蘇北高液限土的工程特性試驗(yàn)研究

李治朋

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心,天津 300456;2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456)

高液限土是指液限大于50%、塑性指數(shù)大于26的細(xì)粒土。高液限土作為一種不良土質(zhì),屬于粘性土,在廣東、廣西、云南、貴州等華南地區(qū)分布廣泛,在浙江、江蘇、安徽等地也有分布。在天然狀態(tài)下,高液限土一般具有含水量高、液限高、持水能力強(qiáng)、容重輕、強(qiáng)度低、水穩(wěn)定性差、滲透系數(shù)小、脹縮性明顯等特點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于高液限土做了大量的研究,如研究了高液限土的工程特性與改良施工技術(shù),以及高液限土的工后穩(wěn)定和變形的影響等[1]。但由于高液限土種類多,受地質(zhì)、氣候、水文等條件差異的影響,高液限土具有明顯的地域差異性,其物理力學(xué)性質(zhì)隨地域差異明顯[2],研究結(jié)論也很難概括高液限土的特性及其處理方法。張婉璐等[3]研究了浙江龍泉地區(qū)的高液限土,得出了含水率和壓實(shí)度對(duì)土的強(qiáng)度影響顯著;孔慶東等[4]研究了浙江龍浦和新昌兩地的高液限土,分析了含水率和干密度的變化對(duì)高液限土的壓縮特性的影響;任世璽等[5]分析了廣東樂(lè)昌地區(qū)的高液限土的成因,研究了該地區(qū)高液限土邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí),鄭德平[6]、程濤等[7]、劉鑫等[8]、楊和平等[9]、吳立堅(jiān)等[10]、張銳等[11]學(xué)者也研究了高液限土作為路基路堤填料的處理方法,柳厚祥等[12]研究了采用添加劑的方法降低高液限土的液限和塑限。

江蘇連云港地區(qū)存在大量的高液限土,該地區(qū)分布的高液限土含有大量的水云母、高嶺石、蒙脫石等礦物成分,土體顆粒細(xì),粘粒含量高達(dá)50%以上,滲透性差,具有高壓縮性,因?yàn)槠涑炙芰?qiáng),有些地方的高液限土層分布厚度高達(dá)20 m以上,采用排水固結(jié)法處理速度慢,效果不是很明顯。目前,關(guān)于連云港地區(qū)的高液限土的研究成果鮮有發(fā)表,本文重點(diǎn)對(duì)真空預(yù)壓處理前后高液限土的物理力學(xué)性質(zhì)做了試驗(yàn)研究,分析了該地區(qū)高液限土和其他粘性土工程性質(zhì)的異同,為該地區(qū)開(kāi)展的各類工程建設(shè)項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

1 高液限土的物理性質(zhì)分析

為研究蘇北地區(qū)高液限土的工程性質(zhì),在江蘇省連云港市徐圩新區(qū)開(kāi)展了鉆探取樣、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)等工作。鉆探取樣及原位測(cè)試試驗(yàn)深度為原地面以下18 m,原地面標(biāo)高約+3.50 m,鉆探取樣孔、十字板剪切試驗(yàn)孔、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔各30個(gè),取樣和原位測(cè)試試驗(yàn)沿深度間隔為1 m,載荷試驗(yàn)點(diǎn)37個(gè)。鉆探表明,本試驗(yàn)段18 m深度范圍內(nèi),主要以粘土、淤泥質(zhì)土和淤泥為主,少量鉆孔表明有粉質(zhì)粘土,所有土層的飽和度Sr>97%為飽和土,土層相對(duì)均勻,屬于濱海相沉積地貌[13]。選取代表性土樣的物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil samples

根據(jù)土力學(xué)及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[14-15],細(xì)粒土根據(jù)顆粒組成和塑性指數(shù)大小可劃分為粉土、粘性土,粘性土可分為粉質(zhì)粘土和粘土。在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積、天然含水率大于或等于36%且大于液限、天然孔隙比大于或等于1.0的粘性土應(yīng)定名為淤泥性土。淤泥性土可進(jìn)一步劃分為淤泥質(zhì)土、淤泥和流泥,其中淤泥質(zhì)土可根據(jù)塑性指數(shù)Ip劃分為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土。

表2和表3是根據(jù)土的分類定義列出來(lái)的,各類土的概念是清晰并嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。粉土和粘性土的劃分僅與土的顆粒組成和塑性指數(shù)有關(guān),與土的含水量、孔隙比、密度等狀態(tài)無(wú)關(guān),是細(xì)粒土的自身屬性。淤泥性土的定義則不同,與沉積條件、含水率、液限、塑性指數(shù)、孔隙比大小有關(guān),是粘性土處于某種狀態(tài)下的進(jìn)一步定名,即使含水率高、孔隙比大,但是只要液限高、含水率不超過(guò)液限,仍然不能定名為淤泥性土,這種現(xiàn)象實(shí)際工程中也會(huì)經(jīng)常遇見(jiàn)。土的塑性指數(shù)是土的固有屬性,對(duì)其分類定名至關(guān)重要。

表2 細(xì)粒土的分類定名Tab.2 Classification and nomenclature of fine-grained soil

表3 淤泥性土的分類定名Tab.3 Classification and nomenclature of mucky soil

由表1可以看出,土樣的液限相對(duì)較高,液限wL≥50%時(shí),塑性指數(shù)Ip>26,可稱為高液限土。單從含水量、孔隙比兩個(gè)指標(biāo)來(lái)看,10組土樣是淤泥或淤泥質(zhì)土,但由于含水量均小于液限,1、2、3、4、7、10號(hào)土樣均未能定名為淤泥性土,這些粘土含水量高達(dá)57.3%、孔隙比約為1.596,均分別遠(yuǎn)大于55%和1.5。5、6、9號(hào)土樣為淤泥質(zhì)粘土和淤泥,其含水量也比較接近液限。

相關(guān)文獻(xiàn)指出,高液限土含水量高、容重輕、強(qiáng)度低,由表1可知,高液限土的濕密度約為1.70 g/cm3,干密度約1.05 g/cm3,可見(jiàn)高液限土的濕密度并不小,但干密度較小。

2 高液限土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)分析

2.1 高液限土的狀態(tài)和天然狀態(tài)

如表1所示,1號(hào)和8號(hào)土樣液性指數(shù)大于1為流塑狀態(tài),其余土樣的液性指數(shù)小于或接近1,處于軟塑狀態(tài),甚至達(dá)到了可塑狀態(tài),盡管含水量很高,但由于液限也很高,所以土表現(xiàn)得相對(duì)較硬,沒(méi)有出現(xiàn)流塑或不成形的泥湯狀態(tài)。相反1號(hào)土樣含水量相對(duì)較低,但其狀態(tài)卻是流塑、很軟,土樣打開(kāi)后,甚至不能自行立于桌面,液性指數(shù)大于8號(hào)和9號(hào)的淤泥土樣。

可以得出即使土的含水量很高,只要是擁有足夠大的液限,其狀態(tài)仍然會(huì)表現(xiàn)為較硬。土的含水量相對(duì)較低,甚至在35%左右,由于液限低、液性指數(shù)高,其狀態(tài)也會(huì)表現(xiàn)為很軟。

現(xiàn)場(chǎng)取回的原狀土樣的軟硬狀態(tài),可用錐沉量h表示,即76 g圓錐儀沉入土中的毫米數(shù)。該試驗(yàn)采用原狀土樣,切成邊長(zhǎng)5 cm、厚3～5 cm的土塊,當(dāng)錐沉量預(yù)估值較小時(shí),也可直接使用環(huán)刀切割后的圓形土樣。試樣制作完成后,置于液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀的升降座上,圓錐質(zhì)量為76 g、錐角為30°,將錐尖涂抹一薄層凡士林,液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀接通電源,使電磁鐵吸住圓錐。調(diào)節(jié)零點(diǎn),將屏幕上的標(biāo)尺調(diào)在零位,調(diào)整升降座,使圓錐尖接觸試樣表面,指示燈亮?xí)r圓錐在自重下沉入試樣,經(jīng)5 s后測(cè)讀圓錐下沉深度h,即為錐沉量,重復(fù)上述步驟,一塊試樣可沉入2次,錐沉量取平均值。試樣結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 錐沉量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.4 Cone sinkage test results

試驗(yàn)得出了各土樣的錐沉量h,根據(jù)JTS133—2013《水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》[15]可以判斷出各土樣的天然狀態(tài)(表4)。其中1號(hào)土的天然狀態(tài)為很軟,其錐沉量為8.5 mm,遠(yuǎn)大于8號(hào)、9號(hào)的淤泥的錐沉量,其余土樣的錐沉量大多在5 mm以下,天然狀態(tài)為中等,甚至是硬。

可以得出,即使土的天然含水量很高,高液限土擁有較大的液限,其天然狀態(tài)仍然會(huì)表現(xiàn)為較硬。土的含水量相對(duì)較低,甚至在35%左右,由于液限低,其天然狀態(tài)也會(huì)表現(xiàn)為很軟。

采用液性指數(shù)判斷粘性土狀態(tài)是指在某種含水量條件下土樣的軟硬程度,不考慮土的擾動(dòng)與否,也不考慮土的結(jié)構(gòu)性。根據(jù)錐沉量判斷粘性土的天然狀態(tài),是指原狀土的軟硬程度,考慮了土的結(jié)構(gòu)性。

2.2 高液限土強(qiáng)度和承載力的試驗(yàn)分析

為檢測(cè)試驗(yàn)段場(chǎng)地地基土的強(qiáng)度和承載力大小,現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了十字板剪切試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)各30組。選取代表性原位測(cè)試試驗(yàn)點(diǎn)位的十字板剪切試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果處理如圖1和圖2。

圖1 各土層的十字板剪切強(qiáng)度Fig.1 Results of VST of soil layer

圖2 各土層的標(biāo)貫擊數(shù)Fig.2 Results of SPT of soil layer

由圖1可以看出,表層的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土液限相對(duì)其余土層較低,不排水抗剪強(qiáng)度也較低,其余各土層的不排水抗剪強(qiáng)度在35～50 kPa,一般的粘性土不排水抗剪強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)該數(shù)值,但這種高含水率的粘性土,甚至是淤泥和淤泥質(zhì)土擁有如此高的抗剪強(qiáng)度,經(jīng)常被人們忽視。根據(jù)搜集到的天津?yàn)I海新區(qū)、河北黃驊以及山東濱州等渤海灣地區(qū)濱海相沉積的粘性土的資料,含水量在50%～70%的粘性土,但液限相對(duì)本試驗(yàn)段的土樣較低,20 m深度范圍的十字板抗剪強(qiáng)度一般在5～30 kPa范圍。

由圖2可知,各土層的標(biāo)貫擊數(shù)為3～6N,錘擊數(shù)相對(duì)比較高。渤海灣其他地區(qū)濱海相沉積的粘性土的標(biāo)貫試驗(yàn)資料顯示,含水量在50%～70%、液限較低的粘性土錘擊數(shù)基本為0～2N,大部分情況為標(biāo)貫錘自落。

地基承載力可根據(jù)十字板剪切強(qiáng)度計(jì)算,即q=2cu+γh[16],其中cu為修正后的十字板抗剪強(qiáng)度,可取36 kPa;γ為土的重度,可取17 kN/m3;h為基礎(chǔ)埋置深度,可取2 m進(jìn)行計(jì)算。得出地基承載力q=106 kPa。

地基承載力也可根據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)以及土層的物理性質(zhì)查表獲取,根據(jù)粘性土的液性指數(shù)和孔隙比查表時(shí),表中只有孔隙比e≤1.2時(shí)的數(shù)據(jù),若取e=1.2,則可得地基承載力約為100 kPa?？傻贸鲋饕翆拥牡鼗休d力見(jiàn)表5。

表5 地基承載力計(jì)算表Tab.5 Calculation table of foundation bearing capacity

由表5可以看出,地基承載力根據(jù)原位測(cè)試結(jié)果估算值約105 kPa,根據(jù)液性指數(shù)和孔隙比查表得出的承載力為100 kPa,與原位測(cè)試結(jié)果比較接近。但根據(jù)天然含水量得出的承載力約為60 kPa,低40%。因?yàn)楦鶕?jù)天然含水量查表時(shí),僅考慮了含水量大小,未能考慮液性指數(shù)的影響,也即沒(méi)有考慮液限的影響。可見(jiàn)液限對(duì)粘性土強(qiáng)度及承載力影響較大。對(duì)于高含水率的粘性土,高液限土比低液限土的強(qiáng)度和承載力可提高40%以上。

與普通粘性土相比,高液限土含有大量的高嶺石、蒙脫石等礦物成分,液限高,在高含水率的情況下,高液限土的液性指數(shù)相對(duì)低,狀態(tài)相對(duì)較硬,因此高液限土所表現(xiàn)出的強(qiáng)度和承載力較高。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),含水量50%左右的高液限土,狀態(tài)可能處于軟塑、甚至可塑,但含水量50%普通粘性土基本是流塑狀態(tài),土柱可能立不住,甚至不成形。高液限土之所以多數(shù)被認(rèn)為是不良土質(zhì),主要是因?yàn)楦咭合尥辆哂杏H水性和持水性,遇水時(shí)性質(zhì)不穩(wěn)定,尤其是低含水率時(shí)水穩(wěn)定性差。

2.3 高液限土變形參數(shù)的試驗(yàn)分析

為研究高液限土與常見(jiàn)粘性土的變形參數(shù)情況,繪制出了上述10組土樣的固結(jié)試驗(yàn)e-P關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3)。

圖3 土樣的e-P關(guān)系曲線Fig.3 The e-P relation curve of soil samples

根據(jù)e-P關(guān)系曲線可計(jì)算出各級(jí)壓力下的壓縮系數(shù)和壓縮模量,這里僅計(jì)算100～200 kPa壓力下的壓縮系數(shù)和壓縮模量,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 100～200 kPa壓力下的壓縮系數(shù)和壓縮模量Tab.6 Compression coefficient and compression modulus(100-200 kPa)

由圖3和表6可以看出,1號(hào)和2號(hào)土樣含水量、孔隙比較為接近,液限相差較多,但其壓縮系數(shù)和壓縮模量相差不大,其余土樣的壓縮系數(shù)遠(yuǎn)大于1號(hào)、2號(hào)土樣,壓縮模量也較小。可以得出,盡管是粘土,其壓縮系數(shù)和壓縮模量均表現(xiàn)的與淤泥性土類似,而1號(hào)土樣雖然是淤泥性土,其壓縮系數(shù)相對(duì)較低,壓縮模量也相對(duì)較高。液限對(duì)壓縮系數(shù)和壓縮模量影響不大,高液限土的壓縮系數(shù)和壓縮模量主要受含水量和孔隙比的影響。

參見(jiàn)孔慶東等[4]的相關(guān)成果,相較于浙江等地區(qū)的高液限土,蘇北地區(qū)高液限土的壓縮系數(shù)更高,壓縮模量更小,壓縮指標(biāo)差。

根據(jù)某一級(jí)壓力下的變形與時(shí)間關(guān)系,采用時(shí)間平方根法可計(jì)算出相應(yīng)的固結(jié)系數(shù)(見(jiàn)表7)。由表7可知,1號(hào)土樣的固結(jié)系數(shù)為5.4×10-3cm2/s,遠(yuǎn)大于其他9個(gè)土樣的固結(jié)系數(shù)。1號(hào)土樣的液限遠(yuǎn)小于其他土樣,說(shuō)明土的液限影響固結(jié)系數(shù),液限越大,顆粒組成越細(xì),粘粒越多,滲透系數(shù)一般也越小,因此,其固結(jié)系數(shù)也越小。固結(jié)系數(shù)主要與土的滲透系數(shù)、孔隙比、壓縮系數(shù)有關(guān)[17]。采用時(shí)間平方根法計(jì)算時(shí),固結(jié)系數(shù)僅與排水距離和固結(jié)時(shí)間有關(guān),1號(hào)土樣的固結(jié)系數(shù)大,意味著其固結(jié)時(shí)間小?？梢?jiàn),液限對(duì)土的工程性質(zhì)影響較大,高液限土一般具有高壓縮性、低壓縮模量、固結(jié)系數(shù)小、滲透系數(shù)小的特點(diǎn)。

表7 100 kPa壓力下的固結(jié)系數(shù)Tab.7 Coefficient of consolidation(100 kPa)

3 結(jié)論

(1) 闡述了蘇北高液限土的工程性質(zhì),高液限土作為一種不良土質(zhì),屬于粘性土,不僅具備粘土的一些性質(zhì),還具備液限高、持水能力強(qiáng)、干密度小、滲透系數(shù)小、脹縮性明顯等特點(diǎn)。高液限土含水量高、強(qiáng)度低等性質(zhì)是相對(duì)的,但與相同含水量的淤泥或淤泥質(zhì)土等粘性土相比,其強(qiáng)度和承載力并不低。高液限土即便是含水率較高、孔隙比大,只要含水率不超過(guò)液限,仍然不能定名為淤泥質(zhì)土,所表現(xiàn)的物理力學(xué)性質(zhì)與淤泥質(zhì)土也大不相同。

(2) 采用液限和錐沉量分別判斷了高液限土的狀態(tài)和天然狀態(tài),含水量相同時(shí),液限越高,土的狀態(tài)越硬,同時(shí)采用錐沉量進(jìn)一步說(shuō)明了該結(jié)論。

(3) 高液限土與淤泥或淤泥質(zhì)土的物理指標(biāo)相近時(shí),其強(qiáng)度及承載力遠(yuǎn)高于淤泥或淤泥質(zhì)土,對(duì)于高含水率的高液限土,比相應(yīng)含水量狀態(tài)下的低液限土不排水抗剪強(qiáng)度和承載力可提高40%以上。

(4) 相同條件下,高液限土與常見(jiàn)粘性土的壓縮性質(zhì)相近,壓縮系數(shù)大,壓縮模量小,但高液限土的固結(jié)系數(shù)很低,總體來(lái)說(shuō),粘性土的液限越大,固結(jié)系數(shù)越小。