上海第⑧层黏土沉积环境及超固结特性

2020-04-08刘丽斌兰立信李明广叶冠林

上海交通大学学报 2020年3期

刘丽斌，兰立信，李明广，叶冠林

(上海交通大学土木工程系，上海 200240)

近几十年来，随着我国城市化进程的不断深入，城市地表资源逐渐稀缺，地下空间开发成为城市建设的发展趋势和主流方向，但随着地下空间设施的日益拥挤，对土体的工程性质要求越来越高[1].地下结构建设高速发展的上海，其地下结构面积虽然仅为全国土地面积的0.066%，但由于其举足轻重的经济地位，对上海深层土体的研究显得尤为重要.

目前，从国内外的工程实践来看，研究的土体深度主要集中于30 m以内的浅层土，有关土体的沉积环境影响的研究却比较少.在已有的关于黏土沉积环境及与物理力学性质相关性的研究中，大部分系针对分布于欧洲西北部以及加拿大东部地区的冰川型海相沉积黏土[2-3]，沉积后经历了一些物理化学作用形成了工程性质极差的超灵敏土.对于在东南亚各国广泛分布的冲积型海相黏土，仅有少量研究.Ohtsubo等[4]先后对日本有明和泰国曼谷黏土的沉积过程进行了分析，并指出了沉积环境对物理性质的影响.在国内，邵光辉等[5]和Liu等[6]对连云港的黏土进行了相关研究.关于上海的黏土，虽然有地质领域相关学者对全新世长江三角洲的发育过程进行了系统研究，但关注的往往是广域问题以及厚达上百米的地层，与岩土工程少有交集.近几十年来，魏道垛等[7-8]对上海浅部土层的应力历史、原状土和重塑土等基本物理力学性质进行了研究，分析了应力历史、各向异性等不同因素对上海软黏土变形和强度特性的影响.武朝军等[9]通过大量试验，研究了上海浅部土层(②～⑥层土)沉积环境、物理化学性质和力学特性，分析了沉积环境对浅层土工程性质的影响.超固结成因方面，一般来说可以分为两类：应力和非应力.应力类原因有土层剥蚀、地下水位的变动及动荷载的作用；非应力类原因有次固结和胶结作用等.

迄今为止，还没有文献对上海深层(⑥～⑨层)软黏土的沉积环境和工程性质进行过研究.本文结合末次冰期以来中国东海海平面及大气温度变化，分析了上海深层土的沉积环境；通过高压固结和超固结比(OCR)三轴不排水剪切(CU)试验，研究了上海第⑧层土的超固结特性，并分析了其产生超固结的原因，为进一步展开相关研究工作及工程设计、施工人员提供了一定的参考.

1 上海深层土沉积环境

根据上海市区第四纪综合地层柱状图[10-11]，本文所研究的上海深层土为第一硬土层、第二砂层、第二硬土层、第三砂层，即⑥～⑨层土，地层年代属于第四系的上更新统.⑥～⑨层土沉积环境依次为：湖泊、河流-滨海、湖泊和河流-滨海、河流.文献[12]中拟定的海平面、大气温度变化曲线以及对应的土层沉积年代如图1所示.其中，时间采用ka B.P.,表示距今多少千年；土层沉积年代信息来源于上海市区第四纪综合地层柱状图.晚更新世末次冰期(下文简称为末次冰期)以来，中国东部平原发生了3次海侵，根据江苏第一水文地质队依次命名为：太湖海侵、滆湖海侵和镇江海侵.

图1 末次冰期以来上海地区海平面、大气温度变化与深部土层沉积历史[12]

太湖海侵的形成年代约为70～128 ka B.P.，在该时间段内，上海境内的沉积通常为河流沉积，间或为受到海水影响的三角洲河流，偶尔在局部可达到三角洲前缘的河口环境.河流-三角洲相砂层构成了分布广泛、厚度较大的川沙组地层，上海工程地质界称之为第⑨工程地质层.虽然此次海侵在上海境内分布广泛，但根据研究资料[13]显示，长江三角洲东部地区在该时间段内的沉积物以含砾砂为主、普遍发育溺谷相，并且海侵层较薄，厚约10 m.海水主要沿古河谷入侵，此次海侵层属于海相性较弱的海侵层.

海退发生的时间约在7万年前，海退历时约1.5万年左右.从古气候分期，得出这段时间是“第六寒冷期”，大气温度的降低将引起冰川的凝聚，伴随的是海平面下降约80 m.全区沉积环境由泛滥平原环境演化为泛滥湖泊环境，堆积了暗绿、灰绿粉质黏土，为可塑性硬土状，夹有砂质粉土或粉细砂纹层，厚约2～4 m，为上海第⑧层土下部.

滆湖海侵的形成年代约在20～55 ka B.P.，这次海侵遍及上海全区，海侵的强度为长江三角洲区域第四纪期间历次海侵之最.此次海侵层期间形成了两个海侵亚层及其间的陆相灰绿色硬土层(第二硬土层).其中，下亚层约形成于45～55 ka B.P.；硬土层形成于35～45 ka B.P.；上亚层约形成于20～35 ka B.P..在23～35 ka B.P.期间，海面回升，堆积了灰色粉质黏土与粉砂纹层交互的“千层饼”和上覆的灰色砂层，即工程地质界对应的⑧层上部和⑦2层下部.约在20～23 ka B.P.期间，此时海平面已下降，位于三角洲平原的河流-滨海环境堆积了岩性特征为普遍呈褐黄、绣黄色的砂质粉土和粉砂、粉细砂，即上海工程地质所划的⑦1层和⑦2层.在约为11～20 ka B.P.的末次冰期最盛时，从图1可以看出，海平面下降幅度比现今约低140 m，上海西北部发育的泛滥平原-湖泊扩展到除现河口区外的上海整个陆域，在本区广泛沉积了褐黄色粉质黏土和暗绿色黏土层，即上海工程地质所划的⑥层土.

综上所述，⑨层土沉积环境为河流沉积，由于太湖海侵的原因，⑨层属于海相性较弱的海侵层；⑧层土主要以湖泊沉积为主，但⑧层的上部和⑦层有着相同的沉积环境，都是河流-滨海环境，整体呈现出两端海相性高于中部的特点；⑥层则是湖泊沉积环境.

2 试验分析

本次试验取土地区第⑧层深度47～70 m，试验对象为灰绿色硬土(第二硬土层)，属于典型的上海⑧层土.试验方案：对深度分别为54.0～54.5 m、57.0～57.5 m、60.0～60.5 m的上海⑧层原状土进行三轴不排水剪切试验(K0固结实验)和高压固结试验，通过分析试验结果来研究⑧层土的超固结性.考虑到土层埋深较深，普通常规固结仪加载的压力不能使土体发生足量的压缩变形.本次固结试验采用自行设计的气动式高压固结仪，可对土样施加8 MPa的固结压力.三轴剪切试验采用的是全自动控制静力三轴仪，简称为GDS.试验饱和阶段反压取200 kPa，围压取210 kPa；试验仪器的反压饱和系统，使土样达到95%以上的饱和度；剪切和固结围压取原位有效自重应力.为了保证孔隙水压力在加载过程中能及时消散，剪切速率为 6.6 m/min，换算成每分钟应变为 0.008 5%(土工试验规范要求在0.003%～0.012%).

2.1 高压固结试验确定先期固结压力

土层受到其生成环境和地质历史变迁等因素影响，就会在土层中产生一种“记忆”，土的工程性质就表现为与这种“记忆”有关.而土的先期固结压力值反映了地质历史的影响，是用来判断土层固结状态的重要参数.因此可以推测，沉积环境类似的土层，其土层固结状态可能相似.

上海第⑧层土的孔隙比-竖向应力曲线(e-lgp)如图2所示，其相关试验结果如表1所示.其中，e0为初始孔隙比；wn为土的天然含水质量分数；Cc为压缩指数；Cs为回弹指数；p0为原位应力，地下水位(-1 m)以下的土层采用有效重度计算；pc为先期固结压力；OCR=pc/p0，为超固结比.由图2可知，曲线没有明显的弯曲点，因此，无法采用传统的Casagrande经验作图法从压缩曲线中获得较为准确的先期固结压力.此次先期固结压力的计算采用的是Becker等[14]提出的能量法，该方法可以从光滑的压缩曲线中准确得到屈服应力，即pc.以54.0～54.5 m土样为例，其总能量E与p的关系曲线如图3所示.曲线由3段直线组成：屈服前、屈服后和中间段.屈服前与中间段的交点即原位应力p0(p0=493.1 kPa)，与根据实际土层深度计算所得的447.0 kPa相差46.1 kPa，此处在计算超固结比时取实际计算得出的p0.屈服前与屈服后交点为屈服点的竖向应力py，即先期固结压力(pc=1 332.8 kPa).

试验结果显示，3组试验得出的OCR均在3.0左右，说明上海第⑧层土为超固结土.由前文的分析

表1 固结试验参数

图3 由能量法确定的先期固结压力(54.0～54.5 m)

可知，⑧层土的沉积环境与⑥层土的沉积环境相似，而已有试验验证：⑥层土为超固结土，OCR在2.0左右.

2.2 超固结在三轴试验中的表现

将54.0～54.5 m试样K0固结到原位应力后再进行剪切的有效应力路径(pq～p′)，应力应变曲线(pq-ε)和超孔压应变曲线(u-ε)如图4所示.取最大应力pqmax为剪切过程中的屈服应力pqf，获得的相应不排水剪切试验结果如表2所示.其中：σ为试验围压；Mf=pq/p′为破坏时的强度比,pq/p′为该直线的斜率；Δu为剪切后的超孔压累计值；Af为剪切破坏时的孔隙压力系数，数值上等于超静孔压Δuf与对应的pqf的比值，即Δuf/pqf.

图4 不排水剪切试验结果(54.0～54.5 m)

表2 不排水剪切试验结果

图4中的有效应力路径斜向上走的趋势和负超孔压的出现说明了该土层是超固结土；另一方面，3组试样剪切破坏时的孔压力系数都是负值，数值在 -0.1 左右.饱和黏性土破坏时的Af值[15]如表3所示.对比表3中饱和黏性土破坏时的Af值，可判断该土层表现出强超固结性.

表3 饱和黏性土破坏时的Af值[15]

Tab.3 Values ofAfin triaxial test with different radial stresses[15]

土样(饱和)黏土Af高灵敏度0.75～1.50正常固结0.50～1.00弱超固结0.25～0.50一般超固结0～0.25强超固结-0.50～0

2.3 超固结原因分析

对于超固结产生的原因，总体来说可以分为两类：应力类和非应力类.应力类原因有层剥蚀、地下水位的变动和动荷载作用；非应力类原因有次固结和胶结作用等.

从应力角度分析，考虑到⑧层土经历了2次海退，在海退过程中，地下水位下降、土体孔隙水消散，伴随着土体中有效应力的增加，进而产生超固结.

以60.0～60.5 m的试样为例，假设地下水位与海平面一样，地下水位取 -1.5 m，土的平均重度γ=18 kN/m3，p0=1.5×18+(60-1.5)×8=495 kPa.对不同海退时期的有效自重应力估算如下：

(1)时间在50 ka B.P.时，海平面约为 -80 m，⑧层土沉积完成，此时pc=18×(60-47)=234 kPa，OCR=234/495=0.47；

(2)时间在18 ka B.P.时，海平面约为 -140 m，⑥层土沉积完成，此时pc=18×(60-29.8)=543.6 kPa，OCR=543.6/495=1.1；

(3)时间在8 ka B.P.时，海平面约为 -60 m，⑤层土沉积完成，此时pc=18×(60-18)=756 kPa，OCR=756/495=1.53.之后海平面逐渐上升，P0接近现在值.

此外，抽地下水也会引起先期固结应力的增加.第⑧层土下卧层为第⑨层砂质土，以粉砂和含砾中砂为主，为上海市的第二承压含水层.该含水层富水性和水质均较好，20世纪80年代以前，作为主要的开采水层为上海市提供了大量水源.第二压含水层水位历时曲线可以参考文献[16].由文献[16]中的第⑨层的水位记录可知，在20世纪60年代由于抽水引起地下水位下降了约30 m.假设第⑨层的水位下降有足够时间引起第⑧层的孔压减少并达到平衡，则水位下降30 m引起的孔压减少量为：Δp=300 kPa，此时pc=18×1.5+8×(65-1.5)+Δp=835 kPa，OCR=835/495=1.69.

由上述计算可见，海退或抽地下水引起的有效应力变化，所产生的OCR均小于2.0，与试验所得值2.84～3.07有一定的差异，因此应力变化并不能完全解释此超固结成因.

从非应力角度考虑，根据Bjerrum[17]提出的等时压缩曲线模型，在原位应力p0作用下，随着作用时间的增长，伴着次固结量不断增加，从而导致pc也有所增加，土体显示出超固结性状，这种现象区分于应力原因引起的超固结，称为“似超固结”[18]，也称为Age effect.第⑧层土沉积时间距今约5万年，似超固结是导致超固结的另外一个原因.综上所述，超固结是水位下降引起的应力历史和似超固结的综合结果.

另外，土体的胶结作用也是导致土体产生“似超固结”的原因.上海⑧层土经历了海相沉积环境，根据前人的研究成果[19]，海相黏土等由于土体中存在一些特定的物质成分，如碳酸盐、铁铝氧化物和有机质等，可以沉积在土粒间或包裹颗粒，或者孔隙溶液与土颗粒表面发生离子交换，使土体具有一定的结构，并赋予一定的力学性质，使土体显现出某些超固结特征.