（道路与铁道工程专业论文）滨海低山区天然沉积粘土结构性评价及工程应用.pdf

摘要 摘要 工程实践中所面对的原位沉积土均会表现出一定形式的结构性。由于结构性的存在，这些天然原状土 表现出与其相应重塑土截然不同的力学性状。土结构性通过自身强弱变化隐性地影响着土体固结变形与强 度等工程性质，是决定土力学特性的一个最为根本的内在因素。因此开展土结构性宏观力学效应研究，对 于弄清天然地基的同结沉降特性是十分重要的。 本文以某高填方机场建设项目为依托，在总结和分析前人研究成果的基础上，对依托工程滨海低山区 天然沉积粘土结构性宏观力学特性开展室内试验研究及理论分析，所得成果为该工程地基处理方案的确定 提出了合理的依据。同时，通过工程试验区的现场原位试验，对所提出的处理方案与计算方法进行验证， 并分析施工扰动对土结构性的影响。具体工作包括以下几个方面： l 、针对依托工程试验场区的天然沉积不扰动试样，通过一系列室内物理力学试验，利用固有压缩曲 线( i c l ) 作为描述原状土压缩特性的基准框架，分析了该区域土层的基本特性，结果表明场区天然沉积 粘土具有强结构性，并探求土结构性对压缩、固结、强度等土工特性的影响规律。 2 、在室内压缩试验结果的基础上，利用双对数坐标( 1 0 9 ( 1 + e ) , 4 0 9 p ) 方法确定了关键应力结构 屈服应力，并根据试验场区天然沉积粘土胶结效应占优的特点，考虑实际工程中最为关心的应力范围内的 土体变形特征，提出场区结构性粘土原位压缩曲线的确定方法。 3 、基于还原后的原位压缩曲线，提出考虑土结构性影响的天然地基沉降计算方法，并对场区不同区 域、不同附加应力水平的天然土基的工后沉降进行计算分析，根据依托工程沉降控制标准，确定了该工程 需进行地基处理的范围。对于需要处理的区域，提出采用强夯置换法加固，并对加固机理、固结性状和工 艺技术的可行性进行分析，重点对强夯技术在饱和粘性土中的应用进行探讨。 4 、结合工程试验区进行原位试验研究，进一步评价依托工程结构性粘土工程特性及施工扰动对其结 构性的影响和其力学性状的改变。根据本工程的强夯加固影响深度，建议工程设计中基底垫层厚度取2 3 m 。 同时根据实测沉降数据，分析和验证了本文提出的计算方法和地基加固方案的合理性。 关键词：土结构性；固结屈服应力；原位压缩曲线；沉降计算；固结特性；地基处理；强夯置换；施 工扰动 a b s t r a c t a b s t r a c t s o i l si ns i t uw h e ne n c o u n t e r e di nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gu s u a l l ye x h i b i ts o m ef o r mo f s t r u c t u r e d u et o t h ei n f l u e n c eo fs o i ls t r u c t u r e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e s en a t u r a ls o i l sd i f f e re v i d e n t l yf r o mt h a to ft h e c o r r e s p o n d i n gr e c o n s t i t u t e ds a m p l e s s o i ls t r u c t u r ew h i c hi sa ni n t r i n s i cd e t e r m i n a t i v ef a c t o ro fs o i lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a f f e c t si n d i s t i n c t l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n s o l i d a t i o nd e f o r m a t i o na n ds t r e n g t h t h e r e f o r e ，t h e i n v e s t i g a t i o nf o rm a c r om e c h a n i c a le f f e c to fs o i ls t r u c t u r eo nt h ep r o p e r t i e so fn a t u r a lc l a y sb e c o m e sa ni m p o r t a n t i s s u ef o ru n d e r s t a n d i n gc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n tp r o p e r t yo f n a t u r a lf o u n d a t i o n si np r a c t i c e b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e r s a c h i e v e m e n ta n dc o m b i n e dw i t hah i g hf i l la i r p o r te n g i n e e r i n g ，t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e do nt h em a c r o - s t r u c t u r em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a ls e d i m e n t a r yc l a yi nc o a s t a la n d l o wm o u n t a i n sa r e at h r o u g hl a b o r a t o r yt e s ta n dt h e o r e t i c a ls t u d y t h er e s u l t so b t a i n e dp r o v i d er a t i o n a lb a s i sf o r d e t e r m i n i n gf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d i na d d i t i o n , t h ep r o p o s e dt r e a t m e n ts c h e m ea n dc a l c u l a t i o nm e t h o d w e r ev e r i f i e dt h r o u g ht h ef i e l di n - s i t ut e s t si nt h et e s tp l o t ，a sw e l la st h ee f f e c to fc o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c eo ns o i l s t r u c t u r ew a sd i s c u s s e d t h em a i na s p e c t so f t h i sd i s s e r t a t i o nw e r es t u d i e da sf o l l o w s ： 1 as e r i e so fl a b o r a t o r yt e s t sp e r f o r m e do nt h eu n d i s t u r b e ds a m p l e so ft h et e s tp l o r , a sw e l la st h ei n t r i n s i c c o m p r e s s i o nl i n e ( i c l ) u s e dt od e s c r i b et h ec o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a ls e d i m e n t a r yc l a y s ，w e r e a d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fn a t u r a ls e d i m e n t a r yc l a y i nc o a s t a la n dl o w m o u n t a i n sa r e a t h ea b o v er e s u l t si n d i c a t et h a tt h en a t m a ls e d i m e n t a r yc l a yh a sah i g hl e v e lo fs o i ls t r u c t u r e t h e e f f e c tp r i n c i p l e so fs o i ls t r u c t u r eo nc o n s o l i d a t i o n , c o m p r e s s i b i l i t ya n ds t r e n g t hb e h a v i o rw e r ed i s c u s s e d 2 t h ed o u b l el o g a r i t h m i c ( 1 0 9 ( 1 + e 卜l o g p ) m e t h o dw a su s e dt od e t e r m i n et h ec r i t i c a ls t r e s s - c o n s o l i d a t i o n y i e l ds t r e s so ft h el a b o r a t o r yc o m p r e s s i o nc u r v e c o n s i d e r i n gt h ef a c tt h a tt h eb o n d i n ge f f e c to ft h en a t u r a lc l a yi n t h ea r e ai ss i g n i f i c a n t , an e wm e t h o do fm o d i f y i n gt h ev i r g i nc o m p r e s s i o nc u r v ew a sp r o p o s e d ，w h i c hr e f l e c t st h e d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs t r e s sr a n g em o s t l yc o n c e r n e di nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g 3 b a s e do nt h em o d i f i e dv i r g i nc o m p r e s s i o nc u r v e ，t h en a t u r a lf o u n d a t i o ns e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d w i t hc o n s i d e r a t i o nt h ee f f e c to fs o i ls t r u c t u r ew a sp r e s e n t e d t h e n , t h ep o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to fd i f f e r e n t r e g i o na n da d d i t i o n a ls t r e s sl e v e lw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sa n ds e t t l e m e n tc o n t r o l s t a n d a r d s ，t h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n ts c h e m ef o rt h ea i r p o r tp r o j e c tw a sd e t e r m i n e d t h ed y n a m i cr e p l a c e m e n t m e t h o dw a ss u g g e s t e dt or e i n f o r c eg r o u n d m o r e o v e r , t h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g yf e a s i b i l i t y , e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fd y n a m i ct e c h n o l o g yi nt h es a t u r a t e dc l a y , w e r ed e e p l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d 4 c o m b i n e dw i t hi n - s i t ut e s t si nt h et e s tp i l o t , t h ee f f e c to fc o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c eo ns o i ls t r u c t u r ew a s d i s c u s s e d t h er e s u l t so fi n s i t ut e s t si n d i c a t e dt h a tf i e l dd i s t u r b a n c eu s u a l l yr e s u l t e di nt h ed e g r a d a t i o no fb o n d i n g , r e d u c t i o no fs t r u c t u r a ls t r e n g t ha n di n c r e a s eo fc o m p r e s s i b i l i t y a c c o r d i n gt oe f f e c t i v ei n f l u e n c ed e p t ho fd y n a m i c c o m p a c t i o n ，i tw a sp r o p o s e dt h a tt h et h i c k n e s so ft h ec u s h i o nt a k e na s2 - 3 m f i n a l l y , t h ec a l c u l a t e ds e t t l e m e n t a g r e e sw e l lw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gf i e l dm e a s u r e ds e t t l e m e n t , w h i c hs h o w st h a tt h ep r o p o s e ds e t t l e m e n t c a l c u l a t i o nm e t h o da n dg r o u n dt r e a t m e n tp r o g r a ma r er e a s o n a b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：s o i ls t r u c t u r e ；c o n s o l i d a t i o ny i e l ds t r e s s ；v i r g i nc o m p r e s s i o nc u r v e ；c o n s o l i d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ； s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ；g r o u n dt r e a t m e n t ；d y n a m i cr e p l a c e m e n t ；c o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c e h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：逝日期： 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 沿海地区是我国经济相对发达地区，改革开放以来，经济建设较为活跃，许多大型工程( 如机场跑道、 高速公路等) 相继建在这些地区的( 软) 粘土地基上，以往对地基土的认识和在工程设计时大多是基于重 塑土( 饱和扰动- 七和砂土) 的室内试验结果，且对于重塑土的研究已经可以在一定程度上满足工程的需要。 但是在实际工程建设中所面对的都是天然沉积土地基，是地质过程中天然形成的具有结构性的材料( 沈珠 江，2 0 0 3 ) u 1 ，其力学性质与重塑士有较大差异，其原因只能从结构性不同中去寻找。因此，这必然要求 土力学工作者和工程设计者对天然沉积土的工程力学性状有一个全面和深入的认识，尤其是天然沉积土性 状的准确模拟和工程应用性方面。 土体结构性实质是一种土物理状态的显示，是土生成条件、环境等自然历史产物，它受到土颗粒的成 分、大小、形状、分布、粗糙度与团聚程度的影响，受到土骨架排列的定向性、均匀性和稳定性的影响， 受到土中孔隙的大小、分布、密集度、连通率与充水率的影响，受到微裂隙的分布、走向、密度与连通率 的影响，也受到土中化学物质的成分及其存在状态的影响。归结起来说，土的结构性是表征天然土具有结 构强度的特性，是指那些致使原状土力学特性不同于其相应重塑土的所有性质。由于结构性的存在，不应 当再把土体看作是具有同定变形模量和强度指标的材料，只能说，土体的力学行为是随其结构的变化从原 状土到扰动土逐渐转化的过程( 沈珠江，1 9 9 6 ) 嵋1 。 土体力学性质的差异或变化取决于内因和外因两个方面，表现为土的微观物质基础与宏观力学效应二 者的辩证关系。土本身的颗粒性状、孔隙性状、含水量及矿物成分等因素的不同组合，使土具有不同的初 始结构性，从而具有不同的力学性质。例如，由于土中孔隙不同使其具有不同的排水通道，因此反映土固 结速率的固结系数和渗透系数受微结构的影响也较大；由于颗粒的特殊排列方式和联结特性，使有的土具 有各向异性特征。外因即荷载，广义上说，也包括水、温度、风化作用等，外因可以改变土本身的结构， 形成次生结构，使同一种土在不同应力路径和应力水平下具有不同的力学性质，如土的应力一应变关系、 孔隙水压力一应变曲线和囡结曲线等表现出与土结构性的明显相关性。 工程实践与试验均表明天然沉积土均具有一定的结构性，表现出与重塑土截然不同的力学性质。目前 工程建设中，已经十分重视天然沉积土的强度、压缩性、渗透性等基本特性研究，但是对天然沉积土的另 一特性结构性，在工程应用领域尚缺乏认识和深层次的实践，主要原因一方面在于，结构性总是通过 自身的强弱变化隐性地影响土的诸多力学特性，如压缩性、剪切强度、渗透性等，这就增加了问题的不确 定性和复杂性，使得人们在研究及工程实践中很难准确把握结构性的变化：另一方面，土体因地质成因、 赋存规律、组成成分和应力历史等的差异，其结构性强弱表现出显著的时空变异性和区域性。国内外岩土 工程师们发现许多地区的饱和粘土的工程性质都有其不同的特性，诸如l o n d o n 粘土、b o s t o n 蓝粘土、挪 威d r a m m a n 粘土、加拿大l e d a 和c h a m p l a i n 粘土、日本a r i a k e 粘土、上海粘土、温州粘土和湛江粘土等。 这些粘土虽有共性，但其个性对当地的工程建设影响更为重要，如石名磊等( 2 0 0 5 a 、2 0 0 5 b 、2 0 0 5 e 、2 0 0 5 d ) 哺刮对长江口海陆交互相天然沉积物结构性研究表明，该类土虽然具有低液限，含粉细砂粒较多的组成特征， 但是同样具有较高的结构性，尤其是取样扰动严重，直接影响室内土工试验成果。因此，分别开展针对各 种区域性土结构性的深入系统研究，建立相应的结构性理论，是土力学理论研究的需要，也是岩土工程实 践发展的方向。 目前随着基础建设工程实践的增多，在实际工程中出现许多难以由现有的土力学解释的岩土工程现 象。例如，高等级公路建设中，大量实测沉降资料显示，实测结果与传统土力学理论对路基荷载作用下的 总沉降和固结沉降稳定分析结果存在较大偏差。其中，常澄高速公路常州段实测沉降数据分析得到的路基 荷载下地基总沉降一般在2 5 c m 以内，最大值未超过5 0 c m ，明显低于设计沉降值，显然与结构土的屈服性 状有关；竖向加i 古1 体复合地基是高速公路软土地基处理最成功，也是最常见的方法之一，但是竖向加固体 复合地基沉降计算与周结沉降稳定控制，目前存在一定的盲目性。复合地基加固区下卧层的沉降计算误差 可能是导致这一现象根本原因之一，而土的结构性对其有直接的影响；淤泥土经砂井或塑料排水板堆载预 l - 东南大学硕士学位论文 压后沉降量很大，沉降稳定的时间也很长，无论是固结沉降量还是沉降过程预测，理论计算值与实际沉降 值都有较大的差异，往往造成预压期延长，后续工程被迫延期等严重后果，如深圳湾某软基处理工程沉降 理论计算值为2 3 m ，设计预压时间为2 1 0 天，而实际沉降值为3 2 m ，预压时间延长至3 8 0 天，因此迫切 需要提高固结沉降计算的精度，而要准确计算其沉降就必须搞清楚土结构性对固结性状的影响机理，在此 基础上选用合理的固结模型；横林枢纽( 2 0 0 2 ) 开挖清淤回填后无加载条件下老路基的沉陷开裂，即是结 构性天然沉积土结构损伤引起力学行为改变的最典型实例。传统土力学理论无法解释这些现象，但是在土 力学本质认识方面结构性研究为揭示这现象提供了最为有效和可行的研究途径。天然沉积土的结构 性变化与其本身的结构性内在因素有关，但同时受到作用于土体的应力水平( 路基高度) 、加荷速率( 路 基施工填筑周期) 和应力路径方向( 超载预压稳定后卸载、拼接路基施工) 等有直接影响，显然结构性研 究不仅深化土力学本质认识，更有直接指导工程实践重要价值。 近年来土结构性研究引起人们广泛关注，关于土结构性研究的重要性，早在1 9 2 5 年就由t e r z a g h i 指 出，沈珠江院士指出土的结构性模型的建立是“2 1 世纪土力学的核心问题”乜1 ，谢定义等( 1 9 9 9 ) 提出了 “土结构性是决定各类土力学特性的一个最为根本的内在因素”观点门1 ，不难看出土结构性在土力学学科 发展中的独特地位。从土力学的角度，土结构性研究的根本目的不在于看到土结构性及其变化的现象，而 在于发现土结构性及其变化的力学效果，而对天然沉积土基本特性的认识与利用，即土结构性的宏观力学 效应研究，在我国开展这方面的研究也只是近几年的事，特别是将土结构性定量地引入到同结压缩与强度 特性方面的研究尚不多见。 鉴于上述，从土结构性本质认识上揭示实际工程建设场区天然沉积物的结构性特征、及其对结构性土 主要力学行为的作用机制，充分了解其受荷后的变形规律，可在实际工程应用中为确定合理的地基处理方 案提供理论支撑，为地基基础有效的变形预测方法的确立、变形参数的确定提供可靠依据。 1 2 国内外研究现状 工程实践中所面对的天然地基，其原位沉积物均会表现一定形式的结构性。土的结构性是指土颗粒和 孔隙的性状、排列形式( 或称组构) 以及颗粒之间力的相互作用。但在实际应用中常用来概括地指土体所具 有的不同于相应重塑士的力学性状。近二三十年来，土体的结构性吸引了国内外众多学者的注意力，相关 的研究也有很大进展，研究内容则涉及到结构性土体的压缩特性、强度特性、各向异性、粘塑性等基本性 状以及考虑结构性的土体本构模型各方面。 本节主要介绍关于结构性土体的基本性状及其应用方面的国内外研究现状。首先对土体结构性的定义 和基本概念作简单介绍，天然士体基本性状的研究大多是结合某种典型结构性土体的室内试验、原位试验， 并在与相应重塑样的对比分析基础上，讨论以得到规律性的结论。所以，本节接着概括介绍了结构性土体 表现出的与重塑土所不同的力学性状。 1 2 1 土结构性的定义 ( 1 ) 土结构性的定义 从微观上讲，土的结构性是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式( 几何特征) 及其颗粒间的相互作用 ( 联结特征) ；从宏观上讲，土的结构性是指土结构的结构力学效应，即受力时土的结构与其力学行为的 相互影响。土结构性与土的形成有关，即与的沉积环境、各种沉积力、土颗粒性质、土颗粒表面力以及沉 积后各种地质力的作用有关，是土体生成条件和沉积环境的自然历史产物。c h a n d l e r ( 2 0 0 0 ) 分析了粘土沉积 的地质循环过程m 1 ，参见图1 - 1 ，研究了循环各个阶段土结构性的产生以及变化情况。循环阶段可概括为： 无氧条件下水下沉积过程；固结及压实过程；地面抬升过程；地表上侵蚀和风化。各种地质过程可能会导 致结构性的产生、发展以及破坏，如沉积作用，胶结作用等会使得结构性产生并发展，而化学风化作用则 通过颗粒间胶结物的淋溶和应变能的释放而使结构性破坏，以及结构屈服或者颗粒间的粘结作用移除将导 致结构性丧失。 土的结构性表征，是天然土具有结构强度的特性。土的结构强度是土的原生结构与次生结构的差异所 引起的。原生结构是指构成土的最基本的物质成分在搬运、迁移、沉积和成土的演化过程中产生的与周围 2 第一章绪论 环境相适应的结构，与之相对应的士体强度即为原生土体强度：当天然受到重塑或其它剧烈扰动时，原 生结构被相对破坏，生成敬生结构，与之相对应的土体强度即为攻生士体强度。原生土体强度与次生土体 强度之差即为天然土的结构强度。有些粘士具有很强的结构强度如日本a r i a k e 粘士的灵敏度更是高达 1 0 0 以上，扰动后似液体状。参见国l _ 2 。 图卜1 天然沉积粘土的地质循环过程”1圈卜2 强结构性的天然沉积粘土 简单地说，土结构性可以刚来说明无然沉积土与重塑土的区别所在，就是包含使天然结构性的力学 性状不同丁相应重塑土的所有特性。在同一有救应力下根据土结构性的不同，可以有不同的孔隙比土 结构性对孔隙比的影响如圈i - 3 所示。位于原位压缩曲线上的a 点，由于颗粒按照边一边与边一面方式摔列 粘结，有着很大的孔隙比。当原有的结构由于重塑或应变的产生而引起破坏时，孔隙比将减小至结构完全 丧失的重塑状态线上的b 点。在同一有效同结应力下，b 点达到最为密实的状态，此时土样的状态认为是稳 定的。位于完全重塑压缩曲线与原位压缩曲线之间的土也具有一定的亚稳定性，如果土结构性被破坏，会 进一步再压缩同结。 孔 睡c 比 柯效嘲结雁力i ，g p m p a 图1 - 3同一有效固绪压力下土结构性对孔隙比的影响 国际上对软粘土的结构性较为明确、全面的阐逑出现在上世纪9 0 年代，如l e 舢，i 等人( 1 9 9 0 ，1 9 9 7 ) “。 。1 和b u r l a n d ( 1 9 9 0 ) 1 。 l c r o u c i 等人( 1 9 9 0 ，1 9 9 7 ) 通过对比研究天然土体和软岩性状，提出了结构性的概念。l c r o u e i 等人认 3 东南大学硕士学位论文 为，土的结构性随岩化作用( d i a g e n e s i s ) 的加强而增加，与软岩中的现象类似，只有考虑结构性，天然土在 实验室和现场所表现出的不同于重塑士的力学性状才能被正确表述。因此，结构性和初始孔隙比、应力历 史一样对土体力学性状的确定具有同样的重要性，关于结构性的一系列现象应作为土力学中的基本内容。 这种不能为多孔性和应力历史所解释的强度和刚度分量可以由多种原因引起：高压力下颗粒间的胶结；受 天气、含水层的改变而引起的碳酸盐、氢氧离子和有机物质的溶解、再结晶；粘土中颗粒间的相互吸引力 等。l e r o u e i l 等人指出，应采用一种不同的术语来形容这种结构效应，并提出用“结构性”一词来形容这种 现象，而由于应变或重塑所引起这些性状的消失，称之为“结构性丧失”。 在1 9 9 0 的朗肯讲座中，b u r l a n d 提出重塑士的压缩性和强度性状可以为理解和解释其对应的天然状态的 土体提供一个有价值的参考体系，尤其是微观结构的影响。在该体系中，重塑土的力学性状被称之为固有 属性，因其只受材料的影响而与其天然状态无关，更量化地阐明了结构性和土体沉积特征之间的联系。 ( 2 ) 土的组构与粒间粘结 t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) u 副首次提出土微结构概念。粘粒悬液在电解质作用下形成絮凝沉积物在一定上覆层荷 重下形成的结构，称为蜂窝状结构( h o n e y c o m b ) ，并被s k e m p t o n ( 1 9 4 4 ) u 刮所证实。 c a s a g r a n d e ( 1 9 3 2 ) u 副在蜂窝结构基础上提出了“基质粘土”( m a t r i x ) 和“连结粘土”( b o n d ) 的概念。 m i t c h e l l ( 1 9 7 6 ) u 驯提出了“结构”的概念，意为组构( 颗粒间的排列) 和粒间胶结的共同作用。 s i d e sa n db a r d e n ( 1 9 7 0 ) u 7 1 给出了土体的一些基本组构的分类，如图1 - 4 所示，分为絮凝结构 ( f l o c c u l a t a t i o n ) 、分散结构( d i s p e r s i o n ) 、蜂窝结构、静涡轮结构和片堆结构。认为絮凝结构以颗粒间的净 吸引力为主，并根据沉积时，排列是以单颗粒还是以颗粒域分布，又可分为片架结构和书架结构；分散结 构主要是由于净斥力导致的包裹着的颗粒分散沉积而成的。 图1 - 4 土颗粒组构的分类( s i d e sa n db a r d e d ，1 9 7 0 ) 土结构性是土体生成条件和沉积环境的自然历史产物，沉积环境对天然沉积物组构的影响很大，其中 最重的两个因素为沉积速率与水的状态。在静水条件下缓慢沉积而成的沉积物通常具有开放式组构，其状 态不稳定，容易受扰动破坏，如絮凝结构；伴随大量颗粒快速沉积而成的沉积物组构具有定向排列特征， 呈密实状态，如分散结构。在沉积历史过程中所形成的组构被视为初始组构，它会被后沉积作用现象所改 变，如图1 5 所示。通常，认为具有开放式组构的土是亚稳态的，被定义为结构性土；颗粒按一定有效方 式排列的土是稳定的，被看作为无结构性土。重塑作用能把亚稳态的结构性土变为稳定的无结构性土，因 为重塑破坏了土结构性。沉积土的亚稳态结构在沉积历史过程中和后沉积作用中的变化如图l - 5 ( b ) 所示， 其中淋溶作用使亚稳定性更加显著。 土的胶结作用并不是指单纯的颗粒间摩擦，而是指土体颗粒问相互作用的总和。胶结是种成岩过程， 它的产生取决于粘土沉积期所存在的物质。b j e r r u m ( 1 9 6 7 ) u 引认为，胶结粘土含有由强联结结合在一起的颗 粒，这种联结具有与非胶结粘土不同的特性，在非胶结粘土中占优势的是“有效摩擦力”和“有效粘聚力” 所产生的联结。 一4 - 第一章绪论 一嚣 气! ；1 - 益 卜 ( 矗) 副妇：l i 旧s t r e s s ( b ) 图1 5 土体的絮凝结构与分散结构示意图 ( a ) 絮凝结构与分散结构的沉积变化过程；( b ) 沉积历史过程中稳定性的变化 1 2 2 土结构性的分类 ( 1 ) 土结构性的不同状态 土体的结构性是土体受沉积作用、荷载等经历的一种结果体现( l e r o u e i le ta 1 ，1 9 8 5 ) u 引。从这个意 义上讲，任何土体在任何状态都具有其相应的“结构性”。考虑实际中遇到或制样时所呈现的特定状态， 结构性可区分为结构完整状态、结构损伤状态、重塑状态和重构状态四种状态。天然沉积土的原位状态属 于结构完整状态；结构损伤状态指天然粘土由于应变的产生，导致原始结构性破坏：重塑状态是指土体受 到足够大的作用力使其强度降低到最小值；重构状态是指粘土颗粒由于重塑后与水混合而成的泥浆在自重 应力下沉积固结的状态。这与l e r o u e i le ta 1 ( 1 9 8 5 ) u 训提出将土体结构分为原位状态、结构性损伤状态、 重塑状态以及再沉积状态四种不同状态是同一概念。重塑状态土体的性质反映了土体的矿物组成成分及当 前的沉积环境，原位状态土体的性质反映了土体的结构性和沉积历史，而土体由原位状态到结构损伤状态 再到重塑状态则是土体的天然结构性逐渐丧失的过程。本文着重研究土体原位沉积历史作用下产生的土体 结构性。 孔 隙 比 e 图1 石天然沉积土的。结构许可空间”示意图 图1 7 不同结构类型沉积粘土的一维压缩曲线 重塑状态土样的力学性状被称为土体同有属性，土体在重塑状态和扰动状态的力学性状差异正是土结 构性的体现，因而这两种状态是土体结构性研究的重要方面。l e r o u e i l & v a u g h a n ( 1 9 9 0 ) m 1 定义了“结构 许可空间”，如图1 6 所示，重塑状态和未扰动状态所围成的空间即为不同程度结构损伤状态的土体可能出 现的区域，可以表征重塑、扰动、未扰动三种状态之间的联系。 5 j篡口点参一譬，口j 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 土结构性分类方法 c o t e c c h i a & c h a n d l e r ( 1 9 9 7 ，2 0 0 0 ) 溉2 根据土体的沉积历史，建议土的结构可以按照p 反坐标里的 一维压缩曲线上的总屈服状态点是位于原始沉积压缩线上还是位于其右侧，将土的结构性区分为沉积结构 和后沉积结构。其中，沉积结构是指在沉积过程中或沉积后仅仅由于固结作用形成的结构，它包括天然的 正常固结粘土( 不同的土体组成和胶结作用) ，以及正常固结重塑粘土；后沉积结构是指正常固结后受到各 种地质过程作用形成的结构，主要包括由于卸载、蠕变、触变作用、胶结作用、成岩作用形成的土的结构。 后沉积结构基本框架同样适用于风化、地壳构造变形的作用等形成的结构性土体。 如图1 7 所示： ( 1 ) 天然土或重塑土在沉积过程中和沉积完成之后由于一维正常固结形成的结构，主 要为土体沉积过程中形成的各种颗粒组构和颗粒间胶结，其一维压缩曲线与t e r z a g h i ( 1 9 4 1 ) 提出的沉积 压缩曲线( s c c ) 是一致的，如图1 7 中的曲线z z 奉和z - z l 。此类结构粘土的屈服应力比( y s r = a ，v o ) 与超同结比( o c r = c 加7 v o ) 是相等的，且比值为l 。 ( 2 ) 当一些在地质历史过程中单纯由于卸载引起的超固结粘土，并没有受成岩等其它地质作用，再 加载时产生的总屈服应力0 7 w 与地质历史上的前期固结压力6 。是相近的。当荷载增至接近历史上曾受到的 最大应力a 。( 图1 7 中的y 2 点) 时，继续加荷，若加载速率相对较快，会出现压缩曲线陡降的情况( 图 中y 2 2 2 ) ；若加载速率与地质时期相当或土体的灵敏度较低( 1 o 1 5 ) 时，后续的压缩曲线将与原沉积曲 线重合( y 2 2 1 ) 。属于这种沉积结构的超同结软或硬粘土的屈服应力比( y s r = t y 加7 v o ) 与超固结比 ( o c r - - - o 。舾7 v o ) 是相近的，但比值大于1 。 ( 3 ) 沉积后受到成岩作用或胶结作用的土体，超过历史上受到的最大应力o p v c 后，沉积后的物理化学 作用( 胶结、老化等，见图1 - 8 a ) 仍控制着土体的性质，直至穿越沉积压缩曲线( s c c ) 一段距离，达到 结构屈服应力a w ( y 3 点) 后，如图1 7 所示的路径o y 3 ，屈服后的压缩曲线( y 3 z 3 ) 相对沉积压缩曲线更 陡，其屈服应力比( y s i po v v 舾i v 0 ) 大于超圃结比( o c r = a 。o v o ) 。 仅仅由于力学意义上卸载引起的超| 司结与后沉积作用( 成岩或胶结) 的超圃结可以分别理解为应力历 史与结构性引起的超固结，两者的压缩曲线如图1 8 所示。分析图1 8 ( b ) 可知，在同一竖向有效同结压力 下，结构性引起的超固结粘土比应力历史引起的超固结粘土能承担更大的孔隙比，但随着荷载的增大，由 于屈服后结构的破损，结构性引起的超固结粘土的孔隙比减小速率比应力历史引起的超固结粘土的要大的 多。 孔 隙 比 e c i e 2 c 2 有效固结压力l o go k p a 孔 隙 比 e 上覆压力前期固结压力 吲 有效固结压力l o go k p a 【a )【b ) 图l - 8 后沉积作用对结构性与应力历史引起的超固结土压缩特性的影响 ( a ) 后沉积作用对压缩曲线的影响；( b ) 固结试验得到的一维压缩曲线 在研究士体性状时，我们习惯对土体进行分类。一般的分类方法是将士体分为正常周结土、轻微超固 结土和重超同结士，比如经典的临界状态土力学即采用这种分类。同时大量的室内试验和原位试验均表明， 软粘士在变形特性、应力路径、强度包线、蠕变等各方面均表现出与上述三种不同类型土的相应性状。而 根据图1 7 中的土体结构基本框架，同样可以将粘土分成三类：正常固结土、应力诱发( 力学意义) 的超 6 第一章绪论 固结土( 简称超固结土) 和具有后沉积结构似超司结的结构性土体( 简称结构性土) ，压缩性状分别相应于图中 的z - z l 、z z 2 ( z 1 ) 和z z 3 ，认为这种分类方法更能体现士体结构性的形成机理。 - 天然土体一般都具有结构性，那么又将如何定义结构性程度的强弱以对其进行区别对待呢? 对此目前 学术界并未明确统一的说法，相关论文也多以强结构性土体( h i g h l ys t r u c t u r e dc l a y ) 作为研究对象，但却未给 出强结构性土的定义。胶结作用对土体结构性的形成有着显著的作用，而土体的初始结构强度主要取决于 土体的结构性( b o n d e ds t r u c t u r e ) ，灵敏度参数可以宏观反映土体的胶结作用对结构性的影响。因此，文中根 据土体的灵敏度参数反映土体结构性的强弱，并将结构性土体分为强结构性2 l ( s t 4 ) 和弱结构性土 赢= o 1 0 9 + 0 6 7 9 e l 一0 0 8 9 e l 2 + o 0 1 6 e l 3 = ( 矗一) = 0 2 5 6 e l - 0 0 4 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 图卜l o 天然沉积粘土的i c l 与s c l ( b u r l a n d ，1 9 9 1 1 ) 与绘$ 1 j l c l 相似，将某一种粘土不同深度土样的孔隙指数正，与相应的土体原位竖向应力一，的对应关系 绘制成，一l o g a v 关系曲线，称为沉积压缩曲线s c c ( s e d i m e n t a t i o n c o m p r e s s i o n c u r v e ) 。s c c 描绘的是某种 特定的粘土在当前状态下不同深度的孔隙比和竖向应力的关系，所反映的是土体的天然沉积状态。而且不 同粘土的s c c 基本位于一条单一的曲线附近，这条单一曲线可称为沉积压缩线s c l ( s e d i m e n t a t i o n c o m p r e s s i o nl i n e ) ，如图卜1 0 所示。s c l 在归一化压缩平面c 。l o g 贰中位于i c l 上方，且在常规应力范围 内( 1 0 k p a l o o o k p a ) 基本平行于i c l 。在这个区域内，对于给定，。值，天然粘土所具有的有效上覆压力约为 同等重塑土样的5 倍，反映出两者结构的差异。这给后来人们定量化研究天然软粘土的初始结构性奠定了 基础。 ( 2 ) 压缩特性 压缩特性的研究是解决许多岩土工程问题的基础，尤其是沉降问题。许多学者( m e s r ie ta l ，1 9 7 5 啼引； 张诚厚，1 9 8 3 【2 5 】；l o c a ta n dl e f e b w e ，1 9 8 5 川：b u r l a n d ，1 9 9 0 ；t a v e n a sa n dl e r o u e i l ，1 9 9 0 矧；蒋明 镜，1 9 9 7m 1 ；沈珠江，1 9 9 8b 7 1 ；龚晓南等，2 0 0 0 拉引等) 进行了结构性土压缩特性的研究。研究表明，正 常固结饱和结构性粘土在半对数压缩曲线有着明显的转折，在转折点处对应的应力称为结构屈服应力。如 图l 一1 l 所示，压缩曲线的初始段很平缓，当压力超过某一值时出现都降段，并向重塑土的压缩曲线靠近。 也即，在圃结压力低于结构屈服应力的范围内，土的压缩性很小；超出结构屈服应力，压缩性显著增大， 最后趋于重塑土的压缩曲线。这种由于结构性引起的应力超越现象，与应力历史引起的超压密土的区别在 于同一应力状态下，前者的孔隙比远大于后者。 9 - 东南大学硕士学位论文 1