朱 楠,劉春原,2,王文靜,趙獻(xiàn)輝
(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401;2.河北省土木工程技術(shù)研究中心,天津 300401)
我國(guó)國(guó)土面積廣大,各地氣候環(huán)境復(fù)雜,各地迥異的沉積環(huán)境和沉積歷史導(dǎo)致了不同地區(qū)區(qū)域性土的工程特性具有顯著差別[1]。我國(guó)華北平原地區(qū)分布著湖泊濕地或古湖泊濕地,這些湖泊濕地形成于第四紀(jì)全新世早期,形成初期面積廣大并在湖區(qū)形成湖相沉積物。到全新世中晚期氣候變得溫涼干燥,湖區(qū)面積干縮,原有湖底沉積物暴露于地表,并在河流遷徙的作用下上覆厚度不等的粉土和粉砂層,在此環(huán)境下重新固結(jié)。由于沉積環(huán)境與沉積歷史特殊,平原濕地湖泊相黏土具有區(qū)別于東部海相軟土和其他區(qū)域性土的鮮明工程特性及特殊的結(jié)構(gòu)形式[2]。
近年來(lái)我國(guó)學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的區(qū)域性土做了大量的研究,包括天津[3]、湛江[4]、杭州[5]、連云港[6]等地的海相軟土,高郵湖相軟土[7]、太湖軟土[8]、黃石河湖相軟土[9]和云南滇池的高原湖相軟土[10]等內(nèi)陸湖相軟土,以及長(zhǎng)江漫灘相黏土[11]、海陸交互相黏土[12]和洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土[13]等特殊區(qū)域性土,加深了對(duì)區(qū)域性土的成因和工程特性的認(rèn)識(shí),為區(qū)域性土的研究和相關(guān)地區(qū)的工程建設(shè)積累了大量研究資料。濕地湖泊相黏土在我國(guó)廣泛分布,如河北平原衡水湖和白洋淀等地區(qū)發(fā)育的濕地湖泊相黏土。目前河北省多條公路及雄安新區(qū)的建設(shè)都面臨平原濕地湖泊相黏土的處理問題。對(duì)于這種形成于湖泊濕地干縮過(guò)程中的特殊區(qū)域性軟弱土,需要進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究來(lái)揭示其工程特性及機(jī)制,但目前相關(guān)的研究報(bào)道較少。同時(shí),根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范[14]對(duì)平原濕地湖泊相黏土進(jìn)行分類評(píng)價(jià)和地基處理設(shè)計(jì),經(jīng)工程實(shí)踐證實(shí)存在不妥之處。若根據(jù)土的力學(xué)指標(biāo)將濕地湖泊相黏土地基劃分為一般地基而不做加固,在施工和運(yùn)營(yíng)階段會(huì)出現(xiàn)沉降突然增大的情況,造成工程事故;若按一般軟土地基進(jìn)行加固,又會(huì)出現(xiàn)過(guò)度加固、造成浪費(fèi)的問題。
本文以衡水湖地區(qū)的平原濕地湖泊相黏土為研究對(duì)象,進(jìn)行系統(tǒng)的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),從物理力學(xué)性質(zhì)、顆粒分布、礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面,對(duì)平原濕地湖泊相黏土的工程特性做全面分析,并同其他地區(qū)軟土進(jìn)行對(duì)比,探討平原濕地湖泊相黏土的特殊性質(zhì)及其機(jī)制,為相關(guān)地區(qū)的工程建設(shè)提供指導(dǎo)。
衡水湖地處華北平原中部,屬于暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸性氣候,多年平均降水量543 mm,年內(nèi)分布不均,年際變化較大,全年降水量的74%集中在6~9月份,地下水位變化較大,對(duì)地基土的工程性質(zhì)影響很大[2]。根據(jù)前人文獻(xiàn)資料可知,衡水湖屬于“構(gòu)造洼地”的成因類型,也是古湖泊的遺跡。文獻(xiàn)[15]中記載,在衡水、冀州等地有古湖泊遺跡,古湖長(zhǎng)約67 km,后來(lái)湖泊漸淤形成現(xiàn)在的衡水湖。
衡水湖形成于第四紀(jì)全新世早期,經(jīng)歷了早全新世(距今約10 000—7 500年)溫涼稍濕的形成階段、中全新世(距今約7 500—2 500年)溫暖濕潤(rùn)的擴(kuò)展階段及晚全新世(2 500年—至今)溫涼干燥的收縮階段。衡水湖區(qū)的濕地湖泊相黏土也經(jīng)歷了湖泊形成擴(kuò)張階段的湖相沉積,及湖泊干縮階段的陸相沉積。在陸相沉積階段,由于古黃河和古漳河等河流改道的影響,在濕地湖泊相黏土層上覆蓋沖積粉土和粉砂層,形成如今的地層結(jié)構(gòu)。
由文獻(xiàn)[15]和[16]可知,衡水湖濕地湖泊相黏土的分布區(qū)域及地層構(gòu)造與其他軟土相比有很大不同。濕地湖泊相黏土屬于新近沉積黏土,土質(zhì)比較疏松,主要分布在湖泊濕地周邊或古湖泊遺跡地區(qū),土層厚度一般為2~8 m,并上覆河流改道形成的1~8 m厚沖積粉土和粉砂薄層。不同地區(qū)的濕地湖泊相黏土層厚度變化大,上覆土層的厚度也變化較大,這是衡水湖濕地湖泊相黏土分布的最重要特征,與其他地區(qū)的區(qū)域性土有顯著區(qū)別。
在衡水湖西側(cè)邢衡高速工程現(xiàn)場(chǎng)采用原狀土取樣器鉆取不同深度原狀土樣,根據(jù)文獻(xiàn)[17]進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)的測(cè)試,土樣的顆粒分析采用篩分法和密度計(jì)法進(jìn)行;進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn),加載比為1∶1,固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間為24 h,測(cè)試土樣的壓縮系數(shù)和壓縮模量,并確定土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力;進(jìn)行直剪試驗(yàn),測(cè)試土樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力;進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),圍壓為50,100,150,200和250 kPa,加載速率為0.08 mm/min,確定土體的抗剪強(qiáng)度包線。另外,在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)和靜力觸探試驗(yàn)(CPT)測(cè)試土體的標(biāo)貫擊數(shù)N和錐尖阻力。采用天津理工大學(xué)的Rigaku D/Max-2 500型X射線衍射儀,對(duì)原狀土樣進(jìn)行X射線衍射測(cè)試(XRD),測(cè)定濕地湖泊相黏土的礦物組成及含量。
在工程現(xiàn)場(chǎng)共對(duì)6個(gè)斷面進(jìn)行了原狀土的鉆孔取樣,對(duì)取得的濕地湖泊相黏土土樣進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試,結(jié)果見表1所示。由于各斷面物理力學(xué)指標(biāo)沿深度的變化規(guī)律相似,故選取典型斷面與其他軟土的典型斷面進(jìn)行對(duì)比。
衡水湖濕地湖泊相黏土典型斷面的物理力學(xué)指標(biāo)沿深度分布如圖1所示,濕地湖泊相黏土主要分布在3~8 m深度,黏土層上為約3 m厚的粉土,黏土層下為深厚的粉土和粉質(zhì)黏土。由圖1可見,濕地湖泊相黏土的天然含水率為36.0%~40.9%,重度為17.84~18.33 kN/m3,孔隙比為1.05~1.21,達(dá)到并超過(guò)1.0,黏土的液限為39.6%~43.5%,塑性指數(shù)為19~21,液性指數(shù)為0.79~0.88。土樣的物理指標(biāo)較差,各項(xiàng)物理指標(biāo)接近或達(dá)到軟土,但尚未完全達(dá)到規(guī)范規(guī)定的軟土標(biāo)準(zhǔn)[14]。
將衡水湖濕地湖泊相黏土與典型海相軟土和湖相軟土進(jìn)行對(duì)比,連云港軟土的含水率為37.1%~87.4%,孔隙比為1.04~2.17,液限為28.4%~66.7%,塑性指數(shù)為9.5~33.5,液性指數(shù)為1.01~2.36,重度為16.4 kN/m3左右[6]。而太湖軟土含水率為22.3% ~46%,孔隙比為0.66~1.34,液限為27.8%~56.5%,塑性指數(shù)為7.4~33.7,液性指數(shù)為0.67~1.56,重度為17.15~19.99 kN/m3[18]。衡水湖濕地湖泊相黏土的物理指標(biāo)與太湖軟土比較接近,但與連云港軟土相差較大,含水率、孔隙比和液限等指標(biāo)均小于連云港軟土。此外,衡水湖濕地湖泊相黏土的含水率和孔隙比接近或達(dá)到軟土標(biāo)準(zhǔn),但含水率小于液限。
表1 衡水湖濕地湖泊相黏土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)
圖1 衡水湖濕地湖泊相黏土典型斷面的物理指標(biāo)沿深度變化Fig.1 Physical indexes of the typical section of the marshy and lacustrine clay with depths of the Hengshui lake
如圖2所示,衡水湖濕地湖泊相黏土在塑性圖中全部位于A線上方、B線左側(cè),可知均為低液限黏性土。衡水湖地區(qū)濕地湖泊相黏土的塑性指數(shù)為IP=0.704(WL-12.55),與塑性圖IP=0.73(WL-20)有所區(qū)別。表明不同地區(qū)區(qū)域性土的塑性圖存在差異,在對(duì)土進(jìn)行分類時(shí)應(yīng)予以考慮[19]。
如圖3所示,不同深度土樣的含水比都在0.65~0.95之間,其中濕地湖泊相黏土的含水比為0.84~0.95,處于軟塑接近流塑狀態(tài),接近太湖軟土的含水比0.8~1.0[8],但小于連云港軟土的含水比1.0~2.0[20]。
圖2 衡水湖濕地湖泊相黏典型斷面的塑性圖Fig.2 Plasticity chart of the typical section of the marshy and lacustrine clay of the Hengshui lake
圖3 衡水湖濕地湖泊相黏土典型斷面的天然含水率與液限關(guān)系Fig.3 Relationships between natural water content and liquid limit of the typical section of the marshy and lacustrine clay of the Hengshui lake
衡水湖濕地湖泊相黏土的力學(xué)指標(biāo)沿深度變化如圖4所示,壓縮系數(shù)為0.38~0.52 MPa-1,為中、高壓縮性土;壓縮模量為3.9~5.6 MPa,壓縮模量偏大;黏聚力為19.3~27.4 kPa,內(nèi)摩擦角為13.8°~19.4°。連云港軟土壓縮系數(shù)為0.4~2.88 MPa-1,黏聚力為2.7~18 kPa,內(nèi)摩擦角為1.4°~8°[6]。太湖軟土壓縮系數(shù)為0.17~2.98 MPa-1,壓縮模量為0.88~10.39 MPa,黏聚力為1~26 kPa,內(nèi)摩擦角為1.2°~22.9°[21]。對(duì)比分析可見,衡水湖濕地湖泊相黏土的壓縮系數(shù)小于連云港軟土和太湖軟土,但黏聚力和內(nèi)摩擦角則略高于連云港軟土和太湖軟土。
圖4 衡水湖濕地湖泊相黏土典型斷面的力學(xué)指標(biāo)沿埋深變化Fig.4 Mechanical indexes of the typical section of the marshy and lacustrine clay with depths of the Hengshui lake
如圖5所示,采用雙對(duì)數(shù)壓縮曲線法[22]確定土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,由2條直線的交點(diǎn)確定土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σy=107.89 kPa,而土體的上覆壓力pc=91.65 kPa,兩者之比為1.18,表明衡水湖濕地湖泊相黏土具有較明顯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
圖5 衡水湖濕地湖泊相黏土雙對(duì)數(shù)壓縮曲線Fig.5 Bi-Logarithmic compression curves of the marshy and lacustrine clay of the Hengshui lake
如圖6所示,衡水湖濕地湖泊相黏土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度包線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)明顯,轉(zhuǎn)折點(diǎn)(σ,τ)為(253.26 kPa,137.84 kPa),轉(zhuǎn)折前后強(qiáng)度包線的斜率、截距變化較大,抗剪強(qiáng)度在轉(zhuǎn)折前后發(fā)生明顯改變。
圖6 衡水湖濕地湖泊相軟土不排水抗剪強(qiáng)度包線Fig.6 Undrained shear strength envelope curves of the marshy and lacustrine clay of the Hengshui lake
由現(xiàn)場(chǎng)原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果可知(圖7),衡水湖濕地湖泊相黏土的標(biāo)貫擊數(shù)N為3~7,由文獻(xiàn)[14]可知其略大于軟土標(biāo)準(zhǔn)(N<3)。衡水湖濕地湖泊相黏土錐尖阻力為0.3~1.2 MPa,而連云港軟土為0.19~0.4 MPa之間[23],太湖軟土為0.13~2.7 MPa[18],可見衡水湖濕地湖泊相黏土錐尖阻力比一般軟土偏大一些,但小于一般黏土。
圖7 標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N和錐尖阻力沿埋深變化Fig.7 Standard penetration number and static point resistance of the typical section
綜上所述,由于沉積歷史和沉積環(huán)境特殊,衡水湖濕地湖泊相黏土是一種物理性質(zhì)較差,但力學(xué)性質(zhì)較好的特殊區(qū)域性軟弱土。物理指標(biāo)接近或達(dá)到軟土標(biāo)準(zhǔn),與太湖軟土大體相當(dāng),但與連云港軟土相差較大;力學(xué)指標(biāo)好于一般軟土,壓縮系數(shù)小于連云港軟土和太湖軟土,而黏聚力和內(nèi)摩擦角大于兩類軟土。由于湖泊濕地干縮,濕地湖泊相黏土從飽和湖相沉積變?yōu)殛懴喑练e,土體處于從飽和軟黏土向一般黏性土轉(zhuǎn)變的過(guò)程中,因此其物理性質(zhì)介于兩者之間。同時(shí),由于衡水湖濕地湖泊相黏土具有明顯的結(jié)構(gòu)性,當(dāng)土中應(yīng)力超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后,土體的強(qiáng)度和壓縮性會(huì)發(fā)生突變。因此根據(jù)文獻(xiàn)[14]按物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)衡水湖濕地湖泊相黏土進(jìn)行分類和地基處理存在不妥之處。
由表2可知,衡水湖濕地湖泊相黏土的黏粒和膠粒比重更大,親水性更好;砂粒含量稍高,使得剪切強(qiáng)度指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果略高于一般軟土;粉粒含量略低于其他軟土,但黏粒含量與其他軟土大體相當(dāng),表明濕地湖泊相黏土具有接近一般軟土的親水性,但由于該地區(qū)地下水位變化大,且周邊環(huán)境較干燥,導(dǎo)致土體的天然含水率低于液限;膠粒含量達(dá)到33.9%,明顯高于其他軟土,表明濕地湖泊相黏土具有較強(qiáng)的膠結(jié)特性,能夠形成較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
表2 濕地湖泊相黏土與其他地區(qū)軟土的顆粒分布/%[24]
衡水湖濕地湖泊相黏土與其他軟土的礦物組成及含量如表3所示,由于白云母和石英會(huì)提高土的內(nèi)摩擦角,黏土礦物會(huì)降低土的內(nèi)摩擦角、提高黏聚力[25],而濕地湖泊相黏土的白云母和石英含量較高,黏土礦物含量略低于其他軟土,因此其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)高于其他軟土,親水性略弱于其他軟土,含水率和液限小于其他軟土。同時(shí),濕地湖泊相黏土的磁鐵礦物含量較高,在酸性溶液環(huán)境下容易生成氧化鐵,提高土體的膠結(jié)強(qiáng)度。由于濕地湖泊相黏土膠結(jié)強(qiáng)度較高,且具有明顯的結(jié)構(gòu)骨架,在應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),濕地湖泊相黏土的物理指標(biāo)較差而力學(xué)指標(biāo)較好。衡水湖濕地湖泊相黏土物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)不匹配的問題,在我國(guó)其他地區(qū)的區(qū)域性土研究中也有報(bào)道[12],這種特殊現(xiàn)象是其特殊的礦物組成和結(jié)構(gòu)特征所導(dǎo)致的。
掃描電鏡拍照采用美國(guó)QUANTA FEG 450場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行,將原狀土樣切成1.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的土條,采用烘干法干燥,掃描電鏡拍照的放大倍數(shù)為2 000倍,采用IPP6.0軟件對(duì)SEM照片進(jìn)行定量分析,得到衡水湖濕地湖泊相黏土的微觀孔隙特征參數(shù),與其他地區(qū)軟土進(jìn)行對(duì)比分析。
表3 濕地湖泊相黏土與其他地區(qū)軟土的礦物組成及含量/%[26]Table 3 Mineral compositions and contents of the marshy and lacustrine clay and other soft clays/%
圖8為衡水湖濕地湖泊相黏土與其他軟土的微結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)比,可見濕地湖泊相黏土為團(tuán)粒狀和絮凝狀混合結(jié)構(gòu),顆粒排列較緊密,結(jié)構(gòu)單元體多為邊-邊接觸和邊-面接觸,排列混亂無(wú)明顯定向性,孔隙多為粒間孔隙和團(tuán)粒內(nèi)孔隙。杭州軟土多為較大的片狀或板狀集聚體結(jié)構(gòu),土顆粒骨架排列混亂松散,存在很多較大的架空孔隙,多為邊-邊和邊-面接觸[5];武漢軟土為蜂窩狀結(jié)構(gòu),顆粒集聚體和孔隙排列成等軸的、開放的蜂窩狀形態(tài),孔隙尺寸較大,顆粒多沿軸線排列,形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)[27]。土體的礦物組成和微結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同,使?jié)竦睾聪囵ね恋牧W(xué)特性與其他軟土有顯著區(qū)別。濕地湖泊相黏土的微細(xì)顆粒和碎屑較多,容易依附在大顆粒和片狀顆粒表面增強(qiáng)膠結(jié)作用,同時(shí)濕地湖泊相黏土磁鐵礦含量較高,容易生成游離氧化鐵,進(jìn)一步增大了土體的膠結(jié)強(qiáng)度[28]。較強(qiáng)的膠結(jié)特性使?jié)竦睾聪囵ね恋膲嚎s性低于物理指標(biāo)相似的其他軟土,只有當(dāng)土中的應(yīng)力水平超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后,土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破損,此時(shí)土體的力學(xué)性能才發(fā)生改變。
圖8 濕地湖泊相黏土與其他地區(qū)軟土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructures of the marshy and lacustrine clay and other soft clays
表4為衡水湖濕地湖泊相黏土與其他軟土的宏微觀孔隙特性對(duì)比,由于濕地湖泊相黏土的土顆粒直徑較小,且土顆粒大多集聚成土團(tuán)粒,其孔隙以直徑較小的粒間孔隙與團(tuán)粒間孔隙為主,因此濕地湖泊相黏土的宏觀孔隙比略小于其他軟土。而杭州軟土的片狀大顆粒相互搭接形成了較大的粒間孔隙,因此其表觀孔隙率和平均孔隙面積均較大;武漢軟土為蜂窩狀結(jié)構(gòu),其孔隙分布更多、孔隙直徑更大,因此其表觀孔隙率與平均孔隙面積都遠(yuǎn)大于濕地湖泊相黏土。
表4 濕地湖泊相黏土與其他軟土的宏微觀孔隙特征對(duì)比
由以上分析可知,土顆粒形態(tài)、顆粒接觸方式和微結(jié)構(gòu)形式的不同使不同地區(qū)區(qū)域性土的孔隙特征有很大區(qū)別,而孔隙特征的差別又會(huì)影響土體的壓縮特性與滲透固結(jié)特性。不同地區(qū)土體顆粒的接觸和集聚方式不同,其膠結(jié)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)形式也各不相同,導(dǎo)致了不同地區(qū)的區(qū)域性土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的差異。因此可知,土顆粒形態(tài)、顆粒接觸方式與微觀結(jié)構(gòu)形式的不同,是衡水湖濕地湖泊相黏土與其他地區(qū)軟土工程性質(zhì)差異的主要原因。
(1)衡水湖濕地湖泊相黏土的物理指標(biāo)接近或達(dá)到軟土標(biāo)準(zhǔn),但力學(xué)指標(biāo)好于軟土。同時(shí),由于濕地湖泊相黏土具有明顯的結(jié)構(gòu)性,當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后,土體的強(qiáng)度和變形會(huì)發(fā)生突變。
(2)同其他地區(qū)軟土相比,衡水湖地區(qū)的濕地湖泊相黏土的砂粒含量稍高,土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較高;粉粒含量略低于其他軟土,但黏粒含量與其他黏土大體相當(dāng),具有與一般軟土類似的親水性;膠粒含量達(dá)到33.9%,明顯高于其他軟土,具有較強(qiáng)的膠結(jié)特性。
(3)衡水湖地區(qū)的濕地湖泊相黏土中含有較多的磁鐵礦,土中的鐵元素與水中的酸環(huán)境反應(yīng)生成的游離氧化鐵具有強(qiáng)膠結(jié)性,增大了土體的膠結(jié)強(qiáng)度,因此濕地湖泊相黏土的壓縮性低于物理指標(biāo)相似的其他軟土,同時(shí)由于石英等原生礦物含量較高,其抗剪強(qiáng)度又高于其他軟土。
(4)衡水湖濕地湖泊相黏土的特殊礦物組成和結(jié)構(gòu)形式使其物理指標(biāo)接近一般軟土,而力學(xué)指標(biāo)好于一般軟土。不同地區(qū)黏土的土顆粒形態(tài)和結(jié)構(gòu)類型的差異導(dǎo)致孔隙特征的不同,進(jìn)而影響了黏土的壓縮性與滲透固結(jié)特性。而不同地區(qū)黏土顆粒的接觸和集聚方式不同,又導(dǎo)致了不同地區(qū)黏土強(qiáng)度的差異。
(5)衡水湖濕地湖泊相黏土物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)不匹配的問題,主要是由于其特殊的礦物組成和結(jié)構(gòu)形式所導(dǎo)致的。土顆粒形態(tài)、顆粒接觸方式與微觀結(jié)構(gòu)形式的不同,是濕地湖泊相黏土與其他地區(qū)軟土工程性質(zhì)差異的主要原因。