軟土工程特性研究
——以南京鼓樓濱江段為例

唐　波, 張莉萍, 曹建軍, 徐甲存, 王艷波

(南京市水利規劃設計院有限責任公司,江蘇 南京　210022)

0　引言

南京地區地處長江中下游,沿江兩岸漫灘地貌上廣泛分布軟弱地基土。該土具有高含水量、高壓縮、高孔隙比,低承載力、低滲透性系數、低抗剪強度等工程特性。隨著城市建設的發展進程,南京市長江沿線基本建設巨大,但多次出現因軟土所帶來的崩岸、滑坡以及建筑物的過大沉降與不均勻沉降問題,給周邊居民人身及財產安全帶來很大影響。

按照中國軟土分布區域圖,南京屬于Ⅱ—中部地區[1]。不同地區、不同成相軟土表現的工程特性并不相同,對長江南京鼓樓濱江段軟土的工程特性進行研究,對評價其工程地質條件,準確進行軟土地基的沉降計算、合理的地基處理設計及岸坡穩定性分析等具有重要的理論與實踐意義。

文章以南京鼓樓濱江段(長江右岸三汊河河口—長江大橋)所揭示的軟土為研究對象,在分析其成因及分布規律的基礎上,進而通過大量土工試驗數據與原位測試結果分析該地區軟土物理力學參數特征及相關性,對軟土承載力、應力歷史及變形等工程特性進行分析研究,得出了相應的結論。

1　工程概況及巖性特征

“南京長江鼓樓濱江岸線整治工程”項目場地位于南京市鼓樓區長江南岸岸邊,三汊河河口—長江大橋(約4 km)。該項目旨在對鼓樓區長江濱江段進行環境綜合整治,工程包括:防洪墻及碼頭改造、岸坡穩定性分析以及景觀整治等內容,本院受業主委托進行該項目工程地質勘察工作。

多年的水利工程實踐表明,長江南京鼓樓濱江段為軟土廣泛分布區。工程沿線分布長江漫灘相淤泥、淤泥質粉質粘土及淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層等軟土層。總的說來,該場地軟土層屬第四紀沉積層,地質年代較近,其地層構造特征是土層較厚,層理比較明顯。土層分布雖較均勻且具有一定規律性,但土層的起伏和厚薄仍有較多的變化。從整個區域地層構造來看,大體上可劃分為四種基本類型(圖1)。

圖1　南京鼓樓濱江段典型地質剖面圖

第一層為人工填土。有①1雜填土,局部分布,含建筑垃圾或工業廢料等;①2塊石,堤外水下分布較廣,多年人工拋石固基所致;①素填土,由粉質粘土、粉土組成,廣泛分布。人工填土的厚度變化規律性不強,一般較薄。

第二層為表層土或稱硬殼層。②粉質粘土,灰褐色,軟塑—可塑,厚度1～3 m,但因人類活動或古河道切割而厚薄不均,甚至缺失。該表層土可作為淺基礎持力層,但設計時需進行軟弱下臥層強度驗算。

第三層軟土層是南京鼓樓濱江地段的代表性土層。該層包括③1淤泥、③2淤泥質粉質粘土,以及③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層等類型?；疑?流塑狀態,夾薄層粉砂,具有典型的“千層餅”狀。其中,③2淤泥質粉質粘土、③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層分布廣、埋深淺、厚度大,對工程建設影響大,為本文主要研究對象。

第四層為粉砂層。④粉砂,灰色,中密—密實,土質不甚均勻,局部夾粉質粘土薄層,埋深較大、厚度較大,層位穩定。該層是良好的樁基持力層。

2　工程特性研究

2.1　一般物理、力學性質

通過對南京鼓樓濱江段(三汊河河口—長江大橋段)③2淤泥質粉質粘土、③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層等進行的大量室內土工試驗分析(表1、表2),結合現場原位測試等數據結果,該兩層軟土具有軟土所共有的“三高三低”等工程特性。

表1　軟土層主要物理指標統計值表

表2　軟土層主要力學指標統計值表

表3　軟土層滲透系數指標統計值表

2.1.1高含水量、高壓縮性、高靈敏度

由表1含水率、飽和度及液限統計值可以看出,該工程段軟土的含水量較高,土性狀態為軟流塑,飽和度接近于1。天然含水率高于液限,孔隙比>1.0,根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)(2009年版)進而證明上述地基土屬于淤泥質土。由表2看出,本工程段軟土層壓縮系數多>0.5,屬高壓縮性土。

由表3可知,③2淤泥質粉質粘土、③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層的無側限抗壓強度之靈敏度為2.30～5.80、1.80～7.20,屬中等靈敏、靈敏結構性土。天然粘性土通常具有一定的結構,當外力擾動破壞了土體天然結構時,將導致土體強度降低和壓縮性增高,特別是具有較大觸變性的淤泥質土。

與軟土靈敏度相反的是其觸變性,軟土在結構遭擾動后強度降低,當停止擾動后,并經一段時間靜止后,土粒間的粘結會得到局部恢復,這個過程稱軟土的觸變特性。這個過程在軟土中恢復的很慢,遭破壞的軟土恢復的更慢,即使恢復也很難達到原有的狀態,施工時需注意,減少對軟土的擾動。

2.1.2低密度、低強度、低滲透性

由表1看出,本工程軟土層的天然容重在16.8～19.2 kN/m3,平均值17.8～18.0 kN/m3,密度低;由表2看出,無論是采取直剪快剪、三軸剪切、無側限抗壓強度試驗等室內試驗方法,還是現場的靜力觸探、十字板試驗等原位測試手段,獲得的軟土強度指標都比較低。

滲透系數可用來評價土的滲透性大小,在工程建設方面有著重要意義。特別是在水利工程中,諸如降水、排水計算,水庫(渠道)滲透量計算,地下洞室及基坑涌水量計算,浸沒區預測,供水工程計算等等方面都需要滲透系數指標。

由表3可知本工程段埋深較淺的③2淤泥質粉質粘土層的滲透性主要為微透水,局部弱透水。滲透系數小是因為軟土的孔隙比大但空隙小,粘粒的吸水、親水性強,土中含有機質也較多,分解的氣體封閉在空隙中,使得土的滲透性變差,一般滲透系數<10-6數量級。而水平滲透系數普遍高于垂直向滲透系數,主要是軟土層局部含粉砂薄層所致。

2.1.3軟土主要物理力學參數相關性

軟土取原狀樣較不易,通過采用較易獲得相對準確的參數反演相對較難得到參數的方式,提出地區性經驗公式,可供工程技術人員有選擇性的參考,可以為該地區的工程建設提供一定的借鑒。通過對該工程場地分布的③2淤泥質粉質粘土、③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層等軟土層各物理、力學參數進行一元線性回歸分析,獲得各參數間的規律性關系:孔隙比e與天然含水率w有良好的正相關性,且與密度ρ負相關關系顯著;而壓縮系數α1-2與摩擦角φc間屬弱負相關,與含水率w弱正相關關系。各參數間回歸方程及相關指數見表4。

2.2　承載力研究

在建筑物基礎設計時,建筑物基底壓力應在地基土所允許的承載能力之內。確定地基土承載力的方法除靜載試驗外,通?？梢圆捎靡韵聨追N方法:

2.2.1理論計算法[2]

根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)第5.2.5條款計算地基土承載力特征值fa。

fa=Mbγb+Mdγ0d+Mcck

式中:fa為由土的抗剪強度指標確定的地基土承載力特征值;Mb,Md,Mc為承載力系數,根據內摩擦角φk值查規范中相應的表;b,d為基地寬度和埋深(取b=3.0 m,d=1.0 m);ck為粘聚力。

表4　軟土物理力學指標的統計關系

2.2.2土工試驗指標查表法[3]

根據《南京地區建筑地基基礎設計規范》(DGJ32/j12—2005)附錄F確定地基土承載力基本值,再經回歸修正系數修正得地基土承載力特征值fak。

2.2.3經驗公式法

應用靜力觸探、十字板等現場原位試驗數據按照《軟土地區巖土工程勘察規程》(JGJ83-2011)所列經驗公式等方法計算承載力特征值,靜力觸探指標,對于淤泥質土可采用fak=29+0.063ps計算;十字板指標數據,q=2.2cu+10計算。

為方便比較,本工程③2淤泥質粉質粘土、③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層承載力按各方法計算的地基土承載力值特征值匯總表如表5所示。

由表5可以看出:

表5　軟土層地基土承載力特征值匯總表

(1)《建筑地基基礎設計規范》(GB50007—2011)計算確定的承載力特征值高于由土工試驗物理指標確定的承載力特征值,這是因為前者確定的地基土承載力特征值經過基礎深、寬(取b=3.0 m;d=1.0 m)修正。

(2)由室內試驗指標計算的承載力特征值相對于十字板、靜力觸探原位測試數據計算的承載力特征值較低,主要是因為原位測試時避免了由于鉆探取樣、試樣運輸及試驗擾動等因素的影響,所計算的承載力更具有一定的代表性。

2.3　固結系數及其特征研究

單純的地基承載力滿足要求對于軟土是不夠的,地基變形問題是不少工程在使用后的地基事故主因?；A的沉降量或沉降差(或不均勻沉降)過大等變形問題,不但會降低建筑物的使用價值,而且往往會造成建筑物的毀壞。例如水利工程中的水閘,如果閘門兩側的閘墩基礎產生過大的不均勻沉降,就會使閘門啟閉困難;對于擋水的水工建筑物,例如土壩,如果產生過大的沉降,將不能滿足攔洪蓄水的要求;不均沉降往往又會引起土壩的裂縫,導致集中滲漏,給工程帶來危害。

在軟土地基處理設計中,地基固結度計算是一項很重要的內容,通常需要通過固結度計算來預測地基土強度增長、確定加載速率、荷載分級、預壓時間等。在固結度計算中,固結系數是一個十分重要的參數,可通過室內固結試驗求得,常用的方法有時間對數法和時間平方根法。文章對南京鼓樓濱江段軟土,通過對某個典型勘察鉆孔取樣試驗分析,采用時間平方根法室內試驗手段獲得固結系數數據,通過比較分析,進而探討一些規律性結論,以期能對類似工程提供借鑒。根據時間平方根法求出的各級壓力下淤泥質土的水平及垂直向固結系數見表6。

(1)固結系數與固結壓力有較好的規律性,在較低的固結應力(低于土的固結屈服應力)的范圍內,固結系數較高,當固結壓力增大到一定值(大于結構屈服應力時)后,土的結構性被破壞后,固結系數將不再有明顯變化,基本趨于一定值[4];

(2)水平向固結系數普遍較垂直向數值大,這主要與該工程軟土層具有明顯的夾砂層薄層有關。

對于設置豎向排水通道的深厚軟土層地基,當土層厚度較大時,土的徑向排水固結是主要的,豎向固結所占比例較小,因此,確定土的水平向固結系數尤為重要。

表6　軟土各深度處固結系數統計值匯總表

2.4　應力歷史研究

軟土的應力歷史狀態在基礎沉降、樁基負摩阻力計算等方面是十分重要的因素,應力歷史狀態的反映主要通過先期固結壓力pc與超固結比OCR值等物理量來體現。當OCR>1則為超固結,OCR等于1則為正常固結土,OCR>1則為欠固結土[5-6]。

為了判斷本場地內軟土層是否為欠固結土層,本文對工程場地軟土層不同深度處進行先期固結壓力研究,分析ZK2鉆孔各深度處5組高壓回彈試驗確定的先期固結壓力、自重應力指標統計成果(表7)。先期固結壓力pc確定方法主要是根據卡薩格蘭德建議的經驗作圖法,通過室內試驗得出孔隙比e和p,利用e-lgp的關系曲線得出;而自重應力σc計算公式如下:

式中：σc為天然地面下任意深度z處的自重應力,kPa;n為深度z范圍內的土層總數;hi為第i層土的厚度,m;γi為第i層土的天然重度,對地下水位以下的土層取有效重度。

表7　軟土層回彈試驗及自重應力統計值表

通過對比各深度范圍自重應力與先期固結應力,可判斷該區域內③2淤泥質粉質粘土、③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層屬因固結沉降將產生負摩阻力的欠固結土。地基最終沉降計算也應考慮應力歷史等因素進行最終沉降計算。

3　結語

(1)無論是③2淤泥質粉質粘土,還是③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層,均屬長江河漫灘相軟弱地基土,基本工程特性包括:高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低密度、低強度及低滲透性。

(2)靈敏度在2.3～7.2,屬中等靈敏—靈敏。

(3)對該區段軟土的強度評價時,特別是承載力的確定需綜合考慮土工試驗、靜力觸探、十字板等綜合因素。

(4)水平向固結系數普遍較垂直向數值大。

(5)③2淤泥質粉質粘土、③3淤泥質粉質粘土與粉質粘土互層屬欠固結土。

建議在今后的工作中多積累經驗,總結不同地區、不同成因類型軟土的工程特性,特別是在軟土礦物成分、結構強度、膨脹性方面進行研究,為準確把握該地區軟土的工程特性,正確處理軟弱地基土提供可靠依據。

參考文獻:

[1]JGJ83—2011，軟土地區巖土工程勘察規范[S].

[2]GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[3]J10648—2005，南京地區建筑地基基礎設計規范[S].

[4]秦志光,李志,羅嗣海,等.珠三角軟土的結構性分析[J].江西理工大學學報,2006,27(4)：8-11.

[5]高大釗.軟土地基理論與實踐[M].上海:中國建筑工業出版社,1991.

[6]李彰明.軟土地基加固與質量監控[M].北京:中國建筑工業出版社,2011.