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摘要：土结构性对工程特性具有重要影响。通过内、外因对天津软土结构性的成因进行分析以及单向固结试验、直剪试验和常规三轴固结不排水试验,对天津地区典型淤泥质软土试验结果的分析,系统对其结构性引起的压缩特性、剪切特性、孔压特性以及强度特性进行研究,以分析结构性对天津软土工程特性的影响
关键词：天津地区淤泥质土结构性成因工程特性
0 引言
土结构性的概念最早由Terzaghi在1925年提出，它是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙大小、形状、排列及联结等综合特征，表征天然土所具有的结构强度特性。绝大多数天然土都有一定的结构性，但由于成因和所在环境不同,土的结构性存在较大的差异，因此各地区土的工程特性也不同。土结构性研究的重要性正越来越受到学者们的认同，其不仅对认识黏土特性和本构模型方面具有重要的理论意义，而且对指导工程勘察和工程
实践也具有实际应用价值。因此，沈珠江院士将它称为21世纪岩土工程学科发展的核心问题[1]。
本文在分析天津地区软黏土结构性的形成原因的基础上，结合室内土工试验方法，系统研究结构性对压缩特性、剪切特性、孔压特性以及强度特性影响的差异，并就天津软土本构模型研究方面提出一些应考虑的问题。
1 天津软土结构性成因
1.1 内因
软土结构性主要受土中矿物成分影响，黏土中不同的矿物成分及其含量都会影响黏土的结构性尤其是黏土中存在高岭石等膨胀性黏土矿物时，膨胀和收缩会导致土结构性的消失和减少，其他矿物成分也会影响其结构性。
土中水的性质和成分也会对土的结构性产生影响。对软土而言，由于黏土比表面积很大，土中液相对其性质影响也很大。液化通过物理和化学作用来改变土颗粒之间以及土中固、液相之间的相互作用从而改变其结构性[2]。
此外,土的沉积过程对土体的结构性形成有较大的影响。土在沉积过程中，若形成絮凝结构则可能形成结构性强的欠压密土；若形成散絮结构，则土体结构性不会太强。根据天津的地理位置，其处渤海之滨，海河穿城而过。软土主要为自第四纪中期开始，在多次海陆变迁历史中，受蓟运河、海河、古黄河及海洋水动力作用，堆积了较厚的由陆相到海陆交互相的松散沉积物。全新统为以海相淤泥质土为主的沉积层，成因有海积、冲海积、滨海沼泽相沉积。因此根据其微观结构可以判断：天津软土具有较强的结构性[3]。
1.2 外因
影响结构性的外因主要是荷载、时间以及外界温度、湿度和风化作用。荷载作用可使土体固结压缩、孔隙变小，同时也有利于土颗粒间的胶结，增强黏土的结构性。时间对结构性的影响效应可归结为次固结和颗粒化学胶结两种效应。次固结效应仅可使土体压密程度更高，使土颗粒间的相对位置更趋稳定，从而增强土的结构性。化学胶结效应则是土颗粒间产生附加的结构联结,粒间强度增高，从而土结构性也增强。外界温度、湿度及风化作用则主要对表层土的影响较明显。在天津平原地表广泛分布的淤泥质黏土因暴露氧化而生成的“硬壳层”，就是受温度、风化等作用形成。
2 结构性对工程特性的影响
本文试验中所采用土样均取自天津地铁交通枢纽站。采用土工试验的研究方法，对其进行一系列的室内试验。从考虑土体的结构性入手，分别对土体进行数组单向压缩试验、直剪试验、三轴试验，研究结构性土的变形特征、强度特征和孔压特征。
2.1 变形特征
选用编号1-8、1-9、1-14、1-20四层土体进行单向压缩试验，并分别在100、200、300kPa时回弹。由图1可看出，原状土的固结压缩曲线存在明显的拐点，压缩曲线初始段较平缓，当压力超过某屈服应力点时，出现陡降段,压缩性大大增加，曲线后段逐渐趋近重塑土的压缩曲线，近似直线段。在相同压力下，孔隙比随深度的增加而减小，压缩和回弹指数也符合这个规律，因此上层土体更易压缩变形。原状土的孔隙比大于重塑土，这是因为原状土具有结构强度，它是由土固体颗粒的特定排列以及相互接触处由于孔隙水中析出的沉淀物引起的胶结作用等产生的附加强度。原状土与重塑土压缩曲线所夹面积的大小反映了土结构性的强弱。当原状土被扰动后,结构强度降低,两条压缩曲线所夹的面积相应减小[8]。
天津软土的压缩特性与上海、深圳、湛江软粘土等淤泥质粘土压缩特性相似，仅结构强度大小不同。
2.2 强度特征
采用应力应变控制式三轴试验仪进行常规固结不排水试验，应力应变关系曲线如图2。
由上图可知：天津软土在小围压下，应力应变关系曲线表现出应变软化特性，随着围压增大，呈应变硬化型，且应力峰值随围压的增大而增大。张诚厚[4]对湛江软土和熊传祥[6]对杭州淤泥质黏土的试验表明了结构强度低的黏土的应力-应变关系呈双曲线型，不受围压影响。因此对比这类研究成果，天津软土应该属于结构性较强的一类。
2.3 孔压特征
试样在真空饱和器中抽真空饱和，饱和度大于98％。剪切过程中孔隙水压力与轴向应变的关系曲线如图3。由图可知：在剪切的初始阶段，孔隙水压力呈直线上升变化趋势，在变形超过2％以后，上升势头变缓，达到最大孔压力后缓慢回落，最后趋于稳定，和应变软化型土体的应力应变关系曲线图形相似。不同围压下孔隙水压力增长的速率相差不大，但孔压的最大值随围压的增大而增大，孔压回落的速率也与围压的大小有关。
3 结 论
1)由天津的地质演变过程和地理位置，从内、外两方面分析其结构性的形成原因。
2)通过天津淤泥质原状土样的室内土工试验，系统分析其压缩特性、强度特性和孔壓特性的差异，验证了结构性对该区软土工程特性具有较重要的影响，其作用不容忽视。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：天津地区淤泥质土结构性成因工程特性
0 引言
土结构性的概念最早由Terzaghi在1925年提出，它是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙大小、形状、排列及联结等综合特征，表征天然土所具有的结构强度特性。绝大多数天然土都有一定的结构性，但由于成因和所在环境不同,土的结构性存在较大的差异，因此各地区土的工程特性也不同。土结构性研究的重要性正越来越受到学者们的认同，其不仅对认识黏土特性和本构模型方面具有重要的理论意义，而且对指导工程勘察和工程
实践也具有实际应用价值。因此，沈珠江院士将它称为21世纪岩土工程学科发展的核心问题[1]。
本文在分析天津地区软黏土结构性的形成原因的基础上，结合室内土工试验方法，系统研究结构性对压缩特性、剪切特性、孔压特性以及强度特性影响的差异，并就天津软土本构模型研究方面提出一些应考虑的问题。
1 天津软土结构性成因
1.1 内因
软土结构性主要受土中矿物成分影响，黏土中不同的矿物成分及其含量都会影响黏土的结构性尤其是黏土中存在高岭石等膨胀性黏土矿物时，膨胀和收缩会导致土结构性的消失和减少，其他矿物成分也会影响其结构性。
土中水的性质和成分也会对土的结构性产生影响。对软土而言，由于黏土比表面积很大，土中液相对其性质影响也很大。液化通过物理和化学作用来改变土颗粒之间以及土中固、液相之间的相互作用从而改变其结构性[2]。
此外,土的沉积过程对土体的结构性形成有较大的影响。土在沉积过程中，若形成絮凝结构则可能形成结构性强的欠压密土；若形成散絮结构，则土体结构性不会太强。根据天津的地理位置，其处渤海之滨，海河穿城而过。软土主要为自第四纪中期开始，在多次海陆变迁历史中，受蓟运河、海河、古黄河及海洋水动力作用，堆积了较厚的由陆相到海陆交互相的松散沉积物。全新统为以海相淤泥质土为主的沉积层，成因有海积、冲海积、滨海沼泽相沉积。因此根据其微观结构可以判断：天津软土具有较强的结构性[3]。
1.2 外因
影响结构性的外因主要是荷载、时间以及外界温度、湿度和风化作用。荷载作用可使土体固结压缩、孔隙变小，同时也有利于土颗粒间的胶结，增强黏土的结构性。时间对结构性的影响效应可归结为次固结和颗粒化学胶结两种效应。次固结效应仅可使土体压密程度更高，使土颗粒间的相对位置更趋稳定，从而增强土的结构性。化学胶结效应则是土颗粒间产生附加的结构联结,粒间强度增高，从而土结构性也增强。外界温度、湿度及风化作用则主要对表层土的影响较明显。在天津平原地表广泛分布的淤泥质黏土因暴露氧化而生成的“硬壳层”，就是受温度、风化等作用形成。
2 结构性对工程特性的影响
本文试验中所采用土样均取自天津地铁交通枢纽站。采用土工试验的研究方法，对其进行一系列的室内试验。从考虑土体的结构性入手，分别对土体进行数组单向压缩试验、直剪试验、三轴试验，研究结构性土的变形特征、强度特征和孔压特征。
2.1 变形特征
选用编号1-8、1-9、1-14、1-20四层土体进行单向压缩试验，并分别在100、200、300kPa时回弹。由图1可看出，原状土的固结压缩曲线存在明显的拐点，压缩曲线初始段较平缓，当压力超过某屈服应力点时，出现陡降段,压缩性大大增加，曲线后段逐渐趋近重塑土的压缩曲线，近似直线段。在相同压力下，孔隙比随深度的增加而减小，压缩和回弹指数也符合这个规律，因此上层土体更易压缩变形。原状土的孔隙比大于重塑土，这是因为原状土具有结构强度，它是由土固体颗粒的特定排列以及相互接触处由于孔隙水中析出的沉淀物引起的胶结作用等产生的附加强度。原状土与重塑土压缩曲线所夹面积的大小反映了土结构性的强弱。当原状土被扰动后,结构强度降低,两条压缩曲线所夹的面积相应减小[8]。
天津软土的压缩特性与上海、深圳、湛江软粘土等淤泥质粘土压缩特性相似，仅结构强度大小不同。
2.2 强度特征
采用应力应变控制式三轴试验仪进行常规固结不排水试验，应力应变关系曲线如图2。
由上图可知：天津软土在小围压下，应力应变关系曲线表现出应变软化特性，随着围压增大，呈应变硬化型，且应力峰值随围压的增大而增大。张诚厚[4]对湛江软土和熊传祥[6]对杭州淤泥质黏土的试验表明了结构强度低的黏土的应力-应变关系呈双曲线型，不受围压影响。因此对比这类研究成果，天津软土应该属于结构性较强的一类。
2.3 孔压特征
试样在真空饱和器中抽真空饱和，饱和度大于98％。剪切过程中孔隙水压力与轴向应变的关系曲线如图3。由图可知：在剪切的初始阶段，孔隙水压力呈直线上升变化趋势，在变形超过2％以后，上升势头变缓，达到最大孔压力后缓慢回落，最后趋于稳定，和应变软化型土体的应力应变关系曲线图形相似。不同围压下孔隙水压力增长的速率相差不大，但孔压的最大值随围压的增大而增大，孔压回落的速率也与围压的大小有关。
3 结 论
1)由天津的地质演变过程和地理位置，从内、外两方面分析其结构性的形成原因。
2)通过天津淤泥质原状土样的室内土工试验，系统分析其压缩特性、强度特性和孔壓特性的差异，验证了结构性对该区软土工程特性具有较重要的影响，其作用不容忽视。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。