崇啟大橋接線工程下部軟土孔隙結(jié)構(gòu)分析

劉志彬 劉松玉 居 俊 周伯明

(1東南大學(xué)巖土工程研究所，南京210096)

(2江蘇省崇啟大橋建設(shè)現(xiàn)場指揮部，啟東226255)

高速公路工程建設(shè)中經(jīng)常遇到深厚軟土地基， 若處理不當(dāng)將面臨沉降變形持續(xù)時間長、工后沉降大以及差異沉降明顯等問題.軟土中孔隙水的排出與孔隙的壓縮是引起地基沉降的重要原因，而軟土孔隙結(jié)構(gòu)的研究是了解其變形機(jī)理的關(guān)鍵.國內(nèi)外已有學(xué)者對加拿大Champlain 黏土［1］、珠海海積軟土［2］、湛江軟土［3］、上海淤泥質(zhì)黏土［4］、廣州軟土［5］等在固結(jié)過程中的孔隙結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究.此外，雷華陽等［6］對天津濱海相結(jié)構(gòu)性軟土在交通荷載作用下的孔徑分布特征進(jìn)行了研究，探討了影響孔徑分布特征的振動頻率閾值.葉為民等［7］則從非飽和土力學(xué)角度研究了吸力控制條件下內(nèi)蒙古高廟子膨潤土在水化過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，特別是側(cè)限條件對孔隙結(jié)構(gòu)的影響.

崇明至啟東長江公路大橋(江蘇境)接線工程位于長江北岸大陸最東端，地處長江三角洲沖積平原的前緣地帶，由于特殊的地質(zhì)環(huán)境，埋深15 m 以下廣泛分布有一層深厚的海陸交互相沉積軟土.本文在介紹壓汞試驗工作原理的基礎(chǔ)上，對采自崇啟大橋接線工程下部21，26 和30 m 深度的黏土原狀樣，以及21 m 深黏土在一維流變試驗后的土樣進(jìn)行了孔隙結(jié)構(gòu)分析，詳細(xì)研究了現(xiàn)場原狀土的孔隙結(jié)構(gòu)及其在荷載作用下經(jīng)歷蠕變過程后的變化規(guī)律，并對孔隙結(jié)構(gòu)特征與軟土埋深的關(guān)系進(jìn)行了探討.

1 工程沿線軟土的基本性質(zhì)

崇啟大橋接線工程沿線勘探深度范圍內(nèi)(自然地面下41.0 m 以內(nèi))均為全新世沉積物，下部軟土主要為淤泥質(zhì)黏土，呈灰色、流塑狀.軟土層呈近水平狀產(chǎn)出，其物理力學(xué)指標(biāo)、礦物成分、沉積特征與其他沉積環(huán)境下的軟土有著明顯的差異.由于地處長江入?？冢诤＿M(jìn)海退旋回沉積過程中，于海相與河流相交互更迭沉積作用下，其間常夾有厚度較大的砂層，表現(xiàn)為粉砂與淤泥質(zhì)黏土交互沉積、成層疊置.淤泥質(zhì)黏土土質(zhì)不均勻，含少量碎貝殼.利用薄壁取土器采取現(xiàn)場軟土樣，室內(nèi)試驗得到軟土的物理力學(xué)指標(biāo)(見表1).

表1 軟土的物理力學(xué)性質(zhì)

2 孔隙結(jié)構(gòu)測試原理與方法

基于壓汞試驗的孔隙結(jié)構(gòu)分析是將土中孔隙假定為等效的圓柱狀孔隙.如果液體對于被測試材料不浸潤，即浸潤角θ ＞90°，則表面張力將阻止液體進(jìn)入孔隙，然而對液體施加一定壓力后，外力可以克服此阻力使液體進(jìn)入到孔隙中.由此，充滿某孔隙所需的壓力便成為相應(yīng)孔徑大小的度量.壓汞試驗測定土中孔隙分布的依據(jù)便是非浸潤性液體(汞)在逐級增大的壓力作用下依次進(jìn)入固體顆粒(土樣)內(nèi)部更小級別的孔隙中.其測試方法是將待測試樣裝入特征容器，先預(yù)抽真空，然后注入汞.在不同的外加壓力下，汞將進(jìn)入一定大小的孔隙中，若施加在容器中汞上的壓力為P，則汞可進(jìn)入的孔隙直徑D 滿足Washburn［8］公式:

式中，γ 為汞的表面張力，θ 為汞與試樣表面的接觸角，均為常數(shù).由式(1)可知，隨著壓力P 的增加，汞將進(jìn)入更細(xì)小狹窄的孔道，表現(xiàn)為進(jìn)入試樣中的汞量不斷增加.利用壓汞儀將汞用不同壓力注入到土樣孔隙中，記錄每級壓力下的進(jìn)汞量，由式(1)即可計算得到相應(yīng)的進(jìn)汞孔隙的直徑，據(jù)此就可得到試樣內(nèi)部的孔隙分布特性.孔徑分析采用美國康塔公司PoreMaster-60 型壓汞儀，試驗中汞的表面張力取0.480 N/m，汞與黏土材料間的接觸角取140°.本次試驗中進(jìn)汞壓力范圍為0.001 5～276 MPa，相應(yīng)的孔徑范圍為0.005～238 μm.

為保證測試樣品結(jié)構(gòu)擾動最小，壓汞試樣的制備采用真空冷凍干燥技術(shù)［1］，即采用極低的溫度將試樣快速冷凍，使試樣中的水分形成無體積膨脹的非結(jié)晶質(zhì)的冰［9］，然后將土樣迅速轉(zhuǎn)入溫度略高的真空環(huán)境下，令土中非結(jié)晶質(zhì)的冰升華干燥.這樣既可以去除試樣中的水分，又能保持土樣的原始結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化.樣品凍干處理過程采用南京先歐生物科技有限公司生產(chǎn)的Xianou-12N 型冷凍干燥機(jī).試驗中首先將土樣在－80 ℃下冷阱中快速凍結(jié)30 min，然后在低溫環(huán)境下連續(xù)抽真空24 h，待試樣中的水分被完全去除后置于干燥器中保存?zhèn)溆?

3 壓汞試驗結(jié)果與分析

3.1 原狀土孔隙分析

本文在對軟土的孔隙特性進(jìn)行研究時主要從2 方面進(jìn)行分析:①孔隙直徑與該孔徑對應(yīng)的歸一化累計進(jìn)汞量關(guān)系曲線;②孔徑與在相應(yīng)孔徑處的微分孔容(dV/dlogD)關(guān)系曲線，即孔徑分布曲線［10］.實際上軟土中的孔隙結(jié)構(gòu)是具有層次性的，Shear 等［11］將土中孔隙根據(jù)尺寸大小劃分為如下幾個層次:直徑小于0.014 μm 的孔隙為顆粒內(nèi)孔隙，0.014～1.800 μm 的孔隙為顆粒間孔隙，1.800～70 μm 的孔隙為團(tuán)粒內(nèi)孔隙，70～4 000 μm 的孔隙為團(tuán)粒間孔隙.

圖1為現(xiàn)場軟土原狀樣孔徑與壓汞試驗中相應(yīng)的累計進(jìn)汞量之間的關(guān)系曲線.從圖中可知，進(jìn)汞主要集中在直徑為0.01～5 μm 的孔隙范圍內(nèi)，即孔隙組成中包含了顆粒內(nèi)、顆粒間和團(tuán)粒內(nèi)3 種孔隙.30 m 深處軟土微觀孔隙體積含量最大，因為單位質(zhì)量土樣進(jìn)汞量最高，達(dá)到0.25 mL/g;26 m 深處微觀孔隙體積次之，為0.19 mL/g;21 m深處微觀孔隙體積最小，因而總進(jìn)汞量最小，僅為0.16 mL/g.

圖1 軟土原狀樣孔徑與累計進(jìn)汞量關(guān)系曲線

圖2為現(xiàn)場軟土原狀樣壓汞試驗所得孔徑分布規(guī)律，反映了土中相應(yīng)直徑的孔隙體積所占的比例.由圖中各孔徑分布曲線形態(tài)可知，21 和26 m深度原狀土樣中包含2 類孔隙:一類是少量的大直徑孔隙，孔徑為5～200 μm，此類孔隙大小不等，呈多級分布特征;另一類孔隙直徑為0.02～2 μm，此類孔隙在總孔隙中所占比重較大.例如21 m 深處，軟土進(jìn)汞孔隙的峰值孔徑以0.865 μm 為主，其次是少量的以8.52，11.8，18.3 和86.7 μm 為峰值孔徑的大孔隙.26 m 深處軟土進(jìn)汞孔隙的峰值孔徑以0.351 μm 為主，其次是少量的以7.99，71 和135 μm為峰值孔徑的大孔隙.軟土在30 m 深度處其孔徑主要以0.005～5 μm 的微孔為主，進(jìn)汞孔隙的峰值為1.3 μm，只含極少量的大直徑孔隙.

圖2 現(xiàn)場軟土原狀樣壓汞試驗所得孔徑分布情況

根據(jù)Shear 等［11］對黏土中孔隙類型的劃分可知，接線工程沿線下部淤泥質(zhì)黏土在3 個深度處的微觀孔隙以顆粒間孔隙為主，其次是少量的團(tuán)粒內(nèi)和團(tuán)粒間孔隙.比較3 個深度軟土樣的孔隙分布特征后發(fā)現(xiàn)，21 和26 m 深度原狀軟土樣在研究采用的進(jìn)汞壓力下未檢測到顆粒內(nèi)孔隙的存在，而顆粒間孔隙的孔徑分布范圍基本一致，都是0.02～2 μm，但21 m 深處單位質(zhì)量軟土中微觀孔隙體積較26 m 深處少.此外，30 m 深處軟土原狀樣的微孔部分，除了顆粒間孔隙外還存在一部分顆粒內(nèi)孔隙，即孔徑小于0.014 μm 的孔隙.對于軟土中的大孔隙部分，即團(tuán)粒內(nèi)和團(tuán)粒間孔隙，21 m 深處軟土較26 m 深處軟土中大孔隙的孔徑分布更加連續(xù)和均勻，30 m 深處軟土僅含極少量的團(tuán)粒內(nèi)和團(tuán)粒間孔隙.

Tanaka 等［12］對日本大阪海灣黏土及Ninjgarav 等［13］對韓國釜山黏土的壓汞試驗發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的增加，軟土壓汞試驗所得孔徑分布曲線下方與x 軸所圍區(qū)域的面積變小.此外，主要孔隙的孔徑隨深度也略有減小.這說明隨著自重應(yīng)力的增大，相應(yīng)的孔隙含量降低，即軟土的孔隙比有所減小.然而由圖2可知，接線工程沿線下部軟土孔徑分布與主要孔隙孔徑大小隨深度并無與前述文獻(xiàn)完全一致的變化規(guī)律.分析認(rèn)為，這與地基軟土的沉積環(huán)境和土的均質(zhì)性密切相關(guān).大阪海灣黏土和釜山黏土沿深度方向土性比較均質(zhì)，因此隨土層埋深的增加，自重應(yīng)力逐漸增大，軟土中較大的孔隙逐漸閉合，微觀孔隙部分相對集中，且主要孔隙的孔徑呈變小的趨勢.宏觀表現(xiàn)為黏土的孔隙比隨深度減小.崇啟大橋接線工程沿線下部原狀軟土的孔隙分布規(guī)律既有與一般軟黏土共同的特征，又表現(xiàn)出與其地質(zhì)成因相關(guān)聯(lián)的個性特點:(1)與21 和26 m深處軟土的微孔分布相比，30 m 深處軟土內(nèi)包含有更多的顆粒內(nèi)孔隙，即更小的孔隙.(2)26 m 深處軟土中大孔隙的分布較21 m處變得更加離散和不連續(xù)，到了30 m 深處團(tuán)粒內(nèi)和團(tuán)粒間孔隙已顯著減少，這顯然與隨深度而不斷增大的自重應(yīng)力密切相關(guān).同時，3 個不同深度樣品的微觀孔隙的主要孔徑并非嚴(yán)格按照隨深度依次減小的規(guī)律，這是由于海陸交互相這一動態(tài)多變的沉積環(huán)境造成的，宏觀表現(xiàn)為軟土的物理力學(xué)性質(zhì)在空間上的非均質(zhì)性.

圖3為現(xiàn)場軟土21 和30 m 深處采取的原狀樣掃描電鏡照片.通過對比可以看出，21 m 深處軟土中含有孔徑大小不等的多級孔隙，而30 m 深處軟土樣品總體較密實，幾乎沒有大孔隙，主要為直徑較小的顆粒間和顆粒內(nèi)孔隙.通過對土樣微觀結(jié)構(gòu)電鏡圖片的分析，直觀地驗證了上述壓汞試驗所得到的結(jié)論.

圖3 軟土21 和30 m 深原狀樣掃描電鏡照片(1 500 ×)

3.2 流變土樣孔隙分析

在土樣流變試驗結(jié)束時，對樣品卸載，靜置0.5 h后從固結(jié)儀中拆樣，并迅速進(jìn)行凍干處理.圖4為現(xiàn)場軟土21 m 深處原狀樣和土樣在1.6 MPa固結(jié)壓力下經(jīng)歷7 d 流變后的樣品孔徑與累計進(jìn)汞量之間的關(guān)系曲線.進(jìn)汞曲線在某孔徑處出現(xiàn)陡升的現(xiàn)象表明，相應(yīng)壓力下汞進(jìn)入直徑更小一級的孔隙，進(jìn)汞曲線的爬升表明在相應(yīng)孔徑范圍中汞的不斷壓入.從圖4可知，原狀樣大于1 μm 的大孔隙的體積明顯高于流變樣.從圖4還可看出，相應(yīng)于直徑小于1 μm 的微孔區(qū)間，流變樣的進(jìn)汞量高于原狀土樣，而且其初始進(jìn)汞孔徑也較原狀樣更小.在測試壓力范圍內(nèi)，當(dāng)考察孔徑小于0.05 μm后，原狀樣不再進(jìn)汞，而流變樣進(jìn)汞量仍有增加，表明流變樣中存在直徑更微小的孔隙.

圖4 21 m 深原狀樣和流變樣孔徑與累計進(jìn)汞量關(guān)系曲線

圖5為現(xiàn)場軟土21 m 深原狀樣和流變樣壓汞試驗所得孔徑分布規(guī)律.由圖中孔徑分布曲線形態(tài)可知，與原狀樣孔隙分布規(guī)律不同，流變樣中基本沒有大孔隙，主要以直徑0.005～2 μm 的小孔隙即顆粒間及顆粒內(nèi)孔隙為主，孔徑分布曲線峰值在0.35 μm 處.比較2 種樣品孔隙結(jié)構(gòu)的差異性可知，經(jīng)歷固結(jié)壓縮特別是蠕變變形后，軟土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重分布，原狀軟土中大孔隙含量明顯減少.此外，有學(xué)者對結(jié)構(gòu)性土研究后認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，土中大中孔隙的含量明顯減少，小孔隙含量銳減，整體孔隙空間的孔徑趨于均勻［2，14］.崇啟大橋接線工程沿線下部軟土流變樣所受固結(jié)壓力顯然已超過結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，同樣表現(xiàn)出大孔隙減少、孔徑分布均勻化的趨勢.但接線工程軟土流變樣中小孔隙部分所對應(yīng)的進(jìn)汞孔隙峰值有所減小，而且小孔隙的總體含量有所增加.這一現(xiàn)象可從2 方面進(jìn)行解釋:一是接線工程沿線軟土的不均質(zhì)性，即用于壓汞測試的原狀樣和流變樣初始結(jié)構(gòu)略有差異;二是經(jīng)歷固結(jié)流變過程后，原狀結(jié)構(gòu)破壞，黏土礦物顆粒錯位滑移和調(diào)整，團(tuán)粒間、團(tuán)粒內(nèi)和顆粒間較大的孔隙被擠密消失，但同時有一小部分顆粒間孔隙轉(zhuǎn)化生成為顆粒內(nèi)孔隙.

圖5 21 m 深原狀樣和流變樣壓汞試驗所得孔徑分布情況

4 結(jié)論

1)崇啟大橋接線工程沿線下部軟土為海陸交互沉積條件下形成的典型非均質(zhì)黏土.

2)下部軟土21 和26 m 深處原狀樣中以直徑0.02～2 μm 的小孔隙為主，還包含少量直徑5～200 μm 呈多級分布的大孔隙.30 m 深處軟土中則以0.005～5 μm 直徑的微孔為主，僅含極少量的大直徑孔隙.

3)軟土在3 個深度處微觀孔隙以顆粒間孔隙為主，其次是少量的團(tuán)粒內(nèi)和團(tuán)粒間孔隙.21，26和30 m 深處原狀軟土微孔部分別以0.865，0.351和1.3 μm 為主.

4)經(jīng)歷固結(jié)壓縮和蠕變變形后，軟土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重分布，軟土中大孔隙含量明顯減少，但流變樣中小孔隙部分所對應(yīng)的進(jìn)汞孔徑峰值有所減小，而且小孔隙總體含量有所增加.

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