可門港淤泥質(zhì)軟土基本特性隨深度變化的規(guī)律探討

曾志琳，黃爍菡，楊陳堅(jiān)

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

引 言

淤泥質(zhì)軟土是濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的細(xì)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(qiáng)度低的物理力學(xué)特性，并具有蠕變性、觸變性等特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)，固結(jié)后力學(xué)性質(zhì)變化比較大。

一方面由于淤泥質(zhì)軟土存在強(qiáng)度低、沉降量大的問題，如處理不當(dāng)，往往會(huì)給工業(yè)民用建筑、道路工程、鐵路工程、橋梁橋頭結(jié)合部位等帶來很大的危害。另一方面國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)淤泥質(zhì)軟土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了各類的研究，其中，雖然對(duì)于淤泥質(zhì)軟土的物理力學(xué)性質(zhì)有著細(xì)致的研究，但是關(guān)于淤泥質(zhì)軟土的強(qiáng)度特征與深度的變化關(guān)系的研究較少。因此，為更好的了解淤泥質(zhì)軟土的強(qiáng)度特性，本文結(jié)合試驗(yàn)與相關(guān)理論的研究，研究淤泥質(zhì)軟土的強(qiáng)度沿不同深度的變化規(guī)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(zhì)軟土基本特性隨深度的變化規(guī)律。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，可門港區(qū)域土質(zhì)分布著厚度為24.4m的淤泥質(zhì)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(xiàn)抗剪強(qiáng)度較高現(xiàn)象，可能含有夾層。但總體上，自上而下土體抗剪強(qiáng)度呈上升趨勢(shì);而淤泥土層的靈敏度與深度之間的關(guān)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(jié)構(gòu)性強(qiáng)的高靈敏度軟土(見表1)。

表1 十字板剪切測(cè)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(qiáng)度非常低，固結(jié)后力學(xué)性質(zhì)變化比較大，具有較強(qiáng)的吸附力，屬于飽和多孔介質(zhì)，且是由土粒骨架以及充滿在骨架內(nèi)的孔隙水組成，工程物理性質(zhì)較為特殊，工程性質(zhì)差(見表2)。

表2 靜力觸探情況一覽表

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)福建省福州市連江縣可門港經(jīng)濟(jì)開發(fā)地區(qū)附近淤泥質(zhì)軟土進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)和不固結(jié)不排水快速直接剪切試驗(yàn)，來測(cè)定此地區(qū)近海淤泥質(zhì)軟土在不同深度情況下抗剪強(qiáng)度的變化情況，計(jì)算淤泥質(zhì)軟土的強(qiáng)度指標(biāo):內(nèi)摩擦角c以及粘聚力φ。進(jìn)一步驗(yàn)證在不同深度情況下此地區(qū)淤泥質(zhì)軟土的c，φ值呈現(xiàn)何種變化規(guī)律。

2 三軸剪切試驗(yàn)

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

2.1 固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)

三種固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)(CU)，分別是ZK1#5.0、ZK1#13.0、ZK1#23.0所用試樣均標(biāo)準(zhǔn)化，高度為8cm，直徑3.91cm。在這組試驗(yàn)中，每組試樣切取四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)土樣，分別施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa的圍壓。記錄并繪制出其主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(如圖1～圖3)所示。

圖1 軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差之間的關(guān)系曲線(ZK1#5.0)

圖2 軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差之間的關(guān)系曲線(ZK1#13.0)

圖3 軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差之間的關(guān)系曲線(ZK1#23.0)

圖4 CU試驗(yàn)的應(yīng)力路徑曲線(ZK1#5.0)

圖5 CU試驗(yàn)的應(yīng)力路徑曲線(ZK1#13.0)

圖6 CU試驗(yàn)的應(yīng)力路徑曲線(ZK1#23.0)

式中:α——應(yīng)力路徑上破壞點(diǎn)的連線的傾角。

有效粘聚力C'u按下式計(jì)算:

式中:d——應(yīng)力路徑上破壞點(diǎn)的連線在縱軸的截距，kPa;

根據(jù)有效應(yīng)力路徑曲線計(jì)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(yàn)測(cè)得的有效摩擦角＇和有效粘聚力Cu＇匯總(如表3):

表3 有效應(yīng)力路徑曲線得到的C'u和φ'u匯總表

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

表4 CU試驗(yàn)粘聚力、內(nèi)摩擦角、有效粘聚力、有效內(nèi)摩擦角表

2.2 不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)

UU試驗(yàn)共進(jìn)行了3組，分別是ZK1#3.0、ZK1#11.0、ZK1#21.0，所用試樣均標(biāo)準(zhǔn)化，高度為8cm，直徑3.91cm。每組試驗(yàn)切取四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa的圍壓，記錄其主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如(圖7～圖9)所示。同樣通過得到每組試樣的不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線，分別計(jì)算出三組試驗(yàn)的粘聚力和內(nèi)摩擦角并匯總于(表5)。

圖7 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(ZK1#3.0)

圖8 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系(ZK1#11.0)

圖9 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(ZK1#21.0)

表5 UU試驗(yàn)的粘聚力和內(nèi)摩擦角匯總表

3 界限含水率試驗(yàn)

粘性土的狀態(tài)與土中含水率密切相關(guān)。根據(jù)含水率不同，可以將細(xì)粒土分為流動(dòng)狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)和固體狀態(tài)四種狀態(tài)。界限含水率就是區(qū)分這四種狀態(tài)的度量值。本次試驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定土樣的液限和塑限。試驗(yàn)測(cè)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(biāo)，圓錐下沉深度為縱坐標(biāo)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制關(guān)系曲線。三點(diǎn)連一直線(如圖10)所示。在圓錐下沉深度與含水率關(guān)系圖上，查得下沉深度為17mm所對(duì)應(yīng)的含水率為液限，值是65.06，單位為%;查得下沉深度為2mm所對(duì)應(yīng)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(guān)系

塑性指數(shù)和液性指數(shù)的計(jì)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(shù);IP為塑性指數(shù)。

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(shù)為37.18，液性指數(shù)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(shù)和液性指數(shù)，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(shù)和塑性指數(shù)的變化都不大，液限在63左右，塑限在28左右，塑性指數(shù)在35左右，液性指數(shù)在0.95到1.60之間變化。

表6 界限含水率試驗(yàn)匯總表

4 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)不同深度淤泥質(zhì)土層進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)和界限含水率試驗(yàn)，測(cè)定了淤泥質(zhì)土的液塑性指數(shù)、液塑限指數(shù)，以及在固結(jié)不排水與不固結(jié)不排水條件下的粘聚力、摩擦角、有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角等多個(gè)土工參數(shù)。總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

(1)淤泥質(zhì)軟土的內(nèi)摩擦角較大，粘聚力較小，含水率較大。

(2)CU試驗(yàn)得到的有效粘聚力C'u在5.0kPa～6.0kPa之間，其數(shù)值基本保持不變，大致在5.5kPa左右;有效內(nèi)摩擦角φ'u在20°～30°之間，隨深度的增大而增大。試驗(yàn)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(yàn)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(nèi)摩擦角在0.9°到2.3°之間，隨深度變化，內(nèi)摩擦角變化不大，大致在1.4°作用。

(4)界限含水率試驗(yàn)中，液限在63左右，塑限在28左右，塑性指數(shù)在35左右，液性指數(shù)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(shù)和液性指數(shù)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(xué)本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)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(dǎo)。

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