可門港淤泥質軟土基本特性隨深度變化的規律探討

曾志琳，黃爍菡，楊陳堅

(1.福州大學土木工程學院 福建福州350100;2.中鐵二十二局 北京100040)

引 言

淤泥質軟土是濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的細粒土。其外觀多以灰色為主，具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低的物理力學特性，并具有蠕變性、觸變性等特殊的工程地質性質，固結后力學性質變化比較大。

一方面由于淤泥質軟土存在強度低、沉降量大的問題，如處理不當，往往會給工業民用建筑、道路工程、鐵路工程、橋梁橋頭結合部位等帶來很大的危害。另一方面國內外學者已經對淤泥質軟土的物理力學性質進行了各類的研究，其中，雖然對于淤泥質軟土的物理力學性質有著細致的研究，但是關于淤泥質軟土的強度特征與深度的變化關系的研究較少。因此，為更好的了解淤泥質軟土的強度特性，本文結合試驗與相關理論的研究，研究淤泥質軟土的強度沿不同深度的變化規律。

1 工程概況及試樣采集

本文主要研究的是福州連江可門港海相淤泥質軟土基本特性隨深度的變化規律。根據地質勘察報告，可門港區域土質分布著厚度為24.4m的淤泥質軟土，沿深度方向上淤泥土層的粘聚力隨深度的增加不斷增加，上層淤泥土(1.4～9m)約在6kPa～12kPa之間，中上層淤泥土(10～15m)約在13kPa～24kPa之間，中下層淤泥土(16～18m)約在28 kPa～33 kPa之間，下層淤泥土(19～25.8m)約在25kPa～33kPa之間，中下部淤泥呈現抗剪強度較高現象，可能含有夾層。但總體上，自上而下土體抗剪強度呈上升趨勢;而淤泥土層的靈敏度與深度之間的關系則不明顯，大體上各層淤泥土的靈敏度均分布在3～7之間，屬于結構性強的高靈敏度軟土(見表1)。

表1 十字板剪切測試一覽表

該淤泥土具高含水量、高壓縮性、中～高靈敏性，此類土的強度非常低，固結后力學性質變化比較大，具有較強的吸附力，屬于飽和多孔介質，且是由土粒骨架以及充滿在骨架內的孔隙水組成，工程物理性質較為特殊，工程性質差(見表2)。

表2 靜力觸探情況一覽表

本實驗通過對福建省福州市連江縣可門港經濟開發地區附近淤泥質軟土進行固結不排水剪切試驗和不固結不排水快速直接剪切試驗，來測定此地區近海淤泥質軟土在不同深度情況下抗剪強度的變化情況，計算淤泥質軟土的強度指標:內摩擦角c以及粘聚力φ。進一步驗證在不同深度情況下此地區淤泥質軟土的c，φ值呈現何種變化規律。

2 三軸剪切試驗

本次試驗共做六組三軸剪切試驗，其中三組為CU(固結不排水剪切)試驗，另外三組為UU(不固結不排水剪切)試驗。

2.1 固結不排水三軸試驗

三種固結不排水三軸試驗(CU)，分別是ZK1#5.0、ZK1#13.0、ZK1#23.0所用試樣均標準化，高度為8cm，直徑3.91cm。在這組試驗中，每組試樣切取四個標準土樣，分別施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa的圍壓。記錄并繪制出其主應力差與軸向應變關系曲線(如圖1～圖3)所示。

圖1 軸向應變和主應力差之間的關系曲線(ZK1#5.0)

圖2 軸向應變和主應力差之間的關系曲線(ZK1#13.0)

圖3 軸向應變和主應力差之間的關系曲線(ZK1#23.0)

圖4 CU試驗的應力路徑曲線(ZK1#5.0)

圖5 CU試驗的應力路徑曲線(ZK1#13.0)

圖6 CU試驗的應力路徑曲線(ZK1#23.0)

式中:α——應力路徑上破壞點的連線的傾角。

有效粘聚力C'u按下式計算:

式中:d——應力路徑上破壞點的連線在縱軸的截距，kPa;

根據有效應力路徑曲線計算得到的有效摩擦角φ'u和有效粘聚力C'u。ZK1#5.0的有效摩擦角φ'u和有效粘聚力C'u可以由(圖4)得出α=22.78°，d=4.90kPa，即C'u=5.40kPa，φ'u=24.83°;ZK1#13.0的有效摩擦角φ'u和有效粘聚力C'u可以由(圖5)得出α=22.78°，d=4.90kPa，即C'u=5.40kPa，φ'u=24.83°;ZK1#23.0的有效摩擦角φ'u和有效粘聚力C'u可以由(圖6)得出α=25.21°，d=4.52kPa，即C'u=5.12kPa，φ'u=28.08°。

試驗測得的有效摩擦角＇和有效粘聚力Cu＇匯總(如表3):

表3 有效應力路徑曲線得到的C'u和φ'u匯總表

以剪應力τ為縱坐標，法向應力σ為橫坐標，繪制破壞總應力圓，并繪制在不同周圍壓力下破壞應力圓的包線，包線的傾角為內摩擦角φu，包線在縱坐標軸上的截距為粘聚力Cu。對于有效內摩擦角φ'u和有粘聚力C'u，應以為圓心，以為半徑繪制有效破壞應力圓確定。計算得到ZK1#5.0、ZK1#13.0和ZK1#23.0這三組試樣的粘聚力和內摩擦角，匯總于(表4)中。

表4 CU試驗粘聚力、內摩擦角、有效粘聚力、有效內摩擦角表

2.2 不固結不排水三軸試驗

UU試驗共進行了3組，分別是ZK1#3.0、ZK1#11.0、ZK1#21.0，所用試樣均標準化，高度為8cm，直徑3.91cm。每組試驗切取四個標準試樣，分別施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa的圍壓，記錄其主應力差與軸向應變關系曲線如(圖7～圖9)所示。同樣通過得到每組試樣的不固結不排水剪強度包線，分別計算出三組試驗的粘聚力和內摩擦角并匯總于(表5)。

圖7 主應力差與軸向應變關系曲線(ZK1#3.0)

圖8 主應力差與軸向應變關系(ZK1#11.0)

圖9 主應力差與軸向應變關系曲線(ZK1#21.0)

表5 UU試驗的粘聚力和內摩擦角匯總表

3 界限含水率試驗

粘性土的狀態與土中含水率密切相關。根據含水率不同，可以將細粒土分為流動狀態、可塑狀態、半固體狀態和固體狀態四種狀態。界限含水率就是區分這四種狀態的度量值。本次試驗采用液塑限聯合測定法測定土樣的液限和塑限。試驗測得了6組深度分別為ZK1#2.0、ZK1#6.0、ZK1#10.0、ZK1#14.0、ZK1#20.0、ZK1#24.0土體的含水率和液限、塑限含水率值。

以試樣ZK1#10.0為例，以含水率為橫坐標，圓錐下沉深度為縱坐標，在雙對數坐標紙上繪制關系曲線。三點連一直線(如圖10)所示。在圓錐下沉深度與含水率關系圖上，查得下沉深度為17mm所對應的含水率為液限，值是65.06，單位為%;查得下沉深度為2mm所對應的含水率為塑限，值是27.88，單位為%。

圖10 圓錐下沉深度與含水率關系

塑性指數和液性指數的計算公式為:

式中ωL為液限，%;ωP為塑限，%;ω為天然含水率，%;IL為液性指數;IP為塑性指數。

由式(3－1)和式(3－2)可得試樣ZK1#10.0的液限為65.06，塑限為27.88，塑性指數為37.18，液性指數為1.259。同理可得試樣ZK1#2.0、ZK1#6.0、ZK1#10.0、ZK1#14.0、ZK1#20.0和ZK1#24.0的液限、塑限、塑性指數和液性指數，列于(表6)中。由(表6)可得，隨著深度的變化，液限、塑限、液性指數和塑性指數的變化都不大，液限在63左右，塑限在28左右，塑性指數在35左右，液性指數在0.95到1.60之間變化。

表6 界限含水率試驗匯總表

4 結論

本試驗對不同深度淤泥質土層進行了三軸剪切試驗和界限含水率試驗，測定了淤泥質土的液塑性指數、液塑限指數，以及在固結不排水與不固結不排水條件下的粘聚力、摩擦角、有效粘聚力和有效內摩擦角等多個土工參數。總結試驗結果，可以得出以下結論:

(1)淤泥質軟土的內摩擦角較大，粘聚力較小，含水率較大。

(2)CU試驗得到的有效粘聚力C'u在5.0kPa～6.0kPa之間，其數值基本保持不變，大致在5.5kPa左右;有效內摩擦角φ'u在20°～30°之間，隨深度的增大而增大。試驗土樣的粘聚力Cu在4.9kPa到7.1kPa之間，摩擦角在12.0°到16.0°之間，有效粘聚力在2.0kPa到6.5kPa之間，有效摩擦角在25.0°到31.0°之間。

(3)UU試驗得到的粘聚力在5.0kPa到13.0kPa之間，隨著深度的不斷加深，粘聚力逐漸增大;內摩擦角在0.9°到2.3°之間，隨深度變化，內摩擦角變化不大，大致在1.4°作用。

(4)界限含水率試驗中，液限在63左右，塑限在28左右，塑性指數在35左右，液性指數在0.95到1.60之間變化。隨著深度的變化，液限、塑限、塑性指數和液性指數的變化都不大。

致謝

論文得以順利地完成，特別感謝福州大學本科生科研訓練計劃項目基金(18088)的資助，以及軌道與地下工程系黃明老師的悉心指導。

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