沿海地区洪冲积性粉土的强度特性研究与评价方法探讨

黄祈鑫

摘要：沿海地区因长时间的海水冲刷及海相沉积作用而形成了具有复杂力学特性、湿化特性及結构性的洪冲积性粉土。为研究该类型粉土的工程应用问题，文章结合广西某高速公路工程实际，在颗粒力学与土骨架研究的相关理论基础上，通过假设土颗粒的接触和堆积形式，分析了土体颗粒粗细占比变化对土体强度及稳定性的影响，进而通过理论计算分析了粗细土颗粒含量的最佳比例，并提出了针对该类型土的评价方法。

关键词：岩土工程;粉土;颗粒力学;土骨架;土体强度

中图分类号：U445.6文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.032

文章编号：1673—4874（2020）11-0117-06

0引言

沿海地区广泛分布的粉土是一种具有复杂组成、结构和性质的特殊土，受洪积、海积、流水冲积及近海沉积共同作用的影响，使得该类型土具有复杂的颗粒组成、矿物组成以及胶结类型。传统的土类评价方法尚难以对其准确定名及分类，因而难以与现有的土体物理力学性质及工程性质建立起经验关系。该类型粉土由于具有复杂的中间状态、颗粒组成复杂、液塑限差异大等因素，造成其在工程应用上存在诸多困难。目前，国内许多研究者已经注意到洪冲积性粉土具有特殊的力学特性，并对其的应用进行了一系列的探索。石名磊等通过对长江河口粉质土的研究建立了以孔隙函数划分土工程特性的评价方法。针对低液限粉土的水理性质及力学特性，宋修广等基于黄河冲积平原区粉土的吸水特性以及粉土的强度衰减规律，讨论了该地区路基设计及修筑时的难点问题和关键技术。同时，粉土本身也具有较为特殊的性质，使得该类型土在直接利用或改良使用方面，均面临着承载力不足、渗透破坏严重、边坡冲刷及路基湿化软化等问题。目前的研究尚无法完全认识洪冲积性粉土的力学特性，因而能提供的针对性处治技术也十分有限。

本文结合广西贵（港）合（浦）高速公路建设工程项目，针对该地区洪冲积性粉土，从土的颗粒组成、结构性方面研究该类型土用作路基填料时CBR值的影响因素，对该类型土的强度性质进行研究，并探讨其内在的影响因素。

1洪冲积性粉土的基本力学特性

试验土样取自广西某高速公路施工区域内，该工区内的土在历史上经历长期土层沉积变化及海水冲刷，形成了以洪积、流水冲积及海相沉积共同作用形成的混合土。洪积及冲积土层作用时间相对海相沉积作用较短。勘查发现这类土层通常覆盖于海相沉积层上，并含有一定量的粉砂及细砂，局部含有粗砂及少量砾石。本文选取了10个土样样本进行了一系列土工试验。土样基本组成成分如表1所示，物理力学特性如表2所示。

从表2的试验结果分析，不同土样的土颗粒组成成分、最佳含水率等物理指标均存在明显的差异，结合《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）中对于土的工程性质分类标准，本文所研究的对象土样可划分为低液限粉土。

2颗粒组成对CBR试验影响因素分析

CBR是一种贯入试验，贯入过程中，贯入杆底面区域土体与整体之间产生相对位移，在产生的剪切面上表现出土的抗剪强度特性，因此CBR值在公路路基上可以反映出路基的局部抗剪能力。由于土是一种典型的散粒体材料，具有明显的颗粒物质力学特性，土颗粒的尺寸大小、排列方式等因素均对土体整体承载能力及变形能力有显著影响。近海洪冲积土由于长时间的沉积及冲刷作用，造成其土样中细小颗粒物大量流失，颗粒级配不连续，尤其是粘粒占比降低，将对土体的承载能力造成不可逆的影响。

2.1土颗粒堆积方式分析

土颗粒间挤压接触变形构成复杂骨架结构，土颗粒相互摩擦咬合产生的摩擦效应为颗粒体系提供抗剪切能力及抗变形能力。李广信等通过理论分析及碎石桩模拟实验分析研究了土骨架的意义及作用机理，即土颗粒的相互接触构成所谓土骨架，骨架颗粒是土体受力的主要载体，土的强度及变形能力主要取决于土骨架的强度及变形。该理论与颗粒物质力链理论符，力链理论认为颗粒物质体系内部力的传导依赖于颗粒间的相互接触，但承担这一任务的颗粒并不占多数且在受力时位置变化不大，非力链颗粒通过填充力链颗粒间的孔隙起到保护力链不被破坏的作用。因此对于由土颗粒组成的土体，其密实程度越大，孔隙率越小，土体的承载能力、抗剪能力越大。

室内试验采用钢球模拟等大球体颗粒自然堆积，则平面内单个球体最多接触点个数为6，即配位数CN为6时，堆积体系孔隙率为0.395。研究表明：经振动密实后孔隙率为0.37。等大球体按简单立方体堆积时，理论孔隙率为0.52，大多数粉粒土的孔隙率为0.55左右，接近于简单立方体堆积状态。

CBR试验中土体试件在压力成型后，土颗粒处于接触状态，试模对颗粒侧向变形进行约束。假设土体内部颗粒接触状态如图1所示，定义下方为支承颗粒球，半径为R，颗粒O为滑动颗粒球，半径为r。P为正向应力，T为切应力，颗粒O有向右滑动的趋势。当颗粒O与左下侧颗粒脱离接触时，颗粒O产生滑动，反映在土体上即为滑动剪切面。剪切面为图1中的水平虚线A-A，单元剪切面宽度为2R，剪切面垂直纸面方向的厚度为1个单位。规定剪切单元中只有一个颗粒滑动时，当滑动颗粒由最低点位置沿右侧支承球开始滑动时，达到极限剪切强度。滑动球沿支承球表面滑动过程所需的水平剪切力逐渐降低，滑动至支承球顶面时，达到最低值，随后发生剪切破坏。

2.2考虑土颗粒组成因素的CBR试验

本文讨论分析的粉土中的砂粒、粉粒、粘粒含量相当，任何一种粒径都难以形成稳定的骨架结构，基于上述球形颗粒堆积体系的分析，以0.075mm作为粗细粒土的区分粒径，按填充颗粒与骨架颗粒之比从小递增至22：78时为最佳进行组合。试验土样预先进行过筛分选，按粗颗粒（粒径大于O.075mm）、粉粒（粒径介于O.075至0.002m间）及粘粒（粒径小于0.002mm）分类，分别以粗颗粒及粉粒为骨架颗粒进行试验，试验结果如表3、表4所示。

2.3试验结果分析

经筛分后重新设计组合的土样CBR试验表明：以粗粒土为骨架，细粒土为填充颗粒可以有效提高土体的承载能力（CBR值），并在骨架颗粒与填充颗粒之比接近78：22时达到试验土样的最大CBR值。但对于以粉粒土为骨架，粘粒土为填充颗粒的试验土样，其承载能力（C8R）较现场原状土样并无明确提升，但从表4仍可以发现：当作为骨架的粉土颗粒占比接近78%时，土样CBR值趋于稳定。

实际上组成土体的颗粒并非简单的球形颗粒，土颗粒的不规则形状及棱角性均对土颗粒的摩擦咬合起着重要影响，而土体中的细粒土多为针状或片状结构，由于土颗粒间存在有一定量的水分，因此土中的黏土矿物颗粒的亲水性使颗粒间形成水膜，使相邻土颗粒间的摩擦挤压效果减弱。同时，粘粒含量的提高也相应增多了颗粒间水膜体积，因此，试验中以细粒土为骨架的土体CBR值较粗粒土骨架的CBR值低。由于粘粒具有较强的亲水性，当试验土样中的粘粒含量增加时，也能起到土颗粒间部分润滑、降低摩擦效应的作用，因此试验结果中当粘粒含量提高时，土样CBR值出现减小的情况。

以上分析表明了按球形接触模型研究土体承载能力具有可行性及可靠性，但对于土样A1、A2及表4中试验结果与理论分析间的差距仍不能做合理的解释。影响CBR的因素较多，考虑试验土样采自沿海地区，受海水冲刷及海相沉积作用的影响，土样的结构性可能是造成上述试验结果与理论分析出入的重要原因。

3结构性对CBR试验的影响分析

3.1洪冲积性粉土的结构性讨论

土的结构性通常指土颗粒通过一定的排列方式所呈现出来的物理力学性质，而土颗粒间的排列方式通常受土中矿物种类、孔隙水形态、外界约束等因素影响。现场土样通过差热分析鉴定出土中含有铁质、铝质矿物，易生成金属矿物胶结从而增强土的结构性，存在于颗粒间的胶结物质能使较小颗粒聚拢组成大颗粒，常规颗粒分析可能无法准确对其筛分，但在外力作用下，这类大颗粒易破碎为小颗粒，因此在颗粒组合设计的CBR试验中会出现与理论不符的情况。为验证这一分析，对试验土样采用移液管，并设计不同的浸泡时间、土样干燥处理及添加化学试剂的对照组进行分散试验，试验结果如图2所示。浸泡时间越长，土中粉粒及粘粒含量上升，同时采用焦磷酸钠作为分散剂处理后的粘粒含量大幅增多，表明现场原状洪冲积土具有较强的胶结物质以及结构性，在外界干扰下土中颗粒易破碎使原级配发生变化。

3.2结构性试验设计

通过颗粒分散试验验证了洪冲积性粉土的结构性主要来源于其自身矿物胶结物质，为进一步研究土体结构性对土样强度的影响，在上述骨架颗粒研究的基础上，以粗颗粒骨架土样为基本实验对象，设计了采用不同土样处理方法的cBR试验，具体处理方法包括加压、排水、泡水等。试验结果如表5所示。

3.3试验结果分析

CBR试验采用不同的处理方法，对结构性有不同影响，从而cBR试验结果也不同。试验组c1、c2中对土样施加上覆压力时的CBR有少量提高，主要原因是加压可以限制土在泡水过程中的体积膨胀，从而保证试样的密度接近成型时的密度，骨架颗粒与填充颗粒比值对cBR有明显影响。风干闷料试验与天然原状土直接贯入试验相比，原状土样的结构性保存较好，风干闷料对土的结构性破坏作用明显，且结构性的破坏具有不可逆性。试验组C7、c8中，振动成型试样的强度较击实成型的试样强度高，主要原因是击实过程中，击锤周围的土松散，内部颗粒并不完全均匀受力;而振动成型过程中，土体内部颗粒经振动后可充分相互接触，且成型表面较平整。

在道路路基修筑及使用过程中，路基填料含水率会发生变化，室内标准cBR试验通过对试样泡水来预测路基填料在使用期间的含水率变化，但不能对土的结构性因素进行有效的预测。对照试验组中，试验土样泡水与否对cBR试验结果影响较大，表明该类型粉土在较高含水率下随时间增长，土颗粒开始分散，土的结构性产生不可逆性破坏。

4洪冲积性粉土强度的评价方法

4.1评价模型的建立

4.2洪冲积性粉土的水稳性分析

通过本文所论述的结构性试验表明：结构性是影响该类型土承载能力变化的关键因素，主要原因是含水率与泡水时间对结构性造成不可逆的破坏并降低土的承载能力。本文采用CBR试验的中土样泡水后的体积膨胀率对洪冲积性粉土的水稳定性进行研究，土样风干击实成型后于试件两个端面泡水，测定土样膨胀率并进行CBR试验，试验结果如表6所示。

提高土样成型密度对降低膨胀率有一定效果，一般性粘粒土吸水膨胀为整个体积均匀膨胀，膨胀时没有变形空间，因而受约束时产生较大的膨胀压力，无约束时产生较大的膨胀变形，失水后体积收缩明显。本文所研究的对象粉土结构性较强，土样风干对原有的结构性有一定的消除作用，风干过程中土中粉粒较粘粒更易分散，重塑土时粘粒聚拢成团填充在颗粒空隙中，若土中粗粒土含量较少，在试样泡水制备过程中，由于不饱和粘粒土团吸水率较大，在粉粒空隙中优先吸水并达到饱和。因此洪冲积性粉土的体积膨胀是在粉粒土空隙间产生，这种不均匀膨胀将粉粒间空隙扩大，造成表观膨胀变大，失水时由于胶结物质的作用使体积收缩不明显。

1^#试验组中的试样颗粒以粉粒土为主，少量的粗粒土处于粉粒、粘粒包裹中，土中孔隙主要为粉粒间空隙。随着土中粗颗粒含量增加，更多的粗颗粒得以相互接触，限制了粘粒土团吸水后的膨胀。5^#试验组粗颗粒占比接近球形颗粒堆积的最佳比例，因此5^#试验组的CBR及膨胀率均优于其余试验组。6^#试验粗颗粒含量最大，CBR值较5^#试验组略有降低，膨胀率略高，分析认为粉粒、粘粒占比较低的情形下，粉粒、粘粒易集中堆积，吸水后产生局部膨胀压力，削弱了骨架颗粒体系的强度。

通过5^#与1^#、2^#、3^#、4^#、6^#的对比，提高土体密度及粗颗粒含量对限制洪冲积性粉土结构性影响，提高承载能力及水稳定性有明显效果，粗颗粒作为骨架颗粒时，含量以78%左右为宜。

5结语

（1）沿海地区分布的洪冲积性粉土颗粒组成复杂，具有较强的结构性且易湿化使其承载能力大幅降低，作用路基填料使用时必须对其土颗粒组成进行设计。

（2）颗粒级配及由于胶结物质所形成的结构性是影响洪冲积性粉土CBR强度的重要因素，泡水或干燥均对其颗粒级配及结构性有不可逆的影响;在消除结构性影响后发现影响洪冲积性粉土CBR特性的主要因素为粗颗粒含量及密度。

（3）基于球形顆粒接触模型研究分析的骨架颗粒与填充颗粒的关系及评价方法，可以有效指导土的颗粒配比设计，提高土的CSR强度及水稳定性。