高液限结构性软土的人工制备及其强度和变形特性

2023-11-28温国胜

广东建材 2023年11期

温国胜

（广东省有色金属地质局九四〇队）

0 引言

高液限结构性软土由于含水量大，具有高流动性和高灵敏性，在实际工程中不易制作其试验，其天然结构性极易受到取样和制样过程的影响，造成测试的强度失真，导致工程的稳定性系数预留不足和建筑物沉降预测偏差过大，给工程的安全运营和社会经济造成不良影响[1]。因此，研究高液限结构性软土的强度特征和变形规律具有十分重要的意义[2]。本文尝试结合实际工程，采用现场取样和室内人工制备试样的方法，避免了对高液限结构性软土高昂的原状样取样费用，并采用室内三轴试验的方法获取其应力应变曲线，研究其变形规律和抗剪切强度的演变过程[2]。

1 软土的基本特性

广东省某旅游度假区海景路护岸工程建设护岸长度1945.85m，其中直立式护岸324.49m，斜坡式护岸1621.36m。经现场调查表明，场区主要有5 大层，其工程地质特性分别如下：

①粉质黏土，流～软塑，局部相变为粉土，k7、k10、k11、k13～k16 钻孔（位于养虾池内）表层有厚度为0.2～0.7m 的淤泥，本层土物理力学性质较差，在钻孔揭露范围内分布连续，标贯击数0～3 击，平均标贯击数N＝1.7击，层厚0.20～2.60m。

②1-1层淤泥质黏土（Q42m），流～软塑。本层土物理力学性质较差，在k13～k19 号钻孔区域缺失，平均标贯击数N=2.6 击。层顶深度1.00～2.20m，层顶标高-0.97～0.39m。层厚2.00～8.90m。

②1-2层淤泥质黏土（Q42m），流塑。本层土物理力学性质差，仅在k13～k19 号钻孔区域揭露，平均标贯击数N＝2.3 击。层顶深度0.20～2.60m，层顶标高-1.15～0.42m，层厚2.90～13.40m。

②2层黏土（Q42m），灰色，软塑，本层土呈与粉质黏土互层状，在k4～k7号钻孔区域有厚度为1.2～5.3m的粉砂。本层土在k16～k19 号钻孔区域缺失，平均标贯击数N＝7.3 击，物理力学性质一般。层顶深度3.50～10.60m，层顶标高-9.16～-2.05m。层厚1.00～10.40m。

②3层粉质黏土（Q42m），软塑，本层土在k6、k14～k18号钻孔区域呈粉土、粉质黏土互层状。本层土在钻孔揭露范围内分布连续平均标贯击数N=4.9 击，物理力学性质较差。层顶深度5.70～14.80m，层顶标高-13.05～-4.25m，层厚1.00～10.20m。其中k3、k5、k10～k12 钻孔区域层厚1.00～2.90m，其他区域层厚4.00～10.20m。

③粉土，浅灰色，湿，稍密，含云母，局部相变为粉质黏土。本层土在k13～k19 号钻孔区域缺失，平均标贯击数N＝6.6击，物理力学性质一般。层顶深度13.70～16.40m，层顶标高-15.00-12.25m。层厚1.00～2.90m。

该层主要以粉土、粉质黏土为主。自上而下为④1粉土、④2粉质黏土。层顶深度15.70～19.00m，层顶标高-18.13～-14.25m。层厚6.50～9.80m。

④1层粉土（Q41al），中密～密实，本层土在k2、k3、k1l，k14～k16、k18 号钻孔区域相变为粉秒，在k5、k17号钻孔区域夹大量粉质黏土薄层。本层土在k19 号钻孔区域缺失，标贯击数13～33击，平均标贯击数N=22.8击。层顶深度15.70～19.00m，层顶标高-18.13～-14.25m。层厚1.00～5.30m，其中k15～k18 钻孔区域层厚1.00～2.10m，其他区城层厚2.90～5.30m。

④2层粉质黏土（Q41al），可塑，局部相变为黏土。本层土在钻孔揭露范围内分布连续，标贯击数6～13 击。层顶深度18.40～22.40m，层顶标高-21.16～-20.87m，层厚3.90～7.30m。

⑤1层粉质黏土（Q3dmc），软～可塑。本层土在钻孔揭露范围内分布连续，标贯击数5～12 击，物理力学性质一般。层顶深度25.00～27.50m，层顶标高-26.08～-23.63m。本次钻探深度有限，未能穿透该层，揭露厚度2.50～10.90m。

各层土的的力学指标参数如表1所示。

表1 场区各层土的力学指标参数

2 高液限结构性软土室内试样的人工制备方法

为了制备高液限结构性软土，采取的试验原材料有淤泥、高岭土、硅藻土、钙基膨润土和水泥，其中淤泥由本项目现场取样获得[3]。试验前采用比重瓶法对各个原材料的比重进行测试，每中原材料均测定参数进行平均值计算，每次测试时的比重计算方法如公式（1）所示，测试结果如表2所示[4-6]。

表2 配置高液限结构性软土原材料比重试验结果

式中，Gs为土的比重；m1为比重瓶+干土的质量，g；m2为比重瓶的质量，g；m3为比重瓶+水质量+土质量，g；m4为比重瓶+水，g；GwT为T℃时纯水的比重。

对有淤泥、高岭土、硅藻土、钙基膨润土按3 份计入不同体积的蒸馏水进行液塑限试验，编号分别为A 组、B组和C 组，A 组的原材料加水调配到液限wL，B 组原材料加水调配到塑限wP，C 组原材料加水调配到居于液限和竖限的含水量。运用土壤液塑限联合测定仪对3 组原材料进行液塑限测定，测试锥头的重量为76g，得到3组原材料的锥入深度，并进行拟合反演，计算2mm 锥入深度所对应的含水率，记作该原材料的塑限，计算17mm 锥入深度所对应的含水率，记作该原材料的液限[7-9]。经过试验，可以得到淤泥的液限为43.5%，塑限为25.3%，塑性指数为18.2%；高岭土的液限68.7%，塑限为36.9%，塑性指数为31.8%；硅藻土的液限为96.5%，塑限为51.6%，塑性指数为44.9%；钙基膨润土的液限为74.6%，塑限为44.9%，塑性指数为29.755。由此可以看出高岭土、硅藻土和钙基膨润土均具有较高的液限，液限值均大于50%。

为了配置目标的高液限结构性软土，可以增加高岭土、硅藻土和钙基膨润土的量进行配合调控。本研究以最大液限值75.9%，塑限值为30%～50%为目标，配置高液限性结构性试验软土试样[10]。由于钙基膨润土和水泥均具有很强的吸水性，且水泥具有硬化效果，调配时其灵敏度控制较差，因此将两者的质量比例设定为5%，不断调整后得到混合土的最优质量配合比为淤泥35%，钙基膨润土5%，高岭土25%，硅藻土30%，水泥5%。

3 高液限结构性软土的强度及变形特性

为了更好地研究液塑限对结构性软土强度和变形的影响，针对最优质量配合比的高液限软土（液限75.9%，塑限31.7%）进行调节，得到5 种不同工况，分别为工况A：软土液限为57.9%，塑限为30.3%，塑性指数为30.3；工况B：软土液限为66.8%，塑限为30.2%，塑性指数为36.4%；工况C：软土液限为75.9%，塑限为31.7%，塑性指数为44.5%；工况D：软土液限为78.00%，塑限为32.4%，塑性指数为45.1%；工况E：软土液限为92.2%，塑限为41.6%，塑性指数为50.7%。运用英国GDS公司生产的GDS 三轴压缩试验仪系统（GDS-DYNTTS）进行三轴试验，高液限结构性软土试验的直径为76.2mm，高度为100mm，围压设置为100kPa，得到5种不同工况下的应力应变曲线如图1 所示，三轴剪切峰值强度和剪切强度如图2～图4所示。

图1 不同工况下结构性软土应力应变曲线

图2 结构性软土液限与峰值强度、残余强度的变化关系

从图1 中可以看出，5 种不同工况下高液限结构性软土的应力应变曲线表现为相似的变化规律，在应变值小于18%时，随着应变的增加，轴向应力呈现幂函数曲线增加，并在应变值为18%时达到峰值强度，随后，随着应变的增加，轴向应力不断减小，并在应变值大于28%后趋于一定程度的收敛，收敛的轴向应力为残余强度；5种不同工况下的应力应变曲线关系均呈现应变硬化的特征，随着结构性软土液限的增加，峰值强度和残余强度均不断减小。

从图2 中可以看出，从工况A 变化到工况E，随着软土的液限wL不断增加，软土的峰值强度和残余强度呈现非线性降低，并且表现出两种下降斜率，从工况A 到工况D，峰值强度从148.98kPa 下降到101.20kPa，下降幅度为47.78kPa，残余强度从126.76kPa 下降到72.84kPa，下降幅度为53.92kPa；而从工况D 到工况E，峰值强度从101.20kPa 下降到93.8kPa，下降幅度为7.4kPa，残余强度从72.84kPa 下降到57.09kPa，下降幅度为15.75kPa。

同样地，从图3 中也可以看出，峰值强度和残余强度随塑限wP的变化关系与图2类似，均呈现分段下降的变化趋势，从工况A到工况D的下降斜率较大，而从工况D 到工况E 的下降斜率较小。从图4 中可以看出，随着塑性指数的增加，结构性软土的峰值强度和残余强度呈现近线形减小。