科威特Boubyan島土體工程特性研究

鮑樹峰，董志良，張功新，莫海鴻，房營光

科威特Boubyan島土體工程特性研究

鮑樹峰1，2，董志良1，張功新1，莫海鴻2，房營光2

（1.華南理工大學土木與交通學院，廣州 510641；2.中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230）

基于科威特Boubyan島海港項目一期路橋及地基處理工程，對Boubyan島土體進行了原位測試，并對199個原狀土樣進行了室內試驗，同時，對典型土樣進行了淋溶前后的直剪試驗。試驗分析結果表明：科威特Boubyan島土體屬于粉質黏土，為超氯濱海鹽漬土，具有砂土特性，且具有低含水量、低液塑限、低靈敏度、低強度（遇水易失穩崩解）、高壓縮性等典型鹽漬土的工程特性；自然成因、可溶鹽含量和顆粒表面電荷密度是Boubyan島土體具有低強度、低液塑限等宏觀工程特性的主要因素。

科威特Boubyan島；原位測試；室內試驗；土體工程特性

1 工程背景

科威特Boubyan島位于波斯灣東北部，面積約為888 km2，是科威特9個島嶼中最大的一個，地勢平坦，人跡罕至，年平均降雨量約100 mm，年平均溫度約為45℃。Boubyan島是由許多懸浮狀的高含鹽量細顆粒物（如粉土顆粒、黏土顆粒以及膠狀顆粒）隨著潮水不斷沉積而形成的，屬于三角洲沉積物和海相沉積物。

基于科威特Boubyan島海港項目一期路橋及地基處理工程，沿線布置了34個鉆孔，鉆孔深度均為35 m。地質鉆孔資料表明［1－2］：地下水位于深部的砂層中，為承壓水；島嶼的土層分布從上至下依次為較薄的地表硬殼層（遇水易軟化）、厚度為20～25 m的非常軟－軟黏質粉土層（標準貫入擊數值為10擊左右）、中等密實－密實粉砂層（標準貫入擊數值為50擊左右）；有時，局部夾雜著中等硬度－硬狀黏質粉土層（標準貫入擊數值為15～40擊）；島嶼東部和西部的軟土層厚度降至10～20 m；Boubyan島土體屬于濱海鹽漬土。

濱海鹽漬土是港灣工程中常見的具有特殊工程特性的一種軟土，形成于經常受海潮侵襲、海水浸漬的有強烈蒸發和毛細作用的濱海地區，其最大特點是所含鹽的成分與海水一致，都以氯化鈉為主；表層土含鹽量高一些，下臥土層也含有較高的可溶鹽，含鹽量分布比較均勻［3］。濱海鹽漬土處于特殊的水文地質環境以及具有與內陸性軟土不同的特性成因，致使其具有與內陸性軟土明顯不同的物理力學性質和物理化學性質。國內外許多學者已經對濱海鹽漬土的物理力學特性進行了較多的研究［4－6］，然而，到目前為止，還未見相關文獻對科威特Boubyan島土體的工程特性進行系統地研究和報導。

本文基于科威特Boubyan島海港項目一期路橋及地基處理工程，對Boubyan島土體進行了原位測試（十字板剪切試驗VST、孔壓靜力觸探試驗CPTU），并對199個原狀土樣進行了室內試驗（三軸試驗、液塑限試驗與成分分析、電化學特性），同時，對典型土樣進行了淋溶前后的直剪試驗。然后，基于試驗結果，對巴比延島土體的工程特性進行了系統的研究。

2 現場原位測試結果分析

2.1 孔壓靜力觸探試驗（CPTU）

基于國際標準IRTP（International Reference Test Procedure），采用瑞典ENVI公司的無線靜力觸探設備沿線進行了37個孔壓靜力觸探試驗（CPTU）。試驗結果表明［2］：地表以下0～20 m范圍內的錐尖阻力qc幾乎都小于1 MPa。

圖1為ECPT－3和Borehole16C 2個典型鉆孔的孔壓消散曲線。根據圖1可知，孔壓的消散時間隨著深度的增加而減少。

基于孔壓消散的相關數據［7］，結合Baligh＆Levadoux（1980）關于水平向固結系數Ch的計算公式，可計算出不同深度的水平向固結系數，統計如表1。

圖1 典型鉆孔ECPT－3和Borehole16C的孔壓消散曲線Fig.1 Pore-water pressure dissipation curves for representative borehole ECPT－3，and Borehole16C

表1 不同深度Ch統計Table 1 Summary of Chin different depths

2.2 十字板剪切試驗（VST）

基于美國標準AASHTO T－223，采用美國Acker Drill公司的十字板試驗設備沿線進行了35個十字板剪切試驗，測試的深度間隔為2 m。

土層中各個深度的原位抗剪強度SU和靈敏度St分別統計如表2。根據表2可知，地表以下深度為2.5～24.5 m范圍內的土體抗剪強度值基本呈增大趨勢，屬于中等范圍，土體靈敏度≤1.5，屬于不靈敏土體，說明土體結構性不明顯，顆粒間的膠結性不強。

3 室內試驗結果分析

3.1 原狀土樣表觀分析

基于英國標準BS1377：1990：Part－9，在鉆孔BH－P2中進行標準貫入試驗時采用內徑為72 mm的薄壁取土器收集了不同深度的原狀土樣，如圖2所示。

表2 SU和St統計表［2］Table 2 Summary of S and S［2］Ut

圖2 鉆孔BH－P2不同深度的原狀土樣Fig.2 Undisturbed soil samp les from different depths of borehole BH－P2

不同深度的原狀土樣表觀分析結果表明：隨著深度的增加，土體的硬度逐漸增大；從3個深度的土樣中分別制備了若干個球狀土樣，烘干24 h后，放入事先備好的淡水中，大約0.5 h后，球狀土樣均迅速崩解成細顆粒狀態。將崩解后的土顆粒重新制備成球狀土樣，烘干24 h后，再次放入淡水中，就不存在崩解現象了。這種崩解現象即為鹽漬土浸水后的溶陷性。AL－Amoudi［8］經研究發現，鹽漬土的溶陷性，如可溶鹽如氯化鈉的溶解，可明顯影響其穩定性。

3.2 Boubyan島土體室內常規試驗結果分析

基于英國標準BS1377：1990：Part－2對來自Boubyan島沿線的199個土樣進行了含水量W、液塑限（WL，WP）、顆粒分析、一維固結特性（CV，CC，av1－2，Es1－2）、三軸試驗（Sr，C′，?′）等常規試驗。試驗結果列于表3。

由表3可知：Boubyan島土體的天然含水率在17%～35.4%之間，基本處于液限含水率附近；土體液限值（WL）基本都大于相應的含水量（W）；液限和塑限含水量分別為26%～38%和19%～31%，較一般三角洲相的土體低；顆粒組成主要為粉粒和黏粒，且粉粒含量＞黏粒含量；塑性指數（IP）基本上都在11～17之間，位于“A”線以上；土的壓縮系數av1－2≥0.5 MPa－1。因此，Boubyan島土體具有低含水量、低液塑限、高壓縮性等性質，且地表以下0～25 m范圍內的土體基本上都屬于粉質黏土。

然而從三軸試驗結果來看，Boubyan島土體具有黏聚力較低而內摩擦角較高的特點，除了地表以下5 m和19 m深度處的黏聚力稍大、地表以下7 m深度處的內摩擦角較小以外，其余各深度處的黏聚力C′＝0，內摩擦角φ′＝26°～36°，因此，Boubyan島土體還具有砂土特性。

3.3 Boubyan島土體礦物組成及電化學特性分析

基于英國標準BS1377：1990：Part－3對Boubyan島土體典型土樣進行了可溶鹽含量、礦物成分陽離子交換等試驗，試驗結果列于表4。表4中的顆粒表面電荷密度由實測的陽離子交換量與總比表面積換算求出，其中前者采用乙酸銨交換法［9］測得，后者采用乙二醇乙醚吸附法［10］測得。

由表4可知：Boubyan島土體的可溶鹽含量高達13.4%～20.9%，成分主要為氯鹽，且C（CL－）／2C（SO4

2－）＞2，而顆粒表面電荷密度較低。根據我國《巖土工程勘察規范》（GB50021—2001）可知，Boubyan島土體屬于超氯濱海鹽漬土。同時，礦物成分分析表明該土樣的黏土礦物含量為35.4%，少于一般沿海地區軟土（黏土礦物＞50%）［11］。

表3 Boubyan島199個原狀土樣常規試驗結果統計表Table 3 Results of laboratory test on 199 undisturbed soil sam ples from Boubyan Island

表4 Boubyan島典型土樣礦物組成及電化學特性測試結果Table 4 M ineral com position and electrochem ical properties of representative soil samples from Boubyan Island

3.4 Boubyan島土體典型土樣直剪試驗

直剪試驗的試樣為擾動土，直徑和高度分別為61.8 mm和20 mm。為分析含鹽量和含水量對Boubyan島土體抗剪強度的影響，分別配制了含水率為液塑限之間、含水率為液限附近的2種環刀試樣。然后，基于英國標準BS1377：1990：Part－2分別進行了2次試驗，第1次試驗利用原擾動土進行測試，第2次試驗前用淋溶法將土樣中的可溶鹽反復濾除，以降低可溶鹽含量后再進行測試。采用固結快剪法進行直剪試驗，剪切速率為0.8 mm／min。固結快剪試驗結果列于表5，表6為淋溶前后試樣的界限含水量變化情況。

表5 淋溶前后擾動土樣的固結快剪試驗結果Table 5 Results of direct shear test on disturbed soil samp les before and after eluviations

表6 淋溶前后土樣的液塑限Table 6 Atterberg lim its of disturbed soil samples before and after eluviations

表5的試驗結果表明：對于含水量在液塑限之間的試樣1，淋溶后的黏聚力與內摩擦角均有所降低；而對于含水量處于液限含水率附近的試樣2，淋溶后的黏聚力有所提高，內摩擦角則有所降低，且100 kPa和200 kPa固結壓力下的抗剪強度也稍有下降。無論是淋溶前還是淋溶后，土的黏聚力和摩擦角與含水量成反比。因此，含鹽量與含水量對土樣的抗剪強度有明顯的影響。

而表6的試驗結果表明：經淋溶濾除大部分可溶鹽后土樣的液限和塑限含水率均有顯著的提高，其提高幅度分別達到了29.4%和48.1%。因此，擾動土樣的界限含水量也明顯受含鹽量的影響。

綜合分析現場原位測試和室內試驗結果可知，Boubyan島土體屬于粉質黏土，為超氯濱海鹽漬土，具有砂土特性，具有低含水量、低液塑限、低靈敏度、低強度（遇水易失穩崩解）、高壓縮性等典型鹽漬土的工程特性。

4 Boubyan島土體強度特性分析

土體強度的變化并不是單純的力學過程，而是一個與土體的顆粒組成、物理化學性質及其所處的環境密切相關的化學－力學過程［12］。下文基于現場原位測試和室內試驗結果，從科威特Boubyan島土體的特殊成因和工程特性形成的微觀機制和機理來分析其特殊的強度特性。

4.1 Boubyan島土體的自然成因

Boubyan島土體的低強度（遇水易失穩崩解）、低液塑限等工程性質與當地特殊的氣候、地理、水文等條件密切相關。

該地區屬于熱帶沙漠氣候。夏季日間平均氣溫可達45℃，異常干旱炎熱，而冬季夜間最低溫度7.2℃。月平均降水量最高僅25.5 mm，年平均降雨量約為100 mm。在海相環境下，土顆粒在該島的近岸地區沉積而形成了濱海鹽漬土陸地。顆粒分析結果（表3）表明：該島土體顆粒組成主要為極細的粉粒和黏粒，有較強的吸附鹽的能力，毛細水上升高度大。

島嶼受到海潮有規律性的侵襲，退潮后經烈日暴曬，致使海水中的部分鹽分因地面的強烈蒸發作用而析出并累積于土中，因此，往往使島嶼表面形成厚度不大的鹽殼層。可溶鹽（主要為氯鹽）的膠結作用使地表的鹽殼層在干燥狀態下非常堅硬，然而，一旦吸潮或浸水，可溶鹽迅速溶解，鹽殼就會軟化崩解，這是導致Boubyan島土體低強度的直接原因。

4.2 Boubyan島土體強度特性的機理分析

Gouy-Chapman理論［11］指出，帶負電荷的黏土顆粒表面形成的微電場，使顆粒表面吸附具有高黏性的結合水膜。結合水膜的厚度在一定程度上表征液限和塑性指數的范圍，從而影響土體的物理力學性質。因此，隨著土顆粒表面電荷密度的提高，形成微電場的強度增大，吸附的結合水膜厚度增加，液限和塑性指數提高。然而，土體中的可溶鹽等電解質溶解于孔隙水中，使孔隙水的離子濃度提高，使顆粒表面吸附的結合水膜厚度變小，因此，液限和塑性指數隨之減小。

因此，下面分別從土體中的可溶鹽含量和土顆粒表面電荷密度2方面因素對Boubyan島土體的物理力學特性進行分析。

Boubyan島土體的含鹽量高，可溶鹽溶解于孔隙水中后，使孔隙水的離子濃度提高，使顆粒表面吸附的結合水膜厚度變小，致使顆粒之間的相互運動阻力大。雖然土體顆粒細小，但還是比正常含鹽量的土（如淋溶后的Boubyan島土體）表現出較大的內摩擦角以及較低的液塑限和塑性指數，如表5和表6所示。

土體的黏聚力與顆粒間的膠結狀況有關。如表5所示，Boubyan島土體經淋溶后，顆粒間的可溶鹽結晶膠結作用仍未發揮出來，致使表觀內聚力較小，而且，由于顆粒間的鹽結晶膠結不強，擾動前后的表觀內聚力變化不大，因而土的靈敏度較小。再如表5中的Boubyan島土體試樣2，淋溶前后的含水量均接近相應狀態下的液限值，但淋溶前后的強度特性有明顯區別。因此，可溶鹽含量對土體的抗剪強度有明顯的影響。

陽離子交換當量表征顆粒表面所帶的負電荷密度，不同礦物成分的陽離子交換當量差異較大。顆粒表面電荷密度大，顆粒表面的結合水膜厚度就大，使土體具有較高的液塑限和塑性指數以及較小的內摩擦角。一般而言，土體中強親水礦物含量越多，液塑限和塑性指數就越高，內摩擦角通常就越小；反之，表現出液塑限和塑性就較低，內摩擦角就較大。Boubyan島土體中強親水礦物較少，特別是蒙脫石含量較少，非黏土礦物成分較多（＞60%），如表4所示，因此，其顆粒表面電荷密度明顯較低，進而導致較低的液塑限和塑性指數以及較大的內摩擦角，如表5和表6所示。

綜上所述，自然成因、可溶鹽含量和顆粒表面電荷密度是科威特Boubyan島土體具有低強度（遇水易失穩崩解）、低液塑限等宏觀工程特性的主要因素。

5 結 論

本文基于科威特Boubyan島海港項目一期路橋及地基處理工程，沿線對Boubyan島土體進行了原位測試，并對199個原狀土樣進行了室內試驗，同時，對典型土樣進行了淋溶前后的直剪試驗。試驗分析結果表明：

（1）科威特Boubyan島土體屬于粉質黏土，為超氯濱海鹽漬土，具有砂土特性，具有低含水量、低液塑限、低靈敏度、低強度（遇水易失穩崩解）、高壓縮性、遇水易失穩崩解等典型鹽漬土的工程特性。

（2）自然成因、可溶鹽含量和顆粒表面電荷密度是科威特Boubyan島土體具有低強度（遇水易失穩崩解）、低液塑限等宏觀工程特性的主要因素。

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［2］ BOB.Boubyan Seaport Project Phase-1 Stage-1：Road，Bridge＆Soil Improvement：Geotechnical Investigation-Factual Report［R］.Kuwait：Gulf Inspection International Co.，2008.

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（編輯：姜小蘭）

Engineering Properties of Soils on Boubyan Island in Kuwait

BAO Shu-feng1，2，DONG Zhi-liang1，ZHANG Gong-xin1，MO Hai-hong2，FANG Ying-guang2
（1.School of Civil Engineering＆Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China；2.Engineering Technology Research Co.Ltd.of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.Ltd.，Guangzhou 510230，China）

To provide support for the road，bridge and foundation treatment of Boubyan Seaport Project Stage-I in Kuwait，we performed in-situ tests on the soils along the highway and railway line on Boubyan Island，carried out laboratory tests on 199 undisturbed samples，and also conducted direct shear tests on disturbed soil samples before and after eluviations.Test results and analysis show that the soils on Boubyan Island belong to silty clays and coastal saline soilswith high content of chloride，and has a little property of sandy soils.Its engineering properties include low moisture content，low Atterberg limits，low sensibility，low shear strength（easily disintegrated），and high compressibility.Natural formation，soluble salt content and surface charge density are main causes of these properties.

Boubyan Island in Kuwait；in-situ tests；laboratory tests；engineering properties of soils

TD413.5

A

1001－5485（2012）12－0053－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.011 2012，29（12）：53－57，61

2011－09－19

亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主研究課題資助項目（2008ZA11）

鮑樹峰（1982－），男，江西婺源人，工程師，博士研究生，主要從事軟基處理、基坑以及樁基工程方面的研究，（電話）13609020225（電子信箱）42701332＠qq.com。