長(zhǎng)江三角洲北岸軟土的不排水強(qiáng)度特征研究

茍富剛， 龔緒龍， 王光亞， 翁志華

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210049； 2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)試驗(yàn)室, 江蘇 南京 210049)

1 研究背景

在江河入海口區(qū)域往往分布著海陸交互相軟土層，比如渤海灣、珠江口、長(zhǎng)江口等區(qū)域均見(jiàn)分布[1]。長(zhǎng)江三角洲北岸(圖1)沿深度分布兩層軟土[2]。第二軟土層頂板埋深14.4～37.3 m，平均層厚13.08 m；第一軟土層，軟土頂板埋深2.2～3.6 m，平均層厚2.88 m。軟土層(圖2)沿深度不連續(xù)沉積，多夾薄層粉砂、粉土，空間變異特性明顯。研究區(qū)軟土具有一般軟土的特點(diǎn)，如高壓縮性和抗剪強(qiáng)度低，但與典型連云港地區(qū)海相軟土相比，研究區(qū)軟土力學(xué)性質(zhì)較好，壓縮模量平均值為連云港地區(qū)海相軟土的2倍。張宏等[3]研究表明研究區(qū)軟土具有物理性質(zhì)偏差，力學(xué)性質(zhì)偏好的現(xiàn)象。

軟土地基穩(wěn)定分析計(jì)算需要考慮穩(wěn)定分析方法和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)兩個(gè)方面，以往的研究表明，合理地選擇抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比采用哪種穩(wěn)定分析方法更為重要[4-5]。軟土滲透系數(shù)在10-6～10-7cm/s這一數(shù)量級(jí)，具有排水條件差，且厚度大的特點(diǎn)，適合采用不排水剪。地下水位以下的黏性土、黏質(zhì)粉土，可采用土壓力、水壓力合算方法；土壓力計(jì)算和土的滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算可采用總應(yīng)力法[6-7]。

不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)獲取主要有3種方式：三軸UU(不固結(jié)不排水)試驗(yàn)、UTC(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)試驗(yàn)和直剪中的快剪[8]。基于Mohr-Coulomb定律，UTC試驗(yàn)和三軸UU試驗(yàn)得到的剪切強(qiáng)度是相同的，但研究區(qū)軟土兩種試驗(yàn)方法得到剪切強(qiáng)度是不同的。Mitchell等[9]、高彥斌等[10]的研究表明軟土強(qiáng)度具有各向異性，選擇不同剪切方向，會(huì)得出不同的剪切強(qiáng)度，一般水平面(土體沉積接觸面)剪切強(qiáng)度最低。

根據(jù)袁聚云等[11]對(duì)上海軟土各向異性的研究，也有類(lèi)似規(guī)律。洪昌華等[12]的研究表明土體是一種變異性很大的工程材料，就某一層土體來(lái)說(shuō)，受勘察、取樣、沉積條件、沉積歷史和埋藏條件等多因素影響，試驗(yàn)得到的土體強(qiáng)度十分離散，因而土體不排水抗剪強(qiáng)度具有空間變異性，但對(duì)于統(tǒng)一地質(zhì)單元體，土體各參數(shù)又具有一定的相關(guān)性，這種相關(guān)性是就土體的某一個(gè)測(cè)試指標(biāo)而言，可描述為這一測(cè)試指標(biāo)的自相關(guān)性。本文依托江蘇沿海大調(diào)查項(xiàng)目，進(jìn)行了大量不同方法的不排水剪切試驗(yàn)，可以基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)研究不同試驗(yàn)方法測(cè)得的軟土不排水剪切強(qiáng)度。

目前研究區(qū)軟土強(qiáng)度的獲取主要依靠直剪試驗(yàn)中的快剪。吳燕開(kāi)等[13]采用快剪指標(biāo)分析了第1層軟土作為路基的穩(wěn)定性。本文抗剪指標(biāo)采用三軸UU試驗(yàn)、UTC試驗(yàn)獲取兩種方法獲取軟土強(qiáng)度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩種試驗(yàn)方法測(cè)得不排水強(qiáng)度不相等。但據(jù)作者基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，連云港典型海相軟土兩種方法是通用的。兩種試驗(yàn)方法得出的剪切強(qiáng)度不同是由研究區(qū)軟土沉積環(huán)境、顆粒組成和微觀結(jié)構(gòu)等多因素綜合影響的。本文對(duì)3種方法獲取的土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出土體破壞特征及各試驗(yàn)方法得出的強(qiáng)度指標(biāo)異同原因，給巖土工程師在今后就某一具體工程地基穩(wěn)定性計(jì)算選取抗剪指標(biāo)提供參考。

圖1 研究區(qū)軟土采樣平面分布圖

2 研究區(qū)軟土沉積環(huán)境

土體力學(xué)性質(zhì)與土體沉積環(huán)境密切相關(guān)[13]，查明研究區(qū)沉全新世沉積環(huán)境十分必要。由于長(zhǎng)江屬于潮汐河，受科氏力影響，落潮主流偏南，漲潮主流偏北，形成獨(dú)特的伴生沉積體系，并使得岸線不斷向南偏轉(zhuǎn)，形成6個(gè)完整的亞三角洲[14]。研究區(qū)在末次冰期低海面時(shí)，海平面下降130～150 m，長(zhǎng)江基面下降，于古河谷內(nèi)產(chǎn)生侵蝕面，古河道以北為濱海平原，以南為長(zhǎng)江三角洲平原(圖1)。在距今約8～11 ka B.P.，在全新世Q4早期，海進(jìn)時(shí)主要細(xì)顆粒沉積，海退時(shí)主要為粗粒沉積，土體沉積受咸淡水混合時(shí)的凝聚作用，在古河谷內(nèi)形成了一套廣泛分布的沖海積軟土層，即本文研究的第2軟土層。在距今約3～8 kaB.P.，全新世中期，測(cè)區(qū)海平面逐漸上升至現(xiàn)今位置，同時(shí)長(zhǎng)江流域泥沙量增加，巖性以青灰、黃灰色粉細(xì)砂層為主，局部夾深灰色軟土層，即本文研究的第1層軟土層。

注：①表示原狀樣取樣位置；②表示標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)位置，③和⑤分別巖心和標(biāo)貫試驗(yàn)中的薄層近水平粉土夾層，④表示近水平沉積層理。圖中照片為108 mm的巖心和69.8 mm的標(biāo)貫試樣對(duì)稱(chēng)剖開(kāi)后的切面。

表1 第2層軟土的物理力學(xué)特性

3 樣品采集及測(cè)試

為了獲取研究區(qū)軟土不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度特征，布置工程鉆孔96個(gè)，工程鉆孔采樣密度為1.5～2.0m采一個(gè)薄壁樣。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，樣品分批及時(shí)配送，完成測(cè)試分析。

三軸UU試驗(yàn)采用KTG全自動(dòng)三軸儀/WX064完成，UTC試驗(yàn)采用YYW- 2應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀。快剪試驗(yàn)采用DJY-3四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀。本文制樣采用垂直方向的切取試樣。

本文研究思路：由于土體的固有各向異性，土體各測(cè)試指標(biāo)離散性較大，可借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，揭示相同地質(zhì)單元土體在不同測(cè)試方法下的抗剪強(qiáng)度特征特征(洪昌華等[12])。本文進(jìn)行軟土三軸試驗(yàn)89組，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)132組，快剪試驗(yàn)289組。為研究土體各指標(biāo)之間的相關(guān)性，把各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，相關(guān)系數(shù)越大，說(shuō)明相關(guān)性越高[15]。0.01水平表示兩組數(shù)據(jù)具備顯著性差異的可能性為99%。

4 基于三軸UU試驗(yàn)的軟土強(qiáng)度分析

4.1 土體單元應(yīng)力狀態(tài)

三軸UU試驗(yàn)采用總應(yīng)力法，應(yīng)力狀態(tài)比較明確。極限平衡條件下，土體破壞時(shí)土中一點(diǎn)出現(xiàn)一對(duì)剪切破裂面αcr(圖3)，為該應(yīng)力狀態(tài)下的土樣強(qiáng)度最弱剪切面，土樣破壞特征與工程實(shí)際情況基本吻合[7]。

σ1為豎直面方向應(yīng)力，取土體上覆自重應(yīng)力，σ3(水平方向)可根據(jù)公式(1)計(jì)算，剪切破裂角αcr為45°+φuu/2，根據(jù)公式(2)可以計(jì)算出土體所處深度實(shí)際剪切強(qiáng)度τ。根據(jù)公式(2)知，摩擦強(qiáng)度決定于剪切面上的法向應(yīng)力σ和土的內(nèi)摩擦角φuu。較大的法向應(yīng)力將產(chǎn)生較大的摩擦強(qiáng)度，與土體埋深正相關(guān)；黏聚強(qiáng)度Cuu只取決于土粒之間的物理化學(xué)作用力。

σ3=σ1tan2(45°-φuu/2)-2Cuutan(45°-φuu/2)

(1)

τ=Cuu+σtanφuu=1/2(σ1-σ3)sin2αcr

(2)

αcr=±(45°+φuu/2)

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(3)

注：σ為剪切面上的法向總應(yīng)力； τ為破裂面上的抗剪強(qiáng)度； Cuu為黏聚力； φuu為摩擦角； αcr為破壞面與最小主應(yīng)力的夾角。

4.2 軟土剪切面特征分析

土體在壓力作用下，遵循大孔隙優(yōu)先改變?cè)瓌t，首先大孔隙被壓成多個(gè)小孔隙，原來(lái)的小孔隙越來(lái)越小，但小孔隙大小改變不明顯[16]。土體顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度是不同的，三軸試驗(yàn)UU試驗(yàn)一般沿土樣αcr角度形成破裂面(圖3)，在土體顆粒之間最薄弱的膠結(jié)處破壞，一般先形成微破裂面，隨著壓力的不斷增大，土體最大主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終最大主應(yīng)力垂直剪切面和顆粒長(zhǎng)軸的優(yōu)勢(shì)方向，土體發(fā)生剪切破壞，形成一對(duì)橢圓形剪切斜截面。

基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，土體破壞剪切面角度最大值為48.35°，最小值僅為45.45°，平均值為45.97°。破壞角主要落在45.5°～ 46.3°這一區(qū)間內(nèi)，破壞角占總數(shù)的87%(圖4)。

圖4 破壞角統(tǒng)計(jì)直方圖

4.3 軟土強(qiáng)度特征

制樣采用垂直方向切取試樣方式，三軸UU試驗(yàn)得出的軟土剪切指標(biāo)見(jiàn)表2。由表2可知，Cuu平均值為19.6 kPa；φuu平均值為1.95°。計(jì)算結(jié)果顯示軟土剪切強(qiáng)度最大值為80.5 kPa，最小值為17.5 kPa，平均值為37.6 kPa。

表2 三軸UU試驗(yàn)得出剪切指標(biāo)

注：τφ為摩擦強(qiáng)度；Cuu為黏聚力，即黏聚強(qiáng)度。

三軸UU試驗(yàn)測(cè)得土體強(qiáng)度τ與土樣深度在0.01水平上顯著正相關(guān)。土體強(qiáng)度τ和其他物理力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)程度規(guī)律，和φuu與其他物理力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)程度規(guī)律相似。基于Mohr-Coulomb定律，隨著深度的增加，摩擦強(qiáng)度τφ(即抗剪強(qiáng)度τ與土體黏聚力Cuu的差值)越來(lái)越大(圖5)，黏聚力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)量保持不變。

基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，第2層軟土摩擦強(qiáng)度平均值為18.0 kPa，第1層軟土摩擦強(qiáng)度平均值為3.4 kPa；第2層軟土平均摩擦強(qiáng)度占土體平均剪切強(qiáng)度的46.03%，第1層軟土平均摩擦強(qiáng)度的占土體平均剪切強(qiáng)度的14.53%。

4.4 軟土抗剪指標(biāo)影響因素分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示：三軸UU試驗(yàn)測(cè)得Cuu與物理指標(biāo)相關(guān)性差。Cuu與壓縮模量在0.01水平上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.378，即土體壓縮性越低，土體剪切強(qiáng)度越高。

三軸UU試驗(yàn)測(cè)得φuu與黏粒含量、液限、塑性指數(shù)在0.01水平上顯著負(fù)相關(guān)，這3個(gè)物理量基本上反映了一類(lèi)指標(biāo)，指標(biāo)越大，土體摩擦角越小。φuu與砂粒含量在0.01水平上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.558，砂粒含量越高，摩擦角越大。φuu與壓縮模量在0.05水平上顯著正相關(guān)，壓縮性越低，φuu越大。

5 基于UTC試驗(yàn)的軟土強(qiáng)度分析

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是三軸UU試驗(yàn)的一個(gè)特例，將土樣置于不受側(cè)向限制的條件下進(jìn)行的壓力試驗(yàn)，此時(shí)土樣所受的圍壓為零，最大主應(yīng)力的極限值即為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。制樣采用垂直方向的切取試樣方式，最大主應(yīng)力為垂直方向，土樣破壞特征與三軸UU試驗(yàn)類(lèi)似。UTC試驗(yàn)測(cè)得軟土強(qiáng)度qu/2最大值為71.5 kPa，最小值為7.0 kPa，平均值為30.0 kPa。

UTC試驗(yàn)測(cè)得抗剪強(qiáng)度qu/2與土樣深度在0.01水平上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.360，說(shuō)明軟土強(qiáng)度與土體應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)；抗剪強(qiáng)度qu/2與壓縮模量在0.01水平上顯著正相關(guān)，說(shuō)明土體壓縮性越小，土體抗剪強(qiáng)度越大。

6 強(qiáng)度差異原因分析

土體固有各向異性對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響。袁聚云等[11]、洪昌華等[12]、Mitchell等[9]、高彥斌等[10]的研究表明軟土強(qiáng)度具有各向異性，選擇不同的剪切方向，會(huì)得出不同的剪切強(qiáng)度。高彥斌等[10]采用異形十字板試驗(yàn)得出上海濱海相軟土水平剪切面強(qiáng)度最低，垂直方向切取試樣抗剪能力最高。研究區(qū)第2層軟土顆粒組成、含水率和壓縮模量等指標(biāo)與上海濱海相軟土基本相當(dāng)，研究區(qū)軟土不排水強(qiáng)度特征也有類(lèi)似規(guī)律。

采用直剪試驗(yàn)中的快剪試驗(yàn)，采用垂直方向切樣，剪切面為水平面(沉積接觸面)，為土體最弱結(jié)構(gòu)面。基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析知：研究區(qū)軟土的快剪指標(biāo)黏聚力Cq平均值為13.7 kPa，小于三軸UU試驗(yàn)得出的Cuu均值19.6 kPa，線性回歸分析預(yù)測(cè)曲線也有相似的規(guī)律(圖6)，差值為5.9 kPa。根據(jù)作者的研究，連云港海相軟土也有這類(lèi)似規(guī)律。

UTC試驗(yàn)測(cè)得的第2層軟土不排水抗剪強(qiáng)度qu/2小于基于三軸UU試驗(yàn)計(jì)算強(qiáng)度τ，平均值的差值為7.7 kPa，兩種試驗(yàn)方法得到的軟土抗剪強(qiáng)度隨深度變化的回歸預(yù)測(cè)曲線不重合(圖7)說(shuō)明試驗(yàn)方法對(duì)軟土強(qiáng)度指標(biāo)獲取影響較大，這與研究區(qū)第2層軟土摩擦角較大有關(guān)。研究區(qū)軟土粉粒含量高，局部夾粉砂薄層，所以一組三軸試驗(yàn)的摩爾應(yīng)力圓半徑不等，強(qiáng)度包線非水平直線，即摩擦角不為零。

圖5 軟土黏聚力和強(qiáng)度隨其埋深分布圖 圖6 軟土黏聚力隨其埋深分布圖 圖7 軟土強(qiáng)度隨其埋深分布圖

土樣在采取過(guò)程中，土體經(jīng)歷了一個(gè)應(yīng)力釋放并且重新分布過(guò)程，土體由原位的天然不等向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蚩倯?yīng)力相等；土樣在應(yīng)力重新調(diào)整過(guò)程中，土體孔隙水承受負(fù)壓，土樣中一部分氣體逸出，土樣體積稍有膨脹，因此有必要對(duì)土體應(yīng)力進(jìn)行恢復(fù)，才能準(zhǔn)確得到軟土原位剪切強(qiáng)度。可以采用K0預(yù)固結(jié)對(duì)土體應(yīng)力進(jìn)行修正，垂直固結(jié)壓力取土樣上覆土體自重，側(cè)向固結(jié)壓力取K0(靜止土壓力系數(shù))倍的土樣上覆土體自重。土樣埋深越大，修正的效果越明顯，修正后的原狀土樣抗剪強(qiáng)度增加了1.11～2.15倍。由三軸UU試驗(yàn)和UTC的試驗(yàn)過(guò)程知，前者為有圍壓狀態(tài)(σ2=σ3)的剪切試驗(yàn)，后者圍壓為零，不能對(duì)損失的應(yīng)力進(jìn)行恢復(fù)。根據(jù)公式(2)知，隨著深度的增加，摩擦強(qiáng)度越來(lái)越大，土體應(yīng)力狀態(tài)對(duì)土體強(qiáng)度影響越來(lái)越大。此外，UTC只能得到軟土的總強(qiáng)度，不能得到土體的黏聚力和摩擦角。

7 軟土強(qiáng)度較高的原因分析

根據(jù)粒度分析知：第2層軟土以粉粒為主，其次為黏粒含量，含少量砂粒，粉粒平均含量71.55%，黏粒平均含量26.41%。根據(jù)X衍射物相分析，第2層軟土礦物成分以原生礦物為主，約占總礦物的67%，基本與粒度試驗(yàn)得出的粉粒含量一致。原生礦物主要為石英，約占礦物總量的49%，其次為長(zhǎng)石，含有少量方解石和白云石。第2層軟土的黏土礦物伊利石均值為14.33%，綠泥石均值為11.33%，蒙脫石均值為10.36%，偶見(jiàn)少量凹凸棒石。其中蒙脫石對(duì)土的工程特性影響最大[7,17]，一般黏土礦物形狀為片狀，比表面很大，黏土礦物顆粒表面結(jié)合水膜很厚，造成土體顆粒之間直接接觸很少[18]，土體顆粒間易發(fā)生滑動(dòng)，決定了軟土強(qiáng)度低于一般黏性土層，但研究區(qū)軟土粉粒含量高，決定了研究區(qū)軟土強(qiáng)度較典型海相軟土不排水抗剪強(qiáng)度高，研究區(qū)第2層軟土約為連云港地區(qū)典型海相軟土不排水剪切強(qiáng)度的2.87倍

黏性土活動(dòng)度A是反映黏土礦物活性的一個(gè)定量指標(biāo)。工程地質(zhì)手冊(cè)規(guī)定：A≤0.75為非活性黏土；0.751.25活性黏土。研究區(qū)軟土活動(dòng)度A最大值為1.97，最小為0.57，平均值為1.13，平均值小于1.25，說(shuō)明研究區(qū)軟土黏土礦物活性一般，軟土類(lèi)型主要為正常黏性土，這是研究區(qū)軟土強(qiáng)度高的一個(gè)原因。

研究區(qū)兩層軟土在形成時(shí)，沉積環(huán)境被高礦化度海水浸漬，水中離子Na+和土中的Ca2+發(fā)生了離子交換，這時(shí)就形成了沉積土層中含有較高的易溶鹽類(lèi)。第2層軟土含鹽量范圍值為0.19%～1.19%，土體中鹽類(lèi)主要為氯化鈉，軟土含鹽量普遍較高。土體提取液pH值范圍值為7.73～9.41，呈堿性。鄧永峰等[18]研究表明，軟土在其鹽分溶脫后，壓縮性和次固結(jié)變形增大，滲透系數(shù)變小，表明土體含鹽量對(duì)土體結(jié)構(gòu)、壓縮性、強(qiáng)度、滲透性等有影響。龔士良等[19]的研究表明,因電解質(zhì)NaCl高形成軟土絮凝結(jié)構(gòu)。研究區(qū)軟土結(jié)構(gòu)單元體呈團(tuán)粒-絮凝狀結(jié)構(gòu)，片狀黏土礦物顆粒貼在粉粒和砂粒顆粒周?chē)哿：蜕傲Ｆ鸬搅斯羌茏饔茫瑔卧w之間接觸點(diǎn)比較多，架空孔隙并不十分發(fā)育，未見(jiàn)大于10 um的孔隙。張宏等[3]通過(guò)對(duì)軟土微觀參數(shù)孔隙面積與固結(jié)壓力關(guān)系曲線，證實(shí)了研究區(qū)軟土具有明顯的結(jié)構(gòu)性，說(shuō)明研究區(qū)軟土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性抗力和附加抗力，這也是第2層軟土強(qiáng)度高的一個(gè)原因。這樣就從土體顆粒組成、礦物成分、含鹽量、微觀結(jié)構(gòu)、土體屈服應(yīng)力的方面解釋了第2層軟土抗剪強(qiáng)度特征。

8 結(jié) 論

(1)研究區(qū)兩層軟土為堿性環(huán)境下沉積的非均質(zhì)海陸交互相軟土，以粉粒為主，其次為黏量，含少量砂粒。黏土礦物活性一般。軟土含鹽量普遍較高，結(jié)構(gòu)單元體呈團(tuán)粒-絮凝狀結(jié)構(gòu)，具有明顯的結(jié)構(gòu)性，軟土強(qiáng)度較典型海相軟土高，特別是φuu較大。

(2)土體制樣采用垂直方向的切取方式，這種制樣方式垂直土體沉積面，三軸UU試驗(yàn)土體沿該制樣方式下的最弱剪切面破壞。采用三軸UU試驗(yàn)得出的Cuu和φuu，基于摩爾-庫(kù)倫理論計(jì)算出土體實(shí)際深度剪切強(qiáng)度。

(3)UTC試驗(yàn)測(cè)得的不排水抗剪強(qiáng)度qu/2小于三軸UU試驗(yàn)測(cè)得強(qiáng)度τ，這與研究區(qū)第2層軟土摩擦強(qiáng)度較大和破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

(4)土體的剪切強(qiáng)度具有固有各向異性，當(dāng)剪切面平行土體沉積面時(shí)，土體剪切強(qiáng)度最低。快剪試驗(yàn)前剪切面可以人為控制，為固定的水平面，平行于土體沉積層理，基于幾百組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析知：研究區(qū)軟土的直剪快剪指標(biāo)Cq小于三軸UU試驗(yàn)得出的Cuu。