a v i o u r a n dm e c h a n i c a lb e h a v i o u ro fr e m o u l d e ds h a n g h a is o f tc l a yw i t ho c rb e i n go n eo r l a r g e rt h a no n e t h i ss t u d yc o n t a i n st h ef o l l o w i n gc o n t e n t ： 1 t h ec o m p r e s s i o nt e s t so nu n d i s t u r b e da n dr e m o u l d e ds h a n g h a is o f tc l a y w e h a v ed o n es e v e r a li s o t r o p i cc o m p r e s s i o nt e s t so nu n d i s t u r b e da n dr e m o u l d e ds o f t c l a yw i t hd i f f e r e n ts t r e s sp a t hb yo r d i n a r yt r i a x i a lt e s t i n ga p p a r a t u s ，a n da n a l y z e d t h ed i f f e r e n c e si nt h ec o m p r e s s i o nb e h a v i o u rb e t w e e nu n d i s t u r b e ds h a n g h a is o f t c l a ya n dr e m o u l d e do n e 2 t h ec o m p r e s s i o nb e h a v i o u rt e s t so nr e m o u l d e ds h a n g h a is o f tc l a y t h e d i f f e r e n c e si n c o m p r e s s i o ni n d e x ( c c ) a n ds w e l l i n gi n d e x ( c s ) o fr e m o u l d e d s h a n g h a is o f tc l a ym e a s u r e db yd i f f e r e n tt e s tm e t h o d sa r es t u d i e d ，i e ，i s o t r o p i c c o m p r e s s i o nt e s t sa n do n e - d i m e n s i o n a lc o m p r e s s i o nt e s t sw i t ha n dw i t h o u tk 0b e i n g m e a s u r e d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc sa n do c ri ss t u d i e df r o mt h er e s u l t so f t h e s et w od i f f e r e n tk i n d so ft h et e s t s a tl a s t ，t h ev a r i a t i o ni nk 0d u et ot h ec h a n g ei n j vi si d e n t i f i e df r o mk ot e s t s ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nk 0a n do c r i sa l s og i v e n 3 t h er h c o l o g yt e s t so nr e m o u l d e ds h a n g h a is o f tc l a y t h i st h e s i ss t u d i e dt h e r h e o l o g yb e h a v i o u ro fr e m o u l d e ds h a n g h a is o f tc l a ya n dt h er h e o l o g yp a r a m e t e ri s i d e n t i f i e df r o mt h er h e o l o g yt e s t so nr e m o u l d e ds h a n g h a is o f tc l a yr h c o l o g yt e s t s 4 t r i a x i a lt e s t so no v e r - c o n s o l i d a t e dr e m o u l d e ds h a n g h a ic l a y t h i sp a p e r s t u d i e dt h ed e f o r m a t i o na n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so fo v e r - c o n s o l i d a t e ds h a n g h a i c l a yf r o mc o n s o l i d a t e d - d r a i n e dt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t su n d e rp c o n s t a n t ( i e v i 上海大学硕+ 学位论文 c o n s t a n ti n e a ne f f e c t i v es t r e s s ) k e y w o r d s ：r e m o u l d e ds h a n g h a is o rc l a y , d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，r h e o l o g y b e h a v i o u r , o v e r c o n s o l i d a t e ds o i l ，s t r e n g t h ，c o n s t i t u t i v em o d e l v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 雌 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：召【复萃一日期：堡丞墨! 廖 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 软土及上海软土简介 软土也叫软粘土，在英语里称为s o f tc l a y ，它是一种区域性的特殊土，是 在一定的地质条件下形成的，具有变形大、承载力低等特点 1 1 。在浅层地基中 分布有软土的地区，称为软土地区。在软土地区的工程建设要特别重视了解和 研究软土的变形特性、强度特性及其他工程特性，以采取有针对性的技术措施 使工程建设得到技术先进、经济合理和适用安全的效益。 软土在世界范围内分布极广，在软上分布较多的地区曾发生过许多重大工 程事故。一些土力学理论就是在研究这些工程事故的基础上发展起来的。例如， 瑞典圆弧滑动法就是在分析s t i g b e r g 码头破坏原因的过程中发展而来的。我国 的软土主要分布在沿海地区，在内陆和山区也有分布。特别是东部沿海地区， 由于经济发展较快，工程建设较多，建设规模也比较大，软土地基的问题非常 突出。因此，深入研究这些地区软土的工程特性，减少工程事故的发生，对这 些地区里的工程实践具有非常重要的意义。 1 1 1 软土的基本特点 软粘土的特性和一般的粘性土不同，根据我国主要软土地区软土的物理力 学性质指标的统计值以及大量的工程实践，我国沿海地区软土的主要物理力学 性质如下： 1 天然含水量高。天然软粘土的含水量一般在3 4 7 2 之间，其值一般 大于液限，属于流动状态，天然孔隙比在1 0 - - , 1 9 之间，故而一般属于淤泥或 淤泥质粘土，其中淤泥质粘土占多数。 2 压缩性大。压缩系数一般在0 0 0 5 - - , 0 0 2c m 2 n 之间，属于高压缩性土， 其压缩性往往随液限的增大而增大。由于软粘土大多为第四纪后期的沉积物， 通常属正常固结土。 3 渗透性小。深透系数大部分为1 0 1 0 。7c m s 之间，所以在荷载作用下 j ：海大学硕士学位论文 固结很慢，强度不易提高。 4 抗剪强度低。一般快剪情况下，粘聚力在1 0k p a 左右，内摩擦角o 。 5 。之间。固结快剪粘聚力与快剪相比差别不大，内摩擦角一般在1 5 。 - - 2 0 。 之间。 5 流变性十分显著。在剪应力作用下，土体产生缓慢的剪切变形，剪应力 愈大，剪切变形愈明显，当剪应力达到一定值后，长期作用下土体可能会剪坏。 此时的剪应力值一般小于常规试验方法得到的抗剪强度值，该值称为长期抗剪 强度，它一般为常规试验方法抗剪强度的4 0 - - - 8 0 ，而且土的塑性指数愈大， 其值愈小。由于软土的这种流变性质，工程中，在软土固结完成之后，即孔隙 水压力完全消散后，还可能继续产生一定的次固结沉降。 6 结构性显著。土体的结构性是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式( 或 称组构) 及颗粒之间的相互作用f 2 1 。应该说土都具有定的结构性，但是天然 粘土的结构性对其土工特性有非常大的影响，甚至被认为是“2 1 世纪土力学的 核心问题”【3 1 。 7 由于软粘土成因的复杂性，因而它的构造也较为复杂。例如，滨海相沉 积的软土层，其上部往往形成厚度达3i n 以上的“硬壳层”，下部则为夹粉细砂 透镜体的淤泥质土或夹粉砂的层状淤泥质土，有时局部有薄的泥炭层。三角洲 沉积的软土层则往往为淤泥质土与薄砂层的交错层。正是由于软土构造上的复 杂性，造成软土层在构造上具有各向异性和成层性的特点。 以上就是软土的主要工程性质，其更详细的总结可参考文献【4 】第一章。 1 1 2 上海软土的成因及特点 1 上海地区全新世地层分层 根据对上海地区第四系地层的研究【5 一，上海地区松散覆盖层全属第四系沉 积物，沉积厚度最厚达4 0 0m 以上，覆盖在上新世玄武岩或老基岩风化面上。 第四纪时期，上海是一个较为缓慢的下沉区。由于古气候冷暖交替作用， 引起海侵海退、江河摆荡和延缩，湖泊发育与消亡。在江、湖、海的交互作用 下，经历了沉积、冲刷、再沉积的反复过程，沉积了几百米松散的土层，构成 2 上海大学硕士学位论文 了上海地区复杂的地层。 在上海的第四系地层中，对工程建设有直接影响的地层是1 3 5m 以内的土 层，包括暗绿色硬土层及其以下的晚更新统和暗绿色硬土层上部的全新统。通 常意义上的上海软土是指暗绿色硬土层以上的土层，其中，对工程影响比较大 的软土为第3 层淤泥质粉质粘土和第4 层淤泥质粘土【1 1 。 2 全新世海面变化与软土的形成条件 全新世地层中孢粉组合具有十分明显的四个气候带。即真如期寒温一吴淞 期温暖略干一浦东期湿热- - - 夕b 白渡桥期湿温。岩性和岩相从下到上由滨海河流 相一滨海浅滩沼泽相一浅海相一滨海河口相，反映了海侵海退的沉积程序。 3 上海软土的土层层序和定名 上海软土的土层划分与定名经历了不断发展与完善的过程。2 0 世纪5 0 年 代，初步将上海软土土层划分为褐黄色表土层和灰色淤泥质土层两大层。8 0 年 代，对地面下1 0 0m 范围内的土层进行了划分与定名，提出将上海的土层划分 为4 个基本类型。到9 0 年代，根据土层结构的特点和对工程的重要意义，人们 又单独列出几个土层，如吴淞江故河道沉积的浅层粉土、砂土层( 层序为3 ) ， 暗绿色硬土层( 层序为) ，和深层砂土层( 层序为) 等【l 】。 0 - - 7 5 米深的土体与人类建筑工程活动( 如建( 构) 筑物、交通与管道等 市政工程) 密切相关。因此，对该段土体的工程地质条件进行研究，历来是上 海地质工作的重点。按照土质特性差异，可把这段土体大致分为九层。各层的 工程地质特征也是各具特色的： 第一层表土层：广泛分布在上海陆面，厚度一般为3 米。表土层工程 地质性质以潜水水位为界，分为上、下两亚层。上部为“硬壳层”，土性较好： 下部土性则较差。 第二层第一砂层：主要分布在滨海平原海岸带、河口沙岛地区，以及 黄浦江、吴淞江等古河道两岸地区，呈条带状分布，以灰色粉砂、粉砂夹砂质 粉土为主。 第三层第一硬土层：分布于西部湖沼平原，即松江、青浦、金山区西 部一带。颜色为黄绿至暗绿色，岩性以粘土为主，粉质粘土次之，上部为黄绿 3 上海大学硕士学位论文 色粘性土，下部主要是为褐黄色粘性土，土性较硬。 第四层第一软土层：在市域范围内除崇明岛外广泛分布。第一软土层 属天然含水量高、孔隙比大、压缩系数大、强度小的软粘性土，具中至高灵敏 度，在一定外荷作用下流变特征明显。该层是上海地区主要压缩土层，亦是工 程建筑地基基础的不良土层。 第五层第二软土层：全区亦分布广泛，岩性以灰色粘土或粉质粘土、 灰色粉砂夹砂质粉土、灰色粉质粘土亚层为主。第二软土层亦属于天然含水量 高、孔隙比大、压缩系数大、强度小的软粘性土，其力学特征比第一软土层稍 好，亦属不良土层，并且该层在平面分布上厚度变化较大。 第六层第二硬土层：湖沼地区广泛分布。滨海平原区因被后期古河道 切割得支离破碎，呈块状分布；河口沙岛地区则荡然无存。第二硬土层曾经受 脱水固结，结构较致密，具天然含水量低、孔隙比小、压缩系数小、强度大等 较为良好的工程地质特征，属中等压缩性土。 第七层第二砂层：分布较为广泛。在滨海平原的东南部地区与下伏第 九层沟通。在嘉定、宝山、青浦、金山等区局部地区及河口沙岛地区缺失。本 层从上至下颗粒逐渐变粗。岩性为黄色粉砂夹砂质粉土、青灰色细粉砂为主， 稍密。矿物成分以石英为主，长石次之，暗色矿物少量，局部云母片富集。第 二砂层具有中偏低压缩性、强度大等良好工程地质特征，可作为本区中一大型 构( 建) 筑物的桩基持力层。 第八层第三软土层：主要分布于上海的嘉定、宝山、青浦、松江、金 山、浦东等区及市区北部等地区，岩性为灰色粉质粘土夹薄层粉砂亚层、灰色 粉质粘土与灰色粉砂互层为主、第三软土层俗称“千层饼”，其工程地质特性比 第一、二软土层为好，但亦属易压缩的土层。 第九层第三砂层：区内广泛分布。岩性从上至下由细至粗的规律变化， 上部为细砂，下部为含砾粗中砂或中粗砂，矿物成分以石英为主，次为暗色矿 物，分选性较好，底部为中粗砂、砾石层，砾石直径一般2 - - 5 毫米，磨圆度很 好，呈半棱角状。密实，局部夹有薄层粘性土透镜体，见有水平层理，夹少量 贝壳碎片。第三砂层具有低压缩性、强度大等良好工程地质特性，通常作为超 4 上海大学硕士学位论文 高层桩基持力层。 上海市区典型土层的物理力学指标的统计结果，浅层的粘性土层的物理力 学指标的范围值见表1 1 【7 ，引。 表1 1 上海浅层软土的物理力学指标 灰色淤泥质粉灰色淤泥质 土层名称褐黄色黏性土 褐灰色黏性土 质粘土粘士 层顶埋深( m ) 0 5 2 03 0 7 07 0 1 2 01 5 叭之0 0 含水量( ) 2 5 牛4 0 53 6 0 - 4 9 74 0 0 5 9 62 9 8 4 2 3 密度( g c m 3 ) 1 7 9 1 9 8 1 7 1 一i 8 61 6 乱1 7 91 7 5 1 9 0 孔隙比e0 7 3 1 1 41 0 0 1 3 61 1 2 1 6 70 8 5 1 2 2 液限w l 惭) 3 0 1 4 3 82 9 6 4 0 13 4 4 5 0 22 8 3 4 2 9 塑限怖( ) l7 7 2 4 117 8 2 3 019 0 之6 ，017 3 2 3 8 塑性指数1 1 5 2 1 01 0 3 1 7 01 7 0 - 2 5 11 0 2 2 0 0 压缩系数( a 1 ) 0 2 0 0 4 ) 6 5 00 3 0 0 1 0 3 0 0 5 5 0 l - 6 5 00 2 8 0 - - , 0 7 1 0 压缩模量( m p a ) 3 0 0 7 2 22 2 0 5 9 71 3 2 3 5 83 。0 0 - 6 7 7 c ( k p a ) 8 5 2 8 58 5 1 4 2l1 5 - 1 5 711 5 2 0 o 直剪同快 妒( 。) 1 2 7 2 6 2 1 2 1 2 8 08 5 1 6 91 2 7 2 7 4 岛( k p a ) 3 2 。o 一8 0 。0 2 1 。0 - 4 0 ，0 1 8 。0 抖o3 5 。0 - - 9 4 。0 三轴u u 吼( 。) 0000 c c i i ( k p a ) 0 - 3 2 00 - 5 00 19 0 0 - - - 2 5 0 ( 。) 2 1 0 - - 2 6 01 8 o 2 6 01 1 肚1 9 2 1 5 m v 2 7 0 三轴c u c ( k p a ) 0 - 1 0 00o - 1 2 0 0 - - 1 5 0 矿( 。) 3 0 0 - - 3 2 0 31 0 - - 3 8 02 2 o 3 2 53 0 0 3 5 3 无侧限抗压强度( k p a ) 4 8 0 - - 8 9 0 31 0 一一6 6 04 2 肛7 7 05 0 o 13 5 0 v p ( m s ) 3 0 0 1 2 9 0 7 0 8 1 4 9 98 7 4 - - , 1 4 8 16 5 “1 5 7 0 波速试验 以( i n s ) 8 4 - - 11 78 4 1 4 21 0 0 1 6 6 11 2 ，2 5 6 5 上海大学硕士学位论文 4 上海软土的应力历史 土的应力历史状态的描述主要通过先期固结压力与超固结比等物理量来反 映。对上海软土应力历史的研究早在2 0 世纪6 0 年代就已经开始。7 0 年代，在 上海金山石油化工工业区建设时，为了研究该地区软土的应力历史，作了大量 室内先期固结压力的测定和土层的超固结比的分析。8 0 年代以后，根据上海金 山区得到的前期固结压力剖面图，及上海多处资料综合确定出上海软土的超固 结比o c r ( o v e r - c o n s o l i d a t i o nr a t i o ) 随深度变化的规律如图1 1 。图1 1 表明， 在上海软土地区，以淤泥质粘性土( 包括第、第和第层土) 为主的上海 软土是弱超固结的土层，平均o c r 值接近1 1 0 ，在一般的工程分析中，可以将 其作为正常固结土【9 】。 ，o c 印r i po 0 1234567891 01 】1 2 褐黄色黏性土层 灰 色 淤 泥 质 黏 性 土 层 暗绿色硬黏土层 图1 1 上海软土超固结比o c r 随深度的变化 1 2 研究上海软土的意义 近年来，随着上海市经济突飞猛进式的发展及为了迎接2 0 1 0 年世博会在上 海举行，作为国际大都市的上海已经和正在建设大量高层建筑，社会公共基础 设备( 如地下轨道、高速公路、过江大桥及隧道、深水港枢纽等) 。根据上海市 “十一五”规划纲要，上海市5 年内将建成轨道交通基本网络，运营里程由现 6 5 加博 加 筋 如吣j i h 海大学硕十学位论文 在的2 3 0 公里扩展到4 0 0 公里。共有1 3 条线，设2 3 7 座车站。见图l _ 2 。所有 这些建筑物都建在上海软土地基上或地表面下的土层中。对地基土的认识不足 往往是建筑物不能安全建设或正常使用的主要原因。 上海地区人口稠密，土地有限，大多数新造建筑物要在已有建筑物的近旁 建造或通过。若施工不当或者对软土地基变形及强度的预测不准确，则可能会 引发工程事故。图1 - 3 是由于某地铁掩工不当引起的对周围建筑物造成破坏的 工程事故。 图i 之上海市轨道交通规划闺 圈1 3 某地铁施丁不当引起的周围建筑破坏 上海大学硕士学位论文 为了减少和防止因新建筑物施工而造成已有建筑物的变形或破坏，除了施 工时的适当措施外，事先精确地预测已有建筑物和地基土体的可能的变形大小 和分布是极为重要的。因此深入了解和掌握上海软粘土的变形特性和强度特性， 建立能描述在各种复杂应力条件下上海软粘土的力学性质的本构模型，对上海 地区的工程实践具有非常重大的意义。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 上海软土的变形特性和强度特性 2 0 世纪8 0 年代以来，同济大学师牛对上海软土进行了大量的试验工作。 在上海软土的变形特性和强度特性方面，魏道垛等( 1 9 8 0 ) 根据重塑上海软土 单向压缩试验确定了上海浅层地基土的前期固结压力及其随深度的分布【9 】，魏 道垛等的研究成为确定上海软土压缩参数的基础性工作。阎明礼( 1 9 8 4 ) 通过 对重塑饱和亚粘土的室内试验，研究了正常压密土在偏压固结、等应力比加荷 条件下的变形特性【10 1 。陈永福等( 1 9 9 0 ) 根据单向压缩及卸载再加荷试验得出 了初始压缩指数和回弹指数，通过三轴试验得出了土具有严重各向异性，并分 析了土体在卸载再加荷条件下的强度f 1 1 】。袁聚云( 1 9 9 5 ) 用真三轴仪进行了等 向固结试验，研究了上海软土各向异性的性质并进行了细观分析，得出上海软 土基本上是横观各向异性，垂直方向上的强度大于竖直方向上的强度【1 2 1 。姜洪 伟等( 1 9 9 6 ) 所做的肠固结排水剪切试验研究，得到土破坏时主应力差随中主 应力比b ( b = ( 吒一o - 3 ) ( o - , 一吒) ) 的增加而增加 1 3 】。潘林有等( 2 0 0 1 ) 做了大量的 室内直剪强度试验，提出了卸荷比、临界卸荷比、极限卸荷比和强度残留率概 念，探讨了土在卸荷状态下强度变化规律【1 4 1 。 1 3 2 本构模型 土体具有复杂的变形特征，如剪胀性、各向异性、受应力路径影响等。土 体变形的这种复杂性是在复杂受力状态下表现出来的。复杂应力状态存在6 个 应力分量，也有6 个应变分量。其间的关系是一种多因素物理量与多因素物理 8 上海大学硕士学位论文 量之间的关系，不能由试验直接建立。须在简化条件的试验基础上，做某些假 定及合乎规律的推理，从而提出某种计算方法，把应力应变关系推广到复杂应 力状态。这种计算方法叫本构模型1 5 】。 发展到现在，土的本构模型数目众多，大致可以分为以下几大类【1 6 】：( 1 ) 非线性模型；( 2 ) 弹塑性模型；( 3 ) 粘弹塑性模型；( 4 ) 结构性模型。 对软土来说，能够适用的模型主要为弹塑性模型。其中剑桥模型是比较经 典的模型。1 9 6 3 年，r o s c o e 等人在重塑土试验结果的基础上，提出了临界状态 边界面理论，并发表了著名的剑桥模型【1 7 】。它是第一个全面考虑重塑正常固结 或弱超固结粘土的压硬性和剪胀性的模型。1 9 6 8 年，r o s c o e 等人又在剑桥模型 的基础上提出了修正剑桥模型【l 引。剑桥模型和修正剑桥模型至今仍在工程中广 泛应用，是因为它具有很多优点：形式简单，模型参数少( 旯，k ，m ) ，参数 确定方法简单( 只需常规三轴试验即可) ，参数有明确的物理意义，能够很好的 反映重塑正常固结或弱超固结粘土的压硬性和剪缩性，等等。由文献 9 】可知， 对工程影响较大的上海典型软土是弱超固结土。因此把剑桥模型引进到上海软 土中是非常具有现实意义的。本文其中一个主要内容就是以剑桥模型为基础， 研究重塑上海软土的剑桥模型参数。 国内，在上海软土本构模型研究方面，张问清等( 1 9 8 2 ) 参照拉德邓肯 ( l a d e d u n c a n ) 模型提出了上海粉砂土弹塑性应力一应变模型及其参数【1 9 】；袁聚云 ( 1 9 9 5 ) 在l a d e d u n c a n 模型基础上发展了三维弹塑性模型【1 2 】；姜洪伟等( 1 9 9 6 ， 1 9 9 8 ) 在太田关口( o h t a - s e k i g u e h i ) 模型基础上，提出了软土的三维各向异性弹 粘塑性本构模型【1 3 , 2 0 ；赵锡宏等( 2 0 0 3 ) 提出了上海软土各向异性弹塑性本构 模型，并进一步推广到有限应变的非共轴工程应用领域【2 1 , 2 2 。孔令荣( 2 0 0 7 ) 研究了上海饱和软粘土的微结构特性，并提出其微观弹塑性本构模型【2 引。在软 土模型方面，孙德安等( 2 0 0 0 ，2 0 0 6 ) 提出了初始应力各向异性土的弹塑性模 型，该模型适用于软土地基深开挖等的变形预测【2 4 ，2 5 1 。姚仰平等( 2 0 0 2 ，2 0 0 5 ) 基于s m p ( 空间滑动面) 准则提出一个既适用于软土又适用于砂土的统一的弹 塑性模型【2 6 , 2 7 】；他还把l a d e 准则应用于剑桥模型，对剑桥模型进行了改进【2 8 】。 m a t s u o k a , h 等( 1 9 9 9 ) 基于s m p 准则对剑桥模型进行了改进【2 9 】。 9 上海大学硕士学位论文 1 3 3 流变特性 软土的流变性质是软土的重要工程特性之一。直到1 9 5 0 年为止，还很少有 研究者注意软土的流变特性问题。后来，在一些因软土流变而发生的工程事故 中，人们发现软土在很小剪应力作用下变形长期发展的现象，才开始认真研究 这种软土的流变现象。 2 0 世纪8 0 年代以来，孙钧等对上海地区几个典型的软土层进行了流变性 质的系统研究，作出了上海典型软土的流变模型参数拟合值【3 0 】；李作勤( 1 9 9 2 ) 研究了上海软土次固结时间和变形量的有限性【3 l 】；詹美礼( 1 9 9 3 ) 依据对上海 软土流变特性的试验研究，提出一个带双屈服面的流变模型【3 2 】；谢宁等( 1 9 9 6 ) 通过试验得到上海饱和软粘土的流变特性并提出了一个经验本构模型3 3 】；z h u ， x r 等( 1 9 9 7 ) 根据宁波软粘土的预加载流变试验，初步建议了一个宁波地区 软粘上的预加载流变模型【3 4 】；李军世等( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 提出了上海淤泥质粉质 粘土的s i n g h m i t c h e l l 蠕变模型和上海淤泥质粘土的m e s r i 蠕变模型并很好反映 了上海粘土的蠕变行为3 5 , 3 6 】。 1 3 4 超固结土的力学特性 有关超固结土的力学特性方面，国内研究较少，国外已有很多学者作了这 方面研究并取得了一些成果。在超固结土的变形及强度特性研究方面，国内， 窦宜( 1 9 8 4 ) 用人工制备的超固结粘土进行三种有效应力路径的剪切试验，得 出土在临界状态“湿 边范围内，塑性应变增量的矢量与试样的初始状态无关； 在临界状态“干 边范围内，用等塑性剪应变为硬化参数可以反映超固结土应 变一软化特性【3 刀。国外，w r o t h ( 1 9 7 1 ) 研究了超固结土的弹性行为【3 8 】；n a d a r a j a h ( 1 9 7 3 ) 研究了弱超固结土的应力应变特性 3 刃；a m e r a s i n g h e ( 1 9 7 5 ) 等根据 对重塑高岭土的试验研究，得出了重超固结高岭土的各向异性的应力应变特性 4 0 】；n a k a i ( 2 0 0 4 ) 等完成了对重塑藤森粘土的三轴压缩和三轴伸长试验，得到 超固结状态下的藤森粘土在三轴压缩和伸长条件下的强度和变形特性。 在超固结土的本构模型研究方面，p e n d e r ( 1 9 7 8 ) 在对超固结土的力学特 1 0 上海大学硕七学位论文 性深入研究的基础上提出了超固结土本构模型，并将此本构模型推广到能准确 预测土在场初始状态和循环荷载等复杂应力条件下的强度和变形【4 2 1 。随着边界 面模型和下加载面模型的提出，超固结土的本构模型研究也进入了全新的阶段。 h a s h i g u c h i ( 1 9 8 6 ) 提出了下加载面的概念，并将其用于岩土材料的本构模型中 4 3 , 4 4 】，取得了不错的效果。a s a o k a 等( 1 9 9 7 ) 在下加载面的基础上提出了上加 载面的概念，并与剑桥模型结合，提出了能描述土的结构性、超固结特性和各 向异性的本构模型 4 5 ，4 6 1 。n a k a i 等( 2 0 0 4 ) 将下加载面的概念用于岛模型，使 其能够考虑中主应力及应力路径对土强度和变形的影响【4 1 1 。最近，在国内，姚 仰平等( 2 0 0 7 ) 提出了潜在强度的概念，将其与特征状态应力比一起引入到统 一硬化参数中，建立了基于h v o r s l e v 面的超固结土木构模型 4 7 1 ，并运用应力变 换的方法将s m p 准则引入到此模型中，从而将其三维化；又在此本构模型的基 础上将其推广到初始局状态及能考虑土应力应变时间特性的弹粘塑性模型 4 8 1 。 1 4 论文的主要研究内容 本文研究的内容是上海市教委科研项目( 0 6 a z l 0 6 ) 的一部分，主要包括： 1 原状上海软土与重塑上海软土的压缩试验。采用常规应变控制式三轴 仪，对原状上海软土和重塑上海软土进行等向压缩和等向膨胀试验。分析了原 状上海软土与重塑上海软土的压缩性状的异同点，并阐述了产生差别的原因。 2 重塑上海软土的变形特性试验。根据不同试验方法( 等向压缩、凰压缩) 所做的重塑上海软土的压缩试验，研究了这两种不同试验方法所测得的压缩指 数c c 和膨胀指数c s 的异同，并得出膨胀指数c s 与超固结比o c r 的关系。另外 还做了重塑上海软土的肠试验，得出上海软土的砀值及其随加载一卸载过程 的变化规律，并总结出肠值随超固结比o c r 的变化规律。 3 重塑上海软土的流变试验。基于3 次重塑上海软土的流变试验，研究了 上海软土的流变特性，并得出上海软土的流变模型参数。 4 超固结重塑上海软土的三轴剪切试验。通过对超固结重塑上海软土在平 均有效应力p 不变的情况下进行的排水剪切试验，初步研究了重塑上海软土在 超固结状态下的变形和强度特性。 j ：海大学硕士学位论文 第二章原状上海软土与重塑上海软土压缩试验 早在2 0 世纪4 0 - 5 0 年代，重塑粘土的特性就得到了比较透彻的研究。英 国学者r o s c o e 等在这方面取得了突出的成果( r o s c o e ，1 9 6 3 ) ，他们建立的剑桥 模型【1 7 】和修正剑桥模型【1 8 】至今仍在工程界广泛应用。但是天然软土是经历了久 远的年代在一定的地质条件下形成的，它表现出的各种特性必然会与重塑软土 不同。而我们现代的各种建筑物大都是建筑在原状土层之上，故研究原状土的 各种特性非常必要。然而研究原状土会遇到一些闲难：首先，取土网难。即使 现在最先进的取土器械，采用最先进的取土方法，也不能保证所取土样不受扰 动，其原有的应力状态也或多或少地受到破坏。其次，土样离散性太大，很难 得出适用于原状土的普遍规律。最后，经济成本很高。相比原状土试验，室内 重塑土试验简单得多。其具有试样容易制作，试验结果规律性强，经济成本低 等优点。据以上分析，如果能依据室内原状土和重塑土对比试验，得出两种试 验成果的关系，则以后可以直接根据室内重塑土试验间接确定原状土的特性。 因此，这种研究具有非常重大的意义。 本章主要内容为：原状上海软土的压缩试验和重塑上海软土的压缩试验， 并比较两种试验的结果的异同，进而得出两种不同试验得出的压缩性指标之间 的关系，为研究原状上海软土提供一种间接的方法。 2 1 原状上海软土的压缩试验 2 1 1 试验仪器 试验设备是由南京电力自动化设备总厂生产的应变控制式常规三轴仪。它 主要由两部份组成：三轴剪力仪、三轴压力测控柜和数据量测系统。( 见图2 1 ) 1 三轴剪力仪：南京电力自动化设备总厂生产的s j 1 a 型三轴剪力仪，它 是检测土样的竖直方向的力、变形、排水量和孔隙压力等的仪器。该仪器为应 变控制式，主要由压力室、量测系统、实验机电机、试样制备工具等四部分组 成( 见图2 1 ) 。 1 2 l 海 i 学位镕女 图2 - 1s j 1 a 型三轴剪力仪和s j i a g 型三轴压力测控柜 工作原理： 1 ) 等向压缩试验：把经试样制各工具制备好的土样，用橡皮膜包裹安放在 压力室试样座上，使其与量测系统连接( 主要是上下排水管) ，周围压力的大小 由调节旋钮调节。试验时给压力室中加固定的一个围压值，待其固结完成后 据其排水量可以算出其对应的孔隙比，然后再加另一级围压，固结完成后又可 以得到一个孔隙比。这样根据设计好的加载路径做下去就可以得出土样的压缩 曲线即8 1 0 9 p 曲线。从而可得土样的压缩性指标及剑桥模型参数。 2 ) 剪切试验：装好样，在某一级荷载下固结完成后开始剪切试验。试验时 实验机电机经齿轮传动系统，使压力室以一定的速率上升，试样在量力环的压 力下会产生轴向压缩应变，可以由竖向百分表读出。根据量力环的变形量，可 以确定施加在试样上的轴向荷载。如要测孔隙永压力可通过连接孔隙水压力测 量单元而铡出( 本试验没有测孔骧压力) 。由体变管可测出试样上下端的排水量， 进而得出体积应变。试验做到试样剪切破坏或竖向应变达到1 5 时停止。 上海大学硕士学位论文 2 三轴压力测控柜：南京电力自动化设备总厂生产的s j 1 a g 型三轴压 力测控柜，它是s j 1 a 型三轴剪力仪的配套产品，代替s j 一1 a 型三轴剪力仪的 测量部分。该测控柜分别提供了围压稳压单元、反压稳压单元、孔隙压力测量 单元、体变管和三轴实验机电机控制单元。稳压和测压均由数字面板显示，同 时保留压力表检测( 见图2 1 ) 。 工作原理：测柜由二组液压单元、一组孔压测量单元和三轴实验机电机控 制单元四部分构成。反压回路和周围压回路基本相同，只是在输出压力时串接 体变管。控制电路完全一致。 围压稳定原理：给压力室施加围压时，先将压力室、管路、调压筒内注满 水，由围压测控板预设压力，启动调压伺服电机，推动活塞丝杆加压。当活塞 压缩到一定位置，达到设定值时，回路中传感器输出信号，电极停止转动。压 力下降时，传感器会发出信号，电机会启动补充压力至设定值。 3 数据量测系统：主要包括竖向变形百分表、量力环变形百分表和体变管。 本排水试验采用人工读数。主要记录数据为：围压、上下排水管读数、竖向变 形百分表读数和量力环变形百分表读数。 2 1 2 试样制备 试验所用土样是从浦东机场某工程施工现场用活塞式取土器取来的。取土 深度为1 0 - 1 5m ，土样为上海典型软土第4 层淤泥质粘土。取来时土样腊封在 密闭的铁皮桶里，以保持含水量不变。原状土样密封桶高3 0c m ，直径8g i n ， 如图2 2 。同一批土样取来后用保鲜膜密封包装浸泡在水箱中。试验时，先从密 闭铁皮桶里取出土样，用试样制备器切取d = 3 9m m ， = 8 0m m 的试样，再安 装到三轴仪压力室中试样底座进行试验。试样制备器及试样如图2 3 。 2 1 3 试验方案 原状上海软土的三轴试验共做了5 次。前3 次荷载成倍增加，即加载过程 大致为：1 0k p a 2 0k p a - 4 0k p a - 8 0k p a 1 6 0 k p a 3 2 0k p a - 6 4 0k p a - 1 2 8 0k p a - 6 4 0 k p a - 3 2 0k p a - 16 0k p a - 8 0k p a 4 0k p a 。后2 次荷载为1 5 倍增加，即加载过程大致 1 4 r 拇女学l 学位文 瞄2 - 2 装在腊封筒里的原状土样 酬厶3 试样制备器及切好的土样 为：1 0 k p a - 2 0k p a l ok p a - 6 0k p a - 9 0 k p a - 1 3 5k p a - 2 0 0 k p a - 4 0 0k p a - 6 4 0k p a 。每一 级荷载固结2 4h 。 等向压缩一回弹试验完成后，继续做排水剪切试验。剪切速率为：o0 0 2 2 i n t o r a i n 。具体5 次试验的试验工况见表2 1 。 上海大学硕士学位论文 表2 1 原状上海软土三轴试验工况 编等向压缩应力路径 最大围压 剪切时围压剪切开始时初始含水量 初始孔隙比e 号(kpa)(kpa)(kpa)超同结比( ) l1 0 6 4 06 4 06 4 014 9 11 3 2 6 21 0 1 6 01 6 01 6 0l3 7 41 0 0 9 31 0 6 4 0 - 4 0 1 6 0 6 4 01 6 044 2 41 1 4 4 41 0 6 4 0 - 4 0 1 2 8 0 1 6 01 2 8 01 6 084 9 51 3 3 7 5 1 0 1 2 8 0 - 4 0 1 2 8 04 03 24 7 61 2 8 6 2 1 4 试验步骤 三轴试验的具体过程为： ( 1 ) 检查仪器性能，看各组成单元是否运转正常。检查各排水管路及加围 压的管路中有无气泡，如有需排气泡，气泡存在会影响试验精度。 ( 2 ) 在试样底座上依次放上涂有凡士林的开孔圆形橡皮膜和滤纸。此处与 常规三轴试验不同的是用开孔的圆形橡皮膜代替了透水石( 见图2 4 右边底座 的上面) ，这样做的好处是减小了透水石的套箍作用，使土样在两端的水平方向 能自由变形，提高试验精度【4 9 1 。 ( 3 ) 切d = 3 9m m ，j l = 8 0m m 的土样。从切下的土中选取一部分烘干测含 水量。 ( 4 ) 精确量测土样直径、高度、质量。在土样周围贴上滤纸条，这样做是 为了加快排水速度，缩短固结时间。给土样套上橡皮膜。 ( 5 ) 把套有橡皮膜的土样放到三轴压力室试样底座上，用橡皮筋把土样下 面的橡皮膜套扎好，用毛刷把土样中气泡刷出，这样是为了尽量保证试样饱和。 ( 6 ) 同样，在试样上端依次放滤纸、涂凡士林的开孔圆形橡皮膜和试样帽 ( 见图2 - 4 左边) ，同样用橡皮筋将橡皮膜上口扎好。 ( 7 )