连云港海相软土不排水强度特征

苟富刚, 龚绪龙,王光亚

1.江苏省地质调查研究院, 南京 210049 2.国土资源部地裂缝地质灾害重点试验室, 南京 210049

0 引言

连云港滨海平原区全新世软土广泛分布，其具有埋深浅(一般1～2 m)、厚度大的特点，最厚处近30 m[1]。该软土具有黏粒质量分数高、含水率高、液性指数高、孔隙比高、压缩性高、抗剪强度低的特点。这一套软土层作为地基，易出现各种工程问题，如路基沉降过大、固结慢，迟迟难以稳定等，常常会造成严重的经济损失。稳定分析计算需要考虑稳定分析方法和抗剪强度指标两个方面。以往的研究[2-4]表明，合理地选择抗剪强度指标比采用哪种稳定分析方法更为重要。研究区软土渗透系数在10-7～10-8cm/s这一数量级，排水条件差且厚度大，适合采用不排水剪。地下水位以下的黏性土，可采用合算方法计算其土压力和水压力，而土的滑动稳定性验算可采用总应力法[5-6]。

不固结不排水抗剪强度指标获取主要有2种方式[7]：第一种为原位试验，比如十字板剪切试验，简称FVT试验；第二种为室内土工试验，包括三轴不固结不排水试验(三轴UU试验)、无侧限抗压强度试验(UTC试验)和直剪中的快剪试验。基于Mohr-Coulomb理论，从理论上来说，这几种测试方法得出的不排水指标强度应该是相同的，但实际上室内试验方法得出抗剪强度指标往往小于原位试验得出的指标。因为原位试验能最大程度地减少对土体的扰动，相比室内土工试验获取的两种抗剪强度指标更接近土体的实际抗剪强度[8]；同时，土体作为一种不均匀材料，具有天然沉积接触面。罗传庆等[9]、洪昌华等[10]的研究表明，土体不排水抗剪强度具有空间变异性。高彦斌等[11]、Mitchell等[12]的研究表明，软土强度具有各向异性的主要原因来自2个方面：一是土体结构和颗粒组成的各向异性引起的土体力学性状的各向异性；二是选择不同的剪切方向会得出不同的抗剪强度。据袁聚云等[13]对上海软土各向异性的研究，黏性土颗粒间的接触方式主要为面面接触(近水平沉积，为最弱剪切面)，垂直方向切取试样抗剪能力最高。

吴燕开等[14]、邓永峰等[15]对连云港浅层软土沉积环境和基本物理力学性质进行了研究。缪林昌等[16]、黄高峰等[17]对研究区软土强度和灵敏性进行了研究。

目前连云港地区软土强度的获取主要依靠FVT试验和快剪试验[7,17]。本文采用三轴UU试验、UTC试验、快剪试验和FVT试验4种方法获取软土抗剪强度参数，并就4种方法获取的土体抗剪强度参数进行对比，分析各试验方法的土体破坏特征和强度指标异同原因，以期今后对具体工程地基稳定性计算选取抗剪指标提供参考。

1 连云港地区软土沉积环境

连云港地区位于鲁中南丘陵与淮北平原的结合部，东临黄海，整个地势自NW向SE倾斜。晚更新世以来，研究区发育3个海相层沉积，按沉积顺序自下向上依次为沧州海侵地层、献县海侵地层和黄骅海侵地层，其中：前2个海侵层发生在晚更新世，沉积底板埋深最大可达49.67 m；黄骅海侵层为在距今约6 000 a形成的一套广泛分布海积软土层(本文研究土层)，沉积底板埋深最大可达近30 m，软土类型为灰—深灰色淤泥及淤泥质土(包括淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土)，其具有压缩性高、低渗透性、抗剪强度低的工程特性(表1)。数据统计分析表明，淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土质量分别占软土质量的49%，44%，7%。

2 样品采集及测试

为了获取研究区软土物理力学指标，在江苏滨海平原区布置工程钻孔53个(图1)，工程钻孔采样密度为1.5～2.0 m采一个薄壁样(长50 cm)。施工顺序为先施工FVT试验孔，再施工工程孔。FVT试验孔和工程孔为对比孔，在同一位置施工。为了保证测试结果的准确性，样品分批及时配送到国土资源部南京矿产资源监督检测中心完成测试分析。

三轴UU试验采用WX064全自动三轴仪(KTG)完成，获取黏聚强度和内摩擦角；UTC试验采用YYW-2应变控制式无侧限压力仪获取抗剪强度；快剪试验采用DJY-3四联等应变直剪仪获取黏聚强度和内摩擦角。本文制样采用垂直方向的切取试样。

表1 研究区软土的物理力学特性

注：wN为黏粒质量分数；wF为粉粒质量分数；W为天然含水量；e0为天然孔隙比；WL为液限；Ip为塑性指数；IL为液性指数；a1-2为压缩系数；ES为压缩模量；CUU为三轴UU试验得出的黏聚强度；φUU为三轴UU试验得出的内摩擦角。

图1 研究区软土厚度分布及试验、采样平面分布图Fig.1 Distribution map of thickness, test and sample of soft clay

FVT试验采用钢环传感装置及离合式十字板头。本次测试采用十字板头规格为75 mm(直径d)×150 mm(高度h)。每隔1 m测试1个点。

天然沉积土体是一种变异性很大的工程材料，土体抗剪强度具有固有各向异性，试验测试参数离散性较大；因此可借助数理统计的方法来揭示相同地质单元土体在不同测试方法下的抗剪强度特征和土体各指标表之间的变化规律，比如采用均值、图表等对抗剪强度进行预测和比较分析。

3 软土剪切面和抗剪强度特征

3.1 三轴UU试验

3.1.1 土体单元应力状态

根据Mohr-Coulomb抗剪强度公式

SUU=CUU+σtanφUU=1/2(σ1-σ3)sin 2αcr

(1)

可知，破裂面上的抗剪强度SUU由摩擦强度σtanφUU和黏聚强度CUU组成，摩擦强度决定于剪切面上的法向总应力σ和土的内摩擦角φUU。其中：

σ3=σ1tan2(45°-φUU/2)-

2CUUtan (45°-φUU/2)；

(2)

αcr=±(45°+φUU/2)。

(3)

式中：σ1为竖直面方向应力，取土体上覆自重应力；σ3为水平方向应力；αcr为破裂角(图2，破坏面与最小主应力的夹角)。

τ为剪切破裂面的剪切应力。图2 极限平衡状态下的剪切破坏特征Fig.2 Shear failure characteristics of the limit equilibrium condition

3.1.2 破裂面特征

三轴UU试验的试验原理为：基于总应力法，根据式(3)可以预测土体剪切破裂面。在极限平衡条件下，采用垂直制样且最大主应力为垂直方向时，土体破坏时土中出现一对剪切破裂面(最弱的剪切面)，破裂面为一椭圆形斜截面。由于三轴UU试验测得φUU较小，据式(3)知，破裂面基本上与水平面呈45°，剪切破裂面在水平面和竖直面上的投影面积基本接近。

图3 三轴UU试验破裂角直方图Fig.3 Histogram of failure angle of tri-axis UU test

基于数据的统计分析(图3)，土体破裂角最大值为46.25°，最小值仅为45.00°，平均值为45.42°。破裂角主要集中在45.10°～45.70°这一范围内，其约占破裂角总数的93%。

3.1.3 强度特征

黏聚强度CUU平均值为10.92 kPa，内摩擦角φUU平均值为0.84°(表1)。基于式(1)知，CUU不随深度变化，仅取决于土粒之间的物理化学作用力；随着深度的增加，σtanφUU越来越大。计算结果显示软土抗剪强度平均值为13.13 kPa，其中内摩擦角对软土抗剪强度的贡献量约为16.8%。

为了验证摩擦强度随着深度递增这一观点，每5 m深度统计一次，即按照深度为0～5 m，5～10 m，10～15 m和>15 m分4次统计摩擦强度和黏聚强度对抗剪强度的贡献量，统计结果见图4。从图4可以看出：土体摩擦强度随着其埋深的增大而增大，由8.0%增加到25.0%，增加了17.0%；随着深度递增，黏聚强度所占频率有所减少。

图4 三轴UU试验摩擦强度和黏聚强度随深度变化规律Fig.4 Friction strength and cohesive strength change with depth by tri-UU test

3.2 UTC试验

UTC试验是三轴UU试验的一个特例，即将土样置于不受侧向限制的条件下进行压力试验，此时土样所受的围压为0 kPa，最大主应力的极限值即为无侧限抗压强度。制样采用垂直方向的切取试样方式，最大主应力为垂直方向，土样破坏特征与三轴UU试验类似。UTC试验测得软土抗剪强度SU最大值为34.00 kPa，最小值仅为3.00 kPa，平均值为13.10 kPa，与三轴UU试验测得抗剪强度平均值13.13 kPa非常接近(表2)，说明试验方法对软土强度指标影响不大。

3.3 快剪试验

基于快剪试验过程分析知，快剪试验剪切面为固定的水平面，软土强度反映土体天然沉积面的强度。本次共获取了快剪试验数据61组。基于数据统计分析知：快剪试验得出黏聚强度(Cq)离散性较大(图5)，Cq最大值为23.00 kPa，最小值仅为5.00 kPa，平均值为10.12 kPa。快剪试验得出的Cq平均值小于三轴UU试验得出的黏聚强度CUU(表1，图5)。

图5 软土黏聚强度随其埋深分布图Fig.5 Distribution map of soft clay cohesion with depth

3.4 FVT试验

FVT试验土体剪破面为圆柱面，剪切破坏时的扭力矩等于侧面和上、下底面上土的抗剪强度产生的抗扭力矩：

(4)

式中：M为剪切破坏时的扭力矩；τfv为破坏时圆柱体侧面的抗剪强度；τfh为破坏时圆柱体上、下底面的抗剪强度。

则FVT试验得到的抗剪强度SF为

(5)

土体剪破面为圆柱面，圆柱面的侧面积(35 325 mm2)远大于上、下底面的面积之和(8 831 mm2)，上、下底面积之和仅为圆柱侧面的25%；所以，SF反映的主要是圆柱体侧面(竖直面)的抗剪强度。高彦斌等[11]对上海软土设计不同的十字板头(异性十字板头)来人为控制剪切面，得到了设计剪切面上的抗剪强度值；结果表明水平剪切面强度最低，为常规十字板试验值的0.63倍，竖直面抗剪强度最高，为常规十字板试验值的1.08倍(图6)。通过上海软土异形十字板试验类比知：连云港软土水平剪切面强度最低，竖直面抗剪强度最高，采用FVT试验得出的SF不是软土最低抗剪强度，而与软土最高强度接近。

图6 上海软土设计剪切面强度值[11]Fig.6 Strength value of Shanghai soft soil of design shear plane

基于数据统计分析知：常规FVT试验测得软土抗剪强度SF离散性较大(图7)，SF最大值为50.00 kPa，最小值仅为1.70 kPa，平均值为19.72 kPa。

4 软土强度固有各向异性

基于数据统计分析的结果：FVT试验测得抗剪强度大于UTC和三轴UU试验测得抗剪强度(表2)；三轴UU试验所测黏聚强度大于快剪所测黏聚强度(图5)。可以从4种试验方法的剪切面破坏特征来解释不同试验方法得出的抗剪强度差异原因：三轴UU试验土体剪切破裂面在水平面和竖直面上的投影面积基本接近，即竖直面和水平面对软土抗剪强度贡献量基本相当，竖直面稍微大于水平面的贡献量，抗剪强度值位于4种方法的中间值；UTC试验软土剪切面破坏特征与三轴UU试验一致，2种方法得出的抗剪强度值接近；快剪试验剪切面为固定的水平面，软土强度反应土体天然沉积面的强度，抗剪强度最低；FVT试验土体剪破面为圆柱面，得出的强度指标SF反映的主要是圆柱体侧面(竖直面)的抗剪强度，抗剪强度强度最高。本文的测试和计算结果与袁聚云等[13]、高彦斌等[11]的研究结果一致，即剪切面平行软土沉积面(水平面)软土强度一般最低，竖直面强度最高。

表2 3种试验方法得出抗剪强度

注：SF，SU，SUU分别对应FVT试验、UTC试验、三轴UU试验。

5 结果分析

5.1 软土强度差异的原因

UTC试验与三轴UU试验所测抗剪强度平均值非常接近，基于大数据的强度与深度变化预测曲线几乎重合(图7)，说明采用这2种方法来获取研究区软土抗剪指标是通用的。

图7 软土抗剪强度随其埋深分布图Fig.7 Distribution map of soft clay shear strength with depth

由表2可知，FVT试验测得软土SF平均值比三轴UU试验测得SUU平均值大6.59 kPa，比UTC试验测得SU平均值大6.62 kPa。造成这种差异的原因，除了受软土强度固有各向异性影响外，室内试验和原位试验最大的区别——土体机械扰动和应力状态的改变也是其重要影响因素。

FVT试验结果表明，研究区软土灵敏度均值为3.24，最大值为8.20，最小值为1.20。这与黄高峰等[17]的研究结果一致。从试验结果分析知：研究区软土以中等灵敏性为主，个别为高灵敏和不灵敏。由FVT试验得知：原位软土抗剪强度均值为19.72 kPa，最大值为50.00 kPa，最小值为1.70 kPa；塑状软土抗剪强度均值为6.34 kPa，最大值为24.60 kPa，最小值为0.95 kPa。将FVT试验得出的原状软土与塑状软土强度的差值定义为软土的结构强度，则研究区软土结构强度均值为10.27 kPa，最大值为29.00 kPa，最小值为1.50 kPa。软土结构强度主要反映的是软土的黏聚强度，对于3种室内剪切试验，机械扰动引起的抗剪强度损失主要是结构强度的损失；而摩擦强度基本上与机器扰动无关，主要与土体实际的应力状态有关。

选择研究区典型对比孔就3种(三轴UU试验、UTC试验和FVT试验)测试方法进行比较，可以发现：软土抗剪强度随深度增加而增加；但随着深度的增加，UTC试验和三轴UU试验得出的抗剪强度与FVT试验得出的抗剪强度差值越来越大(图8)。这主要是由以下3方面的原因造成的：1)基于UTC试验、三轴UU试验计算的原状土样抗剪强度低与机械扰动有关[18]。目前软土取样主要采用敞口式薄壁取土器和内装镀锌铁皮衬管的对分式取土器，理想状况下也仅取得Ⅱ级试样[6]。采用的取样器对土体结构破坏损失较大。此外还包括运输、贮存和加工土样时引起的机械扰动作用，消弱了土体黏聚强度。2)在采取土样的过程中，土体经历了一个应力释放并且重新分布的过程，土体由原位天然不等向的应力状态转变为各向总应力相等，土体稍有膨胀，从而引起土体抗剪强度降低[19]。3)与土体剪切破坏面特征有关。

5.2 软土强度低的原因

采集软土样本343件，进行了粒度分析试验，结果显示连云港地区软土黏粒(小于0.005 mm)质量分数最高达80.40%，平均值为48.08%。根据χ衍射物相分析，连云港地区软土的黏土矿物以伊利石(43.24%)和绿泥石(34.23%)为主，其次为蒙脱石(15.32%)，还含有少量凹凸棒石。其中蒙脱石对土的工程特性影响最大[20]。一般黏土矿物形状为片状(图9)，这就决定了研究区软土比表面很大，黏土矿物颗粒表面结合水膜很厚，造成土体颗粒之间直接接触很少，土体颗粒间易发生滑动。黏性土活动度A是反应黏土矿物活性的一个定量指标。活动度A定义为：黏性土的塑性指数IP与胶粒(粒径小于0.002 mm)质量分数(wBJ)的比值，即A=IP/wBJ。工程地质手册规定：A≤0.75为非活性黏土；0.751.25活性黏土。研究区软土活动度A最大值为2.03，最小为0.84，平均值为1.43，平均值大于1.25；说明研究区软土中的黏土矿物活性高，黏土类型以活性黏土为主，这是研究区软土强度低的一个原因。

连云港地区软土微结构为不稳定的片架状结构[21-22]，其是软土在连续沉积时形成的一种结构形式，黏土矿物呈扁平状颗粒单元或聚集体，以面-面接触为主(图9)，其次为边-面接触(最不稳定的一种接触关系)。基于多张SEM图像分析可知：研究区软土超大孔(孔径≥40 μm)约占总孔隙的14.73%；大孔(20～40 μm)约占总孔隙的11.59%；中孔(5～20 μm)约占总孔隙的32.29%；小孔(2～5 μm)约占总孔隙的23.36%；微孔(1～2 μm)约占总孔隙的9.33%；极微孔(< 1μm)约占总孔隙的8.46%。超大孔隙和大孔隙随软土埋深逐渐减少，孔径<5 μm的孔隙随埋深的增加逐渐增多，且孔隙分布趋于均匀，这与软土抗剪强度随埋深增大的变化规律一致。研究区软土大孔隙和超大孔隙发育，颗粒间接触不稳定的关系，也是其抗剪强度低的一个主要原因。

图8 单孔软土抗剪强度随埋深分布图Fig.8 Distribution map of soft clay shear strength with depth in single hole

水平观测，深度15.1 m。图9 淤泥原状样的SEM(扫描电子显微镜)图片Fig.9 SEM image of undisturbed mud deposit

基于上面的分析可知：软土颗粒组成、黏土矿物成分、微观结构等因素决定了研究区软土具有很低的抗剪强度。

6 结论

1)连云港地区软土为碱性环境下沉积的非均质海积软土。采用活动度这一定量指标描述了黏土矿物的活性，研究表明工作区软土活动性高。软土中的黏土矿物主要以面-面接触为主，软土结构为不稳定的片架状结构，决定了研究软土抗剪强度很低。

2)三轴UU试验和UTC试验土体单元应力状态一致。土体制样采用垂直方向的切取试样方式，试验时最小主应力为水平方向，最大主应力为竖直方向，土体沿该应力状态下的最弱椭圆形斜面剪切破坏，破裂角在45.10°～45.70°区间最为集中，约占破裂角总数的93%。

3)软土强度具有固有各向异性。三轴UU试验竖直面和水平面对软土抗剪强度贡献量基本相当。快剪试验中，剪切面为固定的水平面，软土强度反应土体天然沉积面的强度。三轴UU试验测得的黏聚强度大于直剪中的快剪测得的黏聚强度，反映了研究区软土水平剪切面强度最低，竖直面抗剪强度最高。

4)FVT试验测得软土强度平均值为19.72 kPa，与三轴UU试验和UTC试验得出的强度平均值相比高了约6.60 kPa。两种室内试验法测得抗剪强度较FVT试验低，与试验试样的机械扰动、土体应力状态改变和土体剪切破坏面特征有关。