Question

软土工程特性研究现状

Answer 1

1.2.1.1 软土的定义及分布

各专业技术部门对软土的定义都不尽相同，国内外也均无统一的结论。有的定义软土是一种简称，主要由细粒土组成。有的定义软土一般是含水量、孔隙比大，抗剪强度、渗透系数低，且压缩性、灵敏度高的黏性土的统称。还有的将软土泛指近代沉积的剪切强度低，压缩性大的软弱土层，主要为饱和软黏土，在天然地层剖面上，它往往与泥炭或粉砂交错沉积。还有的定义软土一般是静水或缓慢水流中以细颗粒为主的近代沉积物，即流速减缓与温度变化使微细粒径的黏土矿物和有机质在悬浮液溶解力与黏滞性降低的条件下，逐渐停积的饱和软弱黏性土。还有的定义软土是指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状态的黏性土，如淤泥、淤泥质土以及其他高压缩性饱和黏性土、粉土等^[2]。

上述软土的各种定义与工程类型和拟解决的工程问题息息相关，软土的软硬都是相对的概念，其软硬不但对土质，而且对工程而言也是相对的。软土的软硬应与土质、工程性质两者相关。国内外各行业对软土的鉴别是依软土的若干特征指标划分的，采用的具体指标各不相同，见表1.1。

表1.1 我国各行业软土划分特征指标一览表

纵观以上各行业规范对软土的诠释，虽然略有差异，但是均将天然孔隙比和天然含水量作为鉴别软土的特征指标。

我国软土分布十分广泛，尤其主要分布在我国沿海以及内地河流两岸和湖泊地区，例如：天津、连云港、上海、杭州、宁波、台州、温州、福州、厦门、湛江、广州、深圳、珠海等沿海地区，以及昆明、武汉、南京、马鞍山等内陆地区。软土成因类型复杂，有滨海相软土、溺谷相软土、潟湖相软土、三角洲相软土、河漫滩相软土、牛轭湖相软土、谷地相软土、湖相软土和沼泽相软土等。在实际工程中经常会遇到软土、软土地基以及由此引起的一系列工程地质问题，这主要是由于软土的工程特性所决定的。一般情况下，软土地基的承载力不能满足设计要求，故需要进行加固处理，不同成因、不同物质组成的软土，其表现出来的工程特性也不相同，从而选取的地基处理方案也不同，因此，对软土工程特性的认识显得尤为重要。土作为人类作用于地球的主要客体，具有极其复杂的工程地质性质，主要包括物理性质、水理性质和力学性质等^[10]。

1.2.1.2 软土的工程特性

人类在土基上建造房屋和挡土建筑物，以及用土作为工程材料来建造堤和坝，已经有悠久的历史。然而，土力学成为一门技术科学，却只有80多年的历史。在太沙基（K.Terzaghi）于1925年出版了著名的《土力学》一书的前后，也曾有不少学者对土工问题的研究做出过重大贡献，许多经典的土力学理论一直沿用至今，并且仍然是现今土力学中的重要内容。但是，人们却认为太沙基是土力学的奠基人，因为他是第一个重视土的工程性质和试验的人^[11]。土的种类繁多，而且任何一种土的工程性质又随它的存在状态和外界条件有很大的变化，因此土的工程性质十分复杂。

总结若干国家和地区的软土资料，其物理力学参数的范围值见表1.2^[12]。

表1.2 国外若干地区的软土指标统计^[12]

和国外相比，我国软土理论的研究也已有近20年的历史，水利、铁道、交通、建筑、港口等行业均涉及软土与软土工程问题，对软土的基本工程性质进行了大量的试验与积累，对我国软土的分布及其物理力学性质有了基本了解。在渤海湾及天津塘沽、长江三角洲、浙江、珠江三角洲以及福建省的沿海地区都存在海相或湖相沉积的软土。此外，贵州省、云南省的某些地区还存在山地型的软土。表1.3是全国各地软土的物理力学性质指标统计^[2]。

表1.3 全国各地软土物理力学性质指标统计^[2]

续表

软土在我国沿海一带分布很广，以东南沿海软土分布区为例，从北至南有天津塘沽、连云港、上海、宁波、温州、福州、珠海、深圳等地。沿海地区典型的软土主要有四类，即淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土和淤泥混砂，表1.4为这些软土的工程性质变化范围^[13]。

表1.4 我国沿海地区分布的四种典型软土的工程性质^[13]

由表1.4可见，沿海地区软土的主要物理力学性质可以概括如下：

·天然含水量高 软土的含水量一般在35%～90%之间，其值一般也大于液限，说明这些软土的孔隙中基本充满了水，土体处于流动或流塑状态。

·孔隙比大、压缩性高 软土的孔隙比在1.0～1.3之间，部分软土的孔隙比还大于1.5。对应的压缩系数在0.7～2.3MPa^-1之间，属于高压缩性土，这类软土受到荷载作用后必将产生很大的沉降。

·渗透性小 软土的渗透系数在10^-6～10^-8cm/s之间，颗粒成分主要以黏粒、粉粒为主，矿物成分以亲水的活动性矿物为主，渗透性很小。所以，该类土层在荷载作用下固结沉降过程非常缓慢。

·强度低 软土的不排水强度在5～30kPa之间，软土强度低是导致软土地基承载力不足和失稳的主要原因。

为了系统阐述软土的特性及内部机理，我国著名学者高国瑞教授以电化学、胶体化学理论为基础，系统研究了软土的物质成分及微观结构^[14]。与此相对应，沈珠江院士则从宏观的角度，对软土的特性尤其是强度特性进行了系统研究，他的研究成果开创了软土工程的新局面，并提出了21世纪应建成以结构性模型为核心，以非饱和土固结理论、液化破坏理论和渐进破坏理论为主要内容的现代土力学的构想^[15～17]。

对于软土的基本工程特性，国内外学者进行了大量的研究工作。Osipov^[18]对软土微观结构及其触变变化进行了研究。孙更生等^[19]通过对上海软土的研究，得到了其物理力学性质指标的统计关系。沈珠江^[16]研究认为，天然软土具有高孔隙比、强透水性、陡降形压缩曲线、折线形强度包线等特性。徐泽中^[20]、梁涛等^[21]分别对沪宁高速公路软土、珠江三角洲地区高速公路软土的工程性质进行了研究。王清等^[22]对我国沿海地区广泛分布的欠固结软土及其工程地质和岩土工程问题的研究现状进行了总结和介绍。雷华阳^[23]、梁国钱^[24]、孔令伟^[25][26]、祝卫东^[27]、陈晓平^[28]、师旭超^[29]、章定文等^[30]分别对天津地区海积软土、浙江沿海地区软土、琼州海峡海域软土、浙江东南沿海、温州和台州两地海岸线附近软土、珠江三角洲区域软土、广西钦州港海相淤泥、连云港软土的土性参数指标和工程性质进行了详细的分析研究。Takaharu Shogaki et al.^[31～33]对韩国釜山新港全新统黏土的沉积环境、微观结构、物理力学性质、固结特性等进行了试验研究，并对其参数的变化规律进行了统计分析。УСюэтин^[34]对莫斯科河河漫滩沉积的黏土的颗粒成分、矿物组成、物理化学性质进行了研究。Tamotsu Matsui et al.^[35]详细研究了日本大阪海湾厚层软土的钻孔资料，总结了软土的工程特性。周翠英等^[36]对珠江三角洲海相沉积软土的分布范围进行了探讨和分区，并对具有代表性的软土微观结构特征进行了分析研究。J.Xia et al.^[37]对南京西部长江下游全新世洪泛区软土的工程特性、微观结构以及这些特性随软土深度和荷载的变化规律进行了研究。Hossam et al.^[38]对曼谷饱和软黏土的导热系数进行了室内及现场测试，得出黏土导热性随着土密度的增加而增加的结论，同时探讨了不同试验方法下测试结果的可靠性，为利用热处理技术提高软土固结过程提供了依据。近年来，我国软土研究涉及的区域越来越广，涉及的方面也越来越多。研究区域涉及天津^[39]、河北省黄骅港^[40]、洞庭湖^[41]、太湖^[42]、深圳^[43]、广州^[44]、珠海^[45]、珠江三角洲^[46][47]、青岛^[48]、温州^[49]、宁波^[50]等地，研究方面涉及软土的颗粒级配、矿物成分、微观结构、物理力学性质、应力历史、蠕变特性等诸多方面，取得了不少有价值的研究成果。

越来越多的试验研究与工程实践表明，天然软土的结构性普遍存在且对其工程特性有重要影响。土的结构性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^[51][52]。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土的力学性状^[49]。

早在1925年，Terzaghi^[53]就指出了土结构性研究的重要性，首次提出了土的微观结构的概念，并定义了蜂窝结构。接着，Casagranda^[54]、Lambe^[55][56]、Aylmore^[57]、Van Olphen^[58]、Side and Barden^[59]、Mitchell^[60]、高国瑞^[61]、Leroueil^[62]等学者纷纷提出了不同的土颗粒或集合体的结构形式。近年来，软土结构性的研究引起了国内外学者的广泛关注，对软土结构性的研究不仅仅停留在其微观结构的分析上，其研究领域涉及结构性土体的工程特性、本构模型等各个方面。沈珠江^[63]将土结构性研究称为21世纪土力学的核心问题。谢定义等^[64]研究认为，土结构性是决定土的力学特性的根本内在因素。由此可见，软土结构性研究已经成为今后软土理论研究的发展趋势，同时，软土结构性的研究离不开室内试验和原位测试获得的参数，那么，试验技术和测试方法的研究将是软土学科发展的前提和基础，也是今后发展的方向。不少学者进行了软土结构性的相关研究，得出了有意义的结论^[65～71]。

1.2.1.3 土工参数的可靠性研究

可靠性理论在土木工程的结构方面的应用是开始得比较早的一个领域。早在1947年，苏联的А.Р.Ржаницын^[72]就提出了用一次二阶矩理论的方法来估计结构的失效概率。美国的A.M.Freudenthal^[73]在1954年开创了美国结构安全度的研究工作。之后，美国的C.A.Cornell^[74]、A.H.Ang^[75]发展了工程技术中应用的概率概念和方法。岩土工程是可靠性理论应用的一个重要领域，A.Casagrande^[76]提出了土工和基础工程中计算风险的问题。接着，大量学者从事了岩土工程可靠性方面的研究，其中有影响的开拓者有 P.D.Lumb^[77]、E.H.Vanmarcke^[78][79]、O.G.Ingles^[80]。我国在20世纪70年代末才开展土力学中的可靠性研究，目前研究方面涉及岩土参数统计规律^[81]、岩土参数概率模型、渗透问题、固结沉降概率分析^[82]～[84]、地基承载力概率分析、稳定性概率分析^[85]等。比如：张征等^[87]将岩土参数视为具有随机性与结构性特征的区域化变量，给出了岩土参数空间结构性的数学模型。孟庆山等^[88]利用概率分布模型对广西某饱和软黏土的土工参数进行统计分析，为工程计算中土工参数的选取提供了可靠的依据。李小勇^[89]研究表明，通过试验数据的可靠性检验、概率模型的拟合优度检验，可以实现土工参数概率分布在统计意义上的优化。谢康和等^[90]研究了固结系数的空间概率特性及其对固结度的影响。宫凤强等^[91]提出推断小样本岩土力学参数概率密度函数的正态信息扩散法，并采用精度较高的K-S检验法，从理论上证明所求密度函数的正确性。此外，王宇辉^[92]、吴长富^[93]、徐雷云^[94]分别对太原地区粉土、杭州地区、华东地区的土性参数进行了概率统计分析。

岩土是在漫长的地质年代里形成的，经历着各种变化的过程，因此，岩土的工程性状表现出很大的变异性。岩土工程常常在许多不确定性条件下进行设计，而传统的设计方法采用“确定性”途径，这可能与实际的反应相差甚远，许多原型观测结果和事故分析都说明了这一点^[86]。

由于岩土工程中预测的不可靠性，预测者经常需要用实际观察到的资料来修正自己的估计。Peck^[95]总结了岩土工程中贯穿于勘察、设计、施工全过程的系统研究方法，称为观察法。而反分析法是观察法的提高，在工程计算中得到了广泛的应用^[96]。

邓永锋^[97]根据Asaoka法对成层土的固结系数进行了反演。夏彩虹^[98]利用双曲线配合法对哈尔滨环城高速公路的实测资料进行分析，反算土层的固结系数和渗透系数，反分析计算结果明显高于室内试验值。彭劼等^[99]利用复合型法，根据温州乐清湾璇门港工程实测沉降资料对计算参数进行了反分析，将反分析得到的参数应用于有限元法的计算。结果表明，反分析能较好地估计本构模型参数。梁杏等^[100]利用深港西部通道口岸场坪实测沉降量反算了土层的压缩性指标，反算的压缩指数大于室内试验值，反求的压缩模量小于试验值，这与实测沉降量大于理论预测沉降量是比较吻合的。彭涛^[101]采用门田法结合深圳西部通道实测沉降资料对各级加载过程中的固结系数进行了反演分析。周健等^[102]以某深水港区地基工后短期沉降监测结果为基础，对土层固结系数进行了反演分析，并将反演得到的固结系数计算出的工后短期沉降与工后实测短期沉降进行了对比，结果表明反演得到的固结系数是可靠的。