平潭海相軟土工程特征研究

1 前言

軟粘土多為第四紀沉積物，分布于河流中下游、沿海或湖泊附近，常見的成因類型可分為濱海相、河谷相、瀉湖相、溺谷相、湖沼相、三角洲相等。平潭島四面環(huán)海，金井灣片區(qū)位于海島西南側(cè)，地區(qū)軟粘土為濱海相沉積軟粘土。《巖土工程勘察規(guī)范》中將軟土定義為天然孔隙比大于或等于1，且為天然含水量大于液限的細粒土，主要包括淤泥質(zhì)土和淤泥。當天然隙比大于或等于1.5時稱為淤泥，當天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1時稱為淤泥質(zhì)土[1]。軟粘土性質(zhì)獨特，因此研究地區(qū)軟土的工程地質(zhì)特征對工程實際意義較大。

2 物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計分析

平潭金井灣片區(qū)軟粘土多為淤泥質(zhì)土，其具有孔隙比高、含水量大、壓縮性高、滲透性低、低強度等特征，土層中的砂、貝殼含量對物理力學性質(zhì)影響較大。本文收集了片區(qū)內(nèi)三個勘察項目229 組軟粘土層試樣室內(nèi)物理力學試驗成果，其物理力學指標統(tǒng)計見表1[2]。

表1 金井灣片區(qū)物理力學指標

3 物理力學性質(zhì)指標間的相關(guān)關(guān)系

通過片區(qū)軟粘土層試樣室內(nèi)物理力學試驗成果數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析w與e、w與a、w與C、wl與Ip間的相關(guān)關(guān)系如下：

3.1 天然含水量w與天然孔隙比e

土是由固體顆粒、水和氣體三部分所組成的三相體系[3]。固體部分構(gòu)成土骨架，骨架間全部由水充滿的稱為飽和土，一部分水占據(jù)、一部分氣體占據(jù)的稱為非飽和土。平潭金井灣片區(qū)軟土為飽和土，因而孔隙比e與天然含水量w 呈正相關(guān)關(guān)系，同時相關(guān)系數(shù)R=0.986，回歸方程e=0.0261w+0.0764。三相指標換算公式中e=Gs×w/Sr，飽和軟粘土理論上Sr=100%，土工成果統(tǒng)計Gs/Sr=2.68，回歸方程結(jié)果與三相指標換算結(jié)果基本吻合。

3.2 天然含水量w與壓縮系數(shù)a

壓縮系數(shù)a是壓縮試驗所得e-p曲線上某一壓力段的割線的斜率，屬于土體壓縮性大小的指標，飽和軟土飽和度Sr=100%，因此天然含水量與壓縮系數(shù)在特定壓力下呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.834，回歸方程a=0.0435w-0.9601。

3.3 天然含水量w與土的黏聚力C值

抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限強度，它首先決定于土體本身的基本性質(zhì)，是土的主要力學性質(zhì)之一。它不僅受土的狀態(tài)影響，還受土的組成和土的結(jié)構(gòu)影響，這些性質(zhì)與土的成因環(huán)境、應力歷史、當前受力環(huán)境的應力狀態(tài)有關(guān)。黏聚力C 由土粒間的各種物理化學作用力決定，其包括庫侖力（靜電力）、膠結(jié)力、范德華力等，且與取樣攏動程度、試驗精度等有關(guān)[3]。土中的水僅是黏聚力眾多影響因素之一，總體趨勢是含水量越大，強度越低，但天然含水量w與土的黏聚力c值無明顯的線性相關(guān)關(guān)系。

3.4 液限wl與塑性指數(shù)Ip

塑性圖是由Aasagrangde 于1947年提出的細粒土分類方法，是在眾多地區(qū)大量土樣分析的基礎上建立的，目前被多國采用，我國也較早在各類規(guī)范中引用了Aasagrangde 塑性圖。由數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，該地區(qū)軟土液限與塑性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.892，回歸方程Ip=0.4998Wl-5.4363，與相關(guān)學者研究統(tǒng)計的福建沿海地區(qū)軟土Ip～Wl指標回歸方程 Ip=0.55Wl-5.995 近似；對比二者可發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)軟粘土試驗成果統(tǒng)計的塑性圖并非完全相同，應根據(jù)地區(qū)成果進行修正[4]。

4 十字板剪切試驗

4.1 十字板剪切試驗方法及成果

十字板剪切試驗用于測定飽和軟黏性土的靈敏度和在原位壓力下固結(jié)不排水抗剪強度，是一種有效的現(xiàn)場測定土在天然應力狀態(tài)下不排水強度試驗的方法。電阻應變式十字板剪切試驗依托貫入裝置將十字板頭壓入不同試驗深度，并借助齒輪扭力裝置旋轉(zhuǎn)十字板頭，用電子儀器量測土的抵抗力矩，從而計算出土的抗剪強度；測試時首先將十字板頭貫入到位后靜置2～3min，與地溫熱平衡后調(diào)零，然后開動秒表，以1～2°/10s的速度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，搖把每轉(zhuǎn)一圈計數(shù)一次，直到剪損后仍繼續(xù)讀數(shù)1min，測得峰值強度即為原狀土的天然狀態(tài)下的不排水抗剪強度；測重塑土抗剪強度時可松開卡塊，順時針轉(zhuǎn)動鉆桿6 圈，然后重復上述步驟，并測量記錄原位重塑土的不排水抗剪強度。試驗結(jié)果詳見表2。

表2 現(xiàn)場十字板剪切試驗統(tǒng)計成果表

圖1 土體強度、靈敏度與土層深度關(guān)系曲線圖

場地地表下5m范圍內(nèi)為填砂，因此該段未應進行十字板剪切試驗，試驗深度從地面下6m 開始到試驗區(qū)軟土層底結(jié)束。由圖1及表2分析可知，土的靈敏度與深度不存在明顯關(guān)系，原狀土強度隨土層深度的增加而增大，重塑土強度亦隨著土層深度的增加而增大，原狀土強度隨深度增加較為明顯。十字板剪切試驗不排水抗剪強度峰值，一般認為是偏高的，土的長期強度只有峰值強度的60%～70%。在工程中需根據(jù)土質(zhì)條件和當?shù)亟?jīng)驗做必要修正。靈敏度值介于3.57～5.38 之間，表明場地軟土屬高靈敏度軟土，即在土體受到外來因素擾動時，土體強度明顯降低。

4.2 現(xiàn)場十字板剪切試驗成果與室內(nèi)三軸試驗成果對比

場地地表下5m范圍內(nèi)為填砂，在6～7m 位置取軟黏土原狀樣進行室內(nèi)三軸不固結(jié)不排水（UU）試驗，抗剪強度C值為12.4kPa，場地相同埋深處原狀土十字板剪切強度C值為16.90kPa，即相同深度十字板剪切試驗強度比室內(nèi)不固結(jié)不排水抗剪強度大，差值約26.9%。其主要原因可能是取樣、運輸及試驗時土樣受到擾動，土粒間的膠結(jié)物質(zhì)及水分子、土粒、離子所組成的平衡體系受到了破壞，或者土樣含有少量砂粒，導致試驗數(shù)值偏小，兩種試驗方法的成果值差距增大。

5 結(jié)語

5.1 平潭金井灣片區(qū)軟土多為淤泥質(zhì)土，其具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、高靈敏度、低強度等特點。

5.2 通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出了軟土天然含水量w與天然孔隙e、天然含水量w與壓縮系數(shù)a，液限wl與塑性指標Ip 間的相關(guān)關(guān)系，可供地區(qū)估算軟土參數(shù)參考使用。

5.3 平潭金井灣片區(qū)軟土力學性質(zhì)總體上隨深度增加而增大，物理力學性質(zhì)受砂土、貝殼等影響較大。