平潭海相軟土工程特征研究

1 前言

軟粘土多為第四紀(jì)沉積物，分布于河流中下游、沿海或湖泊附近，常見的成因類型可分為濱海相、河谷相、瀉湖相、溺谷相、湖沼相、三角洲相等。平潭島四面環(huán)海，金井灣片區(qū)位于海島西南側(cè)，地區(qū)軟粘土為濱海相沉積軟粘土?！稁r土工程勘察規(guī)范》中將軟土定義為天然孔隙比大于或等于1，且為天然含水量大于液限的細(xì)粒土，主要包括淤泥質(zhì)土和淤泥。當(dāng)天然隙比大于或等于1.5時(shí)稱為淤泥，當(dāng)天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1時(shí)稱為淤泥質(zhì)土[1]。軟粘土性質(zhì)獨(dú)特，因此研究地區(qū)軟土的工程地質(zhì)特征對工程實(shí)際意義較大。

2 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

平潭金井灣片區(qū)軟粘土多為淤泥質(zhì)土，其具有孔隙比高、含水量大、壓縮性高、滲透性低、低強(qiáng)度等特征，土層中的砂、貝殼含量對物理力學(xué)性質(zhì)影響較大。本文收集了片區(qū)內(nèi)三個勘察項(xiàng)目229 組軟粘土層試樣室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果，其物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1[2]。

表1 金井灣片區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)

3 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

通過片區(qū)軟粘土層試樣室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析w與e、w與a、w與C、wl與Ip間的相關(guān)關(guān)系如下：

3.1 天然含水量w與天然孔隙比e

土是由固體顆粒、水和氣體三部分所組成的三相體系[3]。固體部分構(gòu)成土骨架，骨架間全部由水充滿的稱為飽和土，一部分水占據(jù)、一部分氣體占據(jù)的稱為非飽和土。平潭金井灣片區(qū)軟土為飽和土，因而孔隙比e與天然含水量w 呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)相關(guān)系數(shù)R=0.986，回歸方程e=0.0261w+0.0764。三相指標(biāo)換算公式中e=Gs×w/Sr，飽和軟粘土理論上Sr=100%，土工成果統(tǒng)計(jì)Gs/Sr=2.68，回歸方程結(jié)果與三相指標(biāo)換算結(jié)果基本吻合。

3.2 天然含水量w與壓縮系數(shù)a

壓縮系數(shù)a是壓縮試驗(yàn)所得e-p曲線上某一壓力段的割線的斜率，屬于土體壓縮性大小的指標(biāo)，飽和軟土飽和度Sr=100%，因此天然含水量與壓縮系數(shù)在特定壓力下呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.834，回歸方程a=0.0435w-0.9601。

3.3 天然含水量w與土的黏聚力C值

抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，它首先決定于土體本身的基本性質(zhì)，是土的主要力學(xué)性質(zhì)之一。它不僅受土的狀態(tài)影響，還受土的組成和土的結(jié)構(gòu)影響，這些性質(zhì)與土的成因環(huán)境、應(yīng)力歷史、當(dāng)前受力環(huán)境的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。黏聚力C 由土粒間的各種物理化學(xué)作用力決定，其包括庫侖力（靜電力）、膠結(jié)力、范德華力等，且與取樣攏動程度、試驗(yàn)精度等有關(guān)[3]。土中的水僅是黏聚力眾多影響因素之一，總體趨勢是含水量越大，強(qiáng)度越低，但天然含水量w與土的黏聚力c值無明顯的線性相關(guān)關(guān)系。

3.4 液限wl與塑性指數(shù)Ip

塑性圖是由Aasagrangde 于1947年提出的細(xì)粒土分類方法，是在眾多地區(qū)大量土樣分析的基礎(chǔ)上建立的，目前被多國采用，我國也較早在各類規(guī)范中引用了Aasagrangde 塑性圖。由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，該地區(qū)軟土液限與塑性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.892，回歸方程Ip=0.4998Wl-5.4363，與相關(guān)學(xué)者研究統(tǒng)計(jì)的福建沿海地區(qū)軟土Ip～Wl指標(biāo)回歸方程 Ip=0.55Wl-5.995 近似；對比二者可發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)軟粘土試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)的塑性圖并非完全相同，應(yīng)根據(jù)地區(qū)成果進(jìn)行修正[4]。

4 十字板剪切試驗(yàn)

4.1 十字板剪切試驗(yàn)方法及成果

十字板剪切試驗(yàn)用于測定飽和軟黏性土的靈敏度和在原位壓力下固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度，是一種有效的現(xiàn)場測定土在天然應(yīng)力狀態(tài)下不排水強(qiáng)度試驗(yàn)的方法。電阻應(yīng)變式十字板剪切試驗(yàn)依托貫入裝置將十字板頭壓入不同試驗(yàn)深度，并借助齒輪扭力裝置旋轉(zhuǎn)十字板頭，用電子儀器量測土的抵抗力矩，從而計(jì)算出土的抗剪強(qiáng)度；測試時(shí)首先將十字板頭貫入到位后靜置2～3min，與地溫?zé)崞胶夂笳{(diào)零，然后開動秒表，以1～2°/10s的速度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，搖把每轉(zhuǎn)一圈計(jì)數(shù)一次，直到剪損后仍繼續(xù)讀數(shù)1min，測得峰值強(qiáng)度即為原狀土的天然狀態(tài)下的不排水抗剪強(qiáng)度；測重塑土抗剪強(qiáng)度時(shí)可松開卡塊，順時(shí)針轉(zhuǎn)動鉆桿6 圈，然后重復(fù)上述步驟，并測量記錄原位重塑土的不排水抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果表

圖1 土體強(qiáng)度、靈敏度與土層深度關(guān)系曲線圖

場地地表下5m范圍內(nèi)為填砂，因此該段未應(yīng)進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)深度從地面下6m 開始到試驗(yàn)區(qū)軟土層底結(jié)束。由圖1及表2分析可知，土的靈敏度與深度不存在明顯關(guān)系，原狀土強(qiáng)度隨土層深度的增加而增大，重塑土強(qiáng)度亦隨著土層深度的增加而增大，原狀土強(qiáng)度隨深度增加較為明顯。十字板剪切試驗(yàn)不排水抗剪強(qiáng)度峰值，一般認(rèn)為是偏高的，土的長期強(qiáng)度只有峰值強(qiáng)度的60%～70%。在工程中需根據(jù)土質(zhì)條件和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)做必要修正。靈敏度值介于3.57～5.38 之間，表明場地軟土屬高靈敏度軟土，即在土體受到外來因素?cái)_動時(shí)，土體強(qiáng)度明顯降低。

4.2 現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)成果與室內(nèi)三軸試驗(yàn)成果對比

場地地表下5m范圍內(nèi)為填砂，在6～7m 位置取軟黏土原狀樣進(jìn)行室內(nèi)三軸不固結(jié)不排水（UU）試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度C值為12.4kPa，場地相同埋深處原狀土十字板剪切強(qiáng)度C值為16.90kPa，即相同深度十字板剪切試驗(yàn)強(qiáng)度比室內(nèi)不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度大，差值約26.9%。其主要原因可能是取樣、運(yùn)輸及試驗(yàn)時(shí)土樣受到擾動，土粒間的膠結(jié)物質(zhì)及水分子、土粒、離子所組成的平衡體系受到了破壞，或者土樣含有少量砂粒，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)值偏小，兩種試驗(yàn)方法的成果值差距增大。

5 結(jié)語

5.1 平潭金井灣片區(qū)軟土多為淤泥質(zhì)土，其具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度等特點(diǎn)。

5.2 通過室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出了軟土天然含水量w與天然孔隙e、天然含水量w與壓縮系數(shù)a，液限wl與塑性指標(biāo)Ip 間的相關(guān)關(guān)系，可供地區(qū)估算軟土參數(shù)參考使用。

5.3 平潭金井灣片區(qū)軟土力學(xué)性質(zhì)總體上隨深度增加而增大，物理力學(xué)性質(zhì)受砂土、貝殼等影響較大。