潮汐区淤泥质黏土工程力学特性试验研究

□□ 郭世波,时贞祥,张 玮,李文祯

(中国电建市政建设集团有限公司,天津 300384)

引言

沿海城市道路建设不可避免地遇到淤泥质黏土地层，由于其具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、渗透性小等特点，对道路路基CFG桩施工有着重要的影响。滨海大道二期道路工程地段属典型海相冲淤积地貌，广泛分布有软土层(淤泥)，地形变化小，地势较平缓。土层压缩性高，承载力低，稳定性差。海域潮流属正规半日潮(每日两次涨退潮)，落潮速大于涨潮速。历年最高潮水位为4.25 m，历年最低潮水位为-3.42 m，历年平均高潮位3.86 m，历年平均低潮位为-1.61 m，历年平均潮差为4.17 m，平均海平面为0.53 m。在该段淤泥层设计采用水泥粉煤灰碎石桩(以下简称“CFG桩”)软基处理，首要难题是明确潮汐区淤泥质黏土工程力学特性[1-2]。室内试验作为研究岩土工程力学特性的科学方法已广泛应用于不同岩土介质研究之中。罗常青等[3]通过土体物理力学性质试验，研究了印度尼西亚某工程软土地基的物理力学性质。王文军等[4]针对宁波地区的典型软土，通过室内试验和微观测试探讨了污染土的物相成分和微观结构，分析了污染土渗透特性和压缩特性的变化规律以及相应的变化机理。张洪毓等[5]现场单桩承载力试验对PHC管桩单桩沉降量进行分析和测试。由此可见，淤泥质黏土工程力学特性试验对于充分掌握淤泥质黏土各方面特征，为CFG桩工程的设计与施工提供力学参数具有重要意义。为此，通过现场取样，开展相关力学室内试验研究，揭示潮汐区淤泥质黏土工程力学特性，以期为CFG桩施工提供重要的设计与施工参数。

1 室内试验

1.1 现场取样

为探究福鼎市滨海大道二期道路工程中CFG桩施工现场淤泥质黏土的工程力学性质，对CFG桩施工现场土样进行采集，通过洛阳铲等设备取得不同深度未经扰动的淤泥质黏土土样，进行室内试验，研究淤泥质黏土一系列与施工相关的工程力学参数[6]。

1.2 室内试验方法

1.2.1 液塑限联合试验

该试验采用液塑限联合测定仪来完成[7]，试验过程如下：

(1)取现场淤泥质黏土500 g左右，保持其含水程度，均匀划分成多份，混合不同剂量的纯水，在盛土皿中调制对应的试验样本，加入经前期计算与经验结合确定剂量的纯水将样本调至液限、塑限等状态，调制完成后将各样本在常温环境下放置1 d。

(2) 通过调土刀对混合不同剂量纯水的现场淤泥质黏土进行混合，调制完成后将土水混合物填入试样杯中，再用调土刀等土工设备将混合物密实并沿杯口刮平。

(3)准备升降座，将锥尖上调至较高位置后安装试样杯，将锥尖预计接触土体部分涂上凡士林，然后将锥尖下调至刚好接触到试样杯口中的土体，开启按钮，圆锥无约束自由下落，经过规定时间后对圆锥竖向位移进行记录。

(4)将试样杯从升降座取出，用土工设备将试样中残留的凡士林进行清除。取试样杯中尖锥下部的部分土体，均匀分成多份放入各个测试盒中，先通过称重仪器称取连土带盒的质量，之后置于105～110 ℃的烘箱烘烤，去除土样中的自由水，称取烘干后连土带盒的质量，通过两个质量之差计算该试样的含水率。

通过重复上述步骤测得液限、塑限等状态时的含水率。将上述称取的两个质量进行相减，与原土样质量之比得出试样的含水率，通过以上方式反推出试样液限、塑限的含水率。

1.2.2 直接剪切试验

该试验采用应变控制式直剪仪[8]完成，试验过程如下：

(1)对现场淤泥质黏土进行取样后，密实放入剪切盒中，套上硬塑料薄膜；将相应土工设备包括传感计等测试仪器安装完毕，打开传动设备，将剪切盒的前端钢珠与量力环移动到刚好接触[9]。

(2)通过不同梯度质量的砝码施加垂直压力，取消固定设备后，控制剪切盒的剪切速度，将试验样本控制在4 min左右破坏，当剪切至破坏后停止加载。

试验中每剪切到一定程度后进行测力计读数，当读数达到峰值后，继续进行剪切到规定位置后停机，同时记录测力计读数；若测力计读数没有峰值，则继续剪切到对应的规定位置后停机，并记录读数。

1.2.3 固结试验

试验采用固结仪来完成，试验方法如下：

(1)先将透水石与滤纸放置在试验装置底部，然后将现场淤泥质黏土密实填入环刀中，将环刀旋转至刃口向下后放置等规格透水石与滤纸保证其正常排水，最后将传压活塞放置于上部，并安装对应的土工设备与测量仪器。

(2)对固结试验仪器进行非等距压力加载，一般采用指数级压力递增加载，压力等级宜为12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa。

(3)每施加一级压力后静置1 d，取土样的高度变化作为稳定标准，若土样变化量≯0.01 mm/h时，即可将此时的变化量视作固结试验中的稳定读数，通过1 h的土样高度变化量来计算沉降速率，依次逐级递加，直到土体破坏[10]。

2 试验结果分析

2.1 液塑限联合试验

图1为液塑限联合试验过程，图2为试验所得的圆锥入土深度与含水率之间的关系曲线。

图1 液塑限联合试验

图2 圆锥入土深度与含水率之间的关系曲线

由图2可知，淤泥层上部的淤泥塑性指数相对中部和下部偏小，塑限最大，液限介于中部和下部淤泥之间；中部淤泥层的塑性指数和下部淤泥层相近，但是中部淤泥层的液限和塑限相对下部淤泥层要大一些，说明下部淤泥层相对中部淤泥层更容易达到可塑和液化状态，相对而言更不稳定。

2.2 直接剪切试验

快剪试验曲线如图3所示。

图3 快剪试验曲线图

由图3可知，淤泥层从上至下，粘聚力从15.33 kPa升至16.48 kPa，其粘聚力呈现出增大趋势，而摩擦角从1.84°略微下降至1.8°。

2.3 固结试验

图4为固结试验过程，图5为试验所得的固结曲线图。

图4 固结试验

图5 固结试验结果

由图可知：从上至下，淤泥层的压缩系数逐渐增大，说明淤泥的可压缩性逐渐增大。而淤泥层的压缩模量从上至下先增加再减小，说明中部淤泥层最难以压缩，上部次之，下部最容易。

3 结论

采用室内试验分析方法研究了福鼎市滨海大道施工现场淤泥质黏土的工程力学特性与参数，得到以下结论：

3.1 在CFG桩施工现场，下部淤泥层相对中部淤泥层具有较高的压缩系数与较低的压缩模量，在施工中更容易达到可塑和液化状态，成桩时周围环境不稳定。

3.2 施工现场的淤泥层黏土粒径较小，整体出现连续性断层，中部淤泥层的力学参数最低，而下部淤泥层较好。

3.3 淤泥层从上至下，其粘聚力和内摩擦角是呈现出增大趋势的；且中部淤泥层最难压缩，上部次之，下部最容易。