科威特Boubyan岛土体工程特性研究

鲍树峰，董志良，张功新，莫海鸿，房营光

科威特Boubyan岛土体工程特性研究

鲍树峰1，2，董志良1，张功新1，莫海鸿2，房营光2

（1.华南理工大学土木与交通学院，广州 510641；2.中交四航工程研究院有限公司，广州 510230）

基于科威特Boubyan岛海港项目一期路桥及地基处理工程，对Boubyan岛土体进行了原位测试，并对199个原状土样进行了室内试验，同时，对典型土样进行了淋溶前后的直剪试验。试验分析结果表明：科威特Boubyan岛土体属于粉质黏土，为超氯滨海盐渍土，具有砂土特性，且具有低含水量、低液塑限、低灵敏度、低强度（遇水易失稳崩解）、高压缩性等典型盐渍土的工程特性；自然成因、可溶盐含量和颗粒表面电荷密度是Boubyan岛土体具有低强度、低液塑限等宏观工程特性的主要因素。

科威特Boubyan岛；原位测试；室内试验；土体工程特性

1 工程背景

科威特Boubyan岛位于波斯湾东北部，面积约为888 km2，是科威特9个岛屿中最大的一个，地势平坦，人迹罕至，年平均降雨量约100 mm，年平均温度约为45℃。Boubyan岛是由许多悬浮状的高含盐量细颗粒物（如粉土颗粒、黏土颗粒以及胶状颗粒）随着潮水不断沉积而形成的，属于三角洲沉积物和海相沉积物。

基于科威特Boubyan岛海港项目一期路桥及地基处理工程，沿线布置了34个钻孔，钻孔深度均为35 m。地质钻孔资料表明［1－2］：地下水位于深部的砂层中，为承压水；岛屿的土层分布从上至下依次为较薄的地表硬壳层（遇水易软化）、厚度为20～25 m的非常软－软黏质粉土层（标准贯入击数值为10击左右）、中等密实－密实粉砂层（标准贯入击数值为50击左右）；有时，局部夹杂着中等硬度－硬状黏质粉土层（标准贯入击数值为15～40击）；岛屿东部和西部的软土层厚度降至10～20 m；Boubyan岛土体属于滨海盐渍土。

滨海盐渍土是港湾工程中常见的具有特殊工程特性的一种软土，形成于经常受海潮侵袭、海水浸渍的有强烈蒸发和毛细作用的滨海地区，其最大特点是所含盐的成分与海水一致，都以氯化钠为主；表层土含盐量高一些，下卧土层也含有较高的可溶盐，含盐量分布比较均匀［3］。滨海盐渍土处于特殊的水文地质环境以及具有与内陆性软土不同的特性成因，致使其具有与内陆性软土明显不同的物理力学性质和物理化学性质。国内外许多学者已经对滨海盐渍土的物理力学特性进行了较多的研究［4－6］，然而，到目前为止，还未见相关文献对科威特Boubyan岛土体的工程特性进行系统地研究和报导。

本文基于科威特Boubyan岛海港项目一期路桥及地基处理工程，对Boubyan岛土体进行了原位测试（十字板剪切试验VST、孔压静力触探试验CPTU），并对199个原状土样进行了室内试验（三轴试验、液塑限试验与成分分析、电化学特性），同时，对典型土样进行了淋溶前后的直剪试验。然后，基于试验结果，对巴比延岛土体的工程特性进行了系统的研究。

2 现场原位测试结果分析

2.1 孔压静力触探试验（CPTU）

基于国际标准IRTP（International Reference Test Procedure），采用瑞典ENVI公司的无线静力触探设备沿线进行了37个孔压静力触探试验（CPTU）。试验结果表明［2］：地表以下0～20 m范围内的锥尖阻力qc几乎都小于1 MPa。

图1为ECPT－3和Borehole16C 2个典型钻孔的孔压消散曲线。根据图1可知，孔压的消散时间随着深度的增加而减少。

基于孔压消散的相关数据［7］，结合Baligh＆Levadoux（1980）关于水平向固结系数Ch的计算公式，可计算出不同深度的水平向固结系数，统计如表1。

图1 典型钻孔ECPT－3和Borehole16C的孔压消散曲线Fig.1 Pore-water pressure dissipation curves for representative borehole ECPT－3，and Borehole16C

表1 不同深度Ch统计Table 1 Summary of Chin different depths

2.2 十字板剪切试验（VST）

基于美国标准AASHTO T－223，采用美国Acker Drill公司的十字板试验设备沿线进行了35个十字板剪切试验，测试的深度间隔为2 m。

土层中各个深度的原位抗剪强度SU和灵敏度St分别统计如表2。根据表2可知，地表以下深度为2.5～24.5 m范围内的土体抗剪强度值基本呈增大趋势，属于中等范围，土体灵敏度≤1.5，属于不灵敏土体，说明土体结构性不明显，颗粒间的胶结性不强。

3 室内试验结果分析

3.1 原状土样表观分析

基于英国标准BS1377：1990：Part－9，在钻孔BH－P2中进行标准贯入试验时采用内径为72 mm的薄壁取土器收集了不同深度的原状土样，如图2所示。

表2 SU和St统计表［2］Table 2 Summary of S and S［2］Ut

图2 钻孔BH－P2不同深度的原状土样Fig.2 Undisturbed soil samp les from different depths of borehole BH－P2

不同深度的原状土样表观分析结果表明：随着深度的增加，土体的硬度逐渐增大；从3个深度的土样中分别制备了若干个球状土样，烘干24 h后，放入事先备好的淡水中，大约0.5 h后，球状土样均迅速崩解成细颗粒状态。将崩解后的土颗粒重新制备成球状土样，烘干24 h后，再次放入淡水中，就不存在崩解现象了。这种崩解现象即为盐渍土浸水后的溶陷性。AL－Amoudi［8］经研究发现，盐渍土的溶陷性，如可溶盐如氯化钠的溶解，可明显影响其稳定性。

3.2 Boubyan岛土体室内常规试验结果分析

基于英国标准BS1377：1990：Part－2对来自Boubyan岛沿线的199个土样进行了含水量W、液塑限（WL，WP）、颗粒分析、一维固结特性（CV，CC，av1－2，Es1－2）、三轴试验（Sr，C′，ø′）等常规试验。试验结果列于表3。

由表3可知：Boubyan岛土体的天然含水率在17%～35.4%之间，基本处于液限含水率附近；土体液限值（WL）基本都大于相应的含水量（W）；液限和塑限含水量分别为26%～38%和19%～31%，较一般三角洲相的土体低；颗粒组成主要为粉粒和黏粒，且粉粒含量＞黏粒含量；塑性指数（IP）基本上都在11～17之间，位于“A”线以上；土的压缩系数av1－2≥0.5 MPa－1。因此，Boubyan岛土体具有低含水量、低液塑限、高压缩性等性质，且地表以下0～25 m范围内的土体基本上都属于粉质黏土。

然而从三轴试验结果来看，Boubyan岛土体具有黏聚力较低而内摩擦角较高的特点，除了地表以下5 m和19 m深度处的黏聚力稍大、地表以下7 m深度处的内摩擦角较小以外，其余各深度处的黏聚力C′＝0，内摩擦角φ′＝26°～36°，因此，Boubyan岛土体还具有砂土特性。

3.3 Boubyan岛土体矿物组成及电化学特性分析

基于英国标准BS1377：1990：Part－3对Boubyan岛土体典型土样进行了可溶盐含量、矿物成分阳离子交换等试验，试验结果列于表4。表4中的颗粒表面电荷密度由实测的阳离子交换量与总比表面积换算求出，其中前者采用乙酸铵交换法［9］测得，后者采用乙二醇乙醚吸附法［10］测得。

由表4可知：Boubyan岛土体的可溶盐含量高达13.4%～20.9%，成分主要为氯盐，且C（CL－）／2C（SO4

2－）＞2，而颗粒表面电荷密度较低。根据我国《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）可知，Boubyan岛土体属于超氯滨海盐渍土。同时，矿物成分分析表明该土样的黏土矿物含量为35.4%，少于一般沿海地区软土（黏土矿物＞50%）［11］。

表3 Boubyan岛199个原状土样常规试验结果统计表Table 3 Results of laboratory test on 199 undisturbed soil sam ples from Boubyan Island

表4 Boubyan岛典型土样矿物组成及电化学特性测试结果Table 4 M ineral com position and electrochem ical properties of representative soil samples from Boubyan Island

3.4 Boubyan岛土体典型土样直剪试验

直剪试验的试样为扰动土，直径和高度分别为61.8 mm和20 mm。为分析含盐量和含水量对Boubyan岛土体抗剪强度的影响，分别配制了含水率为液塑限之间、含水率为液限附近的2种环刀试样。然后，基于英国标准BS1377：1990：Part－2分别进行了2次试验，第1次试验利用原扰动土进行测试，第2次试验前用淋溶法将土样中的可溶盐反复滤除，以降低可溶盐含量后再进行测试。采用固结快剪法进行直剪试验，剪切速率为0.8 mm／min。固结快剪试验结果列于表5，表6为淋溶前后试样的界限含水量变化情况。

表5 淋溶前后扰动土样的固结快剪试验结果Table 5 Results of direct shear test on disturbed soil samp les before and after eluviations

表6 淋溶前后土样的液塑限Table 6 Atterberg lim its of disturbed soil samples before and after eluviations

表5的试验结果表明：对于含水量在液塑限之间的试样1，淋溶后的黏聚力与内摩擦角均有所降低；而对于含水量处于液限含水率附近的试样2，淋溶后的黏聚力有所提高，内摩擦角则有所降低，且100 kPa和200 kPa固结压力下的抗剪强度也稍有下降。无论是淋溶前还是淋溶后，土的黏聚力和摩擦角与含水量成反比。因此，含盐量与含水量对土样的抗剪强度有明显的影响。

而表6的试验结果表明：经淋溶滤除大部分可溶盐后土样的液限和塑限含水率均有显著的提高，其提高幅度分别达到了29.4%和48.1%。因此，扰动土样的界限含水量也明显受含盐量的影响。

综合分析现场原位测试和室内试验结果可知，Boubyan岛土体属于粉质黏土，为超氯滨海盐渍土，具有砂土特性，具有低含水量、低液塑限、低灵敏度、低强度（遇水易失稳崩解）、高压缩性等典型盐渍土的工程特性。

4 Boubyan岛土体强度特性分析

土体强度的变化并不是单纯的力学过程，而是一个与土体的颗粒组成、物理化学性质及其所处的环境密切相关的化学－力学过程［12］。下文基于现场原位测试和室内试验结果，从科威特Boubyan岛土体的特殊成因和工程特性形成的微观机制和机理来分析其特殊的强度特性。

4.1 Boubyan岛土体的自然成因

Boubyan岛土体的低强度（遇水易失稳崩解）、低液塑限等工程性质与当地特殊的气候、地理、水文等条件密切相关。

该地区属于热带沙漠气候。夏季日间平均气温可达45℃，异常干旱炎热，而冬季夜间最低温度7.2℃。月平均降水量最高仅25.5 mm，年平均降雨量约为100 mm。在海相环境下，土颗粒在该岛的近岸地区沉积而形成了滨海盐渍土陆地。颗粒分析结果（表3）表明：该岛土体颗粒组成主要为极细的粉粒和黏粒，有较强的吸附盐的能力，毛细水上升高度大。

岛屿受到海潮有规律性的侵袭，退潮后经烈日暴晒，致使海水中的部分盐分因地面的强烈蒸发作用而析出并累积于土中，因此，往往使岛屿表面形成厚度不大的盐壳层。可溶盐（主要为氯盐）的胶结作用使地表的盐壳层在干燥状态下非常坚硬，然而，一旦吸潮或浸水，可溶盐迅速溶解，盐壳就会软化崩解，这是导致Boubyan岛土体低强度的直接原因。

4.2 Boubyan岛土体强度特性的机理分析

Gouy-Chapman理论［11］指出，带负电荷的黏土颗粒表面形成的微电场，使颗粒表面吸附具有高黏性的结合水膜。结合水膜的厚度在一定程度上表征液限和塑性指数的范围，从而影响土体的物理力学性质。因此，随着土颗粒表面电荷密度的提高，形成微电场的强度增大，吸附的结合水膜厚度增加，液限和塑性指数提高。然而，土体中的可溶盐等电解质溶解于孔隙水中，使孔隙水的离子浓度提高，使颗粒表面吸附的结合水膜厚度变小，因此，液限和塑性指数随之减小。

因此，下面分别从土体中的可溶盐含量和土颗粒表面电荷密度2方面因素对Boubyan岛土体的物理力学特性进行分析。

Boubyan岛土体的含盐量高，可溶盐溶解于孔隙水中后，使孔隙水的离子浓度提高，使颗粒表面吸附的结合水膜厚度变小，致使颗粒之间的相互运动阻力大。虽然土体颗粒细小，但还是比正常含盐量的土（如淋溶后的Boubyan岛土体）表现出较大的内摩擦角以及较低的液塑限和塑性指数，如表5和表6所示。

土体的黏聚力与颗粒间的胶结状况有关。如表5所示，Boubyan岛土体经淋溶后，颗粒间的可溶盐结晶胶结作用仍未发挥出来，致使表观内聚力较小，而且，由于颗粒间的盐结晶胶结不强，扰动前后的表观内聚力变化不大，因而土的灵敏度较小。再如表5中的Boubyan岛土体试样2，淋溶前后的含水量均接近相应状态下的液限值，但淋溶前后的强度特性有明显区别。因此，可溶盐含量对土体的抗剪强度有明显的影响。

阳离子交换当量表征颗粒表面所带的负电荷密度，不同矿物成分的阳离子交换当量差异较大。颗粒表面电荷密度大，颗粒表面的结合水膜厚度就大，使土体具有较高的液塑限和塑性指数以及较小的内摩擦角。一般而言，土体中强亲水矿物含量越多，液塑限和塑性指数就越高，内摩擦角通常就越小；反之，表现出液塑限和塑性就较低，内摩擦角就较大。Boubyan岛土体中强亲水矿物较少，特别是蒙脱石含量较少，非黏土矿物成分较多（＞60%），如表4所示，因此，其颗粒表面电荷密度明显较低，进而导致较低的液塑限和塑性指数以及较大的内摩擦角，如表5和表6所示。

综上所述，自然成因、可溶盐含量和颗粒表面电荷密度是科威特Boubyan岛土体具有低强度（遇水易失稳崩解）、低液塑限等宏观工程特性的主要因素。

5 结 论

本文基于科威特Boubyan岛海港项目一期路桥及地基处理工程，沿线对Boubyan岛土体进行了原位测试，并对199个原状土样进行了室内试验，同时，对典型土样进行了淋溶前后的直剪试验。试验分析结果表明：

（1）科威特Boubyan岛土体属于粉质黏土，为超氯滨海盐渍土，具有砂土特性，具有低含水量、低液塑限、低灵敏度、低强度（遇水易失稳崩解）、高压缩性、遇水易失稳崩解等典型盐渍土的工程特性。

（2）自然成因、可溶盐含量和颗粒表面电荷密度是科威特Boubyan岛土体具有低强度（遇水易失稳崩解）、低液塑限等宏观工程特性的主要因素。

［1］ BOB.Boubyan Seaport Project Phase-1 Stage-1：Road，Bridge＆Soil Improvement-Trial Embankment-Geotechnical Investigation Works-Factual Report［R］.Kuwait：Gulf Inspection International Co.，2008.

［2］ BOB.Boubyan Seaport Project Phase-1 Stage-1：Road，Bridge＆Soil Improvement：Geotechnical Investigation-Factual Report［R］.Kuwait：Gulf Inspection International Co.，2008.

［3］ 徐攸在，史桃开，洪乃丰，等.盐渍土地基［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993.（XU You-zai，SHITao-kai，HONG Nai-feng，et al.Saline Soil Foundation［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，1993.（in Chinese））

［4］ ABDULIAUWAD SN，AL-AMOUDIO SB.Geotechnical Behavior of Saline Sebkha Soils［J］.Geotechnique，1995，45（3）：425－445.（in Chinese））

［5］ AL-AMOUDIO S B，ABDULJAUWAD S N.Compressibility and Collapse Characteristics of Arid Saline Sebkha Soils［J］.Engineering Geology，1995，39（3／4）：185－202.

［6］ 柴寿喜，王 沛，韩文峰，等.高分子材料固化滨海盐渍土的强度与微结构研究［J］.岩土力学，2007，28（6）：1067－1072.（CHAI Shou-xi，WANG Pei，HAN Wen-feng，et al.Research on Strength and Microstructure Feature of Solidified Saline Soil in Inshore with Polymer［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28（6）：1067－1072.（in Chinese））

［7］ Boubyan Seaport Project Phase-1 Stage-1：Road，Bridge＆Soil Improvement：Geotechnical AssessmentReport，Revision D.［R］.Kuwait：Gulf Inspection International Co.，2008.

［8］ AL-AMOUDIO S B.Studies on Soil-Foundation Interaction in the Sebkha Environment of Eastern Province of Saudi Arabia［D］.Dhahran，Saudi Arabia：King Fahd University of Petroleum and Minerals，1992.

［9］ LY／T 1243—1999，森林土壤阳离子交换量的测定［S］.北京：中国标准出版社，1999.（LY／T 1243—1999，Determination of Cation Exchange Capacity in Forest Soil［S］.Beijing：China Standards Press，1999.（in Chinese））

［10］LIANG Jian-wei，FANG Ying-guang，GU Ren-guo.Experiment and Analysis of Specific Surface Area of Tiny Particle Clay［J］.Science Technology and Engineering，2009，9（9）：2371－2377.

［11］王文军，刘用海，朱向荣.宁波海相软土工程特性研［J］.工程勘察，2008，（10）：19－24.（WANG Wenjun，LIU Yong-hai，ZHU Xiang-rong.The Study of Engineering Properties of Marine Soft Soil in Ningbo［J］.Geotechnical Investigation and Surveying，2008，（10）：19－24.（in Chinese））

［12］梁健伟，房营光，陈 松.滨海盐渍土的强度特性试验与机理分析［J］.长江科学院院报，2010，（7）：36－40.（LIANG Jian-wei，FANG Ying-guang，CHEN Song.Experiment and Mechanism Analysis on Strength Characteristics of Coastal Saline Soil［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，（7）：36－40.（in Chinese） ）

（编辑：姜小兰）

Engineering Properties of Soils on Boubyan Island in Kuwait

BAO Shu-feng1，2，DONG Zhi-liang1，ZHANG Gong-xin1，MO Hai-hong2，FANG Ying-guang2
（1.School of Civil Engineering＆Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China；2.Engineering Technology Research Co.Ltd.of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.Ltd.，Guangzhou 510230，China）

To provide support for the road，bridge and foundation treatment of Boubyan Seaport Project Stage-I in Kuwait，we performed in-situ tests on the soils along the highway and railway line on Boubyan Island，carried out laboratory tests on 199 undisturbed samples，and also conducted direct shear tests on disturbed soil samples before and after eluviations.Test results and analysis show that the soils on Boubyan Island belong to silty clays and coastal saline soilswith high content of chloride，and has a little property of sandy soils.Its engineering properties include low moisture content，low Atterberg limits，low sensibility，low shear strength（easily disintegrated），and high compressibility.Natural formation，soluble salt content and surface charge density are main causes of these properties.

Boubyan Island in Kuwait；in-situ tests；laboratory tests；engineering properties of soils

TD413.5

A

1001－5485（2012）12－0053－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.011 2012，29（12）：53－57，61

2011－09－19

亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题资助项目（2008ZA11）

鲍树峰（1982－），男，江西婺源人，工程师，博士研究生，主要从事软基处理、基坑以及桩基工程方面的研究，（电话）13609020225（电子信箱）42701332＠qq.com。