原狀土強度與壓縮特性試驗研究

摘要：以阜寧原狀土為研究對象，對不同深度的土樣，分別進行密度、含水率以及無側(cè)限抗壓強度試驗和壓縮試驗。試驗結(jié)果表明，阜寧取土區(qū)淺層土偏向于粉砂，深層土偏向于淤泥質(zhì)黏土，淺層土的無側(cè)限抗壓強度要遠(yuǎn)高于深層土，并且5m以下原狀土的無側(cè)限抗壓強度變化幅度不大；6m深度附近原狀土含水率最高，密度最小，具有更大壓縮性。以期，為淮河入海水道二期工程“深軟土段”加固方案提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：原狀土無側(cè)限抗壓強度壓縮特性深度

中圖分類號：TU443;U212.22

ExperimentalStudyonStrengthandCompressionCharacteristicsofUndisturbedSoil

LIChanghou

AnhuiTransportationHoldingGroupCo.Ltd.，Hefei，AnhuiProvince，230041China

Abstract：Inthispaper，taking theundisturbedsoilinFu’ningastheresearchobject，densityandmoisturecontentaswellasunconfinedcompressivestrengthtestandcompressiontestarecarriedoutonsoilsamplesatdifferentdepths.ThetestresultsshowthattheshallowsoilinFu’ningsoilsamplingareatendstobesilt，andthedeepsoiltendstobemuddyclay.Theunconfinedcompressivestrengthoftheshallowsoilismuchhigherthanthatofthedeepsoil，andtheunconfinedcompressivestrengthofundisturbedsoilbelow5mhaslittlechange.Theundisturbedsoilnearthedepthof6mhasthelargestmoisturecontent，thesmallestdensity，andgreatercompressibility.Itisexpectedtoprovidedatasupportforthe“deepsoftsoilsection”reinforcementplanofthesecondphaseoftheHuaiheRiverWaterChannelProject.

KeyWords：Undisturbedsoil;Unconfinedcompressivestrength;Compressioncharacteristic;Depth

淮河入海水道二期工程樁號71+000—91+000堤段位于鹽城市阜寧縣境內(nèi)，為“深軟土段”。依據(jù)二期工程可研報告，本段堤頂高程在13.0m左右，須在現(xiàn)狀堤頂加高約2.5～3.0m，目前二期工程可研報告采用二級平臺筑堤方案，該方案涉及入海水道南、北堤的堤防退建問題，并且退堤后新堤位于堤基土物理力學(xué)性質(zhì)偏弱的老堤平臺、灘地位置，甚至部分堤段退至河道位置，按照現(xiàn)有方案填筑后的二期工程堤身仍存在穩(wěn)定問題。若能通過經(jīng)濟合理、切實可行的技術(shù)措施對“深軟土段”的堤基軟土進行加固處理，實現(xiàn)南、北堤盡量不退堤，將從根源上解決入海水道南、北堤沉降不穩(wěn)定問題，消除工程后期運行中存在的安全隱患，避免堤防退建可能帶來的經(jīng)濟及社會問題。王恒[1]、LIUHL等人[2]、LEROUEILS等人[3]、TAVENASF等人[4]認(rèn)為研究堤防長期荷載下天然沉積土的力學(xué)特性變化規(guī)律，對于堤防加固工程至關(guān)重要。由于天然沉積軟土受到時間、物理和化學(xué)等綜合因素作用，使天然沉積土與重塑土的力學(xué)性質(zhì)區(qū)別很大[5-7]。這些因素對天然沉積土的力學(xué)性狀的影響統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)性[8-10]。結(jié)構(gòu)性土靈敏性高，施工中容易受到結(jié)構(gòu)損傷，會導(dǎo)致堤防工程出現(xiàn)沉降和穩(wěn)定性問題[11-13]。因此，需要對阜寧“深軟土段”天然沉積土原狀樣進行相關(guān)試驗，了解阜寧段天然沉積土的物理特性和力學(xué)特性，以期為“深軟土段”后期堤岸沉降不穩(wěn)定加固處理提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)依據(jù)。

1試驗概況

1.1試驗用土

試驗所用土樣取自鹽城市阜寧縣入海水道K85.5標(biāo)段試驗段，取土深度1～12m，現(xiàn)場取出樣品如圖1所示。取出后裝入薄壁筒，并且用保鮮膜密封，在運輸途中應(yīng)盡量避免對原狀樣的擾動。運抵實驗室后，立即按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）[14]開展不同深度處阜寧原狀土物理性質(zhì)測定、無側(cè)限抗壓強度和壓縮試驗。

1.2試驗內(nèi)容

1.2.1無側(cè)限抗壓強度試驗

謹(jǐn)慎打開原狀土樣外包鐵皮，去掉內(nèi)層保鮮膜，分辨原狀土上下層關(guān)系，整平土樣兩端；手持鋼絲鋸，沿與原狀土天然層次垂直的方向，切去長約10cm土樣，剩余試樣用來制作壓縮樣。把10cm的土樣放入Q1-1型切土盤（如圖2所示）中，固定好。把土樣切削成4cm×8cm標(biāo)準(zhǔn)試樣，原狀土試驗切削過程中，應(yīng)該避免對土樣的擾動。

采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀（如圖3所示）進行無側(cè)限抗壓強度試驗。試樣直徑為4cm，高度為8cm，將切削好的原狀土試樣，兩端均勻涂抹一薄層凡士林，放在壓力儀底座上，轉(zhuǎn)動手輪，當(dāng)測力計讀數(shù)開始增加時，停止手輪轉(zhuǎn)動，將測力計和百分表讀數(shù)調(diào)零。當(dāng)時，每隔0.1mm讀數(shù)一次；當(dāng)時，每隔0.2mm讀數(shù)一次；當(dāng)時，每隔0.4mm讀數(shù)一次，直到應(yīng)變達(dá)到20%為止，試驗結(jié)束，取下試樣，每個試樣分別取15～30g的土，放入鋁盒中，進行含水率測試。

1.2.2壓縮試驗

采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的WG型單杠桿固結(jié)儀開展阜寧原狀土壓縮特性實驗研究，杠桿比Leverratio1：12。由于原狀土3m以下均是淤泥質(zhì)黏土，含水率大，強度不高，為了防止土樣在較大的壓力下被擠出，影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，壓縮試驗第一級加荷從3.125kPa開始，然后6.25kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa，直到1600kPa。試樣高度為20mm，面積30cm2。分別對阜寧土在1～12m深度處的原狀土試樣進行壓縮試驗，試驗操作流程和數(shù)據(jù)記錄嚴(yán)格按照土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行。

2試驗結(jié)果分析

2.1密度試驗結(jié)果分析

淮河入海水道二期工程阜寧段原狀土不同深度的密度分布如圖4所示，從圖中可以看出，淺層土體的密度整體高于深層土體，最大可達(dá)到1.88g/cm3，這主要是由于淺層為人工填土、耕植土以及粉砂土等性質(zhì)較好的土層，經(jīng)受過一定程度的壓實作用；4～6m深度處，土體的密度降低，主要是土體由上層的人工填土或砂土變成淤泥質(zhì)黏土；當(dāng)土層深度進一步增加時，土體逐漸由淤泥質(zhì)黏土轉(zhuǎn)變?yōu)橛倌噘|(zhì)粉土，且局部出現(xiàn)夾砂層，故原狀土的密度略有增加，但整體增幅不大。

2.2含水率試驗結(jié)果分析

淮河入海水道二期工程阜寧段原狀土不同深度的含水率分布如圖5所示。從圖中可以看出，隨著取土深度的增加，原狀土的含水率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。取土深度為1～3m時，土樣的含水率基本在46%左右；當(dāng)取土深度大于4m時，含水率開始增加，取土深度到達(dá)8m時，含水率達(dá)到最大值65%FkMZBErx+HiaGJGX4VqoHIsKsD/rqTsTpV3aceYxeO0=；隨著深度的進一步增加，含水率逐漸降低，深度到達(dá)12m時，含水率最小為37%。含水率增大的原因是由于淺層為性質(zhì)較好的填土層，經(jīng)受過一定程度的壓實作用，因此1～3m深度處含水率要小于4～8m深度處含水率；隨著深度的進一步增加，含水率逐漸降低，是由于土體逐漸由淤泥質(zhì)黏土轉(zhuǎn)變?yōu)橛倌噘|(zhì)粉土，且局部出現(xiàn)夾砂層。

2.3無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果分析

從圖6應(yīng)力應(yīng)變曲線圖可以看出，阜寧原狀土1～2m深度時，應(yīng)力應(yīng)變存在明顯峰值后軟化的現(xiàn)象，這與郝冬雪等人[15]研究的中砂在常壓狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線是類似的，因此原狀土1～2m深度表現(xiàn)為砂土的性質(zhì)，其應(yīng)力值要遠(yuǎn)大于3m及其以下深度處，這與取出原狀土的外在表現(xiàn)也是吻合的；3m及其以下深度處的應(yīng)力應(yīng)變均表現(xiàn)為硬化的曲線特征，隨著深度的增加，最大應(yīng)變值總體趨勢逐漸變小，只不過后邊深度處，最大應(yīng)變值的變化幅度很小。

從圖7無側(cè)限抗壓強度曲線可以看出，阜寧原狀土深度為1～2m時，無側(cè)限抗壓強度在49kPa左右；3m深度處，無側(cè)限抗壓強度為30kPa；深度為4～12m時，無側(cè)限抗壓強度在18～25kPa左右；前2m深度處的無側(cè)限抗壓強度明顯高于其他深度處。通過現(xiàn)場鉆探表明：2m深度范圍內(nèi)土質(zhì)為黃色粉質(zhì)砂壤土（如圖8所示），3～12m范圍為灰色淤泥質(zhì)黏土（如圖9所示）。這就解釋了阜寧原狀土1m、2m深度處的強度明顯高于其他深度處強度的原因。

2.4壓縮試驗結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗內(nèi)容，可以得-到阜寧原狀土在不同深度處，在連續(xù)加載條件下的固結(jié)變形情況；同樣也可以得到孔隙比隨固結(jié)壓力的變化情況；如圖10所示，為阜寧原狀土在不同深度處的壓縮曲線。從圖中可以看出所有深度處，阜寧原狀土都隨著荷載的增加，逐漸被壓實，孔隙比隨著減小。壓縮曲線斜率不一樣，當(dāng)壓力未達(dá)到屈服力前，曲線斜率比較小，曲線較平緩；當(dāng)壓力超過屈服力后，曲線斜率迅速變大，土樣結(jié)構(gòu)性被破壞，壓縮曲線比較陡。從圖中還可以看出原狀阜寧土在6m深度處，試樣體積被壓縮的更明顯，原因可能是6m深度處土樣含水率和孔隙體積要大于其他深度。

3結(jié)論

通過對原狀阜寧土強度和壓縮性能的試驗研究得到以下結(jié)論：原狀阜寧土含水率隨著深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；原狀阜寧淺層土的無側(cè)限抗壓強度要遠(yuǎn)大于深層土的無側(cè)限抗壓強度；相較于其他深度，阜寧原狀土6m深度處土樣的含水率最高，壓縮性最大。

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