可门港淤泥质软土基本特性随深度变化的规律探讨

曾志琳，黄烁菡，杨陈坚

(1.福州大学土木工程学院 福建福州350100;2.中铁二十二局 北京100040)

引 言

淤泥质软土是滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的细粒土。其外观多以灰色为主，具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的物理力学特性，并具有蠕变性、触变性等特殊的工程地质性质，固结后力学性质变化比较大。

一方面由于淤泥质软土存在强度低、沉降量大的问题，如处理不当，往往会给工业民用建筑、道路工程、铁路工程、桥梁桥头结合部位等带来很大的危害。另一方面国内外学者已经对淤泥质软土的物理力学性质进行了各类的研究，其中，虽然对于淤泥质软土的物理力学性质有着细致的研究，但是关于淤泥质软土的强度特征与深度的变化关系的研究较少。因此，为更好的了解淤泥质软土的强度特性，本文结合试验与相关理论的研究，研究淤泥质软土的强度沿不同深度的变化规律。

1 工程概况及试样采集

本文主要研究的是福州连江可门港海相淤泥质软土基本特性随深度的变化规律。根据地质勘察报告，可门港区域土质分布着厚度为24.4m的淤泥质软土，沿深度方向上淤泥土层的粘聚力随深度的增加不断增加，上层淤泥土(1.4～9m)约在6kPa～12kPa之间，中上层淤泥土(10～15m)约在13kPa～24kPa之间，中下层淤泥土(16～18m)约在28 kPa～33 kPa之间，下层淤泥土(19～25.8m)约在25kPa～33kPa之间，中下部淤泥呈现抗剪强度较高现象，可能含有夹层。但总体上，自上而下土体抗剪强度呈上升趋势;而淤泥土层的灵敏度与深度之间的关系则不明显，大体上各层淤泥土的灵敏度均分布在3～7之间，属于结构性强的高灵敏度软土(见表1)。

表1 十字板剪切测试一览表

该淤泥土具高含水量、高压缩性、中～高灵敏性，此类土的强度非常低，固结后力学性质变化比较大，具有较强的吸附力，属于饱和多孔介质，且是由土粒骨架以及充满在骨架内的孔隙水组成，工程物理性质较为特殊，工程性质差(见表2)。

表2 静力触探情况一览表

本实验通过对福建省福州市连江县可门港经济开发地区附近淤泥质软土进行固结不排水剪切试验和不固结不排水快速直接剪切试验，来测定此地区近海淤泥质软土在不同深度情况下抗剪强度的变化情况，计算淤泥质软土的强度指标:内摩擦角c以及粘聚力φ。进一步验证在不同深度情况下此地区淤泥质软土的c，φ值呈现何种变化规律。

2 三轴剪切试验

本次试验共做六组三轴剪切试验，其中三组为CU(固结不排水剪切)试验，另外三组为UU(不固结不排水剪切)试验。

2.1 固结不排水三轴试验

三种固结不排水三轴试验(CU)，分别是ZK1#5.0、ZK1#13.0、ZK1#23.0所用试样均标准化，高度为8cm，直径3.91cm。在这组试验中，每组试样切取四个标准土样，分别施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa的围压。记录并绘制出其主应力差与轴向应变关系曲线(如图1～图3)所示。

图1 轴向应变和主应力差之间的关系曲线(ZK1#5.0)

图2 轴向应变和主应力差之间的关系曲线(ZK1#13.0)

图3 轴向应变和主应力差之间的关系曲线(ZK1#23.0)

图4 CU试验的应力路径曲线(ZK1#5.0)

图5 CU试验的应力路径曲线(ZK1#13.0)

图6 CU试验的应力路径曲线(ZK1#23.0)

式中:α——应力路径上破坏点的连线的倾角。

有效粘聚力C'u按下式计算:

式中:d——应力路径上破坏点的连线在纵轴的截距，kPa;

根据有效应力路径曲线计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(图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(图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(图6)得出α=25.21°，d=4.52kPa，即C'u=5.12kPa，φ'u=28.08°。

试验测得的有效摩擦角＇和有效粘聚力Cu＇汇总(如表3):

表3 有效应力路径曲线得到的C'u和φ'u汇总表

以剪应力τ为纵坐标，法向应力σ为横坐标，绘制破坏总应力圆，并绘制在不同周围压力下破坏应力圆的包线，包线的倾角为内摩擦角φu，包线在纵坐标轴上的截距为粘聚力Cu。对于有效内摩擦角φ'u和有粘聚力C'u，应以为圆心，以为半径绘制有效破坏应力圆确定。计算得到ZK1#5.0、ZK1#13.0和ZK1#23.0这三组试样的粘聚力和内摩擦角，汇总于(表4)中。

表4 CU试验粘聚力、内摩擦角、有效粘聚力、有效内摩擦角表

2.2 不固结不排水三轴试验

UU试验共进行了3组，分别是ZK1#3.0、ZK1#11.0、ZK1#21.0，所用试样均标准化，高度为8cm，直径3.91cm。每组试验切取四个标准试样，分别施加100kPa、200kPa、300kPa和400kPa的围压，记录其主应力差与轴向应变关系曲线如(图7～图9)所示。同样通过得到每组试样的不固结不排水剪强度包线，分别计算出三组试验的粘聚力和内摩擦角并汇总于(表5)。

图7 主应力差与轴向应变关系曲线(ZK1#3.0)

图8 主应力差与轴向应变关系(ZK1#11.0)

图9 主应力差与轴向应变关系曲线(ZK1#21.0)

表5 UU试验的粘聚力和内摩擦角汇总表

3 界限含水率试验

粘性土的状态与土中含水率密切相关。根据含水率不同，可以将细粒土分为流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态四种状态。界限含水率就是区分这四种状态的度量值。本次试验采用液塑限联合测定法测定土样的液限和塑限。试验测得了6组深度分别为ZK1#2.0、ZK1#6.0、ZK1#10.0、ZK1#14.0、ZK1#20.0、ZK1#24.0土体的含水率和液限、塑限含水率值。

以试样ZK1#10.0为例，以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系曲线。三点连一直线(如图10)所示。在圆锥下沉深度与含水率关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水率为液限，值是65.06，单位为%;查得下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限，值是27.88，单位为%。

图10 圆锥下沉深度与含水率关系

塑性指数和液性指数的计算公式为:

式中ωL为液限，%;ωP为塑限，%;ω为天然含水率，%;IL为液性指数;IP为塑性指数。

由式(3－1)和式(3－2)可得试样ZK1#10.0的液限为65.06，塑限为27.88，塑性指数为37.18，液性指数为1.259。同理可得试样ZK1#2.0、ZK1#6.0、ZK1#10.0、ZK1#14.0、ZK1#20.0和ZK1#24.0的液限、塑限、塑性指数和液性指数，列于(表6)中。由(表6)可得，随着深度的变化，液限、塑限、液性指数和塑性指数的变化都不大，液限在63左右，塑限在28左右，塑性指数在35左右，液性指数在0.95到1.60之间变化。

表6 界限含水率试验汇总表

4 结论

本试验对不同深度淤泥质土层进行了三轴剪切试验和界限含水率试验，测定了淤泥质土的液塑性指数、液塑限指数，以及在固结不排水与不固结不排水条件下的粘聚力、摩擦角、有效粘聚力和有效内摩擦角等多个土工参数。总结试验结果，可以得出以下结论:

(1)淤泥质软土的内摩擦角较大，粘聚力较小，含水率较大。

(2)CU试验得到的有效粘聚力C'u在5.0kPa～6.0kPa之间，其数值基本保持不变，大致在5.5kPa左右;有效内摩擦角φ'u在20°～30°之间，随深度的增大而增大。试验土样的粘聚力Cu在4.9kPa到7.1kPa之间，摩擦角在12.0°到16.0°之间，有效粘聚力在2.0kPa到6.5kPa之间，有效摩擦角在25.0°到31.0°之间。

(3)UU试验得到的粘聚力在5.0kPa到13.0kPa之间，随着深度的不断加深，粘聚力逐渐增大;内摩擦角在0.9°到2.3°之间，随深度变化，内摩擦角变化不大，大致在1.4°作用。

(4)界限含水率试验中，液限在63左右，塑限在28左右，塑性指数在35左右，液性指数在0.95到1.60之间变化。随着深度的变化，液限、塑限、塑性指数和液性指数的变化都不大。

致谢

论文得以顺利地完成，特别感谢福州大学本科生科研训练计划项目基金(18088)的资助，以及轨道与地下工程系黄明老师的悉心指导。

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