土骨架的新概念與沿海軟土及海洋土的結(jié)構(gòu)

蒙理明，張 風(fēng)

(海南科技職業(yè)大學(xué)，?？?571126)

我國學(xué)者一直在探討沿海軟土及海洋土的結(jié)構(gòu)。如1984年，高國瑞[1]分析了中國近海海相沉積物的物質(zhì)成分、 微結(jié)構(gòu)及與工程性質(zhì)的關(guān)系。2002年，孔令偉等[2]對瓊州海峽海口海域一種軟土的基本特性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。其物理性質(zhì)很差，按土質(zhì)分類為淤泥；其不良工程特性是由其礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量、物理化學(xué)性質(zhì)、微觀形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)以及土顆粒間的排列方式所決定的。2004年，拓勇飛等[3]研究表明，湛江軟土是以陸相沉積為主的河控三角洲相(即海陸交互相)沉積層；膠結(jié)作用是該土具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的根本原因，其強(qiáng)結(jié)構(gòu)性形成機(jī)理與當(dāng)?shù)貜V泛發(fā)育的紅土極為相似。

2016年，李廣信[4]提出了土骨架的新概念。2017年，筆者用土力學(xué)的新概念改善和細(xì)化了土骨架理論[5]：“土骨架的3要素有：土顆粒，包括其結(jié)合水；接觸(點(diǎn)或面)；聯(lián)接(收縮膜，公共結(jié)合水膜)”。還用土骨架的新概念分析了土的動(dòng)力特性[6]、黃土的微結(jié)構(gòu)[7]、膨脹土的結(jié)構(gòu)[8]。

1990年，高國瑞[9]指出，沿海軟土按結(jié)構(gòu)特征和經(jīng)常遇到的空間排列組合，分成4種主要微結(jié)構(gòu)類型：1)粒狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，通常判定為“輕亞黏土”或“粉質(zhì)粘性土”。2)粒狀鏈接結(jié)構(gòu)，通常判定為“淤泥質(zhì)亞黏土”。3)絮狀鏈接結(jié)構(gòu)，通常判定為“淤泥”。4)粘土基質(zhì)結(jié)構(gòu)，通常判定為“淤泥質(zhì)粘土”。

我國《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]GB5007—2011涉及的沿海軟土和海洋土有：粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土(淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土)、淤泥、粘土、砂土。對應(yīng)規(guī)范的這些土給出具體的結(jié)構(gòu)形式，有較大的參考價(jià)值。下面，結(jié)合土骨架的新概念，進(jìn)行分析。

1 粉(砂)粒與粘粒接觸

圖1是粉粒與粘粒接觸的示意圖。在非飽和土中，首先存在收縮膜，另外粉粒的潤濕部位，帶有吸附水，緊連的是粘粒的結(jié)合水膜，所以，粉粒與粘粒之間有膠結(jié)。在飽和土中，收縮膜消失，另外注意吸附水和結(jié)合水膜有自由水隔開，所以，粉粒與粘粒之間沒有膠結(jié)。沿海軟土與海洋土，通常地下水位很淺，多是飽和土，粉粒與粘粒之間沒有膠結(jié)。

2 粉 土

我國標(biāo)準(zhǔn)[11]第3.0.2條規(guī)定，以粒徑d(mm)劃分：0.075

3 粉質(zhì)黏土

我國規(guī)范[10]第4.1.9條規(guī)定，塑性指數(shù)10

飽和粉土過渡到粉質(zhì)黏土，粘粒不斷增加，網(wǎng)兜不斷壯大變?yōu)榫W(wǎng)殼，粉粒不斷減少，粉粒再也無法撞破粘粒網(wǎng)殼而漂浮形成液化。但量變到質(zhì)變， 有可能由發(fā)散轉(zhuǎn)向收斂，成為震陷性軟土。我國規(guī)范[12]第4.3.11條規(guī)定：“飽和粉質(zhì)黏土震陷的危害性和抗震陷措施應(yīng)根據(jù)沉降和橫向變形大小等因素綜合研究確定，8度(0.3g)和9度時(shí)，當(dāng)塑限指數(shù)小于15且符合下式規(guī)定的飽和粉質(zhì)黏土可判定為震陷性軟土。WS?0.9WL，IL?0.75。式中，WS為天然含水量；WL為液限含水量，采用液、塑限聯(lián)合測定法測定；IL為液性指數(shù)”?？梢赃@樣理解，塑性指數(shù)較小，指粘粒數(shù)量還達(dá)不到形成較多結(jié)合水，通常認(rèn)為液限是土體出現(xiàn)自由水的界限。WS?0.9WL，IL?0.75，指孔隙比較大，且有自由水，大量存在于微結(jié)構(gòu)單元之間的大孔隙中，如圖4(a)所示。粘粒之間主要以外層弱結(jié)合水膜聯(lián)接，粘粒網(wǎng)殼群很容易滑動(dòng)。地震時(shí)，群被結(jié)合水膜拉著不容易發(fā)散，收斂時(shí)微結(jié)構(gòu)單元錯(cuò)位，擠出大孔隙中的自由水，如圖4(b)所示，粘粒之間結(jié)合水膜收緊，形成內(nèi)層弱結(jié)合水膜還有接觸處少量強(qiáng)結(jié)合水膜聯(lián)接。土體體積縮小震陷。

4 淤泥質(zhì)土

我國規(guī)范[10]第4.1.12條規(guī)定，在靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成。…當(dāng)天然含水量大于液限而天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0的黏性土或粉土為淤泥質(zhì)土。因此，淤泥質(zhì)土包括淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土和淤泥質(zhì)黏土。

4.1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為圖5的粒狀鏈結(jié)結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)單元與粉質(zhì)黏土區(qū)別不大，主要有帶粘粒網(wǎng)殼的較大粉粒、少量的集粒和極少的純粉粒；但之間的連接區(qū)別很大，由于微結(jié)構(gòu)單元的平均中心距大于單元的直徑，所以由鏈條連接(主要由粘粒組成)，這些鏈條長短不一，短鏈尚可承受一定的應(yīng)力，而長鏈只能承受微弱的拉力和扭力[1]。這種土平常就是軟土。如建筑物重力作用時(shí)，主要靠短鏈和自由水浮力承受重力，長鏈只起微弱的拉結(jié)作用。地震時(shí)比粉質(zhì)黏土更容易震陷。其震陷的方式除了錯(cuò)位外，還有鏈、尤其是長鏈的破壞，微結(jié)構(gòu)單元間距收小。對此，我國規(guī)范[12]第4.3.12條規(guī)定“地基主要受力層范圍內(nèi)存在軟弱黏性土層和高含水量的可塑性黃土?xí)r，應(yīng)結(jié)合具體情況綜合考慮，采用樁基、地加固處理或本規(guī)范第4.3.9條的各項(xiàng)措施，也可根據(jù)軟土震陷量的估計(jì)，采取相應(yīng)措施”。

4.2 淤泥質(zhì)粉土

淤泥質(zhì)粉土如圖6所示，具有粒狀細(xì)鏈結(jié)結(jié)構(gòu)。由圖2(b)的粘粒網(wǎng)兜群骨架，粉粒拉開相互之間的距離得到。由于其粘粒含量低，所以粉粒的包皮是網(wǎng)兜，其連接鏈也較細(xì)長，極少有短鏈。這種土平常也是軟土。雖然我國規(guī)范[12]未提及，但受到地震力發(fā)散時(shí)，其細(xì)小的鏈非常容易拉斷，粉粒漂浮，所以也是很容易液化的土，開挖時(shí)會(huì)有流沙。

4.3 淤泥質(zhì)黏土

淤泥質(zhì)黏土如圖7所示，有兩種類型。第一種是圖7(a)的絮狀鏈接結(jié)構(gòu)，粘土含量和有機(jī)質(zhì)含量很高，組成致密絮和開放絮，加上極少的粉粒，由鏈條拉結(jié)形成。第二種是圖7(b)的開放式粘土基質(zhì)結(jié)構(gòu)，先由粘土顆粒聯(lián)接成粘土疇[1]，粘土疇再凝聚(或疊聚)成粘聚體[8]，粘聚體再凝聚成更大范圍的粘土基質(zhì)[1]，偶爾有少量粉粒或砂粒完全包在粘土基質(zhì)中。圖中粘聚體之間通常比較疏松，是邊-面-角連接形式，存在許多大孔隙且貫通開放排列。很顯然，這兩種土平常也是軟土。天然孔隙比和含水量都很大，是高壓縮性土，也即上述我國規(guī)范[12]指的軟弱粘性土。地震時(shí)，其微結(jié)構(gòu)單元輕柔，振動(dòng)程度沒有粉粒那么大；但在高壓水流之下，連接很容易破壞，且開放絮、粘聚體很容易擠出弱結(jié)合水；加上上覆土重或還有建筑物重力作用，收斂加上錯(cuò)位，會(huì)產(chǎn)生很大的震陷。

5 淤 泥

我國規(guī)范[10]第4.1.12條規(guī)定，淤泥為在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。

淤泥同樣具有圖7的兩種結(jié)構(gòu)形式，即圖7(a)的絮狀鏈接結(jié)構(gòu)，如?？谀澈Ｓ虻能浲羀2]；還有圖7(b)的開放式粘土基質(zhì)結(jié)構(gòu)，如湛江地區(qū)結(jié)構(gòu)性軟土[3，14]。由于其天然含水量和天然孔隙比更大，所以其公共結(jié)合水膜的聯(lián)接更弱，微結(jié)構(gòu)單元之間的距離更大，連接更細(xì)長。與淤泥質(zhì)土相比，平常更軟，地震時(shí)震陷更大。

應(yīng)該注意的是，淤泥和淤泥質(zhì)粘土的滲透性都較低[2-3]。原因是在靜水環(huán)境下，其孔隙中自由水并不多，有粘滯性很強(qiáng)的弱結(jié)合水膜，還有有機(jī)質(zhì)。

6 粘 土

對比圖7(b)的開放式粘土基質(zhì)結(jié)構(gòu)，粘土中的粘聚體[8]以面-面疊聚形成致密式粘土基質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖8)， 偶爾有少量粉?；蛏傲Ｍ耆谡惩粱|(zhì)中[1]。這種土的粘聚體通常土顆粒數(shù)量較多，比較緊密，包含了不少主要由強(qiáng)結(jié)合水充滿的孔隙，粘聚體之間又是疊聚的緊密方式。所以含水量也少，公共結(jié)合水膜聯(lián)接也強(qiáng)。沿海粘土在平常及地震時(shí)一般都不是軟土，一般埋藏在土層中部或深部，是很好的持力層。按我國規(guī)范[12]表4.1.3規(guī)定，其在地震時(shí)屬于中硬土。在基坑中，粘土強(qiáng)度高、剛度和水穩(wěn)性好；還常作為隔水層，決定止水結(jié)構(gòu)的深淺。

7 砂 土

7.1 普通砂

砂土一般是圖9的粒狀接觸結(jié)構(gòu)。其中，細(xì)粒一般含有粘粒及很細(xì)的小粉粒。沿海砂土常處于飽和狀態(tài)，一般細(xì)粒的含量不足以形成細(xì)粒網(wǎng)兜，所以細(xì)粒只是砂粒之間的潤滑劑[6]。我國規(guī)范[10]表4.1.7按粒組含量將其分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂共五類；表4.1.8按標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)將其密實(shí)度分為松散、稍密、中密、密實(shí)4種。沿海砂土常在土層的上部及中部，之所以常有些稱為軟土，主要是密實(shí)度小的砂土地震時(shí)會(huì)液化，開挖施工時(shí)會(huì)有流沙。其道理如同圖2(a)的少粘粒粉土。

7.2 海灣相有機(jī)質(zhì)浸染砂

海南省沿海地區(qū)分布著一種特殊的有機(jī)質(zhì)浸染砂，衛(wèi)宏、杜鵑等[15-17]做了多年的研究工作。這種砂的特點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)包裹了砂(粉)粒及其一些小細(xì)粒，然后通過接觸形成粒狀接觸結(jié)構(gòu)。某試驗(yàn)用的有機(jī)質(zhì)浸染砂的情況：粉細(xì)砂，飽和，中密，黑灰-灰色，含云母、石英；顆粒組，粒徑0.25 mm

8 結(jié) 論

用土骨架的新概念，對沿海軟土與海洋土的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

a.對應(yīng)我國《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]GB5007—2011，給出了粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、淤泥、粘土、砂土的結(jié)構(gòu)形式。

b.粉土分為少粘粒和粘粒網(wǎng)兜群骨架兩種結(jié)構(gòu)，后者不容易液化。

c.粉質(zhì)黏土為粒狀聯(lián)接結(jié)構(gòu)。粘粒較少、孔隙比大、自由水較多的粉質(zhì)黏土容易震陷。

d.淤泥質(zhì)土分為3種，平常就是軟土。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為粒狀鏈結(jié)結(jié)構(gòu)，容易震陷；淤泥質(zhì)粉土為粒狀細(xì)鏈結(jié)結(jié)構(gòu)，容易液化；淤泥質(zhì)黏土分為兩種類型，絮狀鏈接和開放式粘土基質(zhì)結(jié)構(gòu)，容易震陷。

e.淤泥是比淤泥質(zhì)黏土更軟的土，平常就是很軟的土。同樣有兩種類型：絮狀鏈接和開放式粘土基質(zhì)結(jié)構(gòu)，很容易震陷。

f.粘土為致密式粘土基質(zhì)結(jié)構(gòu)，是很好的持力層，在地震時(shí)屬于中硬土。在基坑中，粘土強(qiáng)度高、剛度和水穩(wěn)性好；還常作為隔水層。

g.砂土一般是粒狀接觸結(jié)構(gòu)，密實(shí)度小的砂土容易液化。

h.海灣相有機(jī)質(zhì)浸染砂的特征是，有機(jī)質(zhì)包裹了砂(粉)粒及其一些小的集粒，然后通過接觸形成粒狀接觸結(jié)構(gòu)。該粒狀接觸結(jié)構(gòu)的接觸部位，無聯(lián)接能力；并且接觸被有機(jī)質(zhì)及有機(jī)質(zhì)包裹的細(xì)粒軟化，總的抗剪能力比普通砂土弱很多。

i.粉粒與粘粒接觸時(shí)：在非飽和土中，粉粒的潤濕部位，帶有吸附水，緊連的是粘粒的結(jié)合水膜；在飽和土中，吸附水和結(jié)合水膜有自由水隔開。