淮河入江水道崇灣段特殊軟土重塑土壓縮特性

姜　爽　黃曉波　王　喬

(1. 北京泰斯特工程檢測有限公司， 北京　102600； 2. 東南大學 交通學院， 南京　210096)

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淮河入江水道崇灣段特殊軟土重塑土壓縮特性

姜爽1黃曉波1王喬2

(1. 北京泰斯特工程檢測有限公司， 北京102600； 2. 東南大學 交通學院， 南京210096)

摘要：為研究針對淮河入江水道崇灣段堤壩下覆主要問題土層的物理力學特性，對其開展了物理、力學試驗研究．確定了崇灣段軟土屬于有機質土且具有一定膨脹性的特殊性狀．通過不同初始含水率的一維壓縮試驗得到崇灣段軟土重塑土的壓縮特性．與非有機質重塑土的壓縮特性進行比較，明確相同e0/eL條件下崇灣段特殊軟土具有更大的壓縮性，且有機質含量較高的土體壓縮性更大．通過引入Hong提出的重塑屈服壓力，確定了崇灣段特殊軟土重塑土的抗變形能力．相同初始含水率條件下崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力較非有機質土更大，且有機質含量較高時重塑屈服壓力更大．明確了崇灣段軟土的重塑屈服壓力可以用Hong(2010)提出的經驗公式進行預測．

關鍵詞：淮河入江水道；軟土；壓縮特性；有機質

淮河入江水道崇灣段位于京杭大運河江都境內的崇家灣附近，走向近南北．東側為京杭大運河，西側為卲伯湖．崇灣段西堤為歷史險工段，該段堤身、堤基下20 m深度范圍內分布軟土層，厚度大、含水量高、強度低、堤身沉降不穩定．據京杭運河施工總結記載，施工期間淤土筑堤段共塌坡56次．

歷史上對該段采取了培高加厚、水泥土攪拌樁加固等方法進行了處理，但一直未能根本解決堤身沉降不穩定的問題．

為對崇灣段西堤進行有效的加固處理，本研究針對西堤下覆兩個主要問題土層：6.5 m和13 m土體，開展相關物理、力學試驗，從而分析其土性及力學特性．通過土體的壓縮試驗研究該軟土的一維壓縮特性，對比分析崇灣段西堤軟土與非有機質軟土壓縮特性的異同．通過引入Hong提出的重塑屈服壓力研究該軟土的重塑屈服壓力隨土體初始狀態的變化情況并與非有機質土對比，分析有機質對土體重塑屈服壓力的影響．本研究探討淮河入江水道崇灣段西堤土體的土性及力學特性，為現場施工提供指導．初步探索有機質對軟土壓縮特性的影響，為有機質對軟土力學特性影響的定量研究積累數據，具有重要意義．

1基本物理性質

崇灣段西堤下覆6.5 m和13 m軟土顏色均為深灰色，無味，呈軟塑狀態．通過室內試驗對3號孔取得土樣進行物理特性研究，得到土體的基本物理性質見表1，其中液塑限根據ASTM D4318[1]采用碟式液限儀和搓條法進行測定；比重根據BS 1377-1990 part 2 clause 8[2]用中性液體煤油代替蒸餾水進行測定；顆分根據ASTM D422[3]用比重計進行測定；含水率和有機質含量根據ASTM D2974[4]進行測定；自由膨脹率根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)[5]進行測定．

表1　土體基本物理性質

根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021-2001)[6]規定：土體中有機質含量在5%～10%時屬于有機質土．而由表1可見，淮河入江水道土樣有機質含量均超過5%，因此確定淮河入江水道軟土屬于有機質土．根據根據《膨脹土地區建筑技術規范》(GBJ 112-1987)[7]中規定：自由膨脹率≥40%的土，應判定為膨脹土．自由膨脹率為40%～65%之間膨脹潛勢為“弱”；自由膨脹率為65%～90%之間膨脹潛勢為“中”；自由膨脹率>90%膨脹潛勢為“強”．因此可以判斷6.5 m土樣為弱膨脹土，13 m土樣為中膨脹土．

由此可見，淮河入江水道崇灣段軟土，既具有一定的膨脹性又屬于有機質土，而有機質和膨脹性對土體的壓縮特性均具有重要的影響，使之成為一種工程特性較為特殊的軟土．土體的塑性圖如圖1所示，6.5 m和13 m的土體均均位于A線上方、B線右側，可以確定淮河入江水道軟土為高液限黏土．

圖1　土體塑性圖

表1可見，灣段西堤6.5 m和13 m軟土均具有較高的含水率和塑限．有研究表明，土體的液塑限與其黏粒含量及膠粒含量有著正相關關系，且王志良[8]給出了黏粒含量與土體液塑限關系的回歸曲線．同時，土體的液塑限隨有機質含量升高有升高的趨勢，且液限隨有機質含量增加明顯增大，塑限隨有機質含量增加增大幅度較小[9-12]．將本文兩深度土體的液塑限與王志良[8]提出的回歸曲線進行對比如圖2所示，可見淮河入江水道崇灣段軟土黏粒含量較高者具有較高液塑限．但兩深度土體液限均明顯高于回歸曲線，塑限也位于回歸曲線上方．可見，崇灣段西堤兩深度軟土較高的液塑限主要受土體有機質的影響．

圖2　土體液塑限與回歸曲線對比圖

2重塑軟土壓縮特性

2.1試驗方案

試驗中將6.5 m和13 m兩個深度的土體分別配制成不同初始含水率的重塑土，從而得到不同初始狀態的試驗土樣．對各土樣進行一維固結試驗，以研究淮河入江水道崇灣段特殊軟土的壓縮特性．

本文采用蒸餾水配置不同初始含水率的土樣，目標初始含水率分別為0.8、1.2、1.6倍液限．土樣制成高度為40 mm直徑為61.8 mm的固結試樣進行一維壓縮試驗．為避免高初始含水率固結土樣在荷載作用下產生擠土現象，試驗儀器采用改進的輕型固結儀，如圖3所示，分別通過兩個加載系統進行加載．改進的輕型固結儀通過添加一個杠桿比較小的加載托盤實現了小應力的加載，最小可以從0.5 kPa開始加載．

1.平衡錘；2.輕質加壓帽；3.百分表；4.土樣盒；5.工作臺；6.調平手柄；7.水準泡；8.傳統加載系統；9.新型加載系統；10.平衡杠桿.圖3　輕型固結儀示意圖[13]

試驗加載等級依次為0.5、1.5、2.5、4.5、8.5、12.5、25、50、100、200、400、800和1 600 kPa．其中荷載為0.5～12.5 kPa時通過新型加載系統進行加載，荷載為12.5～1 600 kPa時，通過傳統加載系統進行加載．

主固結完成時間按照Casagrande提出的時間對數法在半對數坐標中通過時間-沉降曲線來進行確定，加載時間為3 d．土樣的初始狀態見表2．

表2　重塑土壓縮試驗初始條件

2.2重塑土壓縮曲線

圖4　6.5 m重塑樣壓縮曲線　圖5　13 m重塑樣壓縮曲線

2.3重塑土壓縮指數

由壓縮曲線直線段斜率得到土體的壓縮指數見表3．可以看到，對于同種土體含水率越大其壓縮指數越大．對于不同土體，當土體具有相同w0/wL時，液限較大、有機質含量高的土體壓縮指數較大．可見，土體的壓縮特性不僅與土體的初始狀態有關，同時與土體本身的性質有重要關系．

表3　重塑軟土壓縮指數

為綜合考慮土體的初始狀態及土體本身性質對土體壓縮特性的影響，國內外眾多學者引入e0/eL指標對土體壓縮特性進行分析，并稱之為廣義應力狀態．其中，e0為初始孔隙比，eL為土體含水率為液限時的孔隙比．本次研究將6.5 m和13 m重塑土的壓縮壓縮指數與e0/eL關系點繪于圖中并與文獻[13-14，16]對白馬湖、連云港、溫州非有機質黏土的試驗數據進行對比，如圖6所示．其中白馬湖、連云港、溫州黏土的液限分別為55.6%、70.8%、64.9%～77.9%．

圖6　重塑土的壓縮指數

由圖6可見，對于有機質土與非有機質土均有土體壓縮指數隨e0/eL的增大而增大．相同e0/eL條件下6.5 m和13 m土體的壓縮指數均位于非有機質土上方，13 m土體的壓縮指數位于6.5 m土體的上方．可見相同e0/eL條件下，有機質土的壓縮性較非有機質土的壓縮性大，且有機質含量較大時壓縮性較大．

3重塑屈服壓力

重塑屈服壓力反應了土體受擾動情況下抵抗變形的能力，因此重塑屈服壓力的確定對工程具有重要意義．其確定方法與屈服壓力基本一致．文獻[13]應用文獻[18]提出的雙對數坐標法對非有機質黏土的壓縮數據進行整理，并且根據多組試驗數據得到重塑土的經驗計算公式：

(1)

式(1)將土體擾動情況下抵抗變形能力與土體的初始狀態及土體的本身性質聯系起來．使得土體的重塑屈服壓力可通過計算得到，對實際工程具有重要意義．

將崇灣段特殊軟土的壓縮曲線繪制于雙對數曲線中，如圖7～8所示．

圖7　6.5 m重塑樣雙對數壓縮曲線

圖8　13 m重塑土雙對數壓縮曲線

由圖7和圖8可見，在雙對數坐標下，淮河入江水道崇灣段特殊軟土的壓縮曲線清晰地呈現出兩段直線，其交點即為崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力．得到6.5 m和13 m特殊軟土初始含水率分別為0.8、1.2、1.6倍液限時的重塑土屈服壓力見表4．

表4　重塑軟土重塑屈服壓力　(單位：kPa)

將不同初始含水率重塑土的重塑屈服壓力隨含水率的變化情況點繪于圖中，并與非有機質土的重塑屈服壓力進行對比如圖9所示．

圖9　重塑屈服壓力隨初始含水率變化

從圖9可以看到，土體的重塑屈服壓力隨含水率升高而降低．對于相同初始含水率土體，淮河入江水道崇灣段特殊軟土較非有機質土有更高的重塑屈服壓力，且有機質含量高時重塑屈服壓力較大．這與有機質土的高液限特性有關，相同初始含水率條件下有機質土的液限較高，其塑性指數較低，則可塑性較低，土體重塑屈服壓力較高．

文獻[13]提出了重塑屈服壓力狀態與土體的液限之間的經驗關系式，見式(2)，并稱這條曲線為重塑屈服壓力曲線SPC(suction pressure curve)．式中es為土體固結壓力達到重塑屈服壓力時土體的孔隙比．

(2)

將崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力與文獻[13]提出的重塑土屈服壓力經驗公式進行對比分析，如圖10～11所示．本文試驗數據分布于經驗公式兩側，公式(1)～(2)能夠能夠對崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力進行很好的預測．有機質土與非有機質土其重塑屈服壓力都與土體的初始狀態和本身性質有相關性．其重塑屈服狀態都與土體的液限有重要關系．

圖10　重塑屈服壓力試驗值與經驗曲線

圖11　重塑屈服壓力與SPC曲線

4結論

本文針對淮河入江水道崇灣段特殊軟土的兩個主要問題土層：6.5 m和13 m埋深土體，開展物理試驗、不同初始含水率的一維壓縮試驗．通過與非有機質土的壓縮特性進行對比得到以下主要結論：

1)淮河入江水道崇灣段軟土即屬于有機質土又具有明顯的膨脹性，是一種工程性質較為特殊的軟土．其高液限與土體有機質成分有重要關系．

2)對于崇灣段特殊軟土，初始含水率較高土體的壓縮曲線位于初始含水率較低土體壓縮曲線的上方．隨固結壓力增加，土體初始狀態對土體壓縮特性的影響逐漸減小．相同e0/eL條件下崇灣段特殊軟土的壓縮性較非有機質土更大，且13 m土體的壓縮性大于6.5 m土體的壓縮指數．

3)崇灣段重塑軟土的重塑屈服壓力，隨土體初始含水率升高而降低．相同初始含水率條件下，崇灣段特殊軟土的重塑屈服壓力大于非有機質土的重塑屈服壓力，且13 m土體的重塑屈服壓力大于6.5 m土體．崇灣段重塑軟土的重塑屈服壓力與非有機質土均與土體的初始狀態及本身性質有重要關系，可以用文獻[13]提出的經驗公式進行預測．

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[責任編輯張莉]

收稿日期：2016-01-10

通信作者：姜爽(1989-)，女，碩士，主要從事軟土基本特性試驗研究．E-mail：jiangshuang_sun@163.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.006

中圖分類號：TU411

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)02-0024-05

Compression Behavior of Soft Clays at Chongwan Section of Huaihe-Changjiang Waterway

Jiang Shuang1Huang Xiaobo1Wang Qiao2

(1. Beijing Taisite Engineering Testing Co., Ltd., Beijing 102600, China; 2. School of Transportation, Southeast Univ., Nanjing 210096, China)

AbstractA series of physico-mechanical tests were carried out on the bad soils of Chongwan section of Huaihe-Changjiang waterway to detect its physico-mechanical properties. The results indicate that the soils in Chongwan section have special physical characteristics with high organic content and a certain of expansibility. Through oedometer tests with various initial water contents on remoulded Chongwan soil, the compression characteristics of remoulded Chongwan soil were studied. Comparing with remoulded nonorganic soil, it is detected that the compressibility of Chongwan soil is bigger than nonorganic soil and it contains more organics with greater compressibility. In addition, the remoulded yield stress raised by Hong(2010) is introduced to determine the ability of remoulded Chongwan soil to resistant deformation. The remoulded yield stresses of Chongwan soil are larger than nonorganic soil with the same initial water content, and soil containing more organics has greater remoulded yield stresses. What's more, it is clear that the remoulded yield stresses of Chongwan soil can be predicted by the empirical formula proposed by Hong(2010).

KeywordsHuaihe-Changjiang Waterway;soft clay;compression behavior;organics