摘 要 软土具有含水量高、压缩性高、固结时间长等特点，具有明显的流变特性，容易造成建筑物不均匀沉降、失稳等问题。以宁波地铁基坑现场的原状土为研究对象，来研究软土的流变特性，按深度分成 5 组土样进行，每组土样采取分级加载的方式，以模拟土样在不同应力水平下的流变特性。结果表明: 软土蠕变具有明显的非线性时间效应，可分为三阶段，即减速蠕变、等速蠕变、非稳定蠕变; 在不同的应力水平下，软土会进入不同的蠕变阶段，在实际工程中应予以重视。

关键词 软土 蠕变 3 轴试验 应力 － 应变 － 时间关系

 

      软土是淤泥和淤泥质土的总称。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点，并具有明显的流变特性。软土上的建筑物很容易发生不均匀下沉，甚至由于变形导致地基或边坡的失稳。因此，研究软土的流变特性很有必要。

      该工程的深度范围为软塑 － 流塑状黏土层、淤泥土层等，属于典型的软土地层。关于土体的流变性，国内外学者已进行了大量的研究^{[ 1 － 5 ]}，取得了非常丰富的研究成果。但目前针对宁波软土工程特性的研究还很缺乏，最早可追溯到 20 世纪五六十年代的萧甬铁路建设; 而在 80 ～ 90 年代，浙江大学岩土工程研究所的朱祥荣等^{[ 6 ]}结合宁波栎社机场和舟山机场建设，开展了以软土变形为主的研究; 上海市隧道工程轨道交通设计研究院的熊卫兵等^{[ 7 ]}对宁波市的软土地基沉管隧道工程进行了地质勘察; 中铁一局集团有限公司的李夫杰等[ 8 ]通过分析宁波软土地区深基坑施工过程的监测数据，并应用反演法，得到了围护结构的变形特点和规律。可以看到，已有的研究成果主要是针对软土某方面特性进行的，而对宁波地铁建设如此大规模的工程，其土体流变的特性是影响工程顺利与否的重要因素。因此，有必要深入研究软土地层的流变特性，为该类软土地层的工程建设提供参考和依据。

 

      本试验选取了宁波地铁基坑的典型土样，由浅至深分为 5 段，每段取 1 组试样进行试验，试样编号分别为 1 号、2 号、3 号、4 号、5 号，其基本物理性质如表 1 所示。

      (1) 试验方案设计。本试验采用的流变仪为江苏省溧阳市生产的 3 轴流变仪，它可用于对软土试样进行 3 轴排水蠕变试验和 3 轴不排水蠕变试验。在一定围压下，沿土样的竖向方向施加轴向荷载，使土体产生变形，直至破坏。土样在一定荷载下随时间的增长而产生的变形可由系统自动采集。

      本试验共选取了②_{2 － 1}、②_{2 － 2}、③₂、④₁、④₃土层的土体共 5 组，为保证每组成功试样一个，每组取土样 4 ～ 5 个，以保证每组不少于 3 个试样完成试验。每组试验按稳定蠕变、线性增长蠕变、快速破坏蠕变对应的不同荷载级别( 加载应力水平) 设定三级加载。同时，根据试验要求，采用 3 台仪器同步实施流变试验，保证每组 3 个试样同时进行。

      (2) 加载方案设计。为模拟土样的实际应力状态，本试验采用如图 1 的方法进行施加荷载。

      本试验的试样尺寸为Ф61． 8 mm × 120 mm。考虑到滑带土长期受剪，排水剪切能更真实地模拟其排水条件，故本试验采用排水剪。排水固结是通过观察排水管里水位变化来判断土样的固结是否完成。当排水管的水位长时间保持不变，此时就可以判断土样固结完成，能够加载轴向压力进行剪切。本试验的固结围压分为两级进行加载，所有试样的第一级围压值均为 50 kPa，稳定后直接加载到目标围压值。围压加载方案见表 2。

      本试验的轴向应力采用分级加载方式，即在施加某一应力水平后，观测试样的流变变形，待流变变形基本趋于稳定后，再施加下一级应力水平，以此类推，直至岩石试样破坏。该方法可保证轴向压力恒定，如忽略试样截面积随加载过程和时间推移而产生的微小变化，则可以保证轴向应力的恒定。首先计算试样非饱和土峰值强度，施加的最大荷载应控制在峰值强度以内，一般可达到峰值强度的80% ～ 90% 。然后确定流变试验加载级数，即分几级施加，一般取 5 ～ 8 级。

      由于轴向传力杆与压力室之间存在摩擦，为了减小因摩擦引起的轴向压力误差，在加载轴向压力前加载一定砝码，使之与摩擦力保持平衡。轴向压力分多级加载，当每一级稳定后加载下一级，直至试样破坏，第一级加载时开始采集轴向变形数据。轴向压力加载方案见表 3。

      根据以上的试验设计，得到了在不同侧压、不同加载应力水平下，宁波软土体的应变随时间发展的关系，图 2 ～ 图 6 分别为 5 组土样的分级加载应变曲线。

      试验结果表明:

      (1) 在施加轴向荷载的一瞬间，土样就产生了瞬间变形，并随着时间的增长，变形也在逐渐增长。其中，应力水平越大，其变形也越大，如图 4 中 q =39． 2 kPa 和 q = 216 kPa。

      (2) 蠕变具有明显的三阶段特性。第1 阶段为减速蠕变，应变在初始阶段增长率很大，但速度逐渐减小; 第 2 阶段为等速蠕变阶段，在此阶段应变的变化很小，是土体的稳定状态; 第 3 阶段为非稳定蠕变阶段，此阶段的应变增长很快，直至破坏。

      (3) 不同剪应力水平下土体蠕变特性不同。从图3、图 4、图 5 可以看到，在一定的荷载范围下，有些土体仅表现出第 1 阶段和第 2 阶段的蠕变特性，第3 阶段的非稳定蠕变特性没有表现出，或需要很长的发展时间，如图 5 的 4 号试样。

      (4) 当应力水平较低时，土体试样的变形随着时间的增长而趋于稳定，变形很小，如图 5(q ＜ 294kPa)。

      (5) 当轴向力很大，接近或达到土样的屈服应力时，变形急剧增加，甚至出现破坏。该阶段从发生到结束历时很短，如轴向压力为 q = 27． 5 kPa 的 1 号试样和 q = 569 kPa 的 5 号试样，这在实际工程中应予以重视。