延慶規(guī)劃新城軟弱粘性土工程特性研究

黃 驍，陳 剛，王文霞

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100046）

延慶規(guī)劃新城軟弱粘性土工程特性研究

黃 驍，陳 剛，王文霞

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100046）

延慶規(guī)劃新城存在大面積的軟弱粘性土，嚴重影響了新城土地工程能力。本文主要針對新城地層結(jié)構(gòu)及沉積演化特點，對軟弱粘性土的物質(zhì)成分、微結(jié)構(gòu)特征以及土的物理力學參數(shù)等進行了分析，研究了該地區(qū)軟弱粘性土各項參數(shù)之間的相關(guān)性，建立了多組參數(shù)間的線性回歸方程，為日后規(guī)劃新城大規(guī)模的建設(shè)，提供了工程地質(zhì)參考和依據(jù)。

軟弱粘性土；工程特性；相關(guān)性

0 引言

軟弱粘性土是軟土的一種，主要包括高壓縮性的粘土、粉質(zhì)粘土和粘質(zhì)粉土[1]，通常是在靜水或水流緩慢、地勢低平、水體較淺、氣候溫暖的沉積環(huán)境下，形成的第四系沉積物。其具有天然含水率高，孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、滲透性小等特點[2]～[7]。在軟弱粘性土分布地段進行土建施工，在地基加固處理、邊坡支護及控制工后沉降等方面都需要采用特殊工藝[8]～[11]；同時有軟弱粘性土的地段一般為對建筑抗震不利地段，亦需加強結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防[12],[13]。延慶規(guī)劃新城位于媯水河中、下游，地基土層以湖沼相與河流相沉積互層為主，具有明顯的季節(jié)性層理，結(jié)構(gòu)松軟，富含有機質(zhì),具有明顯的粘弱粘性土特征,降低了規(guī)劃新城的土地工程能力,直接影響規(guī)劃新城的功能布局[14]。本文對研究區(qū)內(nèi)的軟弱粘土從物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、壓縮性、抗剪強度、承載力等方面進行了研究，為規(guī)劃新城后期的工程建設(shè)，提供了可靠的工程地質(zhì)技術(shù)支持。

1 軟弱粘性土空間分布特征

研究區(qū)的軟弱粘性土為新近沉積的粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土，是在河流緩慢或靜水沉積環(huán)境下沉積形成的[14],[15]，主要分布在媯水河與蔡家河兩岸及其下游地勢低洼的廣大區(qū)域以及靳家堡-西羊坊-上阪泉一帶的山前泉水溢出地段。各地厚度不一（圖1），西卓家營、郎莊-付余屯-東小河屯、三里河-上水磨、東屯、蓮花池等地段軟弱粘性土厚度為1～3m，賈家臺、小營、大路、西辛莊一帶厚度大于5m外，其他地段的厚度均為3～5m。軟弱粘性土埋深一般為2～6m（圖2），以馬莊-西白廟-西屯-東屯-大豐營為分界線，東北部埋深一般為小于4m，局部為4～6m；西南部埋深一般為4～8m，局部大于10m。

圖1 研究區(qū)軟弱粘性土厚度分布圖

圖2 研究區(qū)軟弱粘性土埋深分布圖

2 軟弱粘性土的物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)特征

（1）物質(zhì)成分

X衍射試驗分析結(jié)果（圖3）表明，軟弱粘性土的礦物成分為石英、長石、云母、碳酸鹽以及粘土礦物等；粘土礦物成分以伊利石為主，少量高嶺石；有機質(zhì)含量為3.0%～9.5%。

圖3 研究區(qū)軟弱土X 射線粉晶衍射試驗結(jié)果

顆粒分析試驗（表1）表明，軟弱粘性土的以粉粒為主，含量為47%～49%；其次為砂粒，含量30%～40%；粘粒含量11%～22%。

（2）結(jié)構(gòu)特征

電鏡顯微圖像（圖4）表明，軟弱粘性土以砂粒、粉粒和鈣質(zhì)集粒占優(yōu)勢，含有少量的粘粒及有機質(zhì)；其微結(jié)構(gòu)主要為粒狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，石英、長石等顆粒為骨架，伊利石、高嶺石以及蒙脫石等片狀粘粒主要作為膠結(jié)物質(zhì)，填充于顆粒之間或顆粒表面上。顆粒松散排列，無定向性，有架空現(xiàn)象，孔隙較多，粘土顆粒連接在一起有的形成較大團粒，孔隙很少，有的呈蜂窩多孔狀。軟弱粘土的這種多孔松散結(jié)構(gòu)，對其強度和穩(wěn)定性影響較大，表現(xiàn)為承載力較低，壓縮變形較大，抗剪強度較低。

表1 延慶新城工作區(qū)軟弱粘性土的顆粒組成

圖4 軟弱粘性土微觀結(jié)構(gòu)特征

3 軟弱粘性土物理力學特征研究

研究區(qū)內(nèi)軟弱粘性土的天然密度1.80～2.05g/cm3，平均約1.96 g/cm3；天然含水量20.75%～33.50%，平均25.79%左右；孔隙比為0.78～0.95；液性指數(shù)0.75～1.09，平均0.88，屬軟塑-可塑狀態(tài)。本文研究了軟弱土的壓縮模量、抗剪強度、承載力等與其物理指標間的相關(guān)性。

（1）壓縮模量

壓縮模量是土的力學性質(zhì)指標之一，是判斷土的壓縮性和計算地基壓縮變形量的重要參數(shù)。研究區(qū)軟弱粘性土的壓縮模量為2.36～6.16MPa，平均值為4.51MPa；屬中高-高壓縮性土（圖5）。

圖5 研究區(qū)軟弱粘性土壓縮模量分區(qū)圖

研究區(qū)內(nèi)軟弱粘性土壓縮模量與土的孔隙比密切相關(guān)。孔隙比反映土松密程度，它與土形成過程中所受的壓力、顆粒級配和顆粒排列狀況等有關(guān)。區(qū)內(nèi)軟弱粘性土的孔隙比為0.560～0.935，一般大于0.750。從圖6中可知，孔隙比對壓縮模量的影響較大，孔隙比越大，壓縮模量越小。如研究區(qū)內(nèi)小屯一帶的孔隙比較大，為0.75～0.85，其壓縮模量為3.14～4.0MPa，屬高壓縮性土。經(jīng)擬合，軟弱粘性土的壓縮模量ES與孔隙比e之間的關(guān)系式為：

研究區(qū)軟弱粘性土壓縮模量還與土的含水率密切相關(guān)。含水量反映土體含水多少的參數(shù)。當土體在受外力作用時，孔隙中的水便會在孔隙水壓力作用下排出，土骨架進一步壓縮。區(qū)內(nèi)軟弱粘性土的含水量為18.8%～31.44%，一般為25.0%左右。從圖7中可知，含水量對壓縮模量有顯著的影響，壓縮模量與含水量呈負相關(guān)關(guān)系，即含水量增高，壓縮模量減小，土層的壓縮變形加大。經(jīng)擬合，軟弱粘性土壓縮模量ES與含水率w之間的關(guān)系式為：Es=20e-0.06w。

圖6 壓縮模量與孔隙比的關(guān)系曲線

（2）承載力

承載力是反映土層強度和變形的重要力學指標。研究區(qū)軟弱粘性土承載力一般為100～130 kPa，最小為70 kPa，最大為130 kPa，總體上強度較低（圖8）。

圖8 研究區(qū)軟弱粘性土承載力分區(qū)圖

圖9 承載力與壓縮模量的關(guān)系曲線

（3）抗剪強度

抗剪強度主要反映土體抵抗剪切破壞的能力，它是土層重要的力學性質(zhì)指標。研究區(qū)軟弱粘性土的抗剪強度由原位十字板剪切試驗測定。試驗結(jié)果顯示，軟弱粘性土的抗剪強度一般為30～40 kPa，最小為24.7 kPa，最大為56.0 kPa（圖10）。

研究區(qū)軟弱粘性土抗剪強度與壓縮模量存在密切的關(guān)系，從圖11可以看出，軟弱粘土層抗剪強度與壓縮模量成正相關(guān)關(guān)系，即壓縮模量越大，抗剪強度越大。經(jīng)擬合，軟弱粘性土與壓縮模量的關(guān)系式分別為：τf=30.146Es—97.351。

圖10 研究區(qū)軟弱粘性土抗剪強度分區(qū)圖

圖11 抗剪強度與壓縮模量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)新近沉積的粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土具有軟弱粘性土特征，其微結(jié)構(gòu)主要為粒狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)；多孔松散結(jié)構(gòu)影響了軟弱粘性土的強度和穩(wěn)定性，使其具有較低的承載力和抗剪強度，壓縮變形較大。

（2）研究表明，軟弱粘性土的壓縮模量與含水量及孔隙比呈負相關(guān)關(guān)系；承載力與壓縮模量呈線性正相關(guān)關(guān)系；抗剪強度與壓縮模量成正相關(guān)關(guān)系。

5 問題與探討

（1）文章僅研究了軟弱粘性土的承載力和抗剪強度與壓縮模量的相關(guān)性，而沒有研究承載力和抗剪強度與孔隙比、液性指數(shù)等物理指標間的相關(guān)性。

（2）研究區(qū)軟弱粘性土其孔隙比一般都小于1，液化指數(shù)普遍也小于1，與傳統(tǒng)意義上的軟土具有一定的差別，其物理特性的變化是否與地區(qū)多年地下水位下降有關(guān)，有待進一步開展相關(guān)研究。

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Study on Engineering Properties of Soft Clay in the Yanqing Planning New Town

HUANG Xiao，CHEN Gang，WANG Wenxia

( Beijing Institute of Geological Engineering, Beijing 100046)

Yanqing planning new town exists large area of soft clay, which causes a serious impact on the land’s engineering capabilities. In this paper, according to the characteristics of the stratigraphic structure and sedimentary evolution, the soft clay material composition, microstructure characteristics and soil physical and mechanical parameters were studied, and the correlation among the parameters of the weak cohesive clay were analyzed. As a result, we have established a linear regression equation on multiple sets of parameters, which can provide the engineering geology reference and basis for the future construction of the new city.

Soft clay；Engineering properties；Correlation

TU442

A

1007-1903（2014）01-0033-05

黃 驍（1974- ），男，注冊土木（巖土）工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計與施工、地質(zhì)災害評估。E-mail: huangxiaomail@163.com