唐山濕地軟土結(jié)構(gòu)特征研究★

李曉芝　賈智萍　劉明泉

(唐山學(xué)院土木工程學(xué)院,河北 唐山　063000)

1　概述

唐山南湖國家城市濕地公園位于唐山市南部采沉區(qū)，距市中心僅1 km，是國家第二批批準(zhǔn)的城市濕地公園之一。2005年被批準(zhǔn)為城市濕地公園時(shí)，占地面積近700 hm2，其中水域面積約占17%之多。近年來，在對原有濕地生態(tài)公園保護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大投入，對該區(qū)域周邊生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了治理和開發(fā)建設(shè)，公園面積擴(kuò)大到1 100 hm2，水域面積增至近332 hm2。為有效改善城市生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，把南湖生態(tài)優(yōu)勢延伸拓展，打造新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)集群發(fā)展的重要平臺，實(shí)現(xiàn)與全城區(qū)優(yōu)勢互補(bǔ)、錯位發(fā)展，近幾年將南湖生態(tài)區(qū)的建設(shè)開發(fā)提到了新的高度。然而由于該區(qū)域大部分地處濕地軟土，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此對該區(qū)域濕地軟土結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究顯得尤為重要。

2　濕地軟土的結(jié)構(gòu)特性

2.1　土的結(jié)構(gòu)性

土的結(jié)構(gòu)性是指組成土的土粒大小形狀、表面特征、土粒間的連結(jié)關(guān)系和土粒的排列情況。它是直接影響著土的工程指標(biāo)，在太沙基提出之前，一直未能引起人們的重視。一般來講，人們對于軟土的認(rèn)識有以下幾點(diǎn)共識：強(qiáng)度低、變形模量大、含水率高、孔隙比大。但是由于土的結(jié)構(gòu)性并非單指某一方面，所以宏觀的力學(xué)指標(biāo)并不能準(zhǔn)確的反映出土的結(jié)構(gòu)性[1]。在荷載水平低的情況下，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對較好；在荷載水平較高的情況下，土體強(qiáng)度便顯得不足，穩(wěn)定性較差；一旦出現(xiàn)破壞，土體的結(jié)構(gòu)便會遭到破壞，而且在很長時(shí)間內(nèi)都難以恢復(fù)[2]。因此對于軟土的工程評價(jià)特別是濕地軟土，需要結(jié)合土的結(jié)構(gòu)性來綜合考慮，特別是對于即將建設(shè)于濕地軟土區(qū)域的地基來說，土的結(jié)構(gòu)性更是必須考慮的因素之一[3]。

2.2　三軸壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力

試驗(yàn)所用土樣通過鉆孔在唐山南湖濕地軟土區(qū)域地下10 m深度處鉆取得到。對該濕地軟土原狀樣在試驗(yàn)室進(jìn)行不同排水條件下的三軸壓縮試驗(yàn)，得到三軸壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，如圖1～圖3所示圖中圓圈即為三軸壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。

圖1～圖3表明，唐山南湖濕地軟土在不同排水條件下都存在三軸壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。試驗(yàn)表明，由于土體壓密作用的結(jié)果，使得三軸壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力在不同排水條件下隨著圍壓的增大而增加。

2.3　三軸剪切結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力

本次試驗(yàn)在唐山南湖濕地軟土區(qū)域取土原狀樣，進(jìn)行了不同排水條件下的三軸剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示，三軸剪切結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力點(diǎn)的位置為包絡(luò)線上的圓圈處。

由圖4～圖6中可以看出，UU剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，唐山南湖濕地軟土的摩爾包絡(luò)線大體上體現(xiàn)為直線，因此認(rèn)為結(jié)構(gòu)性的影響不大，可以不考慮；而CU試驗(yàn)結(jié)果曲線與CD試驗(yàn)結(jié)果曲線中土的摩爾包絡(luò)線均為折線，表明唐山南湖濕地軟土在這兩種試驗(yàn)條件下存在一定的結(jié)構(gòu)性，剪切結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力在折線交點(diǎn)處。剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)土樣屈服破壞時(shí)，CD試驗(yàn)測定的結(jié)果大于CU試驗(yàn)測定的結(jié)果。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是由于在CD試驗(yàn)中，土樣的排水條件發(fā)生了改變，導(dǎo)致有效應(yīng)力增大，使土樣中的顆粒產(chǎn)生移動，彼此之間的結(jié)合力增強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為土體強(qiáng)度的增長。

3　SEM掃描照片

對南湖濕地軟土經(jīng)過流變破壞后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鏡掃描，試樣采用統(tǒng)一的放大倍數(shù)(2000×)進(jìn)行SEM圖像拍攝，微觀結(jié)構(gòu)照片見圖7,圖8。

圖7,圖8表明，濕地軟土經(jīng)過流變試驗(yàn)后，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，由之前的無序狀、片狀逐漸過渡到團(tuán)狀，結(jié)構(gòu)排列變得均勻，由以邊—面接觸為主轉(zhuǎn)為以面—面接觸為主，土體試樣的密度有所增加，團(tuán)粒間的結(jié)合力增大。而此時(shí)小孔隙的數(shù)量增多，大孔隙面積和數(shù)量減小，同時(shí)，在排水條件下流變破壞后的土樣顆粒呈現(xiàn)出有一定方向性的排列。

4　結(jié)語

土體的結(jié)構(gòu)性是普遍存在的，這種結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)為土顆粒的形狀、顆粒的間隙、顆粒的接觸形式、顆粒間孔隙以及顆粒間的結(jié)合作用。土體的宏觀性質(zhì)和表現(xiàn)受土體結(jié)構(gòu)性的影響巨大，而結(jié)構(gòu)性由土體所處地質(zhì)環(huán)境和土體成因所決定。本文通過對唐山地區(qū)濕地軟土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)、對其微觀結(jié)構(gòu)SEM掃描圖像的研究，可以得到以下結(jié)論：

1)唐山南湖濕地軟土的結(jié)構(gòu)性非常顯著，屬于正常的固結(jié)軟土。在外部荷載超過這類軟土的屈服應(yīng)力以后，土體的微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，結(jié)構(gòu)性發(fā)生改變，宏觀上引起該濕地軟土工程特性的變化。

2)唐山南湖濕地軟土在不同排水條件下的剪切試驗(yàn)研究結(jié)果表明，土體的結(jié)構(gòu)性與土體的排水條件關(guān)系緊密，土體結(jié)構(gòu)性又對土體的抗剪強(qiáng)度有較大的影響，因此在工程設(shè)計(jì)中要重視土體排水條件對結(jié)構(gòu)性和強(qiáng)度的影響。

參考文獻(xiàn):

[1]馬杰.軟土結(jié)構(gòu)性對土體力學(xué)特性的影響[J].土工基礎(chǔ)，2015,29(1):62-65.

[2]關(guān)超.軟土結(jié)構(gòu)性流變力學(xué)模型的研究[J].遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，12(5)：7-9.

[3]沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設(shè)計(jì)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998,20(1)：100-112.