潮汐區淤泥質黏土工程力學特性試驗研究

□□ 郭世波,時貞祥,張 瑋,李文禎

(中國電建市政建設集團有限公司,天津 300384)

引言

沿海城市道路建設不可避免地遇到淤泥質黏土地層，由于其具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、滲透性小等特點，對道路路基CFG樁施工有著重要的影響。濱海大道二期道路工程地段屬典型海相沖淤積地貌，廣泛分布有軟土層(淤泥)，地形變化小，地勢較平緩。土層壓縮性高，承載力低，穩定性差。海域潮流屬正規半日潮(每日兩次漲退潮)，落潮速大于漲潮速。歷年最高潮水位為4.25 m，歷年最低潮水位為-3.42 m，歷年平均高潮位3.86 m，歷年平均低潮位為-1.61 m，歷年平均潮差為4.17 m，平均海平面為0.53 m。在該段淤泥層設計采用水泥粉煤灰碎石樁(以下簡稱“CFG樁”)軟基處理，首要難題是明確潮汐區淤泥質黏土工程力學特性[1-2]。室內試驗作為研究巖土工程力學特性的科學方法已廣泛應用于不同巖土介質研究之中。羅常青等[3]通過土體物理力學性質試驗，研究了印度尼西亞某工程軟土地基的物理力學性質。王文軍等[4]針對寧波地區的典型軟土，通過室內試驗和微觀測試探討了污染土的物相成分和微觀結構，分析了污染土滲透特性和壓縮特性的變化規律以及相應的變化機理。張洪毓等[5]現場單樁承載力試驗對PHC管樁單樁沉降量進行分析和測試。由此可見，淤泥質黏土工程力學特性試驗對于充分掌握淤泥質黏土各方面特征，為CFG樁工程的設計與施工提供力學參數具有重要意義。為此，通過現場取樣，開展相關力學室內試驗研究，揭示潮汐區淤泥質黏土工程力學特性，以期為CFG樁施工提供重要的設計與施工參數。

1 室內試驗

1.1 現場取樣

為探究福鼎市濱海大道二期道路工程中CFG樁施工現場淤泥質黏土的工程力學性質，對CFG樁施工現場土樣進行采集，通過洛陽鏟等設備取得不同深度未經擾動的淤泥質黏土土樣，進行室內試驗，研究淤泥質黏土一系列與施工相關的工程力學參數[6]。

1.2 室內試驗方法

1.2.1 液塑限聯合試驗

該試驗采用液塑限聯合測定儀來完成[7]，試驗過程如下：

(1)取現場淤泥質黏土500 g左右，保持其含水程度，均勻劃分成多份，混合不同劑量的純水，在盛土皿中調制對應的試驗樣本，加入經前期計算與經驗結合確定劑量的純水將樣本調至液限、塑限等狀態，調制完成后將各樣本在常溫環境下放置1 d。

(2) 通過調土刀對混合不同劑量純水的現場淤泥質黏土進行混合，調制完成后將土水混合物填入試樣杯中，再用調土刀等土工設備將混合物密實并沿杯口刮平。

(3)準備升降座，將錐尖上調至較高位置后安裝試樣杯，將錐尖預計接觸土體部分涂上凡士林，然后將錐尖下調至剛好接觸到試樣杯口中的土體，開啟按鈕，圓錐無約束自由下落，經過規定時間后對圓錐豎向位移進行記錄。

(4)將試樣杯從升降座取出，用土工設備將試樣中殘留的凡士林進行清除。取試樣杯中尖錐下部的部分土體，均勻分成多份放入各個測試盒中，先通過稱重儀器稱取連土帶盒的質量，之后置于105～110 ℃的烘箱烘烤，去除土樣中的自由水，稱取烘干后連土帶盒的質量，通過兩個質量之差計算該試樣的含水率。

通過重復上述步驟測得液限、塑限等狀態時的含水率。將上述稱取的兩個質量進行相減，與原土樣質量之比得出試樣的含水率，通過以上方式反推出試樣液限、塑限的含水率。

1.2.2 直接剪切試驗

該試驗采用應變控制式直剪儀[8]完成，試驗過程如下：

(1)對現場淤泥質黏土進行取樣后，密實放入剪切盒中，套上硬塑料薄膜；將相應土工設備包括傳感計等測試儀器安裝完畢，打開傳動設備，將剪切盒的前端鋼珠與量力環移動到剛好接觸[9]。

(2)通過不同梯度質量的砝碼施加垂直壓力，取消固定設備后，控制剪切盒的剪切速度，將試驗樣本控制在4 min左右破壞，當剪切至破壞后停止加載。

試驗中每剪切到一定程度后進行測力計讀數，當讀數達到峰值后，繼續進行剪切到規定位置后停機，同時記錄測力計讀數；若測力計讀數沒有峰值，則繼續剪切到對應的規定位置后停機，并記錄讀數。

1.2.3 固結試驗

試驗采用固結儀來完成，試驗方法如下：

(1)先將透水石與濾紙放置在試驗裝置底部，然后將現場淤泥質黏土密實填入環刀中，將環刀旋轉至刃口向下后放置等規格透水石與濾紙保證其正常排水，最后將傳壓活塞放置于上部，并安裝對應的土工設備與測量儀器。

(2)對固結試驗儀器進行非等距壓力加載，一般采用指數級壓力遞增加載，壓力等級宜為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa。

(3)每施加一級壓力后靜置1 d，取土樣的高度變化作為穩定標準，若土樣變化量≯0.01 mm/h時，即可將此時的變化量視作固結試驗中的穩定讀數，通過1 h的土樣高度變化量來計算沉降速率，依次逐級遞加，直到土體破壞[10]。

2 試驗結果分析

2.1 液塑限聯合試驗

圖1為液塑限聯合試驗過程，圖2為試驗所得的圓錐入土深度與含水率之間的關系曲線。

圖1 液塑限聯合試驗

圖2 圓錐入土深度與含水率之間的關系曲線

由圖2可知，淤泥層上部的淤泥塑性指數相對中部和下部偏小，塑限最大，液限介于中部和下部淤泥之間；中部淤泥層的塑性指數和下部淤泥層相近，但是中部淤泥層的液限和塑限相對下部淤泥層要大一些，說明下部淤泥層相對中部淤泥層更容易達到可塑和液化狀態，相對而言更不穩定。

2.2 直接剪切試驗

快剪試驗曲線如圖3所示。

圖3 快剪試驗曲線圖

由圖3可知，淤泥層從上至下，粘聚力從15.33 kPa升至16.48 kPa，其粘聚力呈現出增大趨勢，而摩擦角從1.84°略微下降至1.8°。

2.3 固結試驗

圖4為固結試驗過程，圖5為試驗所得的固結曲線圖。

圖4 固結試驗

圖5 固結試驗結果

由圖可知：從上至下，淤泥層的壓縮系數逐漸增大，說明淤泥的可壓縮性逐漸增大。而淤泥層的壓縮模量從上至下先增加再減小，說明中部淤泥層最難以壓縮，上部次之，下部最容易。

3 結論

采用室內試驗分析方法研究了福鼎市濱海大道施工現場淤泥質黏土的工程力學特性與參數，得到以下結論：

3.1 在CFG樁施工現場，下部淤泥層相對中部淤泥層具有較高的壓縮系數與較低的壓縮模量，在施工中更容易達到可塑和液化狀態，成樁時周圍環境不穩定。

3.2 施工現場的淤泥層黏土粒徑較小，整體出現連續性斷層，中部淤泥層的力學參數最低，而下部淤泥層較好。

3.3 淤泥層從上至下，其粘聚力和內摩擦角是呈現出增大趨勢的；且中部淤泥層最難壓縮，上部次之，下部最容易。