软土具有明显的流变特性,导致土体沉降变形、滑坡等严重的岩土地质灾害,对工程的稳定性和安全性构成极大的威胁。在静态荷载作用下测试了淤泥质软土的初始剪切力、塑性黏度等流变参数,并分析了黏粒含量、含水率等因素对流变参数的影响特性。采用理论分析微观结构显微技术,揭示了黏粒含量、含水率等对流变参数的影响作用机理。研究结论对分析软土流变参数影响特性、快速预测流变参数、加固处理软土地基、提高承载力和整体强度等具有理论和实际意义

胡华

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第 29卷增刊                                     岩    土    力    学                                Vol.29  Supp. 2008 年 11 月                                Rock and Soil Mechanics                                 Nov.  2008  收稿日期：2008-07-24 基金项目：国家自然科学基金资助（No.50678155）；福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划。 作者简介：胡华，男，1968 年生，博士，副教授，主要从事岩土工程、地质灾害防治等方向的教学与科研工作。E-mail: xmhuhua@xujc.com; xmhuhua @sina.com.cn 文章编号：1000－7598－(2008) 增－507－04   软土稳态流变参数多因素影响特性试验研究 胡  华 （厦门大学 土木工程系，厦门 361005）  摘  要：软土具有明显的流变特性，导致土体沉降变形、滑坡等严重的岩土地质灾害，对工程的稳定性和安全性构成极大的威胁。在静态荷载作用下测试了淤泥质软土的初始剪切力、塑性黏度等流变参数，并分析了黏粒含量、含水率等因素对流变参数的影响特性。采用理论分析微观结构显微技术，揭示了黏粒含量、含水率等对流变参数的影响作用机理。研究结论对分析软土流变参数影响特性、快速预测流变参数、加固处理软土地基、提高承载力和整体强度等具有理论和实际意义。 关  键  词：淤泥质软土；黏粒含量；含水率；流变参数；影响机理 中图分类号：TU 411.3          文献标识码：A   Experimental research on factors influencing characteristics of rheological parameters of soft soil  HU Hua (Department of Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)  Abstract: Soft soil has obvious rheological character and it will induce subsidence distortion, landslide etc. serious geotechnical and geologic disasters, and make severe threatening to stability and security of projects. The initializing shear stress and viscosity of sullage soft soil are tested under static load; and the influencing characteristics are analyzed, of which the percentage of clay and water affect the rheological parameters. The mechanism of which the percentage of clay and water affect the rheological parameters are opened out by using the theoretical analysis and technology of structure micrograph. The research results have theoretical and practical significance for us to analyse changing disciplinarian of rheological parameters, reinforce soft soil foundation, raise bearing capacity and whole strength of soft soil. Key words: sullage soft soil; percentage of clay; percentage of water; rheological parameters; influencing mechanism  1  引  言 软土广泛分布，是大部分工业与民用建筑、道路桥梁、水利设施、海防与堤防、港口码头等土木工程的地基[1−2]。厦门岛土地使用面积有限，因城  市建设发展需要，移山填海，形成了数十平方公里的人造场地，局部地段软黏土或淤泥厚达十多    米[3]。淤泥质软土具有明显的流变性质，在地震等外部动态载荷和工程自重作用下，由于流变引发地基变形、沉降滑动、抗剪强度降低等不良工程地质问题，甚至导致工程倾斜开裂、失稳倒塌等严重后果，对工程的稳定性和安全性构成极大的威胁。因此，研究黏粒含量、含水率等因素对其初始剪切  力、黏度的影响特性，掌握软土流变参数变化规  律，对快速预测流变参数、加固处理软土地基、提高承载力和整体强度等具有一定的现实意义。 2  流变参数影响特性测试 黏粒含量、含水率等是影响淤泥质软土流变参数的主要因素[4]，为使研究结果具有一定的适用范围和区域代表性，采用人工配制试样。根据现场调查和取样分析，将影响因素的变化设定在可能出  现的范围内，即含水率分别控制在 24 %，25 %，26 %，28 %和 30 %等，黏粒含量分别控制在 15 %，20 %，25 %，30 %和 35 %等。采用激光粒度分析仪测定样品固体组份中粉粒、黏粒的粒径级配，测                                            岩    土    力    学                                   2008 年 定结果见图 1 所示。流变参数测试方案和测试结果见表 1。           图 1  粉粒、黏粒的粒级组成与累计含量 Fig.1  The grade composing and cumulative content of silt and clay in mud soft soil  表 1  测试方案与测试结果 Table 1  The experiment scheme and testing results 序号 含水率 /% 黏粒含量 /% 初始剪切力 0τ  /Pa 黏度η /Pa⋅s 1 30 15 3.892 9 0.403 3 2 30 20 5.039 4 0.274 5 3 30 25 5.577 6 0.215 0 4 30 30 4.192 4 0.228 9 5 30 35 4.659 8 0.366 3 6 28 15 6.456 7 0.656 5 7 28 20 6.2223 0.616 9 8 28 25 7.735 9 0.330 7 9 28 30 8.107 0.513 0 10 28 35 10.521 0.689 6 11 26 15 11.901 0.901 2 12 26 20 8.1886 0.426 8 13 26 25 9.5995 0.306 0 14 26 30 9.3455 0.461 5 15 26 35 11.301 1.178 8 16 25 15 13.258 1.065 7 17 25 20 17.476 0.994 6 18 25 25 13.585 0.930 5 19 25 30 21.404 1.038 6 20 25 35 20.546 1.474 7 21 24 15 15.747 1.243 9 22 24 20 27.568 0.964 2 23 24 25 23.574 0.874 7 24 24 30 26.789 1.206 1 25 24 35 28.028 1.546 2 3  流变参数影响特性分析 3.1  黏粒含量对淤泥质软土流变参数的影响 3.1.1  黏粒含量对初始剪切力的影响特性 黏粒含量对初始剪切力的影响特性如图 2 所示。相同含水率条件下，随着黏粒含量增大，初始剪切力总体趋势升高，但升高较慢，幅度不大。这是由于黏粒的增多，主要影响是增大淤泥质软土的黏度，降低流变性，次要影响作用使得初始剪切力增大。      图 2  不同含水率条件下黏粒含量与初始 剪切力的对应曲线关系 Fig.2  The relation of the clay percentage composition and the initializing shear stress  黏粒含量为 20 %～25 %左右时，初始剪切力 稍有降低，不利于工程的安全和稳定性。这是由于含水率低，充填粗颗粒间隙所需的黏粒就多，流变性增大，此时淤泥质软土的颗粒级配不利于工程的安全和土体稳定。但黏粒含量超过 25 %时，絮凝作用加强，并明显影响软土的流变特性与流变参数，因此黏度升高较快，初始剪切力增幅较大，此时淤泥质软土的颗粒级配有利于提高土体的抗剪强度。 3.1.2  黏粒含量对黏度的影响特性 黏粒含量对黏度的影响特性如图 3 所示。相同含水率条件下，随着黏粒含量增大，黏度总体趋势先下降，后升高。黏粒含量在 25 %时，固体组分级配使得淤泥质软土的黏度最低；黏粒含量超过 30 %以后黏粒水化反应增强，絮凝网状结构明显，黏度升高较快，表明黏粒含量极少或极大的极端条件都可以提高软土的黏度，有利于软土的稳定性。       图 3  不同含水率条件下黏粒含量与黏度的曲线关系 Fig.3  The relation of the clay percentage composition and the viscosity  在相同黏粒含量条件下，含水率超过 26 %的高含水率范围内试样的黏度低于含水率 25 %以下范围内的试样的黏度。分析表明，高含水率降低了软土的黏度，也降低了承载能力和稳定性，不利于软土体的稳定和工程安全。 3.2  含水率对淤泥质软土流变参数的影响特性[5] 3.2.1  含水率对初始剪切力的影响特性 含水率对初始剪切力的影响特性见图 4 所示。0      100    200    300     400    500    600粒径 /µm 100806040200累计含量 /% 2824201612840粒径含量 /% 粉粒的粒级累计含量 粉粒的粒级组成与含量 黏粒的粒级累计含量黏粒的粒级组成含量3020100初始剪切力 /Pa 10    15      20      25      30      35     40粒径含量 /% 含水率 30 %含水率 28 %含水率 26 %含水率 25 %含水率 24 %2.01.51.00.50黏度 /Pa⋅s 10     15      20     25     30     35     40黏粒级含量 /% 含水率 30 %含水率 28 %含水率 26 %含水率 25 %含水率 24 %508增刊                        胡  华：软土稳态流变参数多因素影响特性试验研究                               相同黏粒级含量条件下，随着含水率的增加，初始剪切力降低。含水率在 24 %～26 %的范围内时初 始剪切力降幅较大，影响作用明显，但含水率超过26 %以后，初始剪切力降低减缓，降幅不大。分析表明，减少含水率更有利于增大软土的抗剪强度，从而提高土体的承载能力，增加工程的稳定性。        图 4  不同黏粒含量条件下含水率与初始剪切力的关系 Fig.4  The rate of water content and the initializing shear stress  3.2.2  含水率对黏度的影响特性 含水率对黏度的影响特性如图 5 所示。含水率对淤泥质软土的黏度的影响关系复杂，而且在不同黏粒含量条件下，曲线变化和影响特性不同。相同黏粒含量条件下，随着含水率增大，黏度变化总   体上呈下降的趋势，因为含水率高，淤泥质软土   中自由水多，固体组分中微颗粒之间润滑作用加 强，连接松散，更容易发生相对移动，因此，黏度降低，流变性增大，可见减少含水率有利于增大软土的抗剪强度，从而提高承载能力，增加工程的稳定性。        图 5  不同黏粒含量条件下含水率与黏度的关系 Fig.5  The relation of the rate of water content and the viscosity  在相同含水率条件下，黏粒含量为 15 %时的 黏度大于黏粒含量在 20 %～30 %时的黏度，因为 黏粒级配比例过低，淤泥质软土有少许的离析、分层沉淀现象，导致黏度增大。而后 3 种情况淤泥质软土均质性、稳定性良好，黏度较低。  4  黏粒含量对软土流变参数影响作用机理分析  黏粒、含水率对软土塑性黏度的影响可归结为对自由水的影响。黏粒在水化以后，束缚水（结合水）牢固地吸附在细颗粒的表面，失去了自由流动的能力，转化为固体的一部分，实际上增加了软土中固体的体积，减少了自由水体积。虽然束缚水膜很薄，但相对于细颗粒本身的体积来说较厚，而且黏粒数量极大，所以吸附水膜的体积相当可观[3]。因此，由于黏粒的过量加入使得自由水减少，颗粒之间的润滑作用减弱，使软土的黏度增大。 黏粒对软土初始剪切力的影响可归结为对絮凝作用的影响。黏粒含量越多，固体组分的颗粒越密集，颗粒之间结合紧密，其相互作用的机会越多，相互作用越强，同时絮凝作用明显，絮凝网状结构加强，并形成絮凝网状结构，增加了内聚力，可以抵抗一定大小的外力作用，使料浆变得更加浓稠胶黏，更难于流动。故初始剪切力越大。同时，絮凝团相互连接，把相当一部分自由水包围在絮团中间变成封闭水，与絮团一起运动，又减少了自由水体积，使得含黏性细颗粒软土的黏度比无黏性细颗粒软土的黏度增高。 相反，在相同含水率条件下，当黏粒含量减少时，自由水增多，颗粒之间的润滑作用加强，黏度减下，流动性变好。此外，颗粒分布稀疏，颗粒之间结合松散，其相互作用的机会减少，降低了内聚力。因此，一般情况下，黏粒含量减少，其黏度和初始剪切力会降低。但黏粒含量过低，则测试过程中软土稳定性差，易发生离析、分层和沉淀现象，此时试样上部的黏度和初始剪切力较低，而下面沉淀部分的黏度和初始剪切力增大。 其他条件相同情况下，含水率减少时软土中自由水减少，黏度增大，流动性变差。此外，颗粒靠得更近，颗粒之间结合更紧密，其相互作用的机会更多，增加摩擦力，并形成絮网结构，因此，其塑性黏度和初始剪切力增大。相反，含水率增大时，自由水增加，颗粒之间的润滑作用加强，料浆黏度减小，流动性变好。此外，含水率增大时，颗粒间距增加，颗粒分布稀疏，颗粒之间结合松散，其相互作用的机会更少，减少了内聚力，使软土流变特性更加明显，更易于流动。因此，软土含水率越   高，其塑性黏度和初始剪切力越小。但含水率过高时，则稳定性差，易发生离析、分层和沉淀现象，此时料浆上部的黏度和初始剪切力较低，而沉淀部分的黏度和初始剪切力增大。 5  结  论 （1）淤泥质软土具有明显的流变性质，其中黏3020100初始剪切力 /Pa 24       25       26       28       30含水率 /% 黏粒含量 15 %黏粒含量 20 %黏粒含量 25 %黏粒含量 30 %黏粒含量 35 %2.0 1.5 1.0 0.5 0 黏度 /Pa⋅s 24      25       26       28       30 含水率 /% 黏粒含量 15 %黏粒含量 20 %黏粒含量 25 %黏粒含量 30 %黏粒含量 35 %509                                            岩    土    力    学                                   2008 年 粒含量、含水率等是影响其流变特性与流变参数的重要因素。研究淤泥质软土流变参数影响特性和变化规律，对认识软土流变特性、加固软土地基、改善软土的稳定性、提高承载力，防止因变形和沉降过大导致岩土工程、土木建（构）筑工程出现变形开裂、倾斜倒塌等工程事故具有重要的理论意义和现实意义。 （2）在相同含水率条件下，随着黏粒含量增  大，初始剪切力总体趋势升高，但升高较慢，幅度不大。这是由于黏粒增多，主要影响是增大黏度，降低流动性。黏粒含量为 20 %～25 %左右时，初  始剪切力稍有降低，这是因为良好的级配所致。但细粒级含量超过 25 %时，絮凝作用加强，初始剪切力增大。 （3）黏粒含量为 20 %～25 %范围内时，具有良好的颗粒级配，黏粒的作用使得淤泥质软土均质，容易变形，并产生明显的流动变特性，因此测试塑性黏度较低。黏粒含量超过 25 %以后，絮凝作用明显，并开始影响淤泥质软土的流变特性与流变参 数，因此测试塑性黏度升高较快。 （4）黏粒含量对软土流变参数的影响可归结为对自由水和絮凝作用的影响。黏粒水化以后，实际上增加了浆体中固体的体积，减少了自由水体积，黏度增大，流变性变差。黏粒达到一定含量时，颗粒靠得越近，颗粒之间结合紧密，其相互作用的机会越多，增加摩擦力，絮凝作用加强，形成具有一定刚度的絮网结构，增大了初始剪切力。另外，黏粒增加到一定比例时，絮凝作用把一部分自由水包围在絮团中间变成封闭水，又减少了自由水体积。 （5）含水率对流变参数的影响机理可归结为对自由水以及颗粒间的絮凝作用的影响。随着含水率增加，软土中自由水增加，黏度减小，流动性增   强；同时微粒间距增大，颗粒之间结合更松散，其相互作用减弱，初始剪切力随之降低。 参 考 文 献 [1] 陈希哲. 土力学地基基础[M]. 北京：清华大学出版社，2003. [2] 李中林，李子生. 工程地质学[M]. 广州：华南理工大学出版社，2003. [3] 胡华. 淤泥质软土动态流变特性与流变参数研究[J]. 岩土力学，2008, 29(3): 696－700. [4] 胡华. 黏粒含量对淤泥质软土流变参数的影响及其机理分析[J]. 岩土工程界，2005, (11): 34－36. [5] 胡华. 含水率对软土流变参数影响特性及其机理分析[J]. 岩土工程技术，2005, (3): 134－136.  510 

软土稳态流变参数多因素影响特性试验研究

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