蠕变条件下软土微观孔隙变化特性_张先伟
第31卷第4期 岩 土 力 学 V ol.31 No.4 2010年4月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2010
收稿日期：2008-12-24
基金项目：国家自然科学基金项目(No. 40572153)。
第一作者简介：张先伟，男，1982年生，博士研究生，主要从事岩土工程、地质灾害评估与治理的研究。E-mail: zhangxianwei414@https://www.sodocs.net/doc/f115280856.html,
文章编号：1000－7598 (2010) 04－1061－07
蠕变条件下软土微观孔隙变化特性
张先伟，王常明，李军霞，马栋和，陈多才
（吉林大学 建设工程学院，长春 130026 ）
摘 要：研究软土蠕变过程的微结构变化可深入了解蠕变特性的内在机制。在对漳州软土进行多种蠕变试验的基础上，利用微观定量化技术，对比原状软土与蠕变条件下土样的微观孔隙，从微观角度对蠕变机制进行了解释。研究表明，土样产生蠕变变形后，孔隙大小变化遵循孔隙均匀化原理；孔隙的复杂度与定向性降低；孔隙形状趋向扁圆形发展。发现不同的蠕变试验方法下，孔隙的微结构参数对蠕变变形的敏感度是不一样的，建议针对不同的蠕变试验方法，宜采用不同的微观参数来进行微结构特征的描述。揭示了土体不同蠕变表现，实际上都是土内部结构不断改变自我调整再造的过程。通过对软土蠕变特性的本质因素的研究，可以解释宏观工程现象，为合理的蠕变本构关系提供了依据，以指导工程实践。 关 键 词：软土；微观结构；孔隙；蠕变试验 中图分类号：TU 43 文献标识码：A
Variation characteristics of soft clay micropore in creep condition
ZHANG Xian-wei, WANG Chang-ming, LI Jun-xia, MA Dong-he, CHEN Duo-cai
(College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China)
Abstract: Through researching variation of soft clay microstructure in creep condition, we can deeply understand internal mechanism of creep characteristics. According to the micro quantitative technology and different creep tests of soft clay in Zhangzhou area, comparison between micropores of intact soil sample and soil sample in the creep condition is made for purpose of explaining creep mechanism from microcosm. Research shows that micropore size change follows theory of homogeneity, complexity and directionality decrease; pore figure trends oblate after soil occur screep deformation. Parameters of micropore have different sensitivities of creep deformation in different creep tests. It is suggested that the different micro parameters should be adopted in different creep tests for description of microstructure characteristics. Research reveals soft clay creep phenomenon is caused by soil internal structure change constantly and self-adjustment and reconstruction. Through studying the fundamental factors of soft clay creep characteristics, it is possible to interpret macroscopic phenomenon and provide evidence for reasonable constitutive relation for giving important suggestions to engineering design. Key words: soft clay; microstructure;micropore; creep test
1 引 言
软土特殊的蠕变特性与颗粒组合形成的结构密不可分，软土结构的形成和改变又取决于颗粒之间和颗粒与孔隙流体之间各种作用力的相互影响。沈珠江指出，21世纪土力学的核心问题是建立土的结构性数学模型，方法是走宏观和微观相结合的道路[1]
。谢定义认为，微观结构分析试验与宏观力学特性试验的结合，将在创立岩土结构性指标和结构性模型方面做出有力的贡献[2]
。因此，研究软土蠕变过程
的微观结构效应，不仅可以解释宏观工程现象，还可以掌握软土蠕变特性的本质因素，进而获取表述合理的蠕变本构关系。
许多学者在很久以前就开始研究软土的微观结构与其宏观力学性质的关系，在土固结过程中的结构变化方面已经取得一定的研究成果[3
－4]
，但在如
何定量描述软土发生蠕变后微观结构的变化特征，揭示其蠕变机制方面研究并不多。目前国内相关的研究主要有：王常明通过海积软土宏观力学与微观结构之间定量关系，利用结构因子建立外荷作用下
DOI:10.16285/j.rsm.2010.04.031
岩土力学 2010年
结构演化模式[5]；张敏江利用营口软土微观结构单元体的概率熵和分维值，建立了软土的固结蠕变本构模型[6]；滕军林对福州软土进行原状土与重塑土蠕变对比试验，认为蠕变就是土体内部的结构硬化和软化相互转化的过程[7]；何开胜从大变形角度出发，定量研究结构性软土颗粒骨架的蠕变变形机理[8]等。
土体在受力条件下产生的变形是结构连结、颗粒和孔隙等要素变形的综合结果，孔隙的变化是结构要发生变形的重要体现，孔隙变形的产生与颗粒的变形和结构连结的变形密切相关。本文对漳州地区代表性软土进行多种蠕变试验研究，利用微观定量化技术，对比原状软土与蠕变试验后土样的孔隙变化特征，探讨了软土蠕变的微观机制。
2 试样基本性质及蠕变试验
2.1 土样基本性质
试验土样为漳州市九龙江出海口南岸深12～20 m，属于第四系全新世深灰色海陆交互相软土，其物理力学性质、颗粒大小分布见表1与表2。根据地矿部土工试验规程（DT-92）对土样定名为粉质重亚黏土[9]，属于淤泥质黏土范畴，土样主要表现为高含水率，含水率大于液限，大孔隙比，强度指标低，高压缩性，具有高饱和度。
从表2可知，漳州地区软土土颗粒组成主要为黏粒和粉粒，黏粒含量达到40%。由于土颗粒是否絮凝成集合体形态，主要取决于黏粒（粒径<0.005 mm）与胶粒（粒径<0.002 mm）的含量。从分析测定结果可以看出，黏粒在天然土中的存在形式，相对于加入分散剂的试样，黏粒和胶粒含量在集合体成分所占的比例较少，而粉粒含量相对增高，说明该粒组中土颗粒呈絮凝状态存在。由分散系数（集合体与分散颗粒的胶粒含量比）分析，当μ>1时土粒呈分散状；当μ<0.4时成絮凝状，也可以得到相同结论。此外，试验过程中配置的1:10土水悬液搅拌24 h之后变絮凝成透明状，由悬液的稳定性也可以验证漳州软土土颗粒成絮凝状存在。
软土的蠕变特性、微观结构是与其物质组成与物理化学性质密切相关的。漳州地区软土原生矿物含量约为60%，次生矿物含量约为40%。由于土中黏粒含量较高，而黏粒表面一般带电，具有较强吸附能力，颗粒表面会聚集大量结合水，结合水随黏土矿物含量增多而增多，通过吸附水膜互相接触的颗粒也增多，这使漳州软土的蠕变性质更加明显。
表1 软土的基本物理力学性质指标平均值
Table 1 Physico-mechanical parameters of soft clay
天然密度含水率干密度孔隙比液限塑限液性指数塑性指数压缩系数渗透系数黏聚力摩擦角
ρ/(g/cm3)w/% ρd/(g/cm3) e W L W L I L I p/%a1-2/MPa-1K/(cm/s)C/kPa φ/(°)
1.54 69.7 0.92 1.91 67 35 1.06 35.8 1.37 8×10-7 8 10
表2 软土的集合体成分、颗粒成分与分散系数
Table 2 Grain size distributions and dispersion coefficients of soft clay
集合体成分/% 颗粒成分/% 分散系数
<0.001 mm 0.001～
0.005mm
0.005～
0.01mm
0.01～
0.05mm
0.05～
0.075mm
>0.075
mm
<0.002
mm
<0.01
mm
0.001～
0.005mm
0.005～
0.01mm
0.01～
0.05mm
0.05～
0.075mm
>0.075
mm
<0.002
mm
μ
13.01 15.5 19.25 40.01 6.33 5.514.124.59 18.83 12.8 32.46 6.33 5.44 36.50.38 7.76 12.6 28.37 40.86 8.61 1.88.3417.66 29.56 16.83 30.54 4.21 1.2 22.030.37
2.2 试验方法
蠕变试验方案如下：
（1）采用杠杆式高压固结仪进行单向压缩蠕变试验，土样面积32.2 cm2，高2 cm。采用逐级加荷至蠕变试验完成（试样在1 d内变形量小于0.01 mm 时，施加下一级荷载），将土样取出，切开土样进行取样观测。
（2）采用应变控制式三轴剪力仪进行各向等压蠕变试验，土样面积为12 cm2，高为8 cm。所谓各向等压即
13
/1
σσ
??=，在不排水时施加每一级荷载，等孔压不发生变化时排水，直到在这一级荷载作用下孔压消散接近0为止（实际情况下，一般孔压不会完全消散到0），数据记录时间视孔压的变化幅度而定，然后施加下一级荷载。试验完毕后取出土样，切开土样进行取样观测。
（3）采用应变控制式直剪仪进行剪切蠕变试验，土样面积为32.2 cm2，高为2 cm，在竖向固结压力下固结完成，施加水平剪力，当1 d内水平位移小于
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第4期张先伟等：蠕变条件下软土微观孔隙变化特征
0.01 mm时施加下一级荷载。剪切破坏后取样切开对剪切面附近的垂直面进行观测。
（4）采用改装后应变控制式三轴剪力仪进行三轴固结不排水蠕变试验（简称三轴蠕变试验），土样面积为12 cm2，高为8 cm。在不同围压下固结完成，然后施加剪应力，当1 d内竖向位移小于0.01 mm 时施加下一级荷载，剪切破坏后取样，切开土样进行观测。
微观结构试验方案如下：
软土在蠕变过程中其微结构形态将发生调整再造，而人们对这种结构调整再造规律至今并不十分清楚，本文就是针对这一问题展开研究的。为了能使测得的微观结构结果能真实反映软土的结构形貌，试验采用冷冻真空升华干燥法进行样品制备。样品制备方法是事先将土样切成 1 cm3左右的土块，将其在液氮（沸点－196 ℃）中快速冷冻1 h，使土中液体成为不具膨胀性的非结晶态冰，然后在－50 ℃状态下用冷干机抽真空24 h以上，使土中非结晶的冰升华，通过蒸汽抽走，从而达到土样既干燥又不变形的目的[10]。利用电子显微镜（SEM）对土样的微观结构进行研究，对试样采用统一的放大倍数（2 000倍），以得到同样条件下的统计微结构参数，最后对SEM照片进行数字图像处理，获得微观孔隙的微结构参数。
3 孔隙定量参数的选定及确定方法
对不同蠕变条件下软土的SEM图像进行处理可以得到众多反映软土微结构及其变化的结构参数，这些结构参数从不同方面反映了软土在蠕变过程中孔隙的大小形态特征、排列特征及其相应的变化特征。根据本文研究的对象和问题，选用以下5个微结构参数（孔隙的孔径、丰度、孔隙形状复杂度、定向频率、定向概率熵）作为孔隙研究的定量化参数。
3.1 孔隙的大小和形态特征参数
（1）孔隙的孔径D是指等效直径，等价于与其面积相等的圆的直径[11]。
（2）丰度是指土中孔隙的短轴与长轴之比，它可以表示孔隙在二维平面中所展示的几何形状特征[11]。用公式可以表示为
B
C
L
=（1）式中：B和L分别为结构孔隙的短轴和长轴的长度。
（3）孔隙形状的复杂度可以离散指数e表示，计算公式为
2
S
e
A
=（2）式中：S和A分别为结构孔隙的周长与面积。该式描述了区域单位面积的周长大小。e值越大，单位面积周长越大，即区域越离散，则为复杂形状；反之，则为简单形状。e值最小为圆形。
3.2 孔隙的排列特征参数
孔隙的排列特征参数主要指的是定向性参数。
（1）定向频率()
i
F a。为表示孔隙在某一方向的分布强度，将α为在0°～180°划分成n个等份区
位后，每个区位的角度，即α=180°；()
i
F a为在0°～180°范围内第i个区位中结构单元体或孔隙的定向频率[12]，其计算公式为
()100%
i
i
m
F a
M
=×（3）
式中：
i
m为结构单元体或孔隙的长轴方向在第i个
区位内的个数；M为结构单元体或孔隙的总数。上式中改变α数值，即可以改变划分区位的个数，可得到不同的频率分布情况，本文中α=10°。
（2）定向概率熵
m
H。施斌将现代系统论中的
概率熵的概念引入到黏性土的微结构分析中，用来表示结构单元体或孔隙排列的有序性[12]。其定义为
1
()lg()
n
m i n i
i
H F a F a
=
=?∑（4）
显然，
m
H的取值在[0, 1]区间，当
m
H=0时，表明所有的孔隙排列方向均在同一方向，显示出孔
隙排列的有序性最高；当
m
H=1时表明孔隙完全随机排列，在每一方位区中，孔隙出现概率相同。
4 软土结构特征分析
4.1 微观结构定性分析
观察漳州软土原状样SEM照片（图1），图1（a）中漳州软土的结构基本是由表面棱角可见的单粒与由小的片状黏土颗粒形成的集粒这两种基本体组成骨架，其他小黏土颗粒或包裹于大颗粒外面，或作为胶结物质填充于基本结构单元体之间，颗粒无定向排列，孔隙率高。图1（b）的照片中有的黏土颗粒紧密连接在一起形成较大团粒，孔隙很少，连接牢固。天然状态下的软土SEM照片中可以看见有长棒型和网状有机质成分，经分析为植物根茎遗骸。经过不同的蠕变试验后土的微观结构产生类
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似的变化（见图2），土样密实程度增加，连接强度变大。大孔隙面积和数量减少，取而代之是小孔隙数量增多。原来清晰可见的小团粒破损、折断、挤裂，在压力作用下重新聚集成更大、稳定性更强的团粒。由于试验方法的不同，这种表现在等向固结蠕变试验中最突出，三轴蠕变试验中体现稍差。总体来说，经过蠕变后，微观结构由原状样的骨架-
(a)
(b)
图1 原状软土土样电子显微镜照片
Fig.1 Electron microscope photographs of
intact soft clay sample
(a) 单向压缩蠕变试验后土样
(b) 各向等压蠕变试验后土样
(c) 剪切蠕变试验后土样
(d) 三轴剪切蠕变试验后土样
图2 不同蠕变条件下土样电子显微镜照片
Fig.2 Electron microscope photographs of soft clay sample
in different creep conditions
絮凝结构逐渐变为絮凝结构、团聚絮凝结构，结构单元体之间以边-边、边-面为主的连结方式向以面-面为主的连结方式转变。
4.2 微观孔隙结构定量化分析
（1）孔隙孔径分析。表2为微观孔隙分析结果，可见漳州原状软土的孔径主要集中在<5 μm区间，约占95 %，其中<1 μm、1～2 μm、2～5 μm 3个组分孔隙孔径分布平均。通过SEM图片及表2可以看出，土样发生蠕变后孔隙面积明显减少，大孔隙减少，小孔隙增加，孔隙数量增加，但增加幅度大小不一。这是由于在软土蠕变过程中，颗粒之间的靠拢、滑移、镶嵌幅度增大，造成大孔隙逐渐被小孔隙取代，形成数量较多的小孔隙。可认为蠕变过程中孔隙变化遵循孔隙匀化原理，也可称为大孔隙优先改变原理[13]，即体积收缩过程中大孔隙减少多，小孔隙变化小，孔隙分布逐步均匀化。对照各种蠕变试验土样的孔隙变化还可知，软土在试验过程中其流变特性表现越明显，小孔径孔隙数量增加越多，小孔径孔隙在组分分布越占优势。例如，对比其他蠕变试验，等向固结蠕变试验由于土样的所受压力大，作用时间最长长，蠕变特性体现最为明显，试验后土样非常密实，小孔径孔隙数量多。
（2）孔隙丰度分析。丰度的变化反映颗粒的狭长程度，其值介于0～1之间，C值越小，反映孔隙形状越趋向于长条形；C值越大，则孔隙形状越趋
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第4期 张先伟等：蠕变条件下软土微观孔隙变化特征
向于等轴形。从孔隙几何形状分析结果得出（见表2），原状样的C 值主要集中在0.2～0.4之间，其次为0～0.2、0.4～0.6的范围内，0.6～1内孔隙数量较少。表明孔隙形状以扁圆形为主，长条形较少，偶尔出现等轴形孔隙。对比发现几种蠕变条件下试样的微观孔隙丰度值变化规律相似，丰度范围为
0～0.2、0.8～1的孔隙数量稍有减少，0.2～0.8的数量有所增加，其中0.2～0.4增加幅度最大。与原状样相比丰度集中的区间并无太大变化，说明发生蠕变后等轴形孔隙几乎不存在，长条形孔隙数量减少，整体上孔隙趋向于扁圆形发展。
（3）复杂度分析。孔隙形状多种多样，有圆形、椭圆形、多边形等，孔隙形状的改变势必影响到土
体的强度值。以前很多学者只采用扁圆度，形状系数等参数来衡量孔隙的形状。观察原状软土SEM 图像会发现，多数孔隙边缘为尖锐的棱角状，蠕变试验后孔隙形状变得“圆滑”了，因此，孔隙的复杂度应该作为一个衡量软土在蠕变过程中孔隙形状变化的重要参数。从表可以看出，在压力作用下，颗粒的挤密使得孔隙的复杂度基本上呈降低趋势，也就是说，不但孔隙的大小随压力的增加变小，并且总体形状趋向圆形化。单向压缩蠕变试验条件下土样孔隙的复杂度下降最明显，这主要是该试验对土样施加压力大（压力最大达到1 600 kPa ），同时环刀在侧向对土样有约束力。在三轴蠕变试验中，围压越大，复杂度越大。
表3 微观孔隙分析成果表（单位：μm ）
Table 3 Results of micropore characteristic analysis (unit: μm)
孔径分布/%
丰度分布
蠕变试验 围压或竖向压力
<1 1～2
2～5 5～10 10～20
个数复杂度
0～0.2
0.2～0.4
0.4～0.6 0.6～0.8 0.8～1
定向概率熵
1 24.8 33.726.7 10.8 4 10
2 50.60.
3 0.41 0.2
4 0.02 0.04 0.954 原状土 2 28.0 31.026.0 14.0 1 99 42.50.27 0.40 0.26 0.02 0.0
5 0.945 3 37.2 38.722.8 2.0 0 155 26.70.14 0.55 0.24 0.0
6 0 0.955 单向压缩蠕变试验 4 33.9 40.225.0 0.9 0 112 27.70.08 0.59 0.28 0.05 0 0.951 5 73.9 20.0 6.1 0.0 0 114 35.70.16 0.55 0.24 0.06 0 0.95
7 等向固结蠕变试验 6 45.3 38.515.6 0.6 0 14
8 32.50.13 0.55 0.26 0.05 0 0.953 7* 37.7 40.618.5 3.2 0 137 34.90.15 0.57 0.20 0.08 0 0.987 剪切蠕变试
验 8* 36.7 33.3
25.7 4.3 0 115 30.60.07 0.51 0.35 0.08 0 0.981 9* 35.6 38.522.0 3.9 0 104 29.90.11 0.51 0.30 0.07 0 0.992 10* 40.9 38.7
16.4 4.0 0 105 31.20.14 0.50 0.29 0.07 0 0.984 11* 38.0 38.521.5 2.0 0 117 30.50.16 0.47 0.31 0.06 0 0.927
12* 32.7 45.721.4 0.0 0 105 31.70.17 0.48 0.30 0.05 0 0.955 13* 35.7 41.421.0 1.9 0 140 34.90.15 0.56 0.25 0.04 0 0.968 三轴蠕变试
验
14* 43.0 34.6
21.5 0.9 0 120 33.1
0.12 0.53 0.32 0.03
0 0.954
*7#
、8#
：试验固结压力为100 kPa ；9#
、10#
：试验采用围压为100 kPa ；11#
、12#
：试验采用围压为150 kPa ；13#
、14#
：试验采用围压为200 kPa 。
（4）孔隙定向性评价
孔隙定向频率可以直观形象地描述总体定向规律。原状土及蠕变作用下孔隙的定向频率结果（见图3）表明，原状土的孔隙在80°～100°的分区内较集中，表现出明显的定向性。单向压缩蠕变试验与等向压缩蠕变试验的土样孔隙定向角占优势的区间为90°～100°区间，其他定向角区间分布趋于平均。剪切蠕变试验与三轴蠕变试验的孔隙定向角无明显优势，说明孔隙无明显定向性。
定向概率熵m H 反映土孔隙的定向程度，可见
m H 值越大，孔隙的排列越混乱，有序性越差，反之定向性越好。从表3可见，原状土的m H 值较低，说明具有较好定向性，单向压缩蠕变试验与等向压缩蠕变试验的土样孔隙的m H 略有增大，剪切蠕变试验与三轴蠕变试验的m H 值较大，说明经过蠕变
试验后土孔隙的定向性变得无序了，剪切蠕变试验
与三轴蠕变试验这种变化表现最为明显，这一点与前面所测定的定向频率刚好吻合。原因主要是长期的蠕变试验，土样在受压变形过程中，颗粒以连接兼并或挤裂破碎及变换形状去适应外界压力的变化，对于孔隙来说就表现为方向角混乱，定向性减低。
5 蠕变机制分析
通过以上试验研究表明：土体不同蠕变表现，实际上都是土内部结构不断改变自我调整再造的过程。结合宏观试验可以看出，一方面在压力作用下，土体通过自身形态的变化、排列形式的调整，逐步向稳定的承载形态过渡，使变形向减小的趋势发展；而另一方面，由于超静孔隙水压的增加，土体连通性性大大增强，小孔隙数量增多和土体骨架凌乱度增加，也加大了土体的压缩性，所以即使土体在荷
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岩土力学 2010年
载作用下变形很大，仍表现出较高的压缩性，在较长时间里就表现为蠕变特性。下面以单向压缩蠕变试验的微观结构变化为例来阐述蠕变的内在机制。
在蠕变初期，软土受荷后，内部结构产生改变，孔隙中的液体和气体被排除，土样体积减少，土体微观结构改变表现为孔隙面积减少和数量减少，大孔隙由于颗粒的相互挤压数量减小，变化较大。因为软土颗粒间的胶结强度是不同的，刚开始施加压力时，颗粒之间连接力较弱处先破损、断裂，产生微破裂面，小孔隙数量增多。在荷载的作用下，土
(a) 原状土
(b) 单向压缩蠕变试验后土样
(c) 各向等压蠕变试验后土样
(d) 剪切蠕变试验后土样
(e) 三轴蠕变试验后土样
图3 微观孔隙定向频率分布曲线
Fig.3 Distribution curves of micropore directional
frequency
颗粒的平均距离减小，排列由宽松变得紧密，挤压过程中，土颗粒与孔隙定向性减小，具有棱角型和长条形外形土颗粒数量逐渐减小，颗粒趋向圆形发展。随着时间的增长和压力的增大，软土的蠕变特征表现明显，土样变得密实，作用在土上的蠕变效应更加明显，此时由外界压力起主导作用逐渐变为有颗粒的定向排列占主导作用，孔隙面积进一步减小，由于颗粒的重新排列，孔隙变化遵循大孔隙优先改变原理，大孔隙受压被分成多个小孔隙，小孔隙数量增加。压力的变大使颗粒微破裂面破坏加剧，结构力小的颗粒破裂成更小的颗粒，颗粒发生挤裂，折断、破碎、相互重叠，颗粒与孔隙的定向性进一步混乱。当时间更长，压力更大时，土样达到蠕变稳定阶段，这时土体能承受更大荷载。原来破碎的小颗粒将重新聚集成团，形成新的集合体，颗粒之间相互嵌挤咬合形成比较稳定的结构，连接由松散变得紧密，土样变得密实。此时造成孔隙的改变原因变为颗粒的重新组合排列，主要表现在孔隙变得细小而数量变多，多角状孔隙变的圆滑，长条形孔隙则变得扁圆。由于颗粒的重新排列组合，颗粒与孔隙的定向性相对于原状土有较大的减低。
6 结论
（1）漳州软土黏粒含量高，土颗粒成絮凝状存在，黏土矿物含量达到60 %，这些是导致漳州软土具有明显蠕变性的一个原因。漳州软土发生蠕变变形后，其微观结构由原状样的骨架-絮凝结构逐渐变为絮凝结构、团聚絮凝结构，结构单元体之间以边-边、边-面为主的连结方式向以面-面为主的连结方式转变。
（2）对土样的微观孔隙进行定量化分析，结果表明，软土发生蠕变变形过程中，土样孔隙变化遵循孔隙匀化原理，即大孔隙减少多，小孔隙变化小，孔隙分布逐步均匀化，并且土样在蠕变试验中蠕变
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第4期张先伟等：蠕变条件下软土微观孔隙变化特征
特性体现越明显，这种现象越明显。发生蠕变后等
轴形孔隙几乎不存在，长条形孔隙数量减少，整体
上孔隙形状趋向于扁圆形发展。复杂度应作为一个
衡量软土在蠕变过程中微结构变化的重要参数，蠕
变过程中孔隙的复杂度不断降低。从微观孔隙参数
的变化来看，在不同的蠕变试验中，孔隙的变化规
律都比较明显，并且表现出较强的一致性。这说明，通过对比软土原状样及蠕变试验后的扫描电镜图像，从微观角度分析软土孔隙结构参数的变化，进
而得到软土的蠕变机制的研究方法是可行的。分析
可知，土体不同蠕变表现，实际上都是土内部结构
不断改变自我调整再造以适应外界荷载变化的过程。
（3）不同的流变试验方法下，孔隙的微结构参
数对蠕变变形的敏感度是不一样的。例如孔隙定向
性在蠕变试验后降低，在单向压缩蠕变试验中降低
幅度非常小，因此，在分析微结构特征时定向度可
以忽略，而在剪切蠕变试验与三轴蠕变试验的孔隙
定向性变化非常大，应作重点分析。建议针对不同
的蠕变试验方法，宜采用不同的微观参数来进行微
结构特征的描述。
参考文献
[1]沈珠江. 土体结构性的数学模型——21世纪土力学的
核心问题[J]. 岩土工程学报, 1996, 18(1): 95－97.
SHEN Zhu-jiang. Mathematical model of soil structural
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软土地基工程中存在的问题及处理方法
浅析软土地基工程中存在的问题及处理方法 摘要：软土在荷载作用下，极易产生工程问题，在勘察过程中切不可马虎松懈，本文从软土特性出发，分析了软土工程地基中存在的问题及处理措施，并作出了勘察方法探讨。 关键词：软土地基工程问题勘察方法 中图分类号：tu4文献标识码：a 文章编号： 在公路铁路的修建施工过程中，经常会遇到物理力学性质差且分布面积较大的第四系软土类区域，软土体是自然界的历史产物，它有独特的地域特征，地基条件差别巨大，根据相邻建筑物或相邻地域的地质资料来设计，一点微小的差异就可能给影响工程质量，给工程造成巨大的经济损失，所以应引起重视，我们施工中充分利用信息，及时调整设计参数和工艺，避免了施工期间可能引起的附加沉降，体现了当今勘察设计施工监测为一体的全过程综合岩土工程实践理念。 一、软土的特征及其危害性 软土指的是所含水量大于液限天然孔隙比大于或等于1.0的细粒土，处于软朔或流朔状态。我国的软土主要分布在东南沿海及各大江大河的入海三角洲冲击平原地区。内陆主要是湖泊或山谷冲击而成，有机质含量较高，分布范围比较小。主要包含饱和软粘土包括泥炭、泥炭质土，淤泥、淤泥质土等，软土一般具触变性、流变性、高压缩性、低强度、低透水性、不均匀性等特征，在工程应用上的
表现为地基沉降量大，可以达到数十厘米甚至到数百厘米；地基沉降时间长，达数十年甚至到数百年，特别严重的是沿海地带的软土地基，因为厚度过大，所以固结速度比较慢；地基不均匀沉降，大多是由上部结构的特性和荷载差异所引起；地基抗剪强度低。软土上述的特点，容易影响公路铁路工程质量，引发一些地质灾害，其危害性主要表现为：软土地基不均匀和过大沉降将严重影响路面的平整度，牵制了道路通行能力和安全度；路基路堤还可能会随着软土地基一起产生滑动现象，从而导致路面的整体遭到破坏，鉴于软土地基潜在的种种危害性，各部对于软基的处理标准要求高，也更高地要求了地质勘察在软土地基工程的深度和广度。 二、软土地基工程中存在的问题 由上所述出的软土地基固有的特性以及工程在勘察、设计、施工、管理使用各程序阶段的失误，造成了所建造在软土地基上建筑物的结构损伤工程倒塌等一系列工程事故，大致可分为以下几种情况：（一）在地质勘测时深度不够，没有查清楚软土土层的分布、厚度以及一些暗沟暗塘的具体情况，造成建筑物产生严重不均匀沉降，结构构件开裂，甚至工程不负荷载倒塌的事故。 （二）由于地质勘察不深入，不细致，未取得的地质资料不具可靠性，以致错误的将软土判断为好的地基土，使设计也随之错误，产生的不均匀沉降使建造物受力结构变化，裂缝倒塌，引起工程事故。
软土
浅谈软土及软土地基 摘要：我国幅员辽阔，地质地貌条件复杂多样，大量的高等级公路要穿过软土地区，然而，软土是较难处理的区域性土之一，地质条件较为复杂，路堤的沉降和稳定是一个极其突出的问题。因此，对路基的沉降变形预测具有重要的实际工程意义。本文就软土的物理力学特性以及对软土地区一些传统的地基处理方法略谈一些体会。 关键词：软土物理力学特性软土地基 一、软土的定义 软土泛指淤泥及软泥质土，是第四纪后期于沿海地区的滨海相、泻湖相、三角洲相和溺谷相；内陆平原或山区的湖相和冲击洪击沼泽相等静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成的饱和软粘性土。它富含有机质，天然含水量w大于液限wL,天然孔隙比e大于或等于1.0。 其中： 当e≥1.5时，称淤泥； 当1.5＞e≥1.0时，称淤泥质土； 当5%≤土中有机质含量≤10%，称有机质土； 当10%＜土中有机质含量≤60%，称泥炭质土； 当土中有机质含量>60%，称泥炭。 二、软土的物理力学特性 1、高含水量和高孔隙性（决定其压缩性和抗剪强度的重要因素） 软土的天然含水量总是大于液限，一般为50%~70%，山区软土有时高达200%。天然含水量随液限的增大成正比增加。天然孔隙比在1~2之间，最大达3~4。其饱和度一般大于95%。 2、渗透性低（对地基强度有显著影响） 软土的恨透系数一般在i*10-4~i*10-8cm/s之间，而大部分滨海相和相软土地区由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉、细沙、粉土等，故在水平方向的渗透性较垂直方向要大得多。 由于该类土渗透系数小、含水量大且呈饱和状态，这不但延缓土体的固结过
程，而且在加荷初期，常易出现较高的空隙水压力，对地基强度有显著影响。 3、压缩性高 软土均属高压缩性土，其压缩系数a0.1~0.2一般为0.7~0.5Mpa-1，最大4.5pa-1，他随着土的液限和天然含水量的增大而增高。 4、抗剪强度 软土的抗剪强度小且与加荷速度及排水固结条件密切相关。因此要提高软土地基的强度，必须控制施工和使用时的加荷速度，特别是在开始阶段加速不能过大，以便每增加一级荷重与土体在新的受荷条件下强度的提高相适应。 如果相反，则土中的水分将来不及排出，土体强度不但来不及得到提高，反而会由于土中空隙水压力的急剧增大，有效应力降低，而产生土体的挤出破坏。 5、较显著地触变性和蠕变性 一般用灵敏度St指标定量评价软土的触变性（详见课本p74）。 软土的蠕变性是比较明显的。表现在长期恒定应力作用下，软土将产生缓慢剪切变形，并导致抗剪强度的衰减；在固结沉降完成之后，软土还可能继续产生可观的此固结沉降。许多工程现实表明：当土中孔隙水压力完全消散后，建筑物还会继续沉降。 三、软土地基 1、定义 明确定义软土地基是困难的。通常把抗剪强度低、压缩性高、透水性差的地基以及在动力荷载作用下容易液化的地基称为软土地基。 2、软土地基的稳定性评价 遇下列情况时应评价地基的稳定性。 ①当“建物”离河岸、池塘、海岸等边坡较近时，应评价软土侧向挤出或滑移的可能性。 ②当地基受力范围内有顶面倾斜的基岩或硬土层，应评价软土沿该面产生滑移的可能性 ③当场地位于强震区，应分析场地和地基的地震效应、饱和砂土、粉土液化判别、场地稳定性和震陷的可能性评定。 ④水文地质条件变化较大时，分析其对地基和稳定性的影响。
软土蠕变特性试验研究
第28卷 第5期 岩 土 工 程 学 报 Vol.28 No.5 2006年 5月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May, 2006 软土蠕变特性试验研究 周秋娟，陈晓平 （暨南大学力学与土木工程系，广东 广州 510632） 摘要：针对广州南沙原状软土进行了一系列室内试验研究，包括三轴压缩试验、三轴蠕变试验和一维固结试验，系统地探讨了软土的蠕变变形特性。结果表明：软土的蠕变特性与多种因素有关，包括土体的初始固结度、土层排水条件、加荷比等；次固结系数与固结压力的关系取决于土体的先期固结压力和试验中的加荷比。 关键词：软土；蠕变；次固结；试验 中图分类号：TU41 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2006)05–0626–05 作者简介：周秋娟(1981–)，女，浙江人，硕士研究生，从事土力学与基础工程工作。 Experimental study on creep characteristics of soft soils ZHOU Qiu-juan, CHEN Xiao-ping （Department of Mechanics and Civil Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China） Abstract: Based on a series of laboratory tests with undisturbed samples obtained from Nansha of Guangzhou, including triaxial compression test, triaxial creep test and one dimensional compression test, creep deformation characteristics of soft soils were researched. It was shown that there were many factors impacting on the creep characteristics of soils, such as the initial degree of consolidation, drainage condition, load ratios and so on; and the relationship between coefficient of secondary consolidation and consolidation pressure depended on preconsoildation pressure and load ratios in the test. Key words: soft soil; creep; secondary consolidation; experiment 0 引 言 土体变形是土体在外力作用下，土颗粒趋向新的、较稳定的位置移动而产生的，一般可分为固结变形和次固结变形。固结是土体受外力作用后由内部应力变化引起的体积变化。次固结是指由土骨架蠕动产生的变形，主要指超孔隙水压力消散后，有效应力基本稳定的条件下，因土粒表面的结合水膜蠕变及土颗粒结构重新排列等引起的较为缓慢的变形，因而可以认为次固结变形即属于蠕变变形，与时间密切相关。陈宗基认为造成次固结变形的时间效应的机械作用有2个主要的过程：①因剪应力而产生的滞留和因球应力而产生的体积蠕变，②在这2个过程中产生的土骨架硬化[1]。 对于饱和软土而言，应力、应变受时间的影响是很明显的。根据应力状态的不同，其变形速率有时是极其缓慢的，最后趋于停止；有时则逐渐增长，最后导致破坏。近年来，随着软土工程的迅速发展，关于软土的变形时效特性的研究取得了很多的成果[2-6]。本文在已有研究成果基础上，重点探讨不同应力和排水条件下土体蠕变变形的变化规律，以对控制软土工程的工后沉降提供理论依据。1 试验方案 1.1 土的基本物理特性 试验选取珠江入海口处典型土样，根据土体的外观特点，可知该地区在6.4～8.4 m范围内为淤泥混砂层，有些土样中还混有贝壳等杂质。其基本物理性质指标如表1。 1.2 三轴压缩试验 常规三轴试验在TSZ30－2.0型应变控制式三轴仪上进行。试验采用φ= 39.1 mm，H = 80 mm的原状土样。为了探讨土体初始固结度U0和排水条件对应力–应变特性的影响，在三轴试验中分别进行了不固结不排水（UU）试验、施加围压σ3使土体达到固结度Ｕ为25%、50%、100%的固结不排水剪（CU）试验和固结排水剪（CD）试验。 1.3 三轴蠕变试验 三轴蠕变试验在应力控制式三轴剪切渗透试验仪─────── 基金项目：广东省自然科学基金资助项目（021145）；广东省科技计划项目（2004B32801003）；广东省水利厅科技计划项目（2003-13） 收稿日期: 2005–03–21
软土强度与变形特性的微细观分析
第四章软土强度与变形特性的微细观分析 §4.1 微观测试仪器简介 §4.1.1环境扫描电子显微镜(ESEM) 借助电子显微技术技术，可直接观察到土体的微观结构，从微观层次解释土体的工程性质。环境扫描电子显微镜（ESEM）是现阶段研究土体微结构重要的、最常用的显微观察仪器，该仪器能对含水土样直接观察，不需干燥和镀膜处理，可在接近天然原状条件下观测土体的微观结构图像，是一种很有前景的土体微观试验研究手段。扫描电子显微镜（ESEM）的工作原理如图4-1所示；图4-2所示为荷兰FEI 公司生产的型号为Quanta 200的环境扫描电子显微镜，其主要技术参数如下： 1 分辨率： 二次电子像: 高真空模式 1.2nm @ 30kV; 3.0nm @ 1kV 低真空模式 1.5nm @ 30kV; 3.0nm @ 3kV 环境真空模式 1.5nm @ 30kV
背散射电子: 高真空和低真空模式: 2.5nm @ 30kV 扫描透射STEM探测器: 0.8nm @ 30kV 图4-1 扫描电镜原理示意图
2 加速电压200V ～30kV,连续可调 3 放大倍数：12倍～100万倍 4 电子枪：高亮度肖特基热场发射电子枪，4 极电子枪单 5 最大电子束流：100nA 6 样品室压力最高达4000Pa 7 样品台：全对中样品台，5轴马达驱动 X≥100mm，Y≥100mm，Z≥60mm，T≥-5～+70°（手动）R=360°连续旋转，最大样品尺寸: 左右284mm。 图4-2 Quanta 200环境电子扫描显微镜 图4-3所示为膨润土粉末在不同放大倍数的电子扫描图片。