淮河入江水道崇灣段特殊軟土重塑土壓縮特性

姜　爽　黃曉波　王　喬

(1. 北京泰斯特工程檢測有限公司， 北京　102600； 2. 東南大學(xué) 交通學(xué)院， 南京　210096)

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淮河入江水道崇灣段特殊軟土重塑土壓縮特性

姜爽1黃曉波1王喬2

(1. 北京泰斯特工程檢測有限公司， 北京102600； 2. 東南大學(xué) 交通學(xué)院， 南京210096)

摘要：為研究針對(duì)淮河入江水道崇灣段堤壩下覆主要問題土層的物理力學(xué)特性，對(duì)其開展了物理、力學(xué)試驗(yàn)研究．確定了崇灣段軟土屬于有機(jī)質(zhì)土且具有一定膨脹性的特殊性狀．通過不同初始含水率的一維壓縮試驗(yàn)得到崇灣段軟土重塑土的壓縮特性．與非有機(jī)質(zhì)重塑土的壓縮特性進(jìn)行比較，明確相同e0/eL條件下崇灣段特殊軟土具有更大的壓縮性，且有機(jī)質(zhì)含量較高的土體壓縮性更大．通過引入Hong提出的重塑屈服壓力，確定了崇灣段特殊軟土重塑土的抗變形能力．相同初始含水率條件下崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力較非有機(jī)質(zhì)土更大，且有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)重塑屈服壓力更大．明確了崇灣段軟土的重塑屈服壓力可以用Hong(2010)提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測．

關(guān)鍵詞：淮河入江水道；軟土；壓縮特性；有機(jī)質(zhì)

淮河入江水道崇灣段位于京杭大運(yùn)河江都境內(nèi)的崇家灣附近，走向近南北．東側(cè)為京杭大運(yùn)河，西側(cè)為卲伯湖．崇灣段西堤為歷史險(xiǎn)工段，該段堤身、堤基下20 m深度范圍內(nèi)分布軟土層，厚度大、含水量高、強(qiáng)度低、堤身沉降不穩(wěn)定．據(jù)京杭運(yùn)河施工總結(jié)記載，施工期間淤土筑堤段共塌坡56次．

歷史上對(duì)該段采取了培高加厚、水泥土攪拌樁加固等方法進(jìn)行了處理，但一直未能根本解決堤身沉降不穩(wěn)定的問題．

為對(duì)崇灣段西堤進(jìn)行有效的加固處理，本研究針對(duì)西堤下覆兩個(gè)主要問題土層：6.5 m和13 m土體，開展相關(guān)物理、力學(xué)試驗(yàn)，從而分析其土性及力學(xué)特性．通過土體的壓縮試驗(yàn)研究該軟土的一維壓縮特性，對(duì)比分析崇灣段西堤軟土與非有機(jī)質(zhì)軟土壓縮特性的異同．通過引入Hong提出的重塑屈服壓力研究該軟土的重塑屈服壓力隨土體初始狀態(tài)的變化情況并與非有機(jī)質(zhì)土對(duì)比，分析有機(jī)質(zhì)對(duì)土體重塑屈服壓力的影響．本研究探討淮河入江水道崇灣段西堤土體的土性及力學(xué)特性，為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)．初步探索有機(jī)質(zhì)對(duì)軟土壓縮特性的影響，為有機(jī)質(zhì)對(duì)軟土力學(xué)特性影響的定量研究積累數(shù)據(jù)，具有重要意義．

1基本物理性質(zhì)

崇灣段西堤下覆6.5 m和13 m軟土顏色均為深灰色，無味，呈軟塑狀態(tài)．通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)3號(hào)孔取得土樣進(jìn)行物理特性研究，得到土體的基本物理性質(zhì)見表1，其中液塑限根據(jù)ASTM D4318[1]采用碟式液限儀和搓條法進(jìn)行測定；比重根據(jù)BS 1377-1990 part 2 clause 8[2]用中性液體煤油代替蒸餾水進(jìn)行測定；顆分根據(jù)ASTM D422[3]用比重計(jì)進(jìn)行測定；含水率和有機(jī)質(zhì)含量根據(jù)ASTM D2974[4]進(jìn)行測定；自由膨脹率根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)[5]進(jìn)行測定．

表1　土體基本物理性質(zhì)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)[6]規(guī)定：土體中有機(jī)質(zhì)含量在5%～10%時(shí)屬于有機(jī)質(zhì)土．而由表1可見，淮河入江水道土樣有機(jī)質(zhì)含量均超過5%，因此確定淮河入江水道軟土屬于有機(jī)質(zhì)土．根據(jù)根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ 112-1987)[7]中規(guī)定：自由膨脹率≥40%的土，應(yīng)判定為膨脹土．自由膨脹率為40%～65%之間膨脹潛勢為“弱”；自由膨脹率為65%～90%之間膨脹潛勢為“中”；自由膨脹率>90%膨脹潛勢為“強(qiáng)”．因此可以判斷6.5 m土樣為弱膨脹土，13 m土樣為中膨脹土．

由此可見，淮河入江水道崇灣段軟土，既具有一定的膨脹性又屬于有機(jī)質(zhì)土，而有機(jī)質(zhì)和膨脹性對(duì)土體的壓縮特性均具有重要的影響，使之成為一種工程特性較為特殊的軟土．土體的塑性圖如圖1所示，6.5 m和13 m的土體均均位于A線上方、B線右側(cè)，可以確定淮河入江水道軟土為高液限黏土．

圖1　土體塑性圖

表1可見，灣段西堤6.5 m和13 m軟土均具有較高的含水率和塑限．有研究表明，土體的液塑限與其黏粒含量及膠粒含量有著正相關(guān)關(guān)系，且王志良[8]給出了黏粒含量與土體液塑限關(guān)系的回歸曲線．同時(shí)，土體的液塑限隨有機(jī)質(zhì)含量升高有升高的趨勢，且液限隨有機(jī)質(zhì)含量增加明顯增大，塑限隨有機(jī)質(zhì)含量增加增大幅度較小[9-12]．將本文兩深度土體的液塑限與王志良[8]提出的回歸曲線進(jìn)行對(duì)比如圖2所示，可見淮河入江水道崇灣段軟土黏粒含量較高者具有較高液塑限．但兩深度土體液限均明顯高于回歸曲線，塑限也位于回歸曲線上方．可見，崇灣段西堤兩深度軟土較高的液塑限主要受土體有機(jī)質(zhì)的影響．

圖2　土體液塑限與回歸曲線對(duì)比圖

2重塑軟土壓縮特性

2.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中將6.5 m和13 m兩個(gè)深度的土體分別配制成不同初始含水率的重塑土，從而得到不同初始狀態(tài)的試驗(yàn)土樣．對(duì)各土樣進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn)，以研究淮河入江水道崇灣段特殊軟土的壓縮特性．

本文采用蒸餾水配置不同初始含水率的土樣，目標(biāo)初始含水率分別為0.8、1.2、1.6倍液限．土樣制成高度為40 mm直徑為61.8 mm的固結(jié)試樣進(jìn)行一維壓縮試驗(yàn)．為避免高初始含水率固結(jié)土樣在荷載作用下產(chǎn)生擠土現(xiàn)象，試驗(yàn)儀器采用改進(jìn)的輕型固結(jié)儀，如圖3所示，分別通過兩個(gè)加載系統(tǒng)進(jìn)行加載．改進(jìn)的輕型固結(jié)儀通過添加一個(gè)杠桿比較小的加載托盤實(shí)現(xiàn)了小應(yīng)力的加載，最小可以從0.5 kPa開始加載．

1.平衡錘；2.輕質(zhì)加壓帽；3.百分表；4.土樣盒；5.工作臺(tái)；6.調(diào)平手柄；7.水準(zhǔn)泡；8.傳統(tǒng)加載系統(tǒng)；9.新型加載系統(tǒng)；10.平衡杠桿.圖3　輕型固結(jié)儀示意圖[13]

試驗(yàn)加載等級(jí)依次為0.5、1.5、2.5、4.5、8.5、12.5、25、50、100、200、400、800和1 600 kPa．其中荷載為0.5～12.5 kPa時(shí)通過新型加載系統(tǒng)進(jìn)行加載，荷載為12.5～1 600 kPa時(shí)，通過傳統(tǒng)加載系統(tǒng)進(jìn)行加載．

主固結(jié)完成時(shí)間按照Casagrande提出的時(shí)間對(duì)數(shù)法在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中通過時(shí)間-沉降曲線來進(jìn)行確定，加載時(shí)間為3 d．土樣的初始狀態(tài)見表2．

表2　重塑土壓縮試驗(yàn)初始條件

2.2重塑土壓縮曲線

圖4　6.5 m重塑樣壓縮曲線　圖5　13 m重塑樣壓縮曲線

2.3重塑土壓縮指數(shù)

由壓縮曲線直線段斜率得到土體的壓縮指數(shù)見表3．可以看到，對(duì)于同種土體含水率越大其壓縮指數(shù)越大．對(duì)于不同土體，當(dāng)土體具有相同w0/wL時(shí)，液限較大、有機(jī)質(zhì)含量高的土體壓縮指數(shù)較大．可見，土體的壓縮特性不僅與土體的初始狀態(tài)有關(guān)，同時(shí)與土體本身的性質(zhì)有重要關(guān)系．

表3　重塑軟土壓縮指數(shù)

為綜合考慮土體的初始狀態(tài)及土體本身性質(zhì)對(duì)土體壓縮特性的影響，國內(nèi)外眾多學(xué)者引入e0/eL指標(biāo)對(duì)土體壓縮特性進(jìn)行分析，并稱之為廣義應(yīng)力狀態(tài)．其中，e0為初始孔隙比，eL為土體含水率為液限時(shí)的孔隙比．本次研究將6.5 m和13 m重塑土的壓縮壓縮指數(shù)與e0/eL關(guān)系點(diǎn)繪于圖中并與文獻(xiàn)[13-14，16]對(duì)白馬湖、連云港、溫州非有機(jī)質(zhì)黏土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示．其中白馬湖、連云港、溫州黏土的液限分別為55.6%、70.8%、64.9%～77.9%．

圖6　重塑土的壓縮指數(shù)

由圖6可見，對(duì)于有機(jī)質(zhì)土與非有機(jī)質(zhì)土均有土體壓縮指數(shù)隨e0/eL的增大而增大．相同e0/eL條件下6.5 m和13 m土體的壓縮指數(shù)均位于非有機(jī)質(zhì)土上方，13 m土體的壓縮指數(shù)位于6.5 m土體的上方．可見相同e0/eL條件下，有機(jī)質(zhì)土的壓縮性較非有機(jī)質(zhì)土的壓縮性大，且有機(jī)質(zhì)含量較大時(shí)壓縮性較大．

3重塑屈服壓力

重塑屈服壓力反應(yīng)了土體受擾動(dòng)情況下抵抗變形的能力，因此重塑屈服壓力的確定對(duì)工程具有重要意義．其確定方法與屈服壓力基本一致．文獻(xiàn)[13]應(yīng)用文獻(xiàn)[18]提出的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法對(duì)非有機(jī)質(zhì)黏土的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并且根據(jù)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到重塑土的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

(1)

式(1)將土體擾動(dòng)情況下抵抗變形能力與土體的初始狀態(tài)及土體的本身性質(zhì)聯(lián)系起來．使得土體的重塑屈服壓力可通過計(jì)算得到，對(duì)實(shí)際工程具有重要意義．

將崇灣段特殊軟土的壓縮曲線繪制于雙對(duì)數(shù)曲線中，如圖7～8所示．

圖7　6.5 m重塑樣雙對(duì)數(shù)壓縮曲線

圖8　13 m重塑土雙對(duì)數(shù)壓縮曲線

由圖7和圖8可見，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，淮河入江水道崇灣段特殊軟土的壓縮曲線清晰地呈現(xiàn)出兩段直線，其交點(diǎn)即為崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力．得到6.5 m和13 m特殊軟土初始含水率分別為0.8、1.2、1.6倍液限時(shí)的重塑土屈服壓力見表4．

表4　重塑軟土重塑屈服壓力　(單位：kPa)

將不同初始含水率重塑土的重塑屈服壓力隨含水率的變化情況點(diǎn)繪于圖中，并與非有機(jī)質(zhì)土的重塑屈服壓力進(jìn)行對(duì)比如圖9所示．

圖9　重塑屈服壓力隨初始含水率變化

從圖9可以看到，土體的重塑屈服壓力隨含水率升高而降低．對(duì)于相同初始含水率土體，淮河入江水道崇灣段特殊軟土較非有機(jī)質(zhì)土有更高的重塑屈服壓力，且有機(jī)質(zhì)含量高時(shí)重塑屈服壓力較大．這與有機(jī)質(zhì)土的高液限特性有關(guān)，相同初始含水率條件下有機(jī)質(zhì)土的液限較高，其塑性指數(shù)較低，則可塑性較低，土體重塑屈服壓力較高．

文獻(xiàn)[13]提出了重塑屈服壓力狀態(tài)與土體的液限之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，見式(2)，并稱這條曲線為重塑屈服壓力曲線SPC(suction pressure curve)．式中es為土體固結(jié)壓力達(dá)到重塑屈服壓力時(shí)土體的孔隙比．

(2)

將崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力與文獻(xiàn)[13]提出的重塑土屈服壓力經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10～11所示．本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布于經(jīng)驗(yàn)公式兩側(cè)，公式(1)～(2)能夠能夠?qū)Τ鐬扯翁厥廛浲恋闹厮芮毫M(jìn)行很好的預(yù)測．有機(jī)質(zhì)土與非有機(jī)質(zhì)土其重塑屈服壓力都與土體的初始狀態(tài)和本身性質(zhì)有相關(guān)性．其重塑屈服狀態(tài)都與土體的液限有重要關(guān)系．

圖10　重塑屈服壓力試驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)曲線

圖11　重塑屈服壓力與SPC曲線

4結(jié)論

本文針對(duì)淮河入江水道崇灣段特殊軟土的兩個(gè)主要問題土層：6.5 m和13 m埋深土體，開展物理試驗(yàn)、不同初始含水率的一維壓縮試驗(yàn)．通過與非有機(jī)質(zhì)土的壓縮特性進(jìn)行對(duì)比得到以下主要結(jié)論：

1)淮河入江水道崇灣段軟土即屬于有機(jī)質(zhì)土又具有明顯的膨脹性，是一種工程性質(zhì)較為特殊的軟土．其高液限與土體有機(jī)質(zhì)成分有重要關(guān)系．

2)對(duì)于崇灣段特殊軟土，初始含水率較高土體的壓縮曲線位于初始含水率較低土體壓縮曲線的上方．隨固結(jié)壓力增加，土體初始狀態(tài)對(duì)土體壓縮特性的影響逐漸減?。嗤琫0/eL條件下崇灣段特殊軟土的壓縮性較非有機(jī)質(zhì)土更大，且13 m土體的壓縮性大于6.5 m土體的壓縮指數(shù)．

3)崇灣段重塑軟土的重塑屈服壓力，隨土體初始含水率升高而降低．相同初始含水率條件下，崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力大于非有機(jī)質(zhì)土的重塑屈服壓力，且13 m土體的重塑屈服壓力大于6.5 m土體．崇灣段重塑軟土的重塑屈服壓力與非有機(jī)質(zhì)土均與土體的初始狀態(tài)及本身性質(zhì)有重要關(guān)系，可以用文獻(xiàn)[13]提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測．

參考文獻(xiàn)：

[1]D4318.Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils[S]．

[2]BS 1377-2 1990 Part2 clause 8：Determination of particle density[S]．

[3]D422.Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils[S]．

[4]D2974.Standard Test Methods for Moisture, Ash, and Organic Matter of Peat and Other Organic Soils[S]．

[5]GB/T 50123-1999．土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[6]GB 50021-2001．巖土工程勘察規(guī)范[S]．

[7]GB 50112-2013．膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[S]．

[8]王志良，王秀艷，孫琳．膠粒含量對(duì)土體物理力學(xué)特性的影響分析[A]．中國地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì).第九屆全國工程地質(zhì)大會(huì)論文集[C]．中國地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)，2012：193-196．

[9]Duraisamy Y, Huat B B K, A. Aziz A. Compressibility Behavior of Tropical Peat Reinforced with Cement Columns[J]． American Journal of Applied Sciences. 2007, 4(10)：786-791．

[10] Kazemian S, Prasad A, Huat B B K, et al. Effects of Cement-Sodium Silicate System Grout on Tropical Organic Soils[J]． Arabian Journal for Science and Engineering. 2012, 37(8)：2137-2148．

[11] Keller G H. Organic Matter and the Geotechnical Properties of Submarine Sediments[J]． Geo-Marine Letters， 1982, 2(3-4)：191-198．

[12] 牟春梅，李佰鋒．有機(jī)質(zhì)含量對(duì)軟土力學(xué)性質(zhì)影響效應(yīng)分析[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008(3)：42-46．

[13] Hong Z S, Yin J, Cui Y J. Compression Behaviour of Reconstituted Soils at High Initial Water Contents[J]．Géotechnique， 2010, 60(9)：691-700．

[14] 翁佳興．考慮時(shí)間效應(yīng)的高含水率疏浚黏性土壓縮性狀研究[D]．南京：東南大學(xué),2012．

[15] 駱涼平．多因素影響下高含水率疏浚泥壓縮性狀試驗(yàn)研究[D]．南京：河海大學(xué),2014．

[16] Bian X, Ding J, Shi J. An Experimental Study on the Destructuration of Natural Wenzhou Clays[Z]．

[17] Z. S. Hong, L -L Zeng Y,Y. - J. Cui, et al. Compression Behaviour of Natural and Reconstituted Clays[J]． Geotechnique， 2012, 62(4)：291-301．

[18] Burland J B. On the Compressibility and Shear Strength of Natural Clays[J]． Geotechnique， 1990, 40(3)：329-378．

[責(zé)任編輯張莉]

收稿日期：2016-01-10

通信作者：姜爽(1989-)，女，碩士，主要從事軟土基本特性試驗(yàn)研究．E-mail：jiangshuang_sun@163.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.006

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)02-0024-05

Compression Behavior of Soft Clays at Chongwan Section of Huaihe-Changjiang Waterway

Jiang Shuang1Huang Xiaobo1Wang Qiao2

(1. Beijing Taisite Engineering Testing Co., Ltd., Beijing 102600, China; 2. School of Transportation, Southeast Univ., Nanjing 210096, China)

AbstractA series of physico-mechanical tests were carried out on the bad soils of Chongwan section of Huaihe-Changjiang waterway to detect its physico-mechanical properties. The results indicate that the soils in Chongwan section have special physical characteristics with high organic content and a certain of expansibility. Through oedometer tests with various initial water contents on remoulded Chongwan soil, the compression characteristics of remoulded Chongwan soil were studied. Comparing with remoulded nonorganic soil, it is detected that the compressibility of Chongwan soil is bigger than nonorganic soil and it contains more organics with greater compressibility. In addition, the remoulded yield stress raised by Hong(2010) is introduced to determine the ability of remoulded Chongwan soil to resistant deformation. The remoulded yield stresses of Chongwan soil are larger than nonorganic soil with the same initial water content, and soil containing more organics has greater remoulded yield stresses. What's more, it is clear that the remoulded yield stresses of Chongwan soil can be predicted by the empirical formula proposed by Hong(2010).

KeywordsHuaihe-Changjiang Waterway;soft clay;compression behavior;organics