抗剪强度差异性机制分析-滨海软土城市勘察技术

（1）密度对比分析

图3-28及表3-17为同一软土原状与重塑土样的密度室内试验成果及对比曲线。室内试验数据表明，对于同一饱和软土，原状和重塑土密度大小一致，基本不变，统计均值分别为1.75 g/cm3、1.76 g/cm3。

表3-17　试样密度试验取值单位：g/cm3

图3-28　不同状态下土样密度对比曲线

对于黏性土，其组成、密度结构及其应力状态是影响土体抗剪强度特性的主要因素。相关研究表明，同一饱和正常固结软土，存在着密度—有效应力—抗剪强度的唯一性关系，因此，对于试验采用的同一软土的原状和重塑土样，在组成、密度相同的条件下，结构和应力状态的不同是其抗剪强度特性存在差异的主要原因。

（2）饱和软土结构性分析

图3-29、3-30为引用BY2钻孔试样室内无侧限抗压试验呈现的两种典型破坏形式。

图3-29　原状土样无侧限抗压破坏形态（a型）

图3-30　重塑土样无侧限抗压破坏形态（b型）

室内无侧限抗压强度试验表明，原状土典型破坏状态见图3-29，呈现a型脆性破坏；重塑土典型破坏状态见图3-30，出现中部鼓出的b型塑性破坏。引用BY2钻孔部分饱和软土原状、重塑样无侧限抗压强度室内试验成果，其轴向应力应变关系曲线见图3-31，灵敏度取值见表3-18。

图3-31　无侧限抗压强度试验轴向应力与轴向应变关系曲线

表3-18　饱和软土灵敏度取值表

室内部分无侧限抗压试验成果图3-31及表3-18表明，饱和软土灵敏度2.0～4.1，均值3.1，为中度灵敏度饱和软土，结构性强。

综合分析原状、重塑饱和软土无侧限抗压强度应力应变关系及其灵敏度取值表明，宁波饱和软土具有较强的结构性，对于完全扰动后的重塑土，在原位应力状态下，结构破坏是导致其抗剪强度损失的重要原因。

（3）软土抗剪强度机理分析

土是一种碎散的颗粒材料，土颗粒矿物本身具有较大的强度，不易发生破坏。土颗粒之间的接触面相对软弱，容易发生相对滑移等。因此，土的强度主要由颗粒间的相互作用力决定，而不是由颗粒矿物的强度决定，最终决定土的破坏形式以剪切破坏为主，其强度主要表现为黏聚力和内摩擦角。

库伦总结了土的破坏现象和影响因素，提出土的抗剪强度公式即：

式中：τf——剪切破坏面上剪应力，即土的抗剪强度；

　　　σtanφ——摩擦强度，其大小正比于法向压力σ；

　　　φ——土的内摩擦角；(www.xing528.com)

　　　C——土的黏聚力。

C和φ是决定土的抗剪强度的两个指标，称为土的抗剪强度指标。

①黏聚力

细粒土的黏聚强度C取决于土粒间的各种物理化学作用力，包括库仑力（静电力）、范德华力、胶结作用力等。有关专家把黏聚力分为原始黏聚力和固化黏聚力。

原始黏聚力来源于颗粒间的静电力和范德华力。颗粒间距离越近，单位面积上土粒的接触点面积越大，则原始黏聚力越大。因此，同一种土，密度越大，原始黏聚力就越大。当颗粒间相互离开一定距离以后，原始黏聚力才完全丧失。

固化黏聚力取决于存在于颗粒之间的胶结物质的胶结作用，例如土中游离氯化物、铁盐和有机质等。固化黏聚力除了与胶结物质的强度有关外，还会随着时间的推移而强化。

②内摩擦角

细粒土的颗粒细微，颗粒表面存在吸附水膜，颗粒间可以在接触点处直接接触，也可以通过结合水膜间接接触。除了土颗粒相互移动和如图3-32咬合作用引起的摩擦强度外，接触点处的颗粒表面因为物理化学作用而产生的吸引力，对土的摩擦强度也有影响。

图3-32　土内剪切面颗粒运动示意图

（4）静置作用下重塑软土抗剪强度恢复机制分析

相关研究表明：天然状态下土体扰动后强度损失，静置后因触变引起的强度恢复的过程，是一种初始结构被破坏将其分散，颗粒间引力与斥力的相互作用的力场变化使结构趋向絮凝发展过程，是一种土体从稳定的颗粒排列、孔隙分布被打破变化非稳定结构，由于结构自适应调整向亚稳定结构转变的过程，这一过程需要颗粒的移位，水和离子的运动，存在时间依赖性，即土的触变性。然而，在扰动的同时，土颗粒间的胶结联结作用也同时遭到破坏，造成土颗粒接触点的结构强度丧失，而这一部分强度的丧失是不可恢复的，因此即使是长时间的静置，由于土体触变的影响，土的强度也无法恢复到天然状态下的强度水平。有分析表明，扰动土在静置500天后，由于触变恢复的强度仅占扰动损失强度的21.2%～23.5%。

饱和软土易于触变的实质是这类土的微观结构为不稳定的片架结构，含有大量结合水。黏性土的强度来源于土粒间的联结特征，即粒间电分子力产生的“原始黏聚力”和粒间胶结物产生的“固化黏聚力”。当土体被扰动时，这两类黏聚力被破坏或部分破坏，土体强度降低。但扰动部分的外力停止后，被破坏的原始黏聚力可随时间部分恢复，因而强度有所恢复。然而，固化黏聚力的破坏是无法在短时间内恢复的。因此，易于触变的土体，被扰动而降低强度仅能部分恢复。

（5）自重固结作用下重塑软土抗剪强度恢复机制分析

①强度损失机制分析

根据土体抗剪强度机理分析，细粒土的黏聚力取决于于土粒间的各种物理化学作用力，包括原始黏聚力和固化黏聚力等。其中原始黏聚力来源于颗粒间的静电力和范德华力，固化黏聚力来源于颗粒之间的胶结作用。对于重塑软土，室内密度试验表明其密度大小与原状土样相等，即表明单位面积上土粒的接触点面积基本一致，因此饱和软土重塑前后的原始黏聚力，即静电力和范德华力不会发生显著变化；但对于重塑土的固化黏聚力，由于饱和软土结构遭到完全扰动破坏，其颗粒之间的胶结结构完全遭到破坏，固化黏聚力基本完全丧失。

细粒土的内摩擦角除了相互移动和咬合作用引起的摩擦强度外，接触点处的颗粒表面由物理化学作用而产生的吸引力，对土的摩擦强度也有影响。对于重塑前后密度相同的软土，由土颗粒相互移动及咬合而引起的摩擦强度与原状土样基本保持一致，因此颗粒之间物理化学作用而产生的吸引力（即胶结作用、静电力和范德华力）是重塑软土抗剪强度变化的主要原因。

由室内试验成果得到RDY14原状土及重塑土（静置0小时）的快剪强度指标分别为19 kPa、3.8°和1.3 kPa、2.0°，重塑土强度指标近于0。根据上述分析，重塑土抗剪强度指标变化主要由胶结作用、静电力和范德华力等颗粒之间的物理化学作用引起。静置0小时，饱和软土完全扰动前后，由于密度不变，其库伦力、范德华力则不发生显著变化，由此，重塑土抗剪强度指标发生变化的根本原因是软土结构完全扰动破坏后，其胶结结构破坏，胶结作用的丧失是重塑土抗剪强度损失的内在本质原因，且胶结作用对饱和软土的抗剪强度起着决定作用。

②强度恢复机制分析

饱和软土完全扰动后，由于其结构的破坏，其应力历史由正常固结土变为欠固结软土，在上部自重固结荷重作用下得到逐步固结。随着孔隙水的排出，土体得到压密，土颗粒间距逐渐减小，同时颗粒间引力与斥力的相互作用立场逐步转化，进而随着固结度的增大，由土颗粒间相互咬合产生的内摩擦角和颗粒间库仑力、范德华力引起的原始黏聚力逐步恢复、加强，当沉降固结基本稳定时（2小时），其指标与原状土样基本一致，即达到初始抗剪强度水平；随着固结度的增大，重塑软土颗粒间距不断减小，当达到完全稳定后（＞4小时），由于固结变形不再发展，土颗粒间距达到最小值，原始黏聚力不再发生显著的变化，即重塑土黏聚力达到峰值，综合分析其值比原状土增长63%左右。

对于重塑软土的内摩擦角，由于颗粒表面存在吸附水膜，颗粒间可以在接触点处直接接触，也可以通过结合水膜间接接触，在剪切过程中，其值的大小主要受颗粒间的咬合作用控制。在重塑软土固结沉降稳定前期，由于土颗粒间距的逐步减小，土颗粒间的咬合作用逐步得到加强，内摩擦角增大；随着固结沉降达到稳定状态，土颗粒间距基本保持不变，但由于饱和软土土颗粒间自由水及结合水膜的存在（见图3-33），起到一定的润滑作用，在上部垂直固结荷重作用下，颗粒间的咬合结构形态逐步趋于更加平缓的方向移动，颗粒间的排列更加趋于稳定，由此导致颗粒间咬合作用减弱，最终表现出重塑土在固结稳定后（＞4小时），其内摩擦角减小的现象，综合分析其值比原状土降低56%左右。

图3-33　饱和软土颗粒接触特征示意图

图3-34　固结稳定前期、后期剪切面颗粒咬合形态示意图

由此分析可知：由于饱和软土的触变性，重塑土的胶结作用在短期内无法得到恢复，因此自重固结作用下重塑饱和软土的抗剪强度指标恢复过程，是由于固结沉降引起的孔隙水排水，土体得到压密，土颗粒间距逐步较小，进而引起颗粒间原始黏聚力和咬合作用产生的摩擦角逐步得到增大的过程；当土体固结沉降变形稳定，即颗粒间距达到最小值，则重塑土体黏聚力到达峰值，并基本保持不变；而在上部固结荷重作用下，饱和软土颗粒间自由水和弱结合水的存在及土颗粒的不可压缩性使颗粒之间的接触状态不断调整，在固结稳定之间，其颗粒间的不断调整，导致出现内摩擦角在固结前期先增大后有所减小的现象，但当固结稳定后其值保持稳定，总体比原状土样降低56%左右。