科威特Boubyan島土體工程特性研究

鮑樹峰，董志良，張功新，莫海鴻，房營(yíng)光

科威特Boubyan島土體工程特性研究

鮑樹峰1，2，董志良1，張功新1，莫海鴻2，房營(yíng)光2

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641；2.中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230）

基于科威特Boubyan島海港項(xiàng)目一期路橋及地基處理工程，對(duì)Boubyan島土體進(jìn)行了原位測(cè)試，并對(duì)199個(gè)原狀土樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，同時(shí)，對(duì)典型土樣進(jìn)行了淋溶前后的直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)分析結(jié)果表明：科威特Boubyan島土體屬于粉質(zhì)黏土，為超氯濱海鹽漬土，具有砂土特性，且具有低含水量、低液塑限、低靈敏度、低強(qiáng)度（遇水易失穩(wěn)崩解）、高壓縮性等典型鹽漬土的工程特性；自然成因、可溶鹽含量和顆粒表面電荷密度是Boubyan島土體具有低強(qiáng)度、低液塑限等宏觀工程特性的主要因素。

科威特Boubyan島；原位測(cè)試；室內(nèi)試驗(yàn)；土體工程特性

1 工程背景

科威特Boubyan島位于波斯灣東北部，面積約為888 km2，是科威特9個(gè)島嶼中最大的一個(gè)，地勢(shì)平坦，人跡罕至，年平均降雨量約100 mm，年平均溫度約為45℃。Boubyan島是由許多懸浮狀的高含鹽量細(xì)顆粒物（如粉土顆粒、黏土顆粒以及膠狀顆粒）隨著潮水不斷沉積而形成的，屬于三角洲沉積物和海相沉積物。

基于科威特Boubyan島海港項(xiàng)目一期路橋及地基處理工程，沿線布置了34個(gè)鉆孔，鉆孔深度均為35 m。地質(zhì)鉆孔資料表明［1－2］：地下水位于深部的砂層中，為承壓水；島嶼的土層分布從上至下依次為較薄的地表硬殼層（遇水易軟化）、厚度為20～25 m的非常軟－軟黏質(zhì)粉土層（標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)值為10擊左右）、中等密實(shí)－密實(shí)粉砂層（標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)值為50擊左右）；有時(shí)，局部夾雜著中等硬度－硬狀黏質(zhì)粉土層（標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)值為15～40擊）；島嶼東部和西部的軟土層厚度降至10～20 m；Boubyan島土體屬于濱海鹽漬土。

濱海鹽漬土是港灣工程中常見(jiàn)的具有特殊工程特性的一種軟土，形成于經(jīng)常受海潮侵襲、海水浸漬的有強(qiáng)烈蒸發(fā)和毛細(xì)作用的濱海地區(qū)，其最大特點(diǎn)是所含鹽的成分與海水一致，都以氯化鈉為主；表層土含鹽量高一些，下臥土層也含有較高的可溶鹽，含鹽量分布比較均勻［3］。濱海鹽漬土處于特殊的水文地質(zhì)環(huán)境以及具有與內(nèi)陸性軟土不同的特性成因，致使其具有與內(nèi)陸性軟土明顯不同的物理力學(xué)性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)濱海鹽漬土的物理力學(xué)特性進(jìn)行了較多的研究［4－6］，然而，到目前為止，還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)科威特Boubyan島土體的工程特性進(jìn)行系統(tǒng)地研究和報(bào)導(dǎo)。

本文基于科威特Boubyan島海港項(xiàng)目一期路橋及地基處理工程，對(duì)Boubyan島土體進(jìn)行了原位測(cè)試（十字板剪切試驗(yàn)VST、孔壓靜力觸探試驗(yàn)CPTU），并對(duì)199個(gè)原狀土樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)（三軸試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)與成分分析、電化學(xué)特性），同時(shí)，對(duì)典型土樣進(jìn)行了淋溶前后的直剪試驗(yàn)。然后，基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)巴比延島土體的工程特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

2 現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試結(jié)果分析

2.1 孔壓靜力觸探試驗(yàn)（CPTU）

基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IRTP（International Reference Test Procedure），采用瑞典ENVI公司的無(wú)線靜力觸探設(shè)備沿線進(jìn)行了37個(gè)孔壓靜力觸探試驗(yàn)（CPTU）。試驗(yàn)結(jié)果表明［2］：地表以下0～20 m范圍內(nèi)的錐尖阻力qc幾乎都小于1 MPa。

圖1為ECPT－3和Borehole16C 2個(gè)典型鉆孔的孔壓消散曲線。根據(jù)圖1可知，孔壓的消散時(shí)間隨著深度的增加而減少。

基于孔壓消散的相關(guān)數(shù)據(jù)［7］，結(jié)合Baligh＆Levadoux（1980）關(guān)于水平向固結(jié)系數(shù)Ch的計(jì)算公式，可計(jì)算出不同深度的水平向固結(jié)系數(shù)，統(tǒng)計(jì)如表1。

圖1 典型鉆孔ECPT－3和Borehole16C的孔壓消散曲線Fig.1 Pore-water pressure dissipation curves for representative borehole ECPT－3，and Borehole16C

表1 不同深度Ch統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of Chin different depths

2.2 十字板剪切試驗(yàn)（VST）

基于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AASHTO T－223，采用美國(guó)Acker Drill公司的十字板試驗(yàn)設(shè)備沿線進(jìn)行了35個(gè)十字板剪切試驗(yàn)，測(cè)試的深度間隔為2 m。

土層中各個(gè)深度的原位抗剪強(qiáng)度SU和靈敏度St分別統(tǒng)計(jì)如表2。根據(jù)表2可知，地表以下深度為2.5～24.5 m范圍內(nèi)的土體抗剪強(qiáng)度值基本呈增大趨勢(shì)，屬于中等范圍，土體靈敏度≤1.5，屬于不靈敏土體，說(shuō)明土體結(jié)構(gòu)性不明顯，顆粒間的膠結(jié)性不強(qiáng)。

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原狀土樣表觀分析

基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1377：1990：Part－9，在鉆孔BH－P2中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)采用內(nèi)徑為72 mm的薄壁取土器收集了不同深度的原狀土樣，如圖2所示。

表2 SU和St統(tǒng)計(jì)表［2］Table 2 Summary of S and S［2］Ut

圖2 鉆孔BH－P2不同深度的原狀土樣Fig.2 Undisturbed soil samp les from different depths of borehole BH－P2

不同深度的原狀土樣表觀分析結(jié)果表明：隨著深度的增加，土體的硬度逐漸增大；從3個(gè)深度的土樣中分別制備了若干個(gè)球狀土樣，烘干24 h后，放入事先備好的淡水中，大約0.5 h后，球狀土樣均迅速崩解成細(xì)顆粒狀態(tài)。將崩解后的土顆粒重新制備成球狀土樣，烘干24 h后，再次放入淡水中，就不存在崩解現(xiàn)象了。這種崩解現(xiàn)象即為鹽漬土浸水后的溶陷性。AL－Amoudi［8］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，鹽漬土的溶陷性，如可溶鹽如氯化鈉的溶解，可明顯影響其穩(wěn)定性。

3.2 Boubyan島土體室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果分析

基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1377：1990：Part－2對(duì)來(lái)自Boubyan島沿線的199個(gè)土樣進(jìn)行了含水量W、液塑限（WL，WP）、顆粒分析、一維固結(jié)特性（CV，CC，av1－2，Es1－2）、三軸試驗(yàn)（Sr，C′，?′）等常規(guī)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

由表3可知：Boubyan島土體的天然含水率在17%～35.4%之間，基本處于液限含水率附近；土體液限值（WL）基本都大于相應(yīng)的含水量（W）；液限和塑限含水量分別為26%～38%和19%～31%，較一般三角洲相的土體低；顆粒組成主要為粉粒和黏粒，且粉粒含量＞黏粒含量；塑性指數(shù)（IP）基本上都在11～17之間，位于“A”線以上；土的壓縮系數(shù)av1－2≥0.5 MPa－1。因此，Boubyan島土體具有低含水量、低液塑限、高壓縮性等性質(zhì)，且地表以下0～25 m范圍內(nèi)的土體基本上都屬于粉質(zhì)黏土。

然而從三軸試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，Boubyan島土體具有黏聚力較低而內(nèi)摩擦角較高的特點(diǎn)，除了地表以下5 m和19 m深度處的黏聚力稍大、地表以下7 m深度處的內(nèi)摩擦角較小以外，其余各深度處的黏聚力C′＝0，內(nèi)摩擦角φ′＝26°～36°，因此，Boubyan島土體還具有砂土特性。

3.3 Boubyan島土體礦物組成及電化學(xué)特性分析

基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1377：1990：Part－3對(duì)Boubyan島土體典型土樣進(jìn)行了可溶鹽含量、礦物成分陽(yáng)離子交換等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表4。表4中的顆粒表面電荷密度由實(shí)測(cè)的陽(yáng)離子交換量與總比表面積換算求出，其中前者采用乙酸銨交換法［9］測(cè)得，后者采用乙二醇乙醚吸附法［10］測(cè)得。

由表4可知：Boubyan島土體的可溶鹽含量高達(dá)13.4%～20.9%，成分主要為氯鹽，且C（CL－）／2C（SO4

2－）＞2，而顆粒表面電荷密度較低。根據(jù)我國(guó)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021—2001）可知，Boubyan島土體屬于超氯濱海鹽漬土。同時(shí)，礦物成分分析表明該土樣的黏土礦物含量為35.4%，少于一般沿海地區(qū)軟土（黏土礦物＞50%）［11］。

表3 Boubyan島199個(gè)原狀土樣常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Results of laboratory test on 199 undisturbed soil sam ples from Boubyan Island

表4 Boubyan島典型土樣礦物組成及電化學(xué)特性測(cè)試結(jié)果Table 4 M ineral com position and electrochem ical properties of representative soil samples from Boubyan Island

3.4 Boubyan島土體典型土樣直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)的試樣為擾動(dòng)土，直徑和高度分別為61.8 mm和20 mm。為分析含鹽量和含水量對(duì)Boubyan島土體抗剪強(qiáng)度的影響，分別配制了含水率為液塑限之間、含水率為液限附近的2種環(huán)刀試樣。然后，基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1377：1990：Part－2分別進(jìn)行了2次試驗(yàn)，第1次試驗(yàn)利用原擾動(dòng)土進(jìn)行測(cè)試，第2次試驗(yàn)前用淋溶法將土樣中的可溶鹽反復(fù)濾除，以降低可溶鹽含量后再進(jìn)行測(cè)試。采用固結(jié)快剪法進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速率為0.8 mm／min。固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果列于表5，表6為淋溶前后試樣的界限含水量變化情況。

表5 淋溶前后擾動(dòng)土樣的固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of direct shear test on disturbed soil samp les before and after eluviations

表6 淋溶前后土樣的液塑限Table 6 Atterberg lim its of disturbed soil samples before and after eluviations

表5的試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于含水量在液塑限之間的試樣1，淋溶后的黏聚力與內(nèi)摩擦角均有所降低；而對(duì)于含水量處于液限含水率附近的試樣2，淋溶后的黏聚力有所提高，內(nèi)摩擦角則有所降低，且100 kPa和200 kPa固結(jié)壓力下的抗剪強(qiáng)度也稍有下降。無(wú)論是淋溶前還是淋溶后，土的黏聚力和摩擦角與含水量成反比。因此，含鹽量與含水量對(duì)土樣的抗剪強(qiáng)度有明顯的影響。

而表6的試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)淋溶濾除大部分可溶鹽后土樣的液限和塑限含水率均有顯著的提高，其提高幅度分別達(dá)到了29.4%和48.1%。因此，擾動(dòng)土樣的界限含水量也明顯受含鹽量的影響。

綜合分析現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，Boubyan島土體屬于粉質(zhì)黏土，為超氯濱海鹽漬土，具有砂土特性，具有低含水量、低液塑限、低靈敏度、低強(qiáng)度（遇水易失穩(wěn)崩解）、高壓縮性等典型鹽漬土的工程特性。

4 Boubyan島土體強(qiáng)度特性分析

土體強(qiáng)度的變化并不是單純的力學(xué)過(guò)程，而是一個(gè)與土體的顆粒組成、物理化學(xué)性質(zhì)及其所處的環(huán)境密切相關(guān)的化學(xué)－力學(xué)過(guò)程［12］。下文基于現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，從科威特Boubyan島土體的特殊成因和工程特性形成的微觀機(jī)制和機(jī)理來(lái)分析其特殊的強(qiáng)度特性。

4.1 Boubyan島土體的自然成因

Boubyan島土體的低強(qiáng)度（遇水易失穩(wěn)崩解）、低液塑限等工程性質(zhì)與當(dāng)?shù)靥厥獾臍夂颉⒌乩?、水文等條件密切相關(guān)。

該地區(qū)屬于熱帶沙漠氣候。夏季日間平均氣溫可達(dá)45℃，異常干旱炎熱，而冬季夜間最低溫度7.2℃。月平均降水量最高僅25.5 mm，年平均降雨量約為100 mm。在海相環(huán)境下，土顆粒在該島的近岸地區(qū)沉積而形成了濱海鹽漬土陸地。顆粒分析結(jié)果（表3）表明：該島土體顆粒組成主要為極細(xì)的粉粒和黏粒，有較強(qiáng)的吸附鹽的能力，毛細(xì)水上升高度大。

島嶼受到海潮有規(guī)律性的侵襲，退潮后經(jīng)烈日暴曬，致使海水中的部分鹽分因地面的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用而析出并累積于土中，因此，往往使島嶼表面形成厚度不大的鹽殼層。可溶鹽（主要為氯鹽）的膠結(jié)作用使地表的鹽殼層在干燥狀態(tài)下非常堅(jiān)硬，然而，一旦吸潮或浸水，可溶鹽迅速溶解，鹽殼就會(huì)軟化崩解，這是導(dǎo)致Boubyan島土體低強(qiáng)度的直接原因。

4.2 Boubyan島土體強(qiáng)度特性的機(jī)理分析

Gouy-Chapman理論［11］指出，帶負(fù)電荷的黏土顆粒表面形成的微電場(chǎng)，使顆粒表面吸附具有高黏性的結(jié)合水膜。結(jié)合水膜的厚度在一定程度上表征液限和塑性指數(shù)的范圍，從而影響土體的物理力學(xué)性質(zhì)。因此，隨著土顆粒表面電荷密度的提高，形成微電場(chǎng)的強(qiáng)度增大，吸附的結(jié)合水膜厚度增加，液限和塑性指數(shù)提高。然而，土體中的可溶鹽等電解質(zhì)溶解于孔隙水中，使孔隙水的離子濃度提高，使顆粒表面吸附的結(jié)合水膜厚度變小，因此，液限和塑性指數(shù)隨之減小。

因此，下面分別從土體中的可溶鹽含量和土顆粒表面電荷密度2方面因素對(duì)Boubyan島土體的物理力學(xué)特性進(jìn)行分析。

Boubyan島土體的含鹽量高，可溶鹽溶解于孔隙水中后，使孔隙水的離子濃度提高，使顆粒表面吸附的結(jié)合水膜厚度變小，致使顆粒之間的相互運(yùn)動(dòng)阻力大。雖然土體顆粒細(xì)小，但還是比正常含鹽量的土（如淋溶后的Boubyan島土體）表現(xiàn)出較大的內(nèi)摩擦角以及較低的液塑限和塑性指數(shù)，如表5和表6所示。

土體的黏聚力與顆粒間的膠結(jié)狀況有關(guān)。如表5所示，Boubyan島土體經(jīng)淋溶后，顆粒間的可溶鹽結(jié)晶膠結(jié)作用仍未發(fā)揮出來(lái)，致使表觀內(nèi)聚力較小，而且，由于顆粒間的鹽結(jié)晶膠結(jié)不強(qiáng)，擾動(dòng)前后的表觀內(nèi)聚力變化不大，因而土的靈敏度較小。再如表5中的Boubyan島土體試樣2，淋溶前后的含水量均接近相應(yīng)狀態(tài)下的液限值，但淋溶前后的強(qiáng)度特性有明顯區(qū)別。因此，可溶鹽含量對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度有明顯的影響。

陽(yáng)離子交換當(dāng)量表征顆粒表面所帶的負(fù)電荷密度，不同礦物成分的陽(yáng)離子交換當(dāng)量差異較大。顆粒表面電荷密度大，顆粒表面的結(jié)合水膜厚度就大，使土體具有較高的液塑限和塑性指數(shù)以及較小的內(nèi)摩擦角。一般而言，土體中強(qiáng)親水礦物含量越多，液塑限和塑性指數(shù)就越高，內(nèi)摩擦角通常就越?。环粗?，表現(xiàn)出液塑限和塑性就較低，內(nèi)摩擦角就較大。Boubyan島土體中強(qiáng)親水礦物較少，特別是蒙脫石含量較少，非黏土礦物成分較多（＞60%），如表4所示，因此，其顆粒表面電荷密度明顯較低，進(jìn)而導(dǎo)致較低的液塑限和塑性指數(shù)以及較大的內(nèi)摩擦角，如表5和表6所示。

綜上所述，自然成因、可溶鹽含量和顆粒表面電荷密度是科威特Boubyan島土體具有低強(qiáng)度（遇水易失穩(wěn)崩解）、低液塑限等宏觀工程特性的主要因素。

5 結(jié) 論

本文基于科威特Boubyan島海港項(xiàng)目一期路橋及地基處理工程，沿線對(duì)Boubyan島土體進(jìn)行了原位測(cè)試，并對(duì)199個(gè)原狀土樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，同時(shí)，對(duì)典型土樣進(jìn)行了淋溶前后的直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)分析結(jié)果表明：

（1）科威特Boubyan島土體屬于粉質(zhì)黏土，為超氯濱海鹽漬土，具有砂土特性，具有低含水量、低液塑限、低靈敏度、低強(qiáng)度（遇水易失穩(wěn)崩解）、高壓縮性、遇水易失穩(wěn)崩解等典型鹽漬土的工程特性。

（2）自然成因、可溶鹽含量和顆粒表面電荷密度是科威特Boubyan島土體具有低強(qiáng)度（遇水易失穩(wěn)崩解）、低液塑限等宏觀工程特性的主要因素。

［1］ BOB.Boubyan Seaport Project Phase-1 Stage-1：Road，Bridge＆Soil Improvement-Trial Embankment-Geotechnical Investigation Works-Factual Report［R］.Kuwait：Gulf Inspection International Co.，2008.

［2］ BOB.Boubyan Seaport Project Phase-1 Stage-1：Road，Bridge＆Soil Improvement：Geotechnical Investigation-Factual Report［R］.Kuwait：Gulf Inspection International Co.，2008.

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（編輯：姜小蘭）

Engineering Properties of Soils on Boubyan Island in Kuwait

BAO Shu-feng1，2，DONG Zhi-liang1，ZHANG Gong-xin1，MO Hai-hong2，F(xiàn)ANG Ying-guang2
（1.School of Civil Engineering＆Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China；2.Engineering Technology Research Co.Ltd.of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.Ltd.，Guangzhou 510230，China）

To provide support for the road，bridge and foundation treatment of Boubyan Seaport Project Stage-I in Kuwait，we performed in-situ tests on the soils along the highway and railway line on Boubyan Island，carried out laboratory tests on 199 undisturbed samples，and also conducted direct shear tests on disturbed soil samples before and after eluviations.Test results and analysis show that the soils on Boubyan Island belong to silty clays and coastal saline soilswith high content of chloride，and has a little property of sandy soils.Its engineering properties include low moisture content，low Atterberg limits，low sensibility，low shear strength（easily disintegrated），and high compressibility.Natural formation，soluble salt content and surface charge density are main causes of these properties.

Boubyan Island in Kuwait；in-situ tests；laboratory tests；engineering properties of soils

TD413.5

A

1001－5485（2012）12－0053－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.011 2012，29（12）：53－57，61

2011－09－19

亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目（2008ZA11）

鮑樹峰（1982－），男，江西婺源人，工程師，博士研究生，主要從事軟基處理、基坑以及樁基工程方面的研究，（電話）13609020225（電子信箱）42701332＠qq.com。