0 引言

目前，伴随着滨海地区基础设施建设的快速发展，人们对土地资源的需求愈来愈迫切，因而对吹填土的研究也日益受到重视。其中：牛岑岑等^[1]对渗流作用下吹填土的微观结构特征进行了定量化的研究；刘莹等^[2-3]对比研究了连云港和青岛地区吹填土的基本性质，并且研究了吹填土固化后的结构强度增长机制；杨坪等^[4]在大变形和离心模型试验的基础上对上海临港新城地区吹填土自重固结沉降进行了分析研究；杨爱武等^[5]通过不同外加剂组合配比对天津滨海新区具有不同含水率的吹填软土分别进行室内固化试验，确定了适用于不同工程性质的固化剂组合配比; 蒋明镜等^[6]采用GDS三轴仪对珠海地区海积软土进行常规固结不排水三轴试验，并对剪切带不同位置处土样进行了电镜扫描和压汞试验,其试验结果表明，在低围压下该类型软土表现出应变软化特性，剪切带内部颗粒出现破碎和随机排列现象，而剪切带边缘颗粒则沿剪切方向定向排列。上述研究从不同侧面对各类吹填土的结构特征和工程性质进行了研究，但是目前对吹填土剪切力学性质的研究却很少。而近年来，由吹填造陆形成的吹填土软弱地基常因基坑开挖及地下工程建设造成边坡失稳、滑坡等不良工程地质现象，且这些灾害现象都伴随有滑坡体较大位移的剪切过程；因此，研究相关吹填土在大变形条件下的剪切力学特性具有十分重要的意义。本项研究即利用大型环剪试验设备，开展针对大连滨海地区被广泛用于当地吹填造地的粉质黏土剪切力学性质的试验研究。

室内土工试验是研究土剪切力学性质的有效手段。常规直剪仪和三轴仪由于结构上的限制，无法满足土在大变形条件下的试验要求^[7]。因此，本项研究采用由日本京都大学防灾研究所研制的大型环剪仪开展试验工作。该环剪仪具有独特的设计构造和试验功能^[8]，在试验过程中可以保持剪切面面积不变，并保证试样在连续的位移条件下进行剪切，因而能够满足大剪切位移条件下研究土力学性质的要求。该环剪仪(图 1)主要由压力泵、环剪盒和伺服控制系统构成。环形剪切盒由上下分离的剪切环组成，内外径尺寸分别为21、31 cm，装样最大高度为10 cm，土样剪切面积为408 cm²。试验时最大垂直荷载为500 kPa，最大剪切速率可达30 cm/s，可进行不同应力、不同剪切速率等条件下的环剪试验。

图 1 大型环剪试验机 Figure 1 Ring shear apparatus

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本次试验所采用的试样为大连金州大窑湾滨海地区分布的粉质黏土。通过进行不同的法向应力(σ)和剪切速率(r′)条件下的环剪试验，对该粉质黏土抗剪强度力学性质变化进行研究。其各项基本物理性质指标如下：初始含水率为57.1%，液限为38.94%，塑限为26.86%，塑性指数为12.08，液性指数为2.5。该种土以细小土颗粒为主，其塑性指数、天然含水率和孔隙比都比较大，且具有压缩性高、沉降量大、渗透性较小等特点。根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145-2007)^[9]，该类土属于粉质黏土。

试验前首先将所采集的土样用烘箱以105 ℃的温度进行24 h以上烘干，试样完全干燥后碾碎并过2 mm筛，然后将土样加水调配成饱和试样。试验共分9组，分组情况见表 1。试验时首先将制备好的土样分别在100、200和300 kPa法向应力下固结至孔隙水压力和垂直沉降量保持不变为止；然后针对每一组具有相同固结应力的试样分别进行剪切速率为0.01、0.10和1.00 cm/s三个不同级别的不排水剪切试验，待剪切应力达到稳定后停止试验。

图 2为相同剪切速率、不同法向应力条件下剪切应力随剪切位移变化曲线。由图 2可见，在相同剪切速率下各剪切应力变化曲线形态基本相似。各试验结果均显示：在环剪试验开始后，随着剪切位移的增加，剪切应力迅速增加，并均在较小的位移处达到峰值强度；随后出现明显的应力下降现象，即应变软化现象；随着剪切位移继续增加，剪切应力趋于稳定，最终达到稳定的残余强度值。图 3为相同法向应力、不同剪切速率条件下剪切应力随剪切位移变化曲线。结果显示，峰值强度与残余强度均随剪切速率增大而增大，并且剪切速率越大，土体达到峰值强度的剪切位移也越大。

图 2 不同法向应力下试验结果比较 Figure 2 Test results comparison at different normal stresses

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图 3 不同剪切速率下剪切应力与剪切位移的关系 Figure 3 Relationship of shear stress and shear displacement at different shear rates

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土的剪切力学特性受多种因素的影响，例如土的结构、颗粒成分、赋存历史和地理环境、应力和应变以及试验方法和技术等，其变化原因非常复杂。本文主要针对正常固结状态下大连滨海粉质黏土在快速大剪切位移条件下的抗剪强度特性进行研究。图 4所示为不同剪切速率条件下峰值强度、残余强度与法向应力之间的关系。从图 4可以看出，在相同剪切速率条件下，峰值强度和残余强度均随着法向应力的增大而增大。这表明在相同剪切速率条件下，正常固结状态下的该粉质黏土的峰值强度和残余强度与法向应力具有相关性。从图 4a中的拟合曲线可以看出，在相同剪切速率条件下，试样的峰值强度与法向应力之间具有较好的线性关系，其强度拟合曲线的R²(R为相关系数)均在0.925 1以上。这一峰值强度变化趋势符合摩尔库伦定律，其与不同法向固结应力下土体内部所形成的不同结构形态和结构强度有关。表 2为各剪切速率下峰值强度变化指标。如表 2所示，该滨海粉质黏土黏聚力随剪切速率的增大而显著增大，而内摩擦角随剪切速率的变化相差较小；这表明在不同剪切速率下峰值强度的差异主要受剪切过程中土体内部黏聚力变化的影响。

图 4 不同剪切速率下试样抗剪强度与法向应力的关系 Figure 4 Relationship between shear strength and normal stress at different shear rates

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目前一般学者认为，在常规剪切试验条件下，剪切速率对土体峰值强度的产生有一定影响作用，但是剪切速率对土体残余强度基本没有影响。孙涛等^[10]对超固结黏性土的残余强度和峰值强度进行了比较研究后认为，剪切速率越大峰值强度越大，达 到稳定的残余强度时的剪切位移也越大，但剪切速率对残余强度的影响不大；尹占巧等^[11]通过一系列不同速度的环剪试验研究，认为剪切速率在0.02～2.00 cm/s范围内时，对粉质黏土和黏土的峰值强度和残余强度没有显著的影响；Skempton^[12]研究表明，剪切速率小于0.01 mm/min时对黏性土残余强度的影响不大。本项研究结果显示，在快速剪切条件下，大连滨海粉质黏土残余强度变化与剪切速率有一定的关系。在相同法向应力条件下残余强度随剪切速率的增大而增大(如图 4b)。一般认为，当土中部分土体的剪应力达到极限强度而发生剪切破坏时，随着剪切位移的增加，土体内部破坏的范围将逐渐扩大，并最终在土体内产生连续的滑动面。图 5为本次研究中试验土体剪切所形成的连续平整滑动面。

图 5 平整剪切面 Figure 5 Smooth shear surface

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实际上，残余强度的大小是由剪切面形成后剪切带(面)处土颗粒沿剪切方向定向排列的程度和土颗粒间的滑动摩擦力所决定的^[13]。在土体沿剪切面接触滑动的过程中，剪切面处土体颗粒将重新排列或被破坏，这会引起剪切带(面)处土体内部结构的破坏或突变，进而导致土体剪切破坏后颗粒定向排列的程度和剪切面表面形态的差异。由于本次试验采用的剪切速率远大于一般剪切试验，因此在快速剪切条件下剪切带(面)处黏土结构的变化以及颗粒的定向排列等并不会像在一般剪切试验中那样充分，从而导致在残余强度形成阶段剪切带(面)处土体形态出现差异，进而对残余强度产生不同的影响。这是造成本项研究中在不同剪切速率下残余强度存在差异的原因。

本项研究结果表明，正常固结状态下的大连滨海粉质黏土在剪切过程中出现了明显的应变软化现象。实际上土的应变软化是一个非常复杂的渐进性破坏过程，不同地区不同类型土体应变软化特性及其产生机理并不相同。相关研究表明，土体应变软化产生过程是指当土体中某单元在峰值破坏后继续受剪时不能保持原来的应力状态，部分应力转移到邻近单元从而造成该单元也逐渐达到峰值强度而被破坏的过程^[14]。一般认为，这一软化过程与土体本身的矿物组成、含水状态、颗粒排列和运移等有密切关系。戴福初等^[15]对香港大屿山残坡积土的残余强度进行试验研究，认为残积土峰后的应力降与土体中板状矿物和黏粒含量有关，当黏粒质量分数为20%～25%时，应力降由矿物颗粒重新定向所致。洪勇等^[16]通过对黏粒含量较低的第四纪粉质黏土开展了一系列环剪试验研究后发现，在正常固结状态下此类粉质黏土没有发生应变软化现象，在超固结状态下发生应变软化现象。Skempton^[17]通过研究发现，对于正常固结黏土而言，峰后的应力变化有两种情况：1)黏粒质量分数低于20%时，峰后不会出现应力下降现象，残余强度约等于峰值强度；2)黏粒质量分数为25%~50%时，正常固结状态下黏土的峰后出现明显的应变软化现象，这是由于黏土颗粒沿剪切方向定向排列所引起的。本项研究对大连滨海粉质黏土进行X衍射矿物分析，该土样矿物成分X射线衍射成果曲线见图 6。分析显示，该土体中含有丰富的黏土矿物，其中包括伊利石、碱长石、高岭石以及绿泥石等，黏粒(粒径小于0.005 mm)质量分数约为41%。这一数值位于上述Skempton研究所指出的第2种黏粒质量分数范围内，因而其峰后应力下降达到残余强度，可以认为是由于土体中黏土矿物颗粒沿剪切方向的定向排列所致。

Q.石英;fs.碱长石;I.伊利石;K.高岭石;Ch.绿泥石;Hal.石盐。θ为衍射角。 图 6 土样矿物成分衍射图 Figure 6 Diffraction pattern of dredger fill mineral component

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1) 本次试验所采用的大连滨海粉质黏土在正常固结状态下进行快速剪切时具有明显的应变软化现象，这一软化现象的发生主要与土中黏粒质量分数以及黏土矿物的定向排列有关。

2) 在相同剪切速率条件下，该粉质黏土峰值强度和残余强度都随法向应力的增加而增加，并表现出较好的线性关系。

3) 大连滨海粉质黏土峰值强度随剪切速率的增加而增加，这主要与土体内部黏聚力的变化有关。残余强度随剪切速率变化而有一定的变化，剪切速率越大，残余强度越大，这与不同剪切速率下剪切带(面)处黏土颗粒定向排列程度的不同有关。

4) 环剪试验是研究土体大剪切力学特性的理想手段。正常固结状态下粉质黏土的剪切力学特性与土体剪切带生成过程中的多种因素有关，而剪切带土体内部细观结构变化是引起剪切过程中出现不同强度特性的根本原因。本项研究成果加深了对大连地区滨海粉质黏土的认识，为实际的工程建设的设计和施工提供了参考。但对于其物理力学性质的理解还需进一步通过扫描电镜仪等对其微细观结构开展深入的研究。