上海第⑧層黏土沉積環境及超固結特性

劉麗斌， 蘭立信， 李明廣， 葉冠林

(上海交通大學 土木工程系，上海 200240)

近幾十年來，隨著我國城市化進程的不斷深入，城市地表資源逐漸稀缺，地下空間開發成為城市建設的發展趨勢和主流方向，但隨著地下空間設施的日益擁擠，對土體的工程性質要求越來越高[1].地下結構建設高速發展的上海，其地下結構面積雖然僅為全國土地面積的0.066%，但由于其舉足輕重的經濟地位，對上海深層土體的研究顯得尤為重要.

目前，從國內外的工程實踐來看，研究的土體深度主要集中于30 m以內的淺層土，有關土體的沉積環境影響的研究卻比較少.在已有的關于黏土沉積環境及與物理力學性質相關性的研究中，大部分系針對分布于歐洲西北部以及加拿大東部地區的冰川型海相沉積黏土[2-3]，沉積后經歷了一些物理化學作用形成了工程性質極差的超靈敏土.對于在東南亞各國廣泛分布的沖積型海相黏土，僅有少量研究.Ohtsubo等[4]先后對日本有明和泰國曼谷黏土的沉積過程進行了分析，并指出了沉積環境對物理性質的影響.在國內，邵光輝等[5]和Liu等[6]對連云港的黏土進行了相關研究.關于上海的黏土，雖然有地質領域相關學者對全新世長江三角洲的發育過程進行了系統研究，但關注的往往是廣域問題以及厚達上百米的地層，與巖土工程少有交集.近幾十年來，魏道垛等[7-8]對上海淺部土層的應力歷史、原狀土和重塑土等基本物理力學性質進行了研究，分析了應力歷史、各向異性等不同因素對上海軟黏土變形和強度特性的影響.武朝軍等[9]通過大量試驗，研究了上海淺部土層(②～⑥層土)沉積環境、物理化學性質和力學特性，分析了沉積環境對淺層土工程性質的影響.超固結成因方面，一般來說可以分為兩類：應力和非應力.應力類原因有土層剝蝕、地下水位的變動及動荷載的作用；非應力類原因有次固結和膠結作用等.

迄今為止，還沒有文獻對上海深層(⑥～⑨層)軟黏土的沉積環境和工程性質進行過研究.本文結合末次冰期以來中國東海海平面及大氣溫度變化，分析了上海深層土的沉積環境；通過高壓固結和超固結比(OCR)三軸不排水剪切(CU)試驗，研究了上海第⑧層土的超固結特性，并分析了其產生超固結的原因，為進一步展開相關研究工作及工程設計、施工人員提供了一定的參考.

1 上海深層土沉積環境

根據上海市區第四紀綜合地層柱狀圖[10-11]，本文所研究的上海深層土為第一硬土層、第二砂層、第二硬土層、第三砂層，即⑥～⑨層土，地層年代屬于第四系的上更新統.⑥～⑨層土沉積環境依次為：湖泊、河流-濱海、湖泊和河流-濱海、河流.文獻[12]中擬定的海平面、大氣溫度變化曲線以及對應的土層沉積年代如圖1所示.其中，時間采用ka B.P.,表示距今多少千年；土層沉積年代信息來源于上海市區第四紀綜合地層柱狀圖.晚更新世末次冰期(下文簡稱為末次冰期)以來，中國東部平原發生了3次海侵，根據江蘇第一水文地質隊依次命名為：太湖海侵、滆湖海侵和鎮江海侵.

圖1 末次冰期以來上海地區海平面、大氣溫度變化與深部土層沉積歷史[12]

太湖海侵的形成年代約為70～128 ka B.P.，在該時間段內，上海境內的沉積通常為河流沉積，間或為受到海水影響的三角洲河流，偶爾在局部可達到三角洲前緣的河口環境.河流-三角洲相砂層構成了分布廣泛、厚度較大的川沙組地層，上海工程地質界稱之為第⑨工程地質層.雖然此次海侵在上海境內分布廣泛，但根據研究資料[13]顯示，長江三角洲東部地區在該時間段內的沉積物以含礫砂為主、普遍發育溺谷相，并且海侵層較薄，厚約10 m.海水主要沿古河谷入侵，此次海侵層屬于海相性較弱的海侵層.

海退發生的時間約在7萬年前，海退歷時約1.5萬年左右.從古氣候分期，得出這段時間是“第六寒冷期”，大氣溫度的降低將引起冰川的凝聚，伴隨的是海平面下降約80 m.全區沉積環境由泛濫平原環境演化為泛濫湖泊環境，堆積了暗綠、灰綠粉質黏土，為可塑性硬土狀，夾有砂質粉土或粉細砂紋層，厚約2～4 m，為上海第⑧層土下部.

滆湖海侵的形成年代約在20～55 ka B.P.，這次海侵遍及上海全區，海侵的強度為長江三角洲區域第四紀期間歷次海侵之最.此次海侵層期間形成了兩個海侵亞層及其間的陸相灰綠色硬土層(第二硬土層).其中，下亞層約形成于45～55 ka B.P.；硬土層形成于35～45 ka B.P.；上亞層約形成于20～35 ka B.P..在23～35 ka B.P.期間，海面回升，堆積了灰色粉質黏土與粉砂紋層交互的“千層餅”和上覆的灰色砂層，即工程地質界對應的⑧層上部和⑦2層下部.約在20～23 ka B.P.期間，此時海平面已下降，位于三角洲平原的河流-濱海環境堆積了巖性特征為普遍呈褐黃、繡黃色的砂質粉土和粉砂、粉細砂，即上海工程地質所劃的⑦1層和⑦2層.在約為11～20 ka B.P.的末次冰期最盛時，從圖1可以看出，海平面下降幅度比現今約低140 m，上海西北部發育的泛濫平原-湖泊擴展到除現河口區外的上海整個陸域，在本區廣泛沉積了褐黃色粉質黏土和暗綠色黏土層，即上海工程地質所劃的⑥層土.

綜上所述，⑨層土沉積環境為河流沉積，由于太湖海侵的原因，⑨層屬于海相性較弱的海侵層；⑧層土主要以湖泊沉積為主，但⑧層的上部和⑦層有著相同的沉積環境，都是河流-濱海環境，整體呈現出兩端海相性高于中部的特點；⑥層則是湖泊沉積環境.

2 試驗分析

本次試驗取土地區第⑧層深度47～70 m，試驗對象為灰綠色硬土(第二硬土層)，屬于典型的上海⑧層土.試驗方案：對深度分別為54.0～54.5 m、57.0～57.5 m、60.0～60.5 m的上海⑧層原狀土進行三軸不排水剪切試驗(K0固結實驗)和高壓固結試驗，通過分析試驗結果來研究⑧層土的超固結性.考慮到土層埋深較深，普通常規固結儀加載的壓力不能使土體發生足量的壓縮變形.本次固結試驗采用自行設計的氣動式高壓固結儀，可對土樣施加8 MPa的固結壓力.三軸剪切試驗采用的是全自動控制靜力三軸儀，簡稱為GDS.試驗飽和階段反壓取200 kPa，圍壓取210 kPa；試驗儀器的反壓飽和系統，使土樣達到95%以上的飽和度；剪切和固結圍壓取原位有效自重應力.為了保證孔隙水壓力在加載過程中能及時消散，剪切速率為 6.6 m/min，換算成每分鐘應變為 0.008 5%(土工試驗規范要求在0.003%～0.012%).

2.1 高壓固結試驗確定先期固結壓力

土層受到其生成環境和地質歷史變遷等因素影響，就會在土層中產生一種“記憶”，土的工程性質就表現為與這種“記憶”有關.而土的先期固結壓力值反映了地質歷史的影響，是用來判斷土層固結狀態的重要參數.因此可以推測，沉積環境類似的土層，其土層固結狀態可能相似.

上海第⑧層土的孔隙比-豎向應力曲線(e-lgp)如圖2所示，其相關試驗結果如表1所示.其中，e0為初始孔隙比；wn為土的天然含水質量分數；Cc為壓縮指數；Cs為回彈指數；p0為原位應力，地下水位(-1 m)以下的土層采用有效重度計算；pc為先期固結壓力；OCR=pc/p0，為超固結比.由圖2可知，曲線沒有明顯的彎曲點，因此，無法采用傳統的Casagrande經驗作圖法從壓縮曲線中獲得較為準確的先期固結壓力.此次先期固結壓力的計算采用的是Becker等[14]提出的能量法，該方法可以從光滑的壓縮曲線中準確得到屈服應力，即pc.以54.0～54.5 m土樣為例，其總能量E與p的關系曲線如圖3所示.曲線由3段直線組成：屈服前、屈服后和中間段.屈服前與中間段的交點即原位應力p0(p0=493.1 kPa)，與根據實際土層深度計算所得的447.0 kPa相差46.1 kPa，此處在計算超固結比時取實際計算得出的p0.屈服前與屈服后交點為屈服點的豎向應力py，即先期固結壓力(pc=1 332.8 kPa).

試驗結果顯示，3組試驗得出的OCR均在3.0左右，說明上海第⑧層土為超固結土.由前文的分析

表1 固結試驗參數

圖3 由能量法確定的先期固結壓力(54.0～54.5 m)

可知，⑧層土的沉積環境與⑥層土的沉積環境相似，而已有試驗驗證：⑥層土為超固結土，OCR在2.0左右.

2.2 超固結在三軸試驗中的表現

將54.0～54.5 m試樣K0固結到原位應力后再進行剪切的有效應力路徑(pq～p′)，應力應變曲線(pq-ε)和超孔壓應變曲線(u-ε)如圖4所示.取最大應力pqmax為剪切過程中的屈服應力pqf，獲得的相應不排水剪切試驗結果如表2所示.其中：σ為試驗圍壓；Mf=pq/p′為破壞時的強度比,pq/p′為該直線的斜率；Δu為剪切后的超孔壓累計值；Af為剪切破壞時的孔隙壓力系數，數值上等于超靜孔壓Δuf與對應的pqf的比值，即Δuf/pqf.

圖4 不排水剪切試驗結果(54.0～54.5 m)

表2 不排水剪切試驗結果

圖4中的有效應力路徑斜向上走的趨勢和負超孔壓的出現說明了該土層是超固結土；另一方面，3組試樣剪切破壞時的孔壓力系數都是負值，數值在 -0.1 左右.飽和黏性土破壞時的Af值[15]如表3所示.對比表3中飽和黏性土破壞時的Af值，可判斷該土層表現出強超固結性.

表3 飽和黏性土破壞時的Af值[15]

Tab.3 Values ofAfin triaxial test with different radial stresses[15]

土樣(飽和)黏土Af高靈敏度0.75～1.50正常固結0.50～1.00弱超固結0.25～0.50一般超固結0～0.25強超固結-0.50～0

2.3 超固結原因分析

對于超固結產生的原因，總體來說可以分為兩類：應力類和非應力類.應力類原因有層剝蝕、地下水位的變動和動荷載作用；非應力類原因有次固結和膠結作用等.

從應力角度分析，考慮到⑧層土經歷了2次海退，在海退過程中，地下水位下降、土體孔隙水消散，伴隨著土體中有效應力的增加，進而產生超固結.

以60.0～60.5 m的試樣為例，假設地下水位與海平面一樣，地下水位取 -1.5 m，土的平均重度γ=18 kN/m3，p0=1.5×18+(60-1.5)×8=495 kPa.對不同海退時期的有效自重應力估算如下：

(1)時間在50 ka B.P.時，海平面約為 -80 m，⑧層土沉積完成，此時pc=18×(60-47)=234 kPa，OCR=234/495=0.47；

(2)時間在18 ka B.P.時，海平面約為 -140 m，⑥層土沉積完成，此時pc=18×(60-29.8)=543.6 kPa，OCR=543.6/495=1.1；

(3)時間在8 ka B.P.時，海平面約為 -60 m，⑤層土沉積完成，此時pc=18×(60-18)=756 kPa，OCR=756/495=1.53.之后海平面逐漸上升，P0接近現在值.

此外，抽地下水也會引起先期固結應力的增加.第⑧層土下臥層為第⑨層砂質土，以粉砂和含礫中砂為主，為上海市的第二承壓含水層.該含水層富水性和水質均較好，20世紀80年代以前，作為主要的開采水層為上海市提供了大量水源.第二壓含水層水位歷時曲線可以參考文獻[16].由文獻[16]中的第⑨層的水位記錄可知，在20世紀60年代由于抽水引起地下水位下降了約30 m.假設第⑨層的水位下降有足夠時間引起第⑧層的孔壓減少并達到平衡，則水位下降30 m引起的孔壓減少量為：Δp=300 kPa，此時pc=18×1.5+8×(65-1.5)+Δp=835 kPa，OCR=835/495=1.69.

由上述計算可見，海退或抽地下水引起的有效應力變化，所產生的OCR均小于2.0，與試驗所得值2.84～3.07有一定的差異，因此應力變化并不能完全解釋此超固結成因.

從非應力角度考慮，根據Bjerrum[17]提出的等時壓縮曲線模型，在原位應力p0作用下，隨著作用時間的增長，伴著次固結量不斷增加，從而導致pc也有所增加，土體顯示出超固結性狀，這種現象區分于應力原因引起的超固結，稱為“似超固結”[18]，也稱為Age effect.第⑧層土沉積時間距今約5萬年，似超固結是導致超固結的另外一個原因.綜上所述，超固結是水位下降引起的應力歷史和似超固結的綜合結果.

另外，土體的膠結作用也是導致土體產生“似超固結”的原因.上海⑧層土經歷了海相沉積環境，根據前人的研究成果[19]，海相黏土等由于土體中存在一些特定的物質成分，如碳酸鹽、鐵鋁氧化物和有機質等，可以沉積在土粒間或包裹顆粒，或者孔隙溶液與土顆粒表面發生離子交換，使土體具有一定的結構，并賦予一定的力學性質，使土體顯現出某些超固結特征.

3 結論

通過研究末次冰期以來中國東海海平面和大氣溫度變化，分析了上海深層土(⑧層土為主)的沉積環境，結合高壓固結和GDS三軸不排水剪切試驗，研究了上海第⑧層土的超固結性，并分析了其產生超固結的原因，得出以下結論.

(1)上海深層土地層年代屬于第四系的上更新統，沉積時間在距今兩萬年以前，⑥～⑨層土沉積環境依次為湖泊、河流-濱海、湖泊和河流-濱海、河流.

(2)運用Becker能量法分析高壓固結試驗結果得出⑧層土的OCR在3.0左右.在GDS三軸不排水剪切試驗中，土樣破壞時的Af為負值，呈現出強超固結土的性狀.

(3)從應力和非應力的角度分析了⑧層土產生超固結的原因.從應力角度分析得出，地下水位下降、土體孔隙水消散，導致土體中有效應力的增加，約在8 ka B.P.時，通過估算得出OCR為1.53.從非應力角度考慮得出，長時間的次固結作用和土體的膠結作用都是上海⑧層土呈現出超固結性狀的重要原因.