苏北高液限土的工程特性试验研究

李治朋

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程研究中心,天津 300456;2.天津水运工程勘察设计院有限公司 天津市水运工程测绘技术重点实验室,天津 300456)

高液限土是指液限大于50%、塑性指数大于26的细粒土。高液限土作为一种不良土质,属于粘性土,在广东、广西、云南、贵州等华南地区分布广泛,在浙江、江苏、安徽等地也有分布。在天然状态下,高液限土一般具有含水量高、液限高、持水能力强、容重轻、强度低、水稳定性差、渗透系数小、胀缩性明显等特点。虽然国内外目前对于高液限土做了大量的研究,如研究了高液限土的工程特性与改良施工技术,以及高液限土的工后稳定和变形的影响等[1]。但由于高液限土种类多,受地质、气候、水文等条件差异的影响,高液限土具有明显的地域差异性,其物理力学性质随地域差异明显[2],研究结论也很难概括高液限土的特性及其处理方法。张婉璐等[3]研究了浙江龙泉地区的高液限土,得出了含水率和压实度对土的强度影响显著;孔庆东等[4]研究了浙江龙浦和新昌两地的高液限土,分析了含水率和干密度的变化对高液限土的压缩特性的影响;任世玺等[5]分析了广东乐昌地区的高液限土的成因,研究了该地区高液限土边坡的稳定性。同时,郑德平[6]、程涛等[7]、刘鑫等[8]、杨和平等[9]、吴立坚等[10]、张锐等[11]学者也研究了高液限土作为路基路堤填料的处理方法,柳厚祥等[12]研究了采用添加剂的方法降低高液限土的液限和塑限。

江苏连云港地区存在大量的高液限土,该地区分布的高液限土含有大量的水云母、高岭石、蒙脱石等矿物成分,土体颗粒细,粘粒含量高达50%以上,渗透性差,具有高压缩性,因为其持水能力强,有些地方的高液限土层分布厚度高达20 m以上,采用排水固结法处理速度慢,效果不是很明显。目前,关于连云港地区的高液限土的研究成果鲜有发表,本文重点对真空预压处理前后高液限土的物理力学性质做了试验研究,分析了该地区高液限土和其他粘性土工程性质的异同,为该地区开展的各类工程建设项目提供参考依据。

1 高液限土的物理性质分析

为研究苏北地区高液限土的工程性质,在江苏省连云港市徐圩新区开展了钻探取样、原位测试和室内试验等工作。钻探取样及原位测试试验深度为原地面以下18 m,原地面标高约+3.50 m,钻探取样孔、十字板剪切试验孔、标准贯入试验孔各30个,取样和原位测试试验沿深度间隔为1 m,载荷试验点37个。钻探表明,本试验段18 m深度范围内,主要以粘土、淤泥质土和淤泥为主,少量钻孔表明有粉质粘土,所有土层的饱和度Sr>97%为饱和土,土层相对均匀,属于滨海相沉积地貌[13]。选取代表性土样的物理性质参数见表1。

表1 土样的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of soil samples

根据土力学及相关规范标准[14-15],细粒土根据颗粒组成和塑性指数大小可划分为粉土、粘性土,粘性土可分为粉质粘土和粘土。在静水或缓慢的流水环境中沉积、天然含水率大于或等于36%且大于液限、天然孔隙比大于或等于1.0的粘性土应定名为淤泥性土。淤泥性土可进一步划分为淤泥质土、淤泥和流泥,其中淤泥质土可根据塑性指数Ip划分为淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土。

表2和表3是根据土的分类定义列出来的,各类土的概念是清晰并严谨的。粉土和粘性土的划分仅与土的颗粒组成和塑性指数有关,与土的含水量、孔隙比、密度等状态无关,是细粒土的自身属性。淤泥性土的定义则不同,与沉积条件、含水率、液限、塑性指数、孔隙比大小有关,是粘性土处于某种状态下的进一步定名,即使含水率高、孔隙比大,但是只要液限高、含水率不超过液限,仍然不能定名为淤泥性土,这种现象实际工程中也会经常遇见。土的塑性指数是土的固有属性,对其分类定名至关重要。

表2 细粒土的分类定名Tab.2 Classification and nomenclature of fine-grained soil

表3 淤泥性土的分类定名Tab.3 Classification and nomenclature of mucky soil

由表1可以看出,土样的液限相对较高,液限wL≥50%时,塑性指数Ip>26,可称为高液限土。单从含水量、孔隙比两个指标来看,10组土样是淤泥或淤泥质土,但由于含水量均小于液限,1、2、3、4、7、10号土样均未能定名为淤泥性土,这些粘土含水量高达57.3%、孔隙比约为1.596,均分别远大于55%和1.5。5、6、9号土样为淤泥质粘土和淤泥,其含水量也比较接近液限。

相关文献指出,高液限土含水量高、容重轻、强度低,由表1可知,高液限土的湿密度约为1.70 g/cm3,干密度约1.05 g/cm3,可见高液限土的湿密度并不小,但干密度较小。

2 高液限土的力学性质试验分析

2.1 高液限土的状态和天然状态

如表1所示,1号和8号土样液性指数大于1为流塑状态,其余土样的液性指数小于或接近1,处于软塑状态,甚至达到了可塑状态,尽管含水量很高,但由于液限也很高,所以土表现得相对较硬,没有出现流塑或不成形的泥汤状态。相反1号土样含水量相对较低,但其状态却是流塑、很软,土样打开后,甚至不能自行立于桌面,液性指数大于8号和9号的淤泥土样。

可以得出即使土的含水量很高,只要是拥有足够大的液限,其状态仍然会表现为较硬。土的含水量相对较低,甚至在35%左右,由于液限低、液性指数高,其状态也会表现为很软。

现场取回的原状土样的软硬状态,可用锥沉量h表示,即76 g圆锥仪沉入土中的毫米数。该试验采用原状土样,切成边长5 cm、厚3～5 cm的土块,当锥沉量预估值较小时,也可直接使用环刀切割后的圆形土样。试样制作完成后,置于液、塑限联合测定仪的升降座上,圆锥质量为76 g、锥角为30°,将锥尖涂抹一薄层凡士林,液、塑限联合测定仪接通电源,使电磁铁吸住圆锥。调节零点,将屏幕上的标尺调在零位,调整升降座,使圆锥尖接触试样表面,指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样,经5 s后测读圆锥下沉深度h,即为锥沉量,重复上述步骤,一块试样可沉入2次,锥沉量取平均值。试样结果见表4。

表4 锥沉量试验测试结果Tab.4 Cone sinkage test results

试验得出了各土样的锥沉量h,根据JTS133—2013《水运工程岩土勘察规范》[15]可以判断出各土样的天然状态(表4)。其中1号土的天然状态为很软,其锥沉量为8.5 mm,远大于8号、9号的淤泥的锥沉量,其余土样的锥沉量大多在5 mm以下,天然状态为中等,甚至是硬。

可以得出,即使土的天然含水量很高,高液限土拥有较大的液限,其天然状态仍然会表现为较硬。土的含水量相对较低,甚至在35%左右,由于液限低,其天然状态也会表现为很软。

采用液性指数判断粘性土状态是指在某种含水量条件下土样的软硬程度,不考虑土的扰动与否,也不考虑土的结构性。根据锥沉量判断粘性土的天然状态,是指原状土的软硬程度,考虑了土的结构性。

2.2 高液限土强度和承载力的试验分析

为检测试验段场地地基土的强度和承载力大小,现场开展了十字板剪切试验和标准贯入试验各30组。选取代表性原位测试试验点位的十字板剪切试验、标准贯入试验成果处理如图1和图2。

图1 各土层的十字板剪切强度Fig.1 Results of VST of soil layer

图2 各土层的标贯击数Fig.2 Results of SPT of soil layer

由图1可以看出,表层的淤泥质粉质粘土液限相对其余土层较低,不排水抗剪强度也较低,其余各土层的不排水抗剪强度在35～50 kPa,一般的粘性土不排水抗剪强度达到或超过该数值,但这种高含水率的粘性土,甚至是淤泥和淤泥质土拥有如此高的抗剪强度,经常被人们忽视。根据搜集到的天津滨海新区、河北黄骅以及山东滨州等渤海湾地区滨海相沉积的粘性土的资料,含水量在50%～70%的粘性土,但液限相对本试验段的土样较低,20 m深度范围的十字板抗剪强度一般在5～30 kPa范围。

由图2可知,各土层的标贯击数为3～6N,锤击数相对比较高。渤海湾其他地区滨海相沉积的粘性土的标贯试验资料显示,含水量在50%～70%、液限较低的粘性土锤击数基本为0～2N,大部分情况为标贯锤自落。

地基承载力可根据十字板剪切强度计算,即q=2cu+γh[16],其中cu为修正后的十字板抗剪强度,可取36 kPa;γ为土的重度,可取17 kN/m3;h为基础埋置深度,可取2 m进行计算。得出地基承载力q=106 kPa。

地基承载力也可根据标贯击数以及土层的物理性质查表获取,根据粘性土的液性指数和孔隙比查表时,表中只有孔隙比e≤1.2时的数据,若取e=1.2,则可得地基承载力约为100 kPa。可得出主要土层的地基承载力见表5。

表5 地基承载力计算表Tab.5 Calculation table of foundation bearing capacity

由表5可以看出,地基承载力根据原位测试结果估算值约105 kPa,根据液性指数和孔隙比查表得出的承载力为100 kPa,与原位测试结果比较接近。但根据天然含水量得出的承载力约为60 kPa,低40%。因为根据天然含水量查表时,仅考虑了含水量大小,未能考虑液性指数的影响,也即没有考虑液限的影响。可见液限对粘性土强度及承载力影响较大。对于高含水率的粘性土,高液限土比低液限土的强度和承载力可提高40%以上。

与普通粘性土相比,高液限土含有大量的高岭石、蒙脱石等矿物成分,液限高,在高含水率的情况下,高液限土的液性指数相对低,状态相对较硬,因此高液限土所表现出的强度和承载力较高。简单来说,含水量50%左右的高液限土,状态可能处于软塑、甚至可塑,但含水量50%普通粘性土基本是流塑状态,土柱可能立不住,甚至不成形。高液限土之所以多数被认为是不良土质,主要是因为高液限土具有亲水性和持水性,遇水时性质不稳定,尤其是低含水率时水稳定性差。

2.3 高液限土变形参数的试验分析

为研究高液限土与常见粘性土的变形参数情况,绘制出了上述10组土样的固结试验e-P关系曲线(见图3)。

图3 土样的e-P关系曲线Fig.3 The e-P relation curve of soil samples

根据e-P关系曲线可计算出各级压力下的压缩系数和压缩模量,这里仅计算100～200 kPa压力下的压缩系数和压缩模量,计算结果见表6。

表6 100～200 kPa压力下的压缩系数和压缩模量Tab.6 Compression coefficient and compression modulus(100-200 kPa)

由图3和表6可以看出,1号和2号土样含水量、孔隙比较为接近,液限相差较多,但其压缩系数和压缩模量相差不大,其余土样的压缩系数远大于1号、2号土样,压缩模量也较小。可以得出,尽管是粘土,其压缩系数和压缩模量均表现的与淤泥性土类似,而1号土样虽然是淤泥性土,其压缩系数相对较低,压缩模量也相对较高。液限对压缩系数和压缩模量影响不大,高液限土的压缩系数和压缩模量主要受含水量和孔隙比的影响。

参见孔庆东等[4]的相关成果,相较于浙江等地区的高液限土,苏北地区高液限土的压缩系数更高,压缩模量更小,压缩指标差。

根据某一级压力下的变形与时间关系,采用时间平方根法可计算出相应的固结系数(见表7)。由表7可知,1号土样的固结系数为5.4×10-3cm2/s,远大于其他9个土样的固结系数。1号土样的液限远小于其他土样,说明土的液限影响固结系数,液限越大,颗粒组成越细,粘粒越多,渗透系数一般也越小,因此,其固结系数也越小。固结系数主要与土的渗透系数、孔隙比、压缩系数有关[17]。采用时间平方根法计算时,固结系数仅与排水距离和固结时间有关,1号土样的固结系数大,意味着其固结时间小。可见,液限对土的工程性质影响较大,高液限土一般具有高压缩性、低压缩模量、固结系数小、渗透系数小的特点。

表7 100 kPa压力下的固结系数Tab.7 Coefficient of consolidation(100 kPa)

3 结论

(1) 阐述了苏北高液限土的工程性质,高液限土作为一种不良土质,属于粘性土,不仅具备粘土的一些性质,还具备液限高、持水能力强、干密度小、渗透系数小、胀缩性明显等特点。高液限土含水量高、强度低等性质是相对的,但与相同含水量的淤泥或淤泥质土等粘性土相比,其强度和承载力并不低。高液限土即便是含水率较高、孔隙比大,只要含水率不超过液限,仍然不能定名为淤泥质土,所表现的物理力学性质与淤泥质土也大不相同。

(2) 采用液限和锥沉量分别判断了高液限土的状态和天然状态,含水量相同时,液限越高,土的状态越硬,同时采用锥沉量进一步说明了该结论。

(3) 高液限土与淤泥或淤泥质土的物理指标相近时,其强度及承载力远高于淤泥或淤泥质土,对于高含水率的高液限土,比相应含水量状态下的低液限土不排水抗剪强度和承载力可提高40%以上。

(4) 相同条件下,高液限土与常见粘性土的压缩性质相近,压缩系数大,压缩模量小,但高液限土的固结系数很低,总体来说,粘性土的液限越大,固结系数越小。