高液限結(jié)構(gòu)性軟土的人工制備及其強(qiáng)度和變形特性

溫國勝

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九四〇隊(duì)）

0 引言

高液限結(jié)構(gòu)性軟土由于含水量大，具有高流動性和高靈敏性，在實(shí)際工程中不易制作其試驗(yàn)，其天然結(jié)構(gòu)性極易受到取樣和制樣過程的影響，造成測試的強(qiáng)度失真，導(dǎo)致工程的穩(wěn)定性系數(shù)預(yù)留不足和建筑物沉降預(yù)測偏差過大，給工程的安全運(yùn)營和社會經(jīng)濟(jì)造成不良影響[1]。因此，研究高液限結(jié)構(gòu)性軟土的強(qiáng)度特征和變形規(guī)律具有十分重要的意義[2]。本文嘗試結(jié)合實(shí)際工程，采用現(xiàn)場取樣和室內(nèi)人工制備試樣的方法，避免了對高液限結(jié)構(gòu)性軟土高昂的原狀樣取樣費(fèi)用，并采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)的方法獲取其應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究其變形規(guī)律和抗剪切強(qiáng)度的演變過程[2]。

1 軟土的基本特性

廣東省某旅游度假區(qū)海景路護(hù)岸工程建設(shè)護(hù)岸長度1945.85m，其中直立式護(hù)岸324.49m，斜坡式護(hù)岸1621.36m。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查表明，場區(qū)主要有5 大層，其工程地質(zhì)特性分別如下：

①粉質(zhì)黏土，流～軟塑，局部相變?yōu)榉弁?，k7、k10、k11、k13～k16 鉆孔（位于養(yǎng)蝦池內(nèi)）表層有厚度為0.2～0.7m 的淤泥，本層土物理力學(xué)性質(zhì)較差，在鉆孔揭露范圍內(nèi)分布連續(xù)，標(biāo)貫擊數(shù)0～3 擊，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＝1.7擊，層厚0.20～2.60m。

②1-1層淤泥質(zhì)黏土（Q42m），流～軟塑。本層土物理力學(xué)性質(zhì)較差，在k13～k19 號鉆孔區(qū)域缺失，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=2.6 擊。層頂深度1.00～2.20m，層頂標(biāo)高-0.97～0.39m。層厚2.00～8.90m。

②1-2層淤泥質(zhì)黏土（Q42m），流塑。本層土物理力學(xué)性質(zhì)差，僅在k13～k19 號鉆孔區(qū)域揭露，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＝2.3 擊。層頂深度0.20～2.60m，層頂標(biāo)高-1.15～0.42m，層厚2.90～13.40m。

②2層黏土（Q42m），灰色，軟塑，本層土呈與粉質(zhì)黏土互層狀，在k4～k7號鉆孔區(qū)域有厚度為1.2～5.3m的粉砂。本層土在k16～k19 號鉆孔區(qū)域缺失，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＝7.3 擊，物理力學(xué)性質(zhì)一般。層頂深度3.50～10.60m，層 頂 標(biāo) 高-9.16～-2.05m。 層 厚1.00～10.40m。

②3層粉質(zhì)黏土（Q42m），軟塑，本層土在k6、k14～k18號鉆孔區(qū)域呈粉土、粉質(zhì)黏土互層狀。本層土在鉆孔揭露范圍內(nèi)分布連續(xù)平均標(biāo)貫擊數(shù)N=4.9 擊，物理力學(xué)性質(zhì)較差。層頂深度5.70～14.80m，層頂標(biāo)高-13.05～-4.25m，層厚1.00～10.20m。其中k3、k5、k10～k12 鉆孔區(qū)域?qū)雍?.00～2.90m，其他區(qū)域?qū)雍?.00～10.20m。

③粉土，淺灰色，濕，稍密，含云母，局部相變?yōu)榉圪|(zhì)黏土。本層土在k13～k19 號鉆孔區(qū)域缺失，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＝6.6擊，物理力學(xué)性質(zhì)一般。層頂深度13.70～16.40m，層頂標(biāo)高-15.00-12.25m。層厚1.00～2.90m。

該層主要以粉土、粉質(zhì)黏土為主。自上而下為④1粉土、④2粉質(zhì)黏土。層頂深度15.70～19.00m，層頂標(biāo)高-18.13～-14.25m。層厚6.50～9.80m。

④1層粉土（Q41al），中密～密實(shí)，本層土在k2、k3、k1l，k14～k16、k18 號鉆孔區(qū)域相變?yōu)榉勖耄趉5、k17號鉆孔區(qū)域夾大量粉質(zhì)黏土薄層。本層土在k19 號鉆孔區(qū)域缺失，標(biāo)貫擊數(shù)13～33擊，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=22.8擊。層頂深度15.70～19.00m，層頂標(biāo)高-18.13～-14.25m。層厚1.00～5.30m，其中k15～k18 鉆孔區(qū)域?qū)雍?.00～2.10m，其他區(qū)城層厚2.90～5.30m。

④2層粉質(zhì)黏土（Q41al），可塑，局部相變?yōu)轲ね痢１緦油猎阢@孔揭露范圍內(nèi)分布連續(xù)，標(biāo)貫擊數(shù)6～13 擊。層頂深度18.40～22.40m，層頂標(biāo)高-21.16～-20.87m，層厚3.90～7.30m。

⑤1層粉質(zhì)黏土（Q3dmc），軟～可塑。本層土在鉆孔揭露范圍內(nèi)分布連續(xù)，標(biāo)貫擊數(shù)5～12 擊，物理力學(xué)性質(zhì)一般。層頂深度25.00～27.50m，層頂標(biāo)高-26.08～-23.63m。本次鉆探深度有限，未能穿透該層，揭露厚度2.50～10.90m。

各層土的的力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 場區(qū)各層土的力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

2 高液限結(jié)構(gòu)性軟土室內(nèi)試樣的人工制備方法

為了制備高液限結(jié)構(gòu)性軟土，采取的試驗(yàn)原材料有淤泥、高嶺土、硅藻土、鈣基膨潤土和水泥，其中淤泥由本項(xiàng)目現(xiàn)場取樣獲得[3]。試驗(yàn)前采用比重瓶法對各個原材料的比重進(jìn)行測試，每中原材料均測定參數(shù)進(jìn)行平均值計(jì)算，每次測試時的比重計(jì)算方法如公式（1）所示，測試結(jié)果如表2所示[4-6]。

表2 配置高液限結(jié)構(gòu)性軟土原材料比重試驗(yàn)結(jié)果

式中，Gs為土的比重；m1為比重瓶+干土的質(zhì)量，g；m2為比重瓶的質(zhì)量，g；m3為比重瓶+水質(zhì)量+土質(zhì)量，g；m4為比重瓶+水，g；GwT為T℃時純水的比重。

對有淤泥、高嶺土、硅藻土、鈣基膨潤土按3 份計(jì)入不同體積的蒸餾水進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，編號分別為A 組、B組和C 組，A 組的原材料加水調(diào)配到液限wL，B 組原材料加水調(diào)配到塑限wP，C 組原材料加水調(diào)配到居于液限和豎限的含水量。運(yùn)用土壤液塑限聯(lián)合測定儀對3 組原材料進(jìn)行液塑限測定，測試錐頭的重量為76g，得到3組原材料的錐入深度，并進(jìn)行擬合反演，計(jì)算2mm 錐入深度所對應(yīng)的含水率，記作該原材料的塑限，計(jì)算17mm 錐入深度所對應(yīng)的含水率，記作該原材料的液限[7-9]。經(jīng)過試驗(yàn)，可以得到淤泥的液限為43.5%，塑限為25.3%，塑性指數(shù)為18.2%；高嶺土的液限68.7%，塑限為36.9%，塑性指數(shù)為31.8%；硅藻土的液限為96.5%，塑限為51.6%，塑性指數(shù)為44.9%；鈣基膨潤土的液限為74.6%，塑限為44.9%，塑性指數(shù)為29.755。由此可以看出高嶺土、硅藻土和鈣基膨潤土均具有較高的液限，液限值均大于50%。

為了配置目標(biāo)的高液限結(jié)構(gòu)性軟土，可以增加高嶺土、硅藻土和鈣基膨潤土的量進(jìn)行配合調(diào)控。本研究以最大液限值75.9%，塑限值為30%～50%為目標(biāo)，配置高液限性結(jié)構(gòu)性試驗(yàn)軟土試樣[10]。由于鈣基膨潤土和水泥均具有很強(qiáng)的吸水性，且水泥具有硬化效果，調(diào)配時其靈敏度控制較差，因此將兩者的質(zhì)量比例設(shè)定為5%，不斷調(diào)整后得到混合土的最優(yōu)質(zhì)量配合比為淤泥35%，鈣基膨潤土5%，高嶺土25%，硅藻土30%，水泥5%。

3 高液限結(jié)構(gòu)性軟土的強(qiáng)度及變形特性

為了更好地研究液塑限對結(jié)構(gòu)性軟土強(qiáng)度和變形的影響，針對最優(yōu)質(zhì)量配合比的高液限軟土（液限75.9%，塑限31.7%）進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到5 種不同工況，分別為工況A：軟土液限為57.9%，塑限為30.3%，塑性指數(shù)為30.3；工況B：軟土液限為66.8%，塑限為30.2%，塑性指數(shù)為36.4%；工況C：軟土液限為75.9%，塑限為31.7%，塑性指數(shù)為44.5%；工況D：軟土液限為78.00%，塑限為32.4%，塑性指數(shù)為45.1%；工況E：軟土液限為92.2%，塑限為41.6%，塑性指數(shù)為50.7%。運(yùn)用英國GDS公司生產(chǎn)的GDS 三軸壓縮試驗(yàn)儀系統(tǒng)（GDS-DYNTTS）進(jìn)行三軸試驗(yàn)，高液限結(jié)構(gòu)性軟土試驗(yàn)的直徑為76.2mm，高度為100mm，圍壓設(shè)置為100kPa，得到5種不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1 所示，三軸剪切峰值強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度如圖2～圖4所示。

圖1 不同工況下結(jié)構(gòu)性軟土應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2 結(jié)構(gòu)性軟土液限與峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度的變化關(guān)系

從圖1 中可以看出，5 種不同工況下高液限結(jié)構(gòu)性軟土的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為相似的變化規(guī)律，在應(yīng)變值小于18%時，隨著應(yīng)變的增加，軸向應(yīng)力呈現(xiàn)冪函數(shù)曲線增加，并在應(yīng)變值為18%時達(dá)到峰值強(qiáng)度，隨后，隨著應(yīng)變的增加，軸向應(yīng)力不斷減小，并在應(yīng)變值大于28%后趨于一定程度的收斂，收斂的軸向應(yīng)力為殘余強(qiáng)度；5種不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系均呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特征，隨著結(jié)構(gòu)性軟土液限的增加，峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均不斷減小。

從圖2 中可以看出，從工況A 變化到工況E，隨著軟土的液限wL不斷增加，軟土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性降低，并且表現(xiàn)出兩種下降斜率，從工況A 到工況D，峰值強(qiáng)度從148.98kPa 下降到101.20kPa，下降幅度為47.78kPa，殘余強(qiáng)度從126.76kPa 下降到72.84kPa，下降幅度為53.92kPa；而從工況D 到工況E，峰值強(qiáng)度從101.20kPa 下降到93.8kPa，下降幅度為7.4kPa，殘余強(qiáng)度從72.84kPa 下降到57.09kPa，下降幅度為15.75kPa。

同樣地，從圖3 中也可以看出，峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨塑限wP的變化關(guān)系與圖2類似，均呈現(xiàn)分段下降的變化趨勢，從工況A到工況D的下降斜率較大，而從工況D 到工況E 的下降斜率較小。從圖4 中可以看出，隨著塑性指數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)性軟土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)近線形減小。

圖3 結(jié)構(gòu)性軟土塑限與峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度的變化關(guān)系

圖4 結(jié)構(gòu)性軟土塑性指數(shù)與峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度的變化關(guān)系

4 結(jié)論

以廣東省某旅游度假區(qū)海景路護(hù)岸工程為研究背景，運(yùn)用室內(nèi)三軸試驗(yàn)的方法，配置不同液塑限的軟土，分析其應(yīng)力應(yīng)變曲線和峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度與液限、塑限和塑性指數(shù)的變化關(guān)系，得到以下幾個結(jié)論：

⑴5 種不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系均呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特征，在應(yīng)變值小于18%時，隨著應(yīng)變的增加，軸向應(yīng)力呈現(xiàn)冪函數(shù)曲線增加，并在應(yīng)變值為18%時達(dá)到峰值強(qiáng)度，在應(yīng)變值大于28%后趨于殘余強(qiáng)度；

⑵隨著軟土的液限和塑限的不斷增加，軟土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均呈現(xiàn)分段下降的變化規(guī)律，而隨著軟土的塑性指數(shù)的增加，軟土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均呈現(xiàn)近線性降低。