慈溪地区灰色粘土物理力学性质分析

彭建林

慈溪地区灰色粘土物理力学性质分析

彭建林

（安徽省核工业勘查技术总院，安徽 芜湖 241002）

杭州湾地区慈溪地下勘探遇灰色粘土，为硬可塑状，具高含水量、高液限、孔隙比大、液性指数高、中等压缩性、抗剪强度大的特性；物理性质与力学性质与陆地常规土性质不相同。本文通过对其物理力学性质的室内测试，野外鉴别及原位测试；对这类土的特征有了较全面认识。

慈溪；冲海积层；物理力学性质；欠压密土

新建通苏嘉甬铁路工程杭州湾跨海特大桥南岸陆地段（慈溪市），2019年6月勘探发现慈溪地区埋深20m以下分布着一种灰色粘土，其主要分布埋深40～70m，为第四系上更新统冲海积层（Q3al+m），野外鉴别原状土为硬可塑，充分扰动后呈软可塑状态，试验结果表现为高含水量、高液限、孔隙比大，力学强度跟野外鉴别一致，表现较好力学性质；物理性质与力学性质匹配性矛盾，与常规土性质不相同（陶旭光等，2020）。

1 野外鉴别及试验

（1）钻探取芯，粘土颜色为灰色、灰黑色，硬可塑状，土质均匀，粘性很大，刀切面光滑，有光泽，干强度及韧性高（图1）。

图1 钻探所取芯样

（2）波速测试。采用XG-I悬挂式波速测井仪单孔法，测得波速值203～345m/s，属中软—中硬场地土。

（3）静力触探试验。采用江苏溧阳科尔KE-U310双桥静探，测得锥头阻力qc范围值0.91～2.21Mpa，平均值1.37Mpa，侧阻力fs范围值24.3～128.6kpa，平均值47.0Mpa。根据静力触探参数判别为软可塑状。

2 室内试验结果

采用《铁路工程土工试验规程》（TB 10102-2010）（中国人民共和国铁道部，2010）。

2.1 该粘土测试成果

表1 慈溪粘土的基本物理力学指标统计表

根据表2，慈溪粘土特征：

（1）天然含水率高，在30%～45%，平均值37.2%。天然密度小，在1.73～1.96 g.cm-3之间，平均值1.86g.cm-3。孔隙比大，一般在0.79～1.02，平均值1.02。

（2）液限含水率高，一般值38%～56%，平均44.2%。塑性指数高，一般17.3～26.6。比重较大，一般2.74～2.76，平均2.75，变化范围小。液性指数大，一般0.39～0.92，平均值0.63。

（3）中压缩性土：压缩系数一般为0.12～0.33 Mpa-1，平均值为0.25 Mpa-1，压缩模量一般为6.0～14.5Mpa，平均值为8.45Mpa，为中压缩性土。抗剪强度指标（快剪），凝聚力一般为31.0～62.0kpa，标准值为41.62kpa，摩擦角一般为2.9°～13.8°，标准值为6.87°。

表3 慈溪粘土试样高度与固结压力的关系表

综上所述，该粘土表现为高含水率、高液限、大孔隙比、塑性指数高、液性指数高、压缩性较小、抗剪强度大的特点。

常规粘性土当含水量为30%～45%之间，平均值为37.2%时，液限约为30%～40%之间，液性指数大于0.75，为软—流塑状，压缩系数大于0.45 Mpa-1，压缩模量小于4.0 Mpa，凝聚力约为6～20kpa之间，内摩擦角约为1°～5°之间。可见该粘土的这种指标组合与常规土体有较大差异。

2.2 压缩指标分析

选取24个试样的固结试验数据进行分析，其中15个试样进行了高压固结试验。

根据选取的24个试样的初始孔隙比平均值e=1.047，以及表3各级压力下的变形平均值可以计算出各级压力下的孔隙比平均值。

根据表4，该粘土的综合固结曲线如图2所示。

表4 各级压力下的孔隙比、压缩指标统计表

综上可以看出首级50kpa压力下试样变形量较大，200kpa压力下变形量增量较小，200～1200kpa范围内试样变形量与压力值基本呈直线变化，压力超过1200kpa后试样变形量的增量随压力的增大而减小。试样的压缩特性表现为Es0-0.05较小，Es0.05-0.1、Es0.1-0.2较大、Es0.1-0.2、Es0.2-0.4、Es0.4-0.8、Es0.8-1.2这一段变化不大，没有呈现出常规土正常的下一级小于上一级2倍增量变化，当压力超过1200kpa之后才呈现正常的变大的趋势。说明该粘土在较小的压力刚作用时有一定的变形，之后在小压力段有着较小的变形，呈中压缩性，在中压段当压力继续超过200kpa后变形量继续增加，变形显著，呈现出较高的压缩性，直到压力达到1200kpa以后压缩性变小（孔庆东，李秉宜，2016），3200kpa作用后最终的孔隙比为0.524，因此该粘土的基本结构单元之间可能存在某种牢固的胶结键致使其有一定的天然强度，这些键一旦破坏，试样开始显著变形，并中压难以压密，但可以压密的特点（罗鸿禧，陈守义，1981）。

由表5可以看出，该粘土的先期固结压力Pc大约在300～400kpa范围内，超固结比在0.23～0.54之间，属于欠压密土（李广信，张丙印，2013）。从各试验固结曲线也可以看出，当压力小于自重压力时，试样难以压密，当压力超过自重压力时，试样为再压缩，压缩性变小。

表5 慈溪粘土超固结比统计表

2.3 抗剪强度指标分析

慈溪灰色粘土高含水量、高液限、大孔隙比粘土却有着较高的抗剪强度。舍去异常值，由表2统计中小平均值和中大平均值如下，50kpa压力下，抗剪强度值为43～65kpa， 100kpa压力下，抗剪强度值为55～84kpa，150kpa压力下，抗剪强度值为59～86kpa，200kpa压力下，抗剪强度值为69～99kpa。凝聚力标准值为41.62kpa，摩擦角标准值为6.87°。各级剪切试验的剪应力-剪应变关系曲线基本无峰值出现，类似于松砂。625、626号样做了无侧限抗压强度试验，qu分别为44kpa、66kpa，换算为不固结不排水强度值cu分别为22kpa、33kpa。

图2 该粘土综合e～p曲线图

2.4 力学强度较大的成因分析

该粘土的基本结构单元之间可能存在某种牢固的胶结键致使其有一定的天然强度，在海洋的特殊沉积环境下，含有一定的有机质（郭晓娟，2015）、碳酸盐等水稳性胶结物质，在漫长的地质年代中逐渐产生了较强的附加结构强度。

3 结语

慈溪市位于杭州湾地区特殊粘土，因临近东海，地下土质沉积环境复杂。导致粘土特点为高含水量、高液限、大孔隙比、比重大、塑性指数大、液性指数高、压缩性较小、抗剪强度大，出现粘土物理指标与力学指标与常规粘土特征不匹配性。

该粘土特殊的沉积环境下具有一定的天然结构强度，野外鉴别原状土状态为硬可塑，室内对该粘土进行充分的扰动，比如揉、搓等，扰动后呈软可塑状态，野外波速测试值较高，静力触探锥尖阻力值较小，也说明该粘土在扰动后的力学性质下降显著。

该粘土为欠亚密土，其压缩特性为，当压力较小时，因为自身的天然结构优势表现较小的压缩性，当压力增大致使其天然结构破坏，土的结构破坏变软，压缩性并不立刻随着压力的增大而减小，而是稳定在一个范围内，直到压力大于其自重压力时，压缩性会减小，成正常增长。

该粘土具有较高的抗剪强度，因为其大孔隙比、结构破坏变软的特点，其剪应力-见应变关系曲线呈松砂的特点，基本不出现峰值应力。

陶旭光，荣艳丽，刘冰．2020．菲律宾马尼拉湾海洋土物理力学性质分析[J]．港工技术，57(4)，1-2．

中华人民共和国铁道部．2010．铁路工程土工试验规程（TB10102-2010）[S]．北京．中国铁道出版社．

孔庆东，李秉宜．2016．浙江高液限土压缩特性研究[J]．科学技术与工程，16(30)，290-291．

罗鸿禧、陈守义．1981．湛江灰色粘土的工程地质特性[M]．水文地质工程地质．

李广信、张丙印．2013．土力学[M]．北京：清华大学出版社．

郭晓娟．2015．江西省东乡县特殊土的性质分析研究[J]．江西水利科技，41(3)，230-231．

Physical and Mechanical Properties of Grey Clay in the Cixi Region

PENG Jian-lin

(Anhui Institute of Uranium Geological Exploration, Wuhu, Anhui 241002)

Buried gray clay in the Cixi region is a kind of hard but plastic clay which is characterized by high water content, high liquid limit, high void ratio, high liquidity index, medium compressibility and high shear strength. It differs from common clay in physical and mechanical properties. This paper has a discussion on its physical and mechanical properties.

Cixi region; alluvial strata; physical and mechanical properties; underconsolidated clay

P313.1

A

1006-0995（2022）02-0198-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.004

2021-07-12

彭建林（1989— ），男，四川巴中人，工程师，注册土木工程师（岩土），主要从事工程勘察、岩土、试验工作