軟土工程特性研究
——以南京鼓樓濱江段為例

唐　波, 張莉萍, 曹建軍, 徐甲存, 王艷波

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,江蘇 南京　210022)

0　引言

南京地區(qū)地處長(zhǎng)江中下游,沿江兩岸漫灘地貌上廣泛分布軟弱地基土。該土具有高含水量、高壓縮、高孔隙比,低承載力、低滲透性系數(shù)、低抗剪強(qiáng)度等工程特性。隨著城市建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程,南京市長(zhǎng)江沿線基本建設(shè)巨大,但多次出現(xiàn)因軟土所帶來的崩岸、滑坡以及建筑物的過大沉降與不均勻沉降問題,給周邊居民人身及財(cái)產(chǎn)安全帶來很大影響。

按照中國(guó)軟土分布區(qū)域圖,南京屬于Ⅱ—中部地區(qū)[1]。不同地區(qū)、不同成相軟土表現(xiàn)的工程特性并不相同,對(duì)長(zhǎng)江南京鼓樓濱江段軟土的工程特性進(jìn)行研究,對(duì)評(píng)價(jià)其工程地質(zhì)條件,準(zhǔn)確進(jìn)行軟土地基的沉降計(jì)算、合理的地基處理設(shè)計(jì)及岸坡穩(wěn)定性分析等具有重要的理論與實(shí)踐意義。

文章以南京鼓樓濱江段(長(zhǎng)江右岸三汊河河口—長(zhǎng)江大橋)所揭示的軟土為研究對(duì)象,在分析其成因及分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,進(jìn)而通過大量土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)與原位測(cè)試結(jié)果分析該地區(qū)軟土物理力學(xué)參數(shù)特征及相關(guān)性,對(duì)軟土承載力、應(yīng)力歷史及變形等工程特性進(jìn)行分析研究,得出了相應(yīng)的結(jié)論。

1　工程概況及巖性特征

“南京長(zhǎng)江鼓樓濱江岸線整治工程”項(xiàng)目場(chǎng)地位于南京市鼓樓區(qū)長(zhǎng)江南岸岸邊,三汊河河口—長(zhǎng)江大橋(約4 km)。該項(xiàng)目旨在對(duì)鼓樓區(qū)長(zhǎng)江濱江段進(jìn)行環(huán)境綜合整治,工程包括:防洪墻及碼頭改造、岸坡穩(wěn)定性分析以及景觀整治等內(nèi)容,本院受業(yè)主委托進(jìn)行該項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察工作。

多年的水利工程實(shí)踐表明,長(zhǎng)江南京鼓樓濱江段為軟土廣泛分布區(qū)。工程沿線分布長(zhǎng)江漫灘相淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層等軟土層?？偟恼f來,該場(chǎng)地軟土層屬第四紀(jì)沉積層,地質(zhì)年代較近,其地層構(gòu)造特征是土層較厚,層理比較明顯。土層分布雖較均勻且具有一定規(guī)律性,但土層的起伏和厚薄仍有較多的變化。從整個(gè)區(qū)域地層構(gòu)造來看,大體上可劃分為四種基本類型(圖1)。

圖1　南京鼓樓濱江段典型地質(zhì)剖面圖

第一層為人工填土。有①1雜填土,局部分布,含建筑垃圾或工業(yè)廢料等;①2塊石,堤外水下分布較廣,多年人工拋石固基所致;①素填土,由粉質(zhì)粘土、粉土組成,廣泛分布。人工填土的厚度變化規(guī)律性不強(qiáng),一般較薄。

第二層為表層土或稱硬殼層。②粉質(zhì)粘土,灰褐色,軟塑—可塑,厚度1～3 m,但因人類活動(dòng)或古河道切割而厚薄不均,甚至缺失。該表層土可作為淺基礎(chǔ)持力層,但設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行軟弱下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算。

第三層軟土層是南京鼓樓濱江地段的代表性土層。該層包括③1淤泥、③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,以及③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層等類型?；疑?流塑狀態(tài),夾薄層粉砂,具有典型的“千層餅”狀。其中,③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層分布廣、埋深淺、厚度大,對(duì)工程建設(shè)影響大,為本文主要研究對(duì)象。

第四層為粉砂層。④粉砂,灰色,中密—密實(shí),土質(zhì)不甚均勻,局部夾粉質(zhì)粘土薄層,埋深較大、厚度較大,層位穩(wěn)定。該層是良好的樁基持力層。

2　工程特性研究

2.1　一般物理、力學(xué)性質(zhì)

通過對(duì)南京鼓樓濱江段(三汊河河口—長(zhǎng)江大橋段)③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層等進(jìn)行的大量室內(nèi)土工試驗(yàn)分析(表1、表2),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試等數(shù)據(jù)結(jié)果,該兩層軟土具有軟土所共有的“三高三低”等工程特性。

表1　軟土層主要物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值表

表2　軟土層主要力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值表

表3　軟土層滲透系數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值表

2.1.1高含水量、高壓縮性、高靈敏度

由表1含水率、飽和度及液限統(tǒng)計(jì)值可以看出,該工程段軟土的含水量較高,土性狀態(tài)為軟流塑,飽和度接近于1。天然含水率高于液限,孔隙比>1.0,根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009年版)進(jìn)而證明上述地基土屬于淤泥質(zhì)土。由表2看出,本工程段軟土層壓縮系數(shù)多>0.5,屬高壓縮性土。

由表3可知,③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之靈敏度為2.30～5.80、1.80～7.20,屬中等靈敏、靈敏結(jié)構(gòu)性土。天然粘性土通常具有一定的結(jié)構(gòu),當(dāng)外力擾動(dòng)破壞了土體天然結(jié)構(gòu)時(shí),將導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低和壓縮性增高,特別是具有較大觸變性的淤泥質(zhì)土。

與軟土靈敏度相反的是其觸變性,軟土在結(jié)構(gòu)遭擾動(dòng)后強(qiáng)度降低,當(dāng)停止擾動(dòng)后,并經(jīng)一段時(shí)間靜止后,土粒間的粘結(jié)會(huì)得到局部恢復(fù),這個(gè)過程稱軟土的觸變特性。這個(gè)過程在軟土中恢復(fù)的很慢,遭破壞的軟土恢復(fù)的更慢,即使恢復(fù)也很難達(dá)到原有的狀態(tài),施工時(shí)需注意,減少對(duì)軟土的擾動(dòng)。

2.1.2低密度、低強(qiáng)度、低滲透性

由表1看出,本工程軟土層的天然容重在16.8～19.2 kN/m3,平均值17.8～18.0 kN/m3,密度低;由表2看出,無論是采取直剪快剪、三軸剪切、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)方法,還是現(xiàn)場(chǎng)的靜力觸探、十字板試驗(yàn)等原位測(cè)試手段,獲得的軟土強(qiáng)度指標(biāo)都比較低。

滲透系數(shù)可用來評(píng)價(jià)土的滲透性大小,在工程建設(shè)方面有著重要意義。特別是在水利工程中,諸如降水、排水計(jì)算,水庫(渠道)滲透量計(jì)算,地下洞室及基坑涌水量計(jì)算,浸沒區(qū)預(yù)測(cè),供水工程計(jì)算等等方面都需要滲透系數(shù)指標(biāo)。

由表3可知本工程段埋深較淺的③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層的滲透性主要為微透水,局部弱透水。滲透系數(shù)小是因?yàn)檐浲恋目紫侗却蟮障缎?粘粒的吸水、親水性強(qiáng),土中含有機(jī)質(zhì)也較多,分解的氣體封閉在空隙中,使得土的滲透性變差,一般滲透系數(shù)<10-6數(shù)量級(jí)。而水平滲透系數(shù)普遍高于垂直向滲透系數(shù),主要是軟土層局部含粉砂薄層所致。

2.1.3軟土主要物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性

軟土取原狀樣較不易,通過采用較易獲得相對(duì)準(zhǔn)確的參數(shù)反演相對(duì)較難得到參數(shù)的方式,提出地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)公式,可供工程技術(shù)人員有選擇性的參考,可以為該地區(qū)的工程建設(shè)提供一定的借鑒。通過對(duì)該工程場(chǎng)地分布的③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層等軟土層各物理、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行一元線性回歸分析,獲得各參數(shù)間的規(guī)律性關(guān)系:孔隙比e與天然含水率w有良好的正相關(guān)性,且與密度ρ負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著;而壓縮系數(shù)α1-2與摩擦角φc間屬弱負(fù)相關(guān),與含水率w弱正相關(guān)關(guān)系。各參數(shù)間回歸方程及相關(guān)指數(shù)見表4。

2.2　承載力研究

在建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),建筑物基底壓力應(yīng)在地基土所允許的承載能力之內(nèi)。確定地基土承載力的方法除靜載試驗(yàn)外,通?？梢圆捎靡韵聨追N方法:

2.2.1理論計(jì)算法[2]

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)第5.2.5條款計(jì)算地基土承載力特征值fa。

fa=Mbγb+Mdγ0d+Mcck

式中:fa為由土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基土承載力特征值;Mb,Md,Mc為承載力系數(shù),根據(jù)內(nèi)摩擦角φk值查規(guī)范中相應(yīng)的表;b,d為基地寬度和埋深(取b=3.0 m,d=1.0 m);ck為粘聚力。

表4　軟土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

2.2.2土工試驗(yàn)指標(biāo)查表法[3]

根據(jù)《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ32/j12—2005)附錄F確定地基土承載力基本值,再經(jīng)回歸修正系數(shù)修正得地基土承載力特征值fak。

2.2.3經(jīng)驗(yàn)公式法

應(yīng)用靜力觸探、十字板等現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ83-2011)所列經(jīng)驗(yàn)公式等方法計(jì)算承載力特征值,靜力觸探指標(biāo),對(duì)于淤泥質(zhì)土可采用fak=29+0.063ps計(jì)算;十字板指標(biāo)數(shù)據(jù),q=2.2cu+10計(jì)算。

為方便比較,本工程③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層承載力按各方法計(jì)算的地基土承載力值特征值匯總表如表5所示。

由表5可以看出:

表5　軟土層地基土承載力特征值匯總表

(1)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)計(jì)算確定的承載力特征值高于由土工試驗(yàn)物理指標(biāo)確定的承載力特征值,這是因?yàn)榍罢叽_定的地基土承載力特征值經(jīng)過基礎(chǔ)深、寬(取b=3.0 m;d=1.0 m)修正。

(2)由室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算的承載力特征值相對(duì)于十字板、靜力觸探原位測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算的承載力特征值較低,主要是因?yàn)樵粶y(cè)試時(shí)避免了由于鉆探取樣、試樣運(yùn)輸及試驗(yàn)擾動(dòng)等因素的影響,所計(jì)算的承載力更具有一定的代表性。

2.3　固結(jié)系數(shù)及其特征研究

單純的地基承載力滿足要求對(duì)于軟土是不夠的,地基變形問題是不少工程在使用后的地基事故主因?；A(chǔ)的沉降量或沉降差(或不均勻沉降)過大等變形問題,不但會(huì)降低建筑物的使用價(jià)值,而且往往會(huì)造成建筑物的毀壞。例如水利工程中的水閘,如果閘門兩側(cè)的閘墩基礎(chǔ)產(chǎn)生過大的不均勻沉降,就會(huì)使閘門啟閉困難;對(duì)于擋水的水工建筑物,例如土壩,如果產(chǎn)生過大的沉降,將不能滿足攔洪蓄水的要求;不均沉降往往又會(huì)引起土壩的裂縫,導(dǎo)致集中滲漏,給工程帶來危害。

在軟土地基處理設(shè)計(jì)中,地基固結(jié)度計(jì)算是一項(xiàng)很重要的內(nèi)容,通常需要通過固結(jié)度計(jì)算來預(yù)測(cè)地基土強(qiáng)度增長(zhǎng)、確定加載速率、荷載分級(jí)、預(yù)壓時(shí)間等。在固結(jié)度計(jì)算中,固結(jié)系數(shù)是一個(gè)十分重要的參數(shù),可通過室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)求得,常用的方法有時(shí)間對(duì)數(shù)法和時(shí)間平方根法。文章對(duì)南京鼓樓濱江段軟土,通過對(duì)某個(gè)典型勘察鉆孔取樣試驗(yàn)分析,采用時(shí)間平方根法室內(nèi)試驗(yàn)手段獲得固結(jié)系數(shù)數(shù)據(jù),通過比較分析,進(jìn)而探討一些規(guī)律性結(jié)論,以期能對(duì)類似工程提供借鑒。根據(jù)時(shí)間平方根法求出的各級(jí)壓力下淤泥質(zhì)土的水平及垂直向固結(jié)系數(shù)見表6。

(1)固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力有較好的規(guī)律性,在較低的固結(jié)應(yīng)力(低于土的固結(jié)屈服應(yīng)力)的范圍內(nèi),固結(jié)系數(shù)較高,當(dāng)固結(jié)壓力增大到一定值(大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí))后,土的結(jié)構(gòu)性被破壞后,固結(jié)系數(shù)將不再有明顯變化,基本趨于一定值[4];

(2)水平向固結(jié)系數(shù)普遍較垂直向數(shù)值大,這主要與該工程軟土層具有明顯的夾砂層薄層有關(guān)。

對(duì)于設(shè)置豎向排水通道的深厚軟土層地基,當(dāng)土層厚度較大時(shí),土的徑向排水固結(jié)是主要的,豎向固結(jié)所占比例較小,因此,確定土的水平向固結(jié)系數(shù)尤為重要。

表6　軟土各深度處固結(jié)系數(shù)統(tǒng)計(jì)值匯總表

2.4　應(yīng)力歷史研究

軟土的應(yīng)力歷史狀態(tài)在基礎(chǔ)沉降、樁基負(fù)摩阻力計(jì)算等方面是十分重要的因素,應(yīng)力歷史狀態(tài)的反映主要通過先期固結(jié)壓力pc與超固結(jié)比OCR值等物理量來體現(xiàn)。當(dāng)OCR>1則為超固結(jié),OCR等于1則為正常固結(jié)土,OCR>1則為欠固結(jié)土[5-6]。

為了判斷本場(chǎng)地內(nèi)軟土層是否為欠固結(jié)土層,本文對(duì)工程場(chǎng)地軟土層不同深度處進(jìn)行先期固結(jié)壓力研究,分析ZK2鉆孔各深度處5組高壓回彈試驗(yàn)確定的先期固結(jié)壓力、自重應(yīng)力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)成果(表7)。先期固結(jié)壓力pc確定方法主要是根據(jù)卡薩格蘭德建議的經(jīng)驗(yàn)作圖法,通過室內(nèi)試驗(yàn)得出孔隙比e和p,利用e-lgp的關(guān)系曲線得出;而自重應(yīng)力σc計(jì)算公式如下:

式中：σc為天然地面下任意深度z處的自重應(yīng)力,kPa;n為深度z范圍內(nèi)的土層總數(shù);hi為第i層土的厚度,m;γi為第i層土的天然重度,對(duì)地下水位以下的土層取有效重度。

表7　軟土層回彈試驗(yàn)及自重應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值表

通過對(duì)比各深度范圍自重應(yīng)力與先期固結(jié)應(yīng)力,可判斷該區(qū)域內(nèi)③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層屬因固結(jié)沉降將產(chǎn)生負(fù)摩阻力的欠固結(jié)土。地基最終沉降計(jì)算也應(yīng)考慮應(yīng)力歷史等因素進(jìn)行最終沉降計(jì)算。

3　結(jié)語

(1)無論是③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,還是③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層,均屬長(zhǎng)江河漫灘相軟弱地基土,基本工程特性包括:高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低密度、低強(qiáng)度及低滲透性。

(2)靈敏度在2.3～7.2,屬中等靈敏—靈敏。

(3)對(duì)該區(qū)段軟土的強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí),特別是承載力的確定需綜合考慮土工試驗(yàn)、靜力觸探、十字板等綜合因素。

(4)水平向固結(jié)系數(shù)普遍較垂直向數(shù)值大。

(5)③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)粘土互層屬欠固結(jié)土。

建議在今后的工作中多積累經(jīng)驗(yàn),總結(jié)不同地區(qū)、不同成因類型軟土的工程特性,特別是在軟土礦物成分、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、膨脹性方面進(jìn)行研究,為準(zhǔn)確把握該地區(qū)軟土的工程特性,正確處理軟弱地基土提供可靠依據(jù)。

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