蘇北高液限土的工程特性試驗研究

李治朋

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程研究中心,天津 300456;2.天津水運工程勘察設計院有限公司 天津市水運工程測繪技術重點實驗室,天津 300456)

高液限土是指液限大于50%、塑性指數大于26的細粒土。高液限土作為一種不良土質,屬于粘性土,在廣東、廣西、云南、貴州等華南地區分布廣泛,在浙江、江蘇、安徽等地也有分布。在天然狀態下,高液限土一般具有含水量高、液限高、持水能力強、容重輕、強度低、水穩定性差、滲透系數小、脹縮性明顯等特點。雖然國內外目前對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,以及高液限土的工后穩定和變形的影響等[1]。但由于高液限土種類多,受地質、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,其物理力學性質隨地域差異明顯[2],研究結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的高液限土,得出了含水率和壓實度對土的強度影響顯著;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高液限土的壓縮特性的影響;任世璽等[5]分析了廣東樂昌地區的高液限土的成因,研究了該地區高液限土邊坡的穩定性。同時,鄭德平[6]、程濤等[7]、劉鑫等[8]、楊和平等[9]、吳立堅等[10]、張銳等[11]學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。

江蘇連云港地區存在大量的高液限土,該地區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,粘粒含量高達50%以上,滲透性差,具有高壓縮性,因為其持水能力強,有些地方的高液限土層分布厚度高達20 m以上,采用排水固結法處理速度慢,效果不是很明顯。目前,關于連云港地區的高液限土的研究成果鮮有發表,本文重點對真空預壓處理前后高液限土的物理力學性質做了試驗研究,分析了該地區高液限土和其他粘性土工程性質的異同,為該地區開展的各類工程建設項目提供參考依據。

1 高液限土的物理性質分析

為研究蘇北地區高液限土的工程性質,在江蘇省連云港市徐圩新區開展了鉆探取樣、原位測試和室內試驗等工作。鉆探取樣及原位測試試驗深度為原地面以下18 m,原地面標高約+3.50 m,鉆探取樣孔、十字板剪切試驗孔、標準貫入試驗孔各30個,取樣和原位測試試驗沿深度間隔為1 m,載荷試驗點37個。鉆探表明,本試驗段18 m深度范圍內,主要以粘土、淤泥質土和淤泥為主,少量鉆孔表明有粉質粘土,所有土層的飽和度Sr>97%為飽和土,土層相對均勻,屬于濱海相沉積地貌[13]。選取代表性土樣的物理性質參數見表1。

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

根據土力學及相關規范標準[14-15],細粒土根據顆粒組成和塑性指數大小可劃分為粉土、粘性土,粘性土可分為粉質粘土和粘土。在靜水或緩慢的流水環境中沉積、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的粘性土應定名為淤泥性土。淤泥性土可進一步劃分為淤泥質土、淤泥和流泥,其中淤泥質土可根據塑性指數Ip劃分為淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土。

表2和表3是根據土的分類定義列出來的,各類土的概念是清晰并嚴謹的。粉土和粘性土的劃分僅與土的顆粒組成和塑性指數有關,與土的含水量、孔隙比、密度等狀態無關,是細粒土的自身屬性。淤泥性土的定義則不同,與沉積條件、含水率、液限、塑性指數、孔隙比大小有關,是粘性土處于某種狀態下的進一步定名,即使含水率高、孔隙比大,但是只要液限高、含水率不超過液限,仍然不能定名為淤泥性土,這種現象實際工程中也會經常遇見。土的塑性指數是土的固有屬性,對其分類定名至關重要。

表2 細粒土的分類定名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,土樣的液限相對較高,液限wL≥50%時,塑性指數Ip>26,可稱為高液限土。單從含水量、孔隙比兩個指標來看,10組土樣是淤泥或淤泥質土,但由于含水量均小于液限,1、2、3、4、7、10號土樣均未能定名為淤泥性土,這些粘土含水量高達57.3%、孔隙比約為1.596,均分別遠大于55%和1.5。5、6、9號土樣為淤泥質粘土和淤泥,其含水量也比較接近液限。

相關文獻指出,高液限土含水量高、容重輕、強度低,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 高液限土的力學性質試驗分析

2.1 高液限土的狀態和天然狀態

如表1所示,1號和8號土樣液性指數大于1為流塑狀態,其余土樣的液性指數小于或接近1,處于軟塑狀態,甚至達到了可塑狀態,盡管含水量很高,但由于液限也很高,所以土表現得相對較硬,沒有出現流塑或不成形的泥湯狀態。相反1號土樣含水量相對較低,但其狀態卻是流塑、很軟,土樣打開后,甚至不能自行立于桌面,液性指數大于8號和9號的淤泥土樣。

可以得出即使土的含水量很高,只要是擁有足夠大的液限,其狀態仍然會表現為較硬。土的含水量相對較低,甚至在35%左右,由于液限低、液性指數高,其狀態也會表現為很軟。

現場取回的原狀土樣的軟硬狀態,可用錐沉量h表示,即76 g圓錐儀沉入土中的毫米數。該試驗采用原狀土樣,切成邊長5 cm、厚3～5 cm的土塊,當錐沉量預估值較小時,也可直接使用環刀切割后的圓形土樣。試樣制作完成后,置于液、塑限聯合測定儀的升降座上,圓錐質量為76 g、錐角為30°,將錐尖涂抹一薄層凡士林,液、塑限聯合測定儀接通電源,使電磁鐵吸住圓錐。調節零點,將屏幕上的標尺調在零位,調整升降座,使圓錐尖接觸試樣表面,指示燈亮時圓錐在自重下沉入試樣,經5 s后測讀圓錐下沉深度h,即為錐沉量,重復上述步驟,一塊試樣可沉入2次,錐沉量取平均值。試樣結果見表4。

表4 錐沉量試驗測試結果Tab.4 Cone sinkage test results

試驗得出了各土樣的錐沉量h,根據JTS133—2013《水運工程巖土勘察規范》[15]可以判斷出各土樣的天然狀態(表4)。其中1號土的天然狀態為很軟,其錐沉量為8.5 mm,遠大于8號、9號的淤泥的錐沉量,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,其天然狀態仍然會表現為較硬。土的含水量相對較低,甚至在35%左右,由于液限低,其天然狀態也會表現為很軟。

采用液性指數判斷粘性土狀態是指在某種含水量條件下土樣的軟硬程度,不考慮土的擾動與否,也不考慮土的結構性。根據錐沉量判斷粘性土的天然狀態,是指原狀土的軟硬程度,考慮了土的結構性。

2.2 高液限土強度和承載力的試驗分析

為檢測試驗段場地地基土的強度和承載力大小,現場開展了十字板剪切試驗和標準貫入試驗各30組。選取代表性原位測試試驗點位的十字板剪切試驗、標準貫入試驗成果處理如圖1和圖2。

圖1 各土層的十字板剪切強度Fig.1 Results of VST of soil layer

圖2 各土層的標貫擊數Fig.2 Results of SPT of soil layer

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

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

地基承載力可根據十字板剪切強度計算,即q=2cu+γh[16],其中cu為修正后的十字板抗剪強度,可取36 kPa;γ為土的重度,可取17 kN/m3;h為基礎埋置深度,可取2 m進行計算。得出地基承載力q=106 kPa。

地基承載力也可根據標貫擊數以及土層的物理性質查表獲取,根據粘性土的液性指數和孔隙比查表時,表中只有孔隙比e≤1.2時的數據,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力見表5。

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

由表5可以看出,地基承載力根據原位測試結果估算值約105 kPa,根據液性指數和孔隙比查表得出的承載力為100 kPa,與原位測試結果比較接近。但根據天然含水量得出的承載力約為60 kPa,低40%。因為根據天然含水量查表時,僅考慮了含水量大小,未能考慮液性指數的影響,也即沒有考慮液限的影響?？梢娨合迣φ承酝翉姸燃俺休d力影響較大。對于高含水率的粘性土,高液限土比低液限土的強度和承載力可提高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相對低,狀態相對較硬,因此高液限土所表現出的強度和承載力較高。簡單來說,含水量50%左右的高液限土,狀態可能處于軟塑、甚至可塑,但含水量50%普通粘性土基本是流塑狀態,土柱可能立不住,甚至不成形。高液限土之所以多數被認為是不良土質,主要是因為高液限土具有親水性和持水性,遇水時性質不穩定,尤其是低含水率時水穩定性差。

2.3 高液限土變形參數的試驗分析

為研究高液限土與常見粘性土的變形參數情況,繪制出了上述10組土樣的固結試驗e-P關系曲線(見圖3)。

圖3 土樣的e-P關系曲線Fig.3 The e-P relation curve of soil samples

根據e-P關系曲線可計算出各級壓力下的壓縮系數和壓縮模量,這里僅計算100～200 kPa壓力下的壓縮系數和壓縮模量,計算結果見表6。

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

由圖3和表6可以看出,1號和2號土樣含水量、孔隙比較為接近,液限相差較多,但其壓縮系數和壓縮模量相差不大,其余土樣的壓縮系數遠大于1號、2號土樣,壓縮模量也較小?？梢缘贸?盡管是粘土,其壓縮系數和壓縮模量均表現的與淤泥性土類似,而1號土樣雖然是淤泥性土,其壓縮系數相對較低,壓縮模量也相對較高。液限對壓縮系數和壓縮模量影響不大,高液限土的壓縮系數和壓縮模量主要受含水量和孔隙比的影響。

參見孔慶東等[4]的相關成果,相較于浙江等地區的高液限土,蘇北地區高液限土的壓縮系數更高,壓縮模量更小,壓縮指標差。

根據某一級壓力下的變形與時間關系,采用時間平方根法可計算出相應的固結系數(見表7)。由表7可知,1號土樣的固結系數為5.4×10-3cm2/s,遠大于其他9個土樣的固結系數。1號土樣的液限遠小于其他土樣,說明土的液限影響固結系數,液限越大,顆粒組成越細,粘粒越多,滲透系數一般也越小,因此,其固結系數也越小。固結系數主要與土的滲透系數、孔隙比、壓縮系數有關[17]。采用時間平方根法計算時,固結系數僅與排水距離和固結時間有關,1號土樣的固結系數大,意味著其固結時間小?？梢?液限對土的工程性質影響較大,高液限土一般具有高壓縮性、低壓縮模量、固結系數小、滲透系數小的特點。

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

3 結論

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

(2) 采用液限和錐沉量分別判斷了高液限土的狀態和天然狀態,含水量相同時,液限越高,土的狀態越硬,同時采用錐沉量進一步說明了該結論。

(3) 高液限土與淤泥或淤泥質土的物理指標相近時,其強度及承載力遠高于淤泥或淤泥質土,對于高含水率的高液限土,比相應含水量狀態下的低液限土不排水抗剪強度和承載力可提高40%以上。

(4) 相同條件下,高液限土與常見粘性土的壓縮性質相近,壓縮系數大,壓縮模量小,但高液限土的固結系數很低,總體來說,粘性土的液限越大,固結系數越小。