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上海软黏土结构性对其力学特性影响的试验研究 同济大学土木工程学院 博士学位论文 上海软黏土结构性对其力学特性影响的试验研究 姓名：王江锋 申请学位级别：博士 专业：地质工程 指导教师：叶观宝;高彦斌 20091201 摘要 摘要 天然土体都具有一定的结构性。国内外学者针对不同地区的软黏土，通过 不同的研究手段，对土的结构性进行了一定的研究。研究结果表明，软黏土原 有结构的破坏会导致一些力学特性发生明显变化，诸如压缩特性、剪切特性等， 这对工程建设影响较大。本文对上海软黏土的原状样和重塑样进行了压缩、直 剪、三轴等试验。基于试验结果分析，初步得到了结构性对上海软黏土压缩特 性、剪切特性及屈服特性的影响规律。 本文所开展的具体工作及主要研究成果如下： 1 对上海第四层软黏土的原状样和重塑样进行了一维压缩试验。结果表 明，结构性对其压缩曲线性状的影响非常明显，重塑土的Plgp压缩曲线为一压 缩指数恒定的斜线，而原状土以结构屈服应力为晃分为两段曲线。原状土的压 缩模量在结构屈服应力处达到峰值，结构性丧失后与重塑土的变化趋势一致。 根据压缩试验结果，初步评价了上海软黏土的结构性：SCL曲线明显的在ICL 曲线上方；结构屈服应力约为125kPa左右。 2 对上海第四层软黏土的原状样和重塑样进行了直剪试验，对其破坏剪 切面上的含水率进行了量测分析。试验结果证明，结构性对强度曲线的影响较 为明显：重塑土的强度线是一过原点的斜线，粘聚力为O；原状土的强度线以结 构屈服应力为界呈折线形，后段折线与重塑土的特性一致。上海软黏土原状样 和重塑样的内摩擦角与塑性指数存在着良好的线性关系，随塑性指数的增大而 减小，但重塑土的变化幅度小许多。进一步研究了结构性对剪切破坏时含水率 的影响，原状土的剪切破坏时含水率与应力的曲线及孔隙比与剪应力的曲线均 在重塑土的上方。 3 分别对上海软黏土原状样和重塑样进行砀固结三轴压缩和三轴拉伸试 验，首次研究了结构性对其剪切特性的影响。试验结果显示，原状土的抗剪强 度比重塑土的大。原状土压缩剪切试验的孔压增量比重塑土的大，重塑土拉伸 剪切试验的孔压增量比原状土的大；无论压缩或拉伸试验，原状土的体变均比 重塑土的大。进一步的研究表明，原状土和重塑土的压缩和拉伸的剪切模量， 随着剪应变的增大，逐渐减小，并在某一应变下变化趋势越来越趋于平缓。原 摘要 状土的压缩剪切模量比重塑土的要大，而拉伸的剪切模量基本上相同。上海软 黏土重塑样的厨，值大于原状土的，进一步的分析了原状土和重塑土各向异性 和各向等压 在拉伸或压缩 的跏，v值。 4 开展了针对上海软黏土不同等应力比试验，首次获得了上海软黏土原 状样和重塑样的屈服特征：不同等应力比的压缩曲线均在各向等压固结线的下 方，且压缩曲线在拉伸曲线的上方，沿着远离各向等压固结线的方向，不同等 应力比值逐渐增大。进一步的分析了结构性对上海软黏土的原状样和重塑样的 屈服面形状以及偏转方向的影响。 5 原状土的s-t空间的归一化屈服曲线关于肠线近似对称，而经过硒 固结的重塑土的屈服包络线并不关于硒线对称。原状土和重塑土的屈服曲线相 交于线，线以上屈服面旋转的方向差别很大，而硒线以下部分基本一致。 关键词：结构性，上海软黏土，压缩特性，抗剪强度，剪切特性，屈服面 II Abstract Abstract Naturalsoilhasstructural bothathomeand propertiesScholars abroadhave done some onsoilstructureofdifferent different study by methodsResearch regions results showthat structure ofsoft willleadtothe of original damage clay changes somemechanical as behaviors，such shear compressioncharacteristics，the properties of the tests construction，ereIn werecarriedout engineering paper,some onthe soft as Shanghaiclay,such shear,triaxialtestandetcBasedon compressing，direct the of ruleswereobtained analysisexperimentalresults，some in soft Shanghaiclay on structuralcharacteristicson shear and influencingcompressibility,the properties the characteristics yield Inthis theconcreteworkandmain paper researchresultsale as presented follows： structural 1 The properties on of soft influencingcompressibility Shanghaiclay is obviousTestresultsshowthat very thestructural on properties influencing modulusare certain compression presented tothetest lawsAccordingresults，the evaluationon preliminary the soft structure：theSCLCHIVeWasevident Shanghaiclay abovetheICL stress125kPaaboutThe curve，Structural structural of properties massive lostmuch sample smallerthanthin-walledfromthe sample compression CUryeS seriesofdirect sheartestsare 2 A carriedoutfor soft ShanghaiclayThe curves of reconstitutedandthenatural strength shape clay soilisnotuniformTest resultsshow thattheinternalfrictionofthenaturalsoil angles andreconstituted clays ale thesameWhether basically consolidationfastshearorslow soft shear,Shanghai internal clay frictionandsoil indexexiststhe linear angle plasticity good relationship In andefall some addition，wflg linear p，wflgr present relationship consolidationstress 3 K0 testsare soft path on performedShanghaiclay theresultsshowedthat respectively,and naturalsoil ismuch than strength greater remoldedsoilInthe of processshear,thestructural on propertiesinfluencingpore 111 Abstract incrementISalsodifferentFurtherresearch incrementandthevolumestrain pressure thecertainrulethat soilandreconstitutedstiffnessincreases suggests thenatural clays withthestrainTheofstructural on of strength degree propertiesinfluencing extensiontestand testis soft differentThroughShanghai compression analysis，the and hasasimilar betweentheundrainedshear consolidation clay strength pmssure linear relationship constantstressratiowere for testsofdifferent 4 Thespecial designedShanghai soft resultsshowthatthe curvesofdifferentconstant clayThe e-p experimental stressratioweredistributedatacertain destructionare wayFurthermore，thepoints in withoutinfluenceof distributed CSLline further, nearby loadingpathAnd onthe surfaces soft were structural influencingyield ofShanghaiclay properties conductedtoanalyze s-t curvesofthenaturalsoilnormalizedwith tothe 5 Theyield respect line are aboutconsolidation K0 preconsolidationpressuresymmetrical basically，even soilwasconsolidatedthe the curvesis iftheremolded K0 by way，andyieldenvelope not aboutlineIna stressstateofremoldedsoil K0 word，the symmetrical consolidatedis differenceofrotationdirectionsis for K0 by anisotropicThe verybig the surfacesofnaturalsoilandreconstituted curve of yield claysTheyield shape soft wellwith trendofJGrahameta1 Shanghaiclayagrees general words：Soil soft Key Structure，Shanghaiclay,Compressibility,Shearstrength，Shear surface characteristics，Yield IV 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 L，o I” ，、出o、4 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 三，螺 、 f 叶阳日 第1章绪论 第1章绪论 11前言 “结构”一词是指组成一个事物或系统的各个要素之间的排列、组合及相互 关系，“结构性”是事物或系统的各个要素之间基于以上相互关系所表现出的性 质和特征。土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及颗粒间的孔隙的大小、 形状、排列组合及联结等综合特征，也就是土体的结构包括土的颗粒特征、 孔 隙特征、排列特征以及联结特征等四个方面 郑智能等，2006 。颗粒特征是指 颗粒或颗粒集合体的大小、形状、表面特征以及定量的比例关系； 孔隙特征是 指孔隙的大小、形状、数量以及分布形态；排列特征是指颗粒在空间上的排列 分布状态；联结特征是指胶结物的特性、颗粒之间的联结能力以及颗粒与胶结 物之间的联结形式。因此土的结构性除应包含土的骨架特征 即土颗粒的大小、 形状和分布 和土中孔隙的特征 即孔隙的大小、多少和分布 等几何特征外，从 土力学的角度来考察土的结构性时，对于土的骨架来说，更应当考虑颗粒之间 的联结特征。如果将孔隙看作是反映颗粒排列的一个方面，那么土的结构性就 应该是土中颗粒的排列特征，几何特征和联结特征。它们是组成土结构性不可 缺少的方面 龚晓南等，2000 。 我国黏性土地区分布广泛。在我国沿海各地区，特别是在长江、黄河、海 河、钱塘江、甬江、闽江和珠江等入海口附近，作为建筑物与构筑物地基的土 层往往由软黏土 淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土 组成。这类土孔隙比大、含 水率高、多呈软可塑状态。一般认为，软黏土具有强度低、压缩性高和灵敏度 高等不利的工程性质，是这些地区高速发展的工程建设中需要特别重视的一类 软弱土层。这就必然要求土力学工作者对软黏土的工程力学形状有一个全面和 深入的认识。 近年来，原状软黏土的结构性及其对黏土力学性质影响的研究引起人们广 泛的关注。研究成果表明 塔萨奇等，1960 ，土体的宏观力学性质与其结构性 密不可分。从内因上来说，土体的初始结构性会导致其在各向异性、固结系数 和渗透系数方面的显著差异；从外因上来说，如应力作用过程、路径和水平、 第1章绪论 冻融循环等，可以改变土本身的结构、形成次生结构，使同种土在不同应力 状态下具有不同的力学性质。从工程实践应用角度来讲，一般有以下两个方面 的问题：一方面若仅基于重塑土样或扰动土样的室内试验结果，而未考虑土体 结构性，则会低估土体抵抗变形和破坏的能力，从而使设计偏于安全，造成经 济上的浪费；另一方面若仅认识到较低应力状态下天然软黏土呈现低压缩性的 特点而忽视了当应力水平超过屈服应力后压缩性迅速增大的现象或结构性土易 扰动的特点，则会高估软黏土抵抗变形的能力，带来工程安全隐患。因此，土 的结构性无论在理论研究还是实际应用上，都有着重要的意义。土结构性研究 的重要性在1925年由太沙基指出，沈珠江 1996 称之为“21世纪土力学的核 心”，谢定义 1999 认为“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”，不难看出土结构性在土力学学科发展中的重要地位。 12国内外研究现状 121土的结构性的研究思路 土的结构性与土体形成过程有关，也即与土颗粒性质、各种沉积力、土的 沉积环境及土颗粒表面力、以及沉积后各种地质营力的作用有关。国内外的一 些学者在该方面开展了大量研究工作，孙宏波等 2006 所研究方法基本上可 归纳为三种。其一是固体力学的研究方法，它试图从数学力学的观点出发建立 一种能够有效描述土的结构性在受力过程中变形和破坏的力学模型，并由此推 导和反映土的宏观力学行为。其二是自上个世纪20年代沿袭下来的微结构形态 学的研究方法，试图通过对土微观结构的研究进以建立土体微观结构模型，具 有逐步向微观土力学分支学科方向发展的趋势。虽然它立足于多年来众多的研 究成果、光电量测技术以及计算机图像技术的支持，但由于它在很大程度上将 微结构当成土的结构性的代名词，这致使其在全面描述土的结构性的几何特征 和联结特征上遇到了巨大的困难。加之各种测试技术的复杂性，势必对它的发 展造成了巨大的障碍。最后一种是土力学的研究方法，长期以来它受到了土力 学工作者的重视。但该方面的理论研究难度较大，工作进展相对缓慢，在描述 结构性软土的物理、力学性质方面取得了一定的初步成果。总体来讲，土的结 构性研究还处在初步发展的阶段。随着技术的发展，计算机模拟也可以成为该 2 第1章绪论 领域的重要的研究手段。 122结构性黏土的微 细 观结构研究 2 土体结构性进行研究，他所倡导的土体微观结构概念与思想是土体微观结构研 究的开端，也代表土体结构性研究的开始，他提出的“蜂窝状结构是黏性土 观结构的概念，他将在一定的上覆荷载作用下的黏粒悬液通过电解质作用形成 了卡片和书本结构 陈宗基，1959 。这些都是以单个颗粒的几何排列堆积为基 础，并用以解释沉积土结构的天然形成作用。 在前人的基础上，我国学者陈宗基在1957年提出了片状颗粒的接触形式， 并给出了相应的三维网络模型。 直到1963年，Van Olphen提出了“几何体”的结构模型，这开创了土的“团 单粒结构成功的发展到团粒结构。 李生林 1980 对广西宁明典型膨胀土进行偏光显微镜、扫描电镜研究，研究 表明，土中微层理、微裂隙以及片状水云母团聚体沿层理的定向排列，均可促 使土的强烈膨胀。 王永焱，滕志宏 1982 对不同地区的黄土进行了详细的扫描电镜研究，将黄 土的微结构分为三种结构组合，六个结构类型；并认为影响黄土湿陷性、透水 性和工程性质的主要因素是胶结物。 孔令伟等 2002 分别对琼州海峡、海gl海域及湛江海域结构强弱不同的两种 软土进行了系统地室内试验研究，从矿物组成、物理化学性质、胶结特性与孔 隙结构特征几方面分析了其特殊工程性质的微观机制，揭示了其影响爆炸挤淤 施工的机理，加深了对海洋软土基本性质的认识。 在土体结构性的研究中，仅仅根据微观结构形态特征定性地描述土体的工 程性质显然是不够的，有必要开展土体结构性的定量化研究。在对中国黄土的 微结构与湿陷性进行研究的基础上，高国瑞 1979 提出了黄土显微结构的十 二种类型。通过对结构性较强的湛江黏土的微观结构特性进行深入研究，谭罗 第1章绪论 荣 1981，1982 指出湛江黏土的组构单元是由许多单片堆叠成的片堆颗粒单 元、粒状碎屑物和少量单片黏土颗粒组成。充分应用计算机图像分析技术，吴 义祥从信息熵的角度对结构性黏土的结构排列状态作了定量分析。基于前人的 工作，胡瑞林 1995 详细的总结出了结构性黏土微观结构的主要特征，即： 1 颗粒排列特征； 2 孔隙性； 3 结构单元特征； 4 结构连接。通过对土体 的微观结构进行定量化研究，谢定义 1999 认为研究土的结构性最优的方法 是将土体的结构性进行破坏 加荷、扰动、浸水等 ，将其所蕴藏的结构势充分 的释放出来，再对其结构破坏的难易程度和破坏后的变形程度进行测定，进一 步寻求结构破坏特性及其大小与结构性演变之间的相互规律。此外，汤连生等 2006 打破传统土力学中以均质体理论研究非均质土的框架，尝试利用土的 结构熵将复杂多变的土的微观结构要素用能量状态一结构熵进行量化。在前人 的研究中可以看出，天然土体种类、矿物成分、沉积条件以及孔隙水的化学成 分等都会对土的结构性造成影响。 随着近几年光电量测技术和计算机图象处理技术的发展，土微、细观结构 研究及其量化研究所取得的进展是勿庸置疑的，但是这种微、细观结构研究与 工程实践尚有较大的距离，怎样使一些土结构性要素定量化并能应用于实际， 直是该研究领域尚未很好解决的问题。 123结构性黏土的试验及宏观力学特性研究现状 定量研究微结构变化的每个细节的难度是非常之大的，很多学者对于对其 可行性、必要性上提出疑问，沈珠江 1998 并认为只要把变形的微观机制搞 清楚了，建立宏观模型时充分考虑这些机制，最后结果自然同样可以符合实际， 主张宏、微观相结合的建模思想。 1 土结构性对压缩特性的影响 Mesri等 1975 对MexicoCity黏土，张诚厚 1983 对湛江黏土及上海黏土， 熊传祥、周建安 2002 对杭州地区淤泥质黏土，王立忠等 2004 对温州软土以及 结构性进行了研究。结果都表明：结构性强的原状黏土具有明显的结构屈服应 力，结构屈服应力大于上覆有效压力。进行压缩试验时，在低于屈服应力的范 围内，土的压缩性较小，在高于屈服压力后，土的压缩性增大，最后与重塑土 4 第1章绪论 的压缩曲线相同。结构屈服应力，即指原状土在受压缩过程中，以土骨架弹性 压缩为主的变形阶段基本结束，且土的组构和粒问联系开始出现破坏时所对应 的应力。 Burland 进展进行了总结。在压缩性研究方面，通过绘制黏性土的ICL Intrinsic compressionline 和SCL Sedimentationcompressionline 并对比之，来得到结构性 对黏性土压缩特性的影响。 针对上海软黏土，冯铭璋 1992 通过传统的压缩试验，运用软黏土结构 和强度理论，考虑到勘察技术限制等因素，结合工程勘察特点解释了软黏性土 Pl印曲线分为A，B，C三段的线型特征。 2 土结构性对应力一应变关系的影响 压力高于结构屈服应力时，应力应变关系呈“应变硬化型，当固结压力低于 结构屈服应力时，应力应变关系呈“应变软化型”，但对于某些结构性弱的土， 在剪切中由于排水引起密度增加而获得的强度大于结构破坏造成的损失时，其 应力应变关系仍呈“应变硬化型”。黏土结构性使其具有明显的初始屈服面， 在初始屈服面内，土体呈弹性；超过初始屈服面土体呈塑性。研究还表明：孔 隙水压力亦与结构屈服应力和固结压力有关 李作勤，1982；张诚厚，1983 ， 还认为：结构强度低的黏土，应力一应变关系呈双曲线型。 周成 2002 在实验室通过模拟天然黏土的结构性，得出了类似的结论。 在不排水条件下，结构性土的应力一应变曲线表现为应变软化的特点，特别是围 压较低时更明显，而重塑土则没有软化现象；在排水条件下，结构性土与重塑 土都表现为应变硬化。 究其原因，沈珠江 1993，1998 根据软化产生的机理把应力软化区分为 减压软化、剪胀软化和损伤软化三类。减压软化是由土的压硬性所决定的。当 剪切过程围压降低时，剪切曲线就会出现峰值和应变软化。剪胀软化是与剪切 过程中颗粒组构变化有关的一种软化，反映颗粒接触面状态的变化。损伤软化 是当颗粒之间存在胶结时，相互的滑动之前必须先发生胶结链的破坏。前两个 是与土体所处环境有关，而最后一个是由土体的性质所决定的，而且具有不可 逆性。在排水条件下，土体在损伤软化强度降低的同时由于压剪挤密作用使土 体强度有所增加。因此这时的应力应变关系就表现为软化和硬化机理共同作用 5 第l章绪论 的结果，当软化占主导地位时，土体的应力应变关系表现为软化型的应力应变 关系，反之则为硬化型的应力应变关系。 3 土结构性对强度包线的影响 沈珠江 1998 通过试验，结果表明，结构性的存在会使黏土的强度包线 表现为折线型。熊传祥、龚晓南等 2002 通过对杭州地区淤泥质黏土进行的结 构性试验研究表明：其强度包线的转折点发生在固结压力等于结构屈服压力点。 具有结构性的黏土在低围压时具有剪胀性，表现出超固结土的特性，在高围压 时表现出正常固结土的特性。 4 结构性土的孔隙压力特性 张诚厚 1983 研究认为，对结构性较弱的上海黏土，在较大的固结应力 范围内，在低应变阶段孔隙压力急剧增大，之后缓慢增大至稳定值；只是在固 结压力很低时，孔隙压力才会出现峰值；对结构性较强的湛江黏土，在固结应 力较低的条件下，孔隙压力会出现峰值，之后逐渐降低；固结应力较高时，孔 隙压力随应变增大而增大，逐渐趋近于稳定值。沈珠江 1998 详细地分析了 孔隙压力的产生原因和消散规律，并应用结点固化理论进行了解释。 5 土结构性对固结系数的影响 沈珠江 1998 同样提出结构性对固结系数也会形成一定影响，结构性黏 土在应力低于结构屈服应力时原状土的固结系数大于重塑土的固结系数，原状 土结构屈服后与重塑土的固结系数趋于一致。熊传祥、龚晓南等 2002 的研 究表明：结构性黏土在应力低于结构屈服应力时，固结系数基本为一常数，当 应力增加到结构屈服应力附近时，固结系数急剧降低，最后趋近于重塑土的固 结系数，重塑土的固结系数基本为一常数，与应力水平无关。 6 土结构性的各向异性和屈服特性 所谓各向异性是指材料在不同方向上的物理力学性质不同。由于土在沉积 过程中，长宽比大于1的针、片、棒状颗粒在重力作用下倾向于水平方向排列 而处于稳定的状态；另外，在随后的固结过程中，竖向的上覆土体重力产生的 竖向应力与水平土压力产生的水平应力大小是不等的，这种不等向固结也会产 生土的各向异性。土的各向异性主要表现为横向各向同性，亦即在水平面各个 方向的性质大体上是相同的，而竖向与横向性质不同。所以说，结构性软黏土 有较强的各向异性，这种各向异性是在其初始沉积时形成的，一直到结构的形 成仍然存在。 6 第1章绪论 对土的各向异性的研究早在1944年就开始了，Casagrande等提出黏性土强 度具有各向异性，并将各向异性分为固有各向异性 inherent anisotropy 和诱发 各向异性 induced anisotropy 。固有各向异性是指天然土层在沉积和固结过程 中，土颗粒及结构单元往往形成一定的排列方式，是材料固有的物理特性，与 应变无关，除了在土的微观层面具有固有各向异性外，土层的宏观变化也会导 致固有各向异性，固有各向异性大多呈现交叉各向异性的特点；诱发各向异性 是由于现场土层中水平方向与垂直方向的固结压力不等而引起的各向异性。这 两种各向异性对土性状的影响很难明确。 et a1 1958 根据重塑土提出的，并且经 软黏土的屈服，最先是由Roscoe and 服点的轨迹，亦即屈服面。主要通过加载排水条件下不同应力路径的三轴试验 或真三轴平面应变试验获得，根据研究目的的不同，在加载过程中，软黏土由 弹性超固结区域到塑性正常固结区域时刚度有显著的变化，此变化阶段就可称 and 为软黏土的屈服。LeroueilVaughan 1990 指出，天然土体由于结构性和各 向异性的影响，屈服面并不以静水压力轴对称。从目前国内外已经确定的数十 种天然软黏土的屈服面可以看出，这些屈服面的形状基本上相似。DfazRodriguez 三轴试验的研究，结合其他文献中描述的屈服面形状，指出对于有效内摩擦角 在175度和43度之间的屈服面是关于肠线对称的，这与重塑土模型屈服面关 始屈服面同样不同于重塑土的关于P轴对称的结论，而是关于一条相对于P轴 有一定倾角的直线近似对称。 124结构性黏土的力学模型 沈珠江 1996 指出，人们应该从传统的弹塑性模型转向结构性模型，新 一代的结构性模型应建立在对土体受力后细观结构改变的全面考察的基础上， 但不必拘泥于对土颗粒运动的定量分析，用下列图式来定义： 应力_结构改变_应变 总之，正确的研究方向应当是走宏观与微观相结合的道路，即首先弄清塑 7