淮河入江水道崇湾段特殊软土重塑土压缩特性

姜　爽　黄晓波　王　乔

(1. 北京泰斯特工程检测有限公司， 北京　102600； 2. 东南大学 交通学院， 南京　210096)



淮河入江水道崇湾段特殊软土重塑土压缩特性

姜爽1黄晓波1王乔2

(1. 北京泰斯特工程检测有限公司， 北京102600； 2. 东南大学 交通学院， 南京210096)

摘要：为研究针对淮河入江水道崇湾段堤坝下覆主要问题土层的物理力学特性，对其开展了物理、力学试验研究．确定了崇湾段软土属于有机质土且具有一定膨胀性的特殊性状．通过不同初始含水率的一维压缩试验得到崇湾段软土重塑土的压缩特性．与非有机质重塑土的压缩特性进行比较，明确相同e0/eL条件下崇湾段特殊软土具有更大的压缩性，且有机质含量较高的土体压缩性更大．通过引入Hong提出的重塑屈服压力，确定了崇湾段特殊软土重塑土的抗变形能力．相同初始含水率条件下崇湾段特殊软土的重塑屈服压力较非有机质土更大，且有机质含量较高时重塑屈服压力更大．明确了崇湾段软土的重塑屈服压力可以用Hong(2010)提出的经验公式进行预测．

关键词：淮河入江水道；软土；压缩特性；有机质

淮河入江水道崇湾段位于京杭大运河江都境内的崇家湾附近，走向近南北．东侧为京杭大运河，西侧为卲伯湖．崇湾段西堤为历史险工段，该段堤身、堤基下20 m深度范围内分布软土层，厚度大、含水量高、强度低、堤身沉降不稳定．据京杭运河施工总结记载，施工期间淤土筑堤段共塌坡56次．

历史上对该段采取了培高加厚、水泥土搅拌桩加固等方法进行了处理，但一直未能根本解决堤身沉降不稳定的问题．

为对崇湾段西堤进行有效的加固处理，本研究针对西堤下覆两个主要问题土层：6.5 m和13 m土体，开展相关物理、力学试验，从而分析其土性及力学特性．通过土体的压缩试验研究该软土的一维压缩特性，对比分析崇湾段西堤软土与非有机质软土压缩特性的异同．通过引入Hong提出的重塑屈服压力研究该软土的重塑屈服压力随土体初始状态的变化情况并与非有机质土对比，分析有机质对土体重塑屈服压力的影响．本研究探讨淮河入江水道崇湾段西堤土体的土性及力学特性，为现场施工提供指导．初步探索有机质对软土压缩特性的影响，为有机质对软土力学特性影响的定量研究积累数据，具有重要意义．

1基本物理性质

崇湾段西堤下覆6.5 m和13 m软土颜色均为深灰色，无味，呈软塑状态．通过室内试验对3号孔取得土样进行物理特性研究，得到土体的基本物理性质见表1，其中液塑限根据ASTM D4318[1]采用碟式液限仪和搓条法进行测定；比重根据BS 1377-1990 part 2 clause 8[2]用中性液体煤油代替蒸馏水进行测定；颗分根据ASTM D422[3]用比重计进行测定；含水率和有机质含量根据ASTM D2974[4]进行测定；自由膨胀率根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)[5]进行测定．

表1　土体基本物理性质

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)[6]规定：土体中有机质含量在5%～10%时属于有机质土．而由表1可见，淮河入江水道土样有机质含量均超过5%，因此确定淮河入江水道软土属于有机质土．根据根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ 112-1987)[7]中规定：自由膨胀率≥40%的土，应判定为膨胀土．自由膨胀率为40%～65%之间膨胀潜势为“弱”；自由膨胀率为65%～90%之间膨胀潜势为“中”；自由膨胀率>90%膨胀潜势为“强”．因此可以判断6.5 m土样为弱膨胀土，13 m土样为中膨胀土．

由此可见，淮河入江水道崇湾段软土，既具有一定的膨胀性又属于有机质土，而有机质和膨胀性对土体的压缩特性均具有重要的影响，使之成为一种工程特性较为特殊的软土．土体的塑性图如图1所示，6.5 m和13 m的土体均均位于A线上方、B线右侧，可以确定淮河入江水道软土为高液限黏土．

图1　土体塑性图

表1可见，湾段西堤6.5 m和13 m软土均具有较高的含水率和塑限．有研究表明，土体的液塑限与其黏粒含量及胶粒含量有着正相关关系，且王志良[8]给出了黏粒含量与土体液塑限关系的回归曲线．同时，土体的液塑限随有机质含量升高有升高的趋势，且液限随有机质含量增加明显增大，塑限随有机质含量增加增大幅度较小[9-12]．将本文两深度土体的液塑限与王志良[8]提出的回归曲线进行对比如图2所示，可见淮河入江水道崇湾段软土黏粒含量较高者具有较高液塑限．但两深度土体液限均明显高于回归曲线，塑限也位于回归曲线上方．可见，崇湾段西堤两深度软土较高的液塑限主要受土体有机质的影响．

图2　土体液塑限与回归曲线对比图

2重塑软土压缩特性

2.1试验方案

试验中将6.5 m和13 m两个深度的土体分别配制成不同初始含水率的重塑土，从而得到不同初始状态的试验土样．对各土样进行一维固结试验，以研究淮河入江水道崇湾段特殊软土的压缩特性．

本文采用蒸馏水配置不同初始含水率的土样，目标初始含水率分别为0.8、1.2、1.6倍液限．土样制成高度为40 mm直径为61.8 mm的固结试样进行一维压缩试验．为避免高初始含水率固结土样在荷载作用下产生挤土现象，试验仪器采用改进的轻型固结仪，如图3所示，分别通过两个加载系统进行加载．改进的轻型固结仪通过添加一个杠杆比较小的加载托盘实现了小应力的加载，最小可以从0.5 kPa开始加载．

1.平衡锤；2.轻质加压帽；3.百分表；4.土样盒；5.工作台；6.调平手柄；7.水准泡；8.传统加载系统；9.新型加载系统；10.平衡杠杆.图3　轻型固结仪示意图[13]

试验加载等级依次为0.5、1.5、2.5、4.5、8.5、12.5、25、50、100、200、400、800和1 600 kPa．其中荷载为0.5～12.5 kPa时通过新型加载系统进行加载，荷载为12.5～1 600 kPa时，通过传统加载系统进行加载．

主固结完成时间按照Casagrande提出的时间对数法在半对数坐标中通过时间-沉降曲线来进行确定，加载时间为3 d．土样的初始状态见表2．

表2　重塑土压缩试验初始条件

2.2重塑土压缩曲线

图4　6.5 m重塑样压缩曲线　图5　13 m重塑样压缩曲线

2.3重塑土压缩指数

由压缩曲线直线段斜率得到土体的压缩指数见表3．可以看到，对于同种土体含水率越大其压缩指数越大．对于不同土体，当土体具有相同w0/wL时，液限较大、有机质含量高的土体压缩指数较大．可见，土体的压缩特性不仅与土体的初始状态有关，同时与土体本身的性质有重要关系．

表3　重塑软土压缩指数

为综合考虑土体的初始状态及土体本身性质对土体压缩特性的影响，国内外众多学者引入e0/eL指标对土体压缩特性进行分析，并称之为广义应力状态．其中，e0为初始孔隙比，eL为土体含水率为液限时的孔隙比．本次研究将6.5 m和13 m重塑土的压缩压缩指数与e0/eL关系点绘于图中并与文献[13-14，16]对白马湖、连云港、温州非有机质黏土的试验数据进行对比，如图6所示．其中白马湖、连云港、温州黏土的液限分别为55.6%、70.8%、64.9%～77.9%．

图6　重塑土的压缩指数

由图6可见，对于有机质土与非有机质土均有土体压缩指数随e0/eL的增大而增大．相同e0/eL条件下6.5 m和13 m土体的压缩指数均位于非有机质土上方，13 m土体的压缩指数位于6.5 m土体的上方．可见相同e0/eL条件下，有机质土的压缩性较非有机质土的压缩性大，且有机质含量较大时压缩性较大．

3重塑屈服压力

重塑屈服压力反应了土体受扰动情况下抵抗变形的能力，因此重塑屈服压力的确定对工程具有重要意义．其确定方法与屈服压力基本一致．文献[13]应用文献[18]提出的双对数坐标法对非有机质黏土的压缩数据进行整理，并且根据多组试验数据得到重塑土的经验计算公式：

(1)

式(1)将土体扰动情况下抵抗变形能力与土体的初始状态及土体的本身性质联系起来．使得土体的重塑屈服压力可通过计算得到，对实际工程具有重要意义．

将崇湾段特殊软土的压缩曲线绘制于双对数曲线中，如图7～8所示．

图7　6.5 m重塑样双对数压缩曲线

图8　13 m重塑土双对数压缩曲线

由图7和图8可见，在双对数坐标下，淮河入江水道崇湾段特殊软土的压缩曲线清晰地呈现出两段直线，其交点即为崇湾段特殊软土的重塑屈服压力．得到6.5 m和13 m特殊软土初始含水率分别为0.8、1.2、1.6倍液限时的重塑土屈服压力见表4．

表4　重塑软土重塑屈服压力　(单位：kPa)

将不同初始含水率重塑土的重塑屈服压力随含水率的变化情况点绘于图中，并与非有机质土的重塑屈服压力进行对比如图9所示．

图9　重塑屈服压力随初始含水率变化

从图9可以看到，土体的重塑屈服压力随含水率升高而降低．对于相同初始含水率土体，淮河入江水道崇湾段特殊软土较非有机质土有更高的重塑屈服压力，且有机质含量高时重塑屈服压力较大．这与有机质土的高液限特性有关，相同初始含水率条件下有机质土的液限较高，其塑性指数较低，则可塑性较低，土体重塑屈服压力较高．

文献[13]提出了重塑屈服压力状态与土体的液限之间的经验关系式，见式(2)，并称这条曲线为重塑屈服压力曲线SPC(suction pressure curve)．式中es为土体固结压力达到重塑屈服压力时土体的孔隙比．

(2)

将崇湾段特殊软土的重塑屈服压力与文献[13]提出的重塑土屈服压力经验公式进行对比分析，如图10～11所示．本文试验数据分布于经验公式两侧，公式(1)～(2)能够能够对崇湾段特殊软土的重塑屈服压力进行很好的预测．有机质土与非有机质土其重塑屈服压力都与土体的初始状态和本身性质有相关性．其重塑屈服状态都与土体的液限有重要关系．

图10　重塑屈服压力试验值与经验曲线

图11　重塑屈服压力与SPC曲线

4结论

本文针对淮河入江水道崇湾段特殊软土的两个主要问题土层：6.5 m和13 m埋深土体，开展物理试验、不同初始含水率的一维压缩试验．通过与非有机质土的压缩特性进行对比得到以下主要结论：

1)淮河入江水道崇湾段软土即属于有机质土又具有明显的膨胀性，是一种工程性质较为特殊的软土．其高液限与土体有机质成分有重要关系．

2)对于崇湾段特殊软土，初始含水率较高土体的压缩曲线位于初始含水率较低土体压缩曲线的上方．随固结压力增加，土体初始状态对土体压缩特性的影响逐渐减小．相同e0/eL条件下崇湾段特殊软土的压缩性较非有机质土更大，且13 m土体的压缩性大于6.5 m土体的压缩指数．

3)崇湾段重塑软土的重塑屈服压力，随土体初始含水率升高而降低．相同初始含水率条件下，崇湾段特殊软土的重塑屈服压力大于非有机质土的重塑屈服压力，且13 m土体的重塑屈服压力大于6.5 m土体．崇湾段重塑软土的重塑屈服压力与非有机质土均与土体的初始状态及本身性质有重要关系，可以用文献[13]提出的经验公式进行预测．

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[5]GB/T 50123-1999．土工试验方法标准[S]．

[6]GB 50021-2001．岩土工程勘察规范[S]．

[7]GB 50112-2013．膨胀土地区建筑技术规范[S]．

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[责任编辑张莉]

收稿日期：2016-01-10

通信作者：姜爽(1989-)，女，硕士，主要从事软土基本特性试验研究．E-mail：jiangshuang_sun@163.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.006

中图分类号：TU411

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)02-0024-05

Compression Behavior of Soft Clays at Chongwan Section of Huaihe-Changjiang Waterway

Jiang Shuang1Huang Xiaobo1Wang Qiao2

(1. Beijing Taisite Engineering Testing Co., Ltd., Beijing 102600, China; 2. School of Transportation, Southeast Univ., Nanjing 210096, China)

AbstractA series of physico-mechanical tests were carried out on the bad soils of Chongwan section of Huaihe-Changjiang waterway to detect its physico-mechanical properties. The results indicate that the soils in Chongwan section have special physical characteristics with high organic content and a certain of expansibility. Through oedometer tests with various initial water contents on remoulded Chongwan soil, the compression characteristics of remoulded Chongwan soil were studied. Comparing with remoulded nonorganic soil, it is detected that the compressibility of Chongwan soil is bigger than nonorganic soil and it contains more organics with greater compressibility. In addition, the remoulded yield stress raised by Hong(2010) is introduced to determine the ability of remoulded Chongwan soil to resistant deformation. The remoulded yield stresses of Chongwan soil are larger than nonorganic soil with the same initial water content, and soil containing more organics has greater remoulded yield stresses. What's more, it is clear that the remoulded yield stresses of Chongwan soil can be predicted by the empirical formula proposed by Hong(2010).

KeywordsHuaihe-Changjiang Waterway;soft clay;compression behavior;organics