連云港海相軟土不排水強度特征

茍富剛, 龔緒龍,王光亞

1.江蘇省地質調查研究院, 南京 210049 2.國土資源部地裂縫地質災害重點試驗室, 南京 210049

0 引言

連云港濱海平原區全新世軟土廣泛分布，其具有埋深淺(一般1～2 m)、厚度大的特點，最厚處近30 m[1]。該軟土具有黏粒質量分數高、含水率高、液性指數高、孔隙比高、壓縮性高、抗剪強度低的特點。這一套軟土層作為地基，易出現各種工程問題，如路基沉降過大、固結慢，遲遲難以穩定等，常常會造成嚴重的經濟損失。穩定分析計算需要考慮穩定分析方法和抗剪強度指標兩個方面。以往的研究[2-4]表明，合理地選擇抗剪強度指標比采用哪種穩定分析方法更為重要。研究區軟土滲透系數在10-7～10-8cm/s這一數量級，排水條件差且厚度大，適合采用不排水剪。地下水位以下的黏性土，可采用合算方法計算其土壓力和水壓力，而土的滑動穩定性驗算可采用總應力法[5-6]。

不固結不排水抗剪強度指標獲取主要有2種方式[7]：第一種為原位試驗，比如十字板剪切試驗，簡稱FVT試驗；第二種為室內土工試驗，包括三軸不固結不排水試驗(三軸UU試驗)、無側限抗壓強度試驗(UTC試驗)和直剪中的快剪試驗。基于Mohr-Coulomb理論，從理論上來說，這幾種測試方法得出的不排水指標強度應該是相同的，但實際上室內試驗方法得出抗剪強度指標往往小于原位試驗得出的指標。因為原位試驗能最大程度地減少對土體的擾動，相比室內土工試驗獲取的兩種抗剪強度指標更接近土體的實際抗剪強度[8]；同時，土體作為一種不均勻材料，具有天然沉積接觸面。羅傳慶等[9]、洪昌華等[10]的研究表明，土體不排水抗剪強度具有空間變異性。高彥斌等[11]、Mitchell等[12]的研究表明，軟土強度具有各向異性的主要原因來自2個方面：一是土體結構和顆粒組成的各向異性引起的土體力學性狀的各向異性；二是選擇不同的剪切方向會得出不同的抗剪強度。據袁聚云等[13]對上海軟土各向異性的研究，黏性土顆粒間的接觸方式主要為面面接觸(近水平沉積，為最弱剪切面)，垂直方向切取試樣抗剪能力最高。

吳燕開等[14]、鄧永峰等[15]對連云港淺層軟土沉積環境和基本物理力學性質進行了研究。繆林昌等[16]、黃高峰等[17]對研究區軟土強度和靈敏性進行了研究。

目前連云港地區軟土強度的獲取主要依靠FVT試驗和快剪試驗[7,17]。本文采用三軸UU試驗、UTC試驗、快剪試驗和FVT試驗4種方法獲取軟土抗剪強度參數，并就4種方法獲取的土體抗剪強度參數進行對比，分析各試驗方法的土體破壞特征和強度指標異同原因，以期今后對具體工程地基穩定性計算選取抗剪指標提供參考。

1 連云港地區軟土沉積環境

連云港地區位于魯中南丘陵與淮北平原的結合部，東臨黃海，整個地勢自NW向SE傾斜。晚更新世以來，研究區發育3個海相層沉積，按沉積順序自下向上依次為滄州海侵地層、獻縣海侵地層和黃驊海侵地層，其中：前2個海侵層發生在晚更新世，沉積底板埋深最大可達49.67 m；黃驊海侵層為在距今約6 000 a形成的一套廣泛分布海積軟土層(本文研究土層)，沉積底板埋深最大可達近30 m，軟土類型為灰—深灰色淤泥及淤泥質土(包括淤泥質黏土和淤泥質粉質黏土)，其具有壓縮性高、低滲透性、抗剪強度低的工程特性(表1)。數據統計分析表明，淤泥、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土質量分別占軟土質量的49%，44%，7%。

2 樣品采集及測試

為了獲取研究區軟土物理力學指標，在江蘇濱海平原區布置工程鉆孔53個(圖1)，工程鉆孔采樣密度為1.5～2.0 m采一個薄壁樣(長50 cm)。施工順序為先施工FVT試驗孔，再施工工程孔。FVT試驗孔和工程孔為對比孔，在同一位置施工。為了保證測試結果的準確性，樣品分批及時配送到國土資源部南京礦產資源監督檢測中心完成測試分析。

三軸UU試驗采用WX064全自動三軸儀(KTG)完成，獲取黏聚強度和內摩擦角；UTC試驗采用YYW-2應變控制式無側限壓力儀獲取抗剪強度；快剪試驗采用DJY-3四聯等應變直剪儀獲取黏聚強度和內摩擦角。本文制樣采用垂直方向的切取試樣。

表1 研究區軟土的物理力學特性

注：wN為黏粒質量分數；wF為粉粒質量分數；W為天然含水量；e0為天然孔隙比；WL為液限；Ip為塑性指數；IL為液性指數；a1-2為壓縮系數；ES為壓縮模量；CUU為三軸UU試驗得出的黏聚強度；φUU為三軸UU試驗得出的內摩擦角。

圖1 研究區軟土厚度分布及試驗、采樣平面分布圖Fig.1 Distribution map of thickness, test and sample of soft clay

FVT試驗采用鋼環傳感裝置及離合式十字板頭。本次測試采用十字板頭規格為75 mm(直徑d)×150 mm(高度h)。每隔1 m測試1個點。

天然沉積土體是一種變異性很大的工程材料，土體抗剪強度具有固有各向異性，試驗測試參數離散性較大；因此可借助數理統計的方法來揭示相同地質單元土體在不同測試方法下的抗剪強度特征和土體各指標表之間的變化規律，比如采用均值、圖表等對抗剪強度進行預測和比較分析。

3 軟土剪切面和抗剪強度特征

3.1 三軸UU試驗

3.1.1 土體單元應力狀態

根據Mohr-Coulomb抗剪強度公式

SUU=CUU+σtanφUU=1/2(σ1-σ3)sin 2αcr

(1)

可知，破裂面上的抗剪強度SUU由摩擦強度σtanφUU和黏聚強度CUU組成，摩擦強度決定于剪切面上的法向總應力σ和土的內摩擦角φUU。其中：

σ3=σ1tan2(45°-φUU/2)-

2CUUtan (45°-φUU/2)；

(2)

αcr=±(45°+φUU/2)。

(3)

式中：σ1為豎直面方向應力，取土體上覆自重應力；σ3為水平方向應力；αcr為破裂角(圖2，破壞面與最小主應力的夾角)。

τ為剪切破裂面的剪切應力。圖2 極限平衡狀態下的剪切破壞特征Fig.2 Shear failure characteristics of the limit equilibrium condition

3.1.2 破裂面特征

三軸UU試驗的試驗原理為：基于總應力法，根據式(3)可以預測土體剪切破裂面。在極限平衡條件下，采用垂直制樣且最大主應力為垂直方向時，土體破壞時土中出現一對剪切破裂面(最弱的剪切面)，破裂面為一橢圓形斜截面。由于三軸UU試驗測得φUU較小，據式(3)知，破裂面基本上與水平面呈45°，剪切破裂面在水平面和豎直面上的投影面積基本接近。

圖3 三軸UU試驗破裂角直方圖Fig.3 Histogram of failure angle of tri-axis UU test

基于數據的統計分析(圖3)，土體破裂角最大值為46.25°，最小值僅為45.00°，平均值為45.42°。破裂角主要集中在45.10°～45.70°這一范圍內，其約占破裂角總數的93%。

3.1.3 強度特征

黏聚強度CUU平均值為10.92 kPa，內摩擦角φUU平均值為0.84°(表1)。基于式(1)知，CUU不隨深度變化，僅取決于土粒之間的物理化學作用力；隨著深度的增加，σtanφUU越來越大。計算結果顯示軟土抗剪強度平均值為13.13 kPa，其中內摩擦角對軟土抗剪強度的貢獻量約為16.8%。

為了驗證摩擦強度隨著深度遞增這一觀點，每5 m深度統計一次，即按照深度為0～5 m，5～10 m，10～15 m和>15 m分4次統計摩擦強度和黏聚強度對抗剪強度的貢獻量，統計結果見圖4。從圖4可以看出：土體摩擦強度隨著其埋深的增大而增大，由8.0%增加到25.0%，增加了17.0%；隨著深度遞增，黏聚強度所占頻率有所減少。

圖4 三軸UU試驗摩擦強度和黏聚強度隨深度變化規律Fig.4 Friction strength and cohesive strength change with depth by tri-UU test

3.2 UTC試驗

UTC試驗是三軸UU試驗的一個特例，即將土樣置于不受側向限制的條件下進行壓力試驗，此時土樣所受的圍壓為0 kPa，最大主應力的極限值即為無側限抗壓強度。制樣采用垂直方向的切取試樣方式，最大主應力為垂直方向，土樣破壞特征與三軸UU試驗類似。UTC試驗測得軟土抗剪強度SU最大值為34.00 kPa，最小值僅為3.00 kPa，平均值為13.10 kPa，與三軸UU試驗測得抗剪強度平均值13.13 kPa非常接近(表2)，說明試驗方法對軟土強度指標影響不大。

3.3 快剪試驗

基于快剪試驗過程分析知，快剪試驗剪切面為固定的水平面，軟土強度反映土體天然沉積面的強度。本次共獲取了快剪試驗數據61組。基于數據統計分析知：快剪試驗得出黏聚強度(Cq)離散性較大(圖5)，Cq最大值為23.00 kPa，最小值僅為5.00 kPa，平均值為10.12 kPa。快剪試驗得出的Cq平均值小于三軸UU試驗得出的黏聚強度CUU(表1，圖5)。

圖5 軟土黏聚強度隨其埋深分布圖Fig.5 Distribution map of soft clay cohesion with depth

3.4 FVT試驗

FVT試驗土體剪破面為圓柱面，剪切破壞時的扭力矩等于側面和上、下底面上土的抗剪強度產生的抗扭力矩：

(4)

式中：M為剪切破壞時的扭力矩；τfv為破壞時圓柱體側面的抗剪強度；τfh為破壞時圓柱體上、下底面的抗剪強度。

則FVT試驗得到的抗剪強度SF為

(5)

土體剪破面為圓柱面，圓柱面的側面積(35 325 mm2)遠大于上、下底面的面積之和(8 831 mm2)，上、下底面積之和僅為圓柱側面的25%；所以，SF反映的主要是圓柱體側面(豎直面)的抗剪強度。高彥斌等[11]對上海軟土設計不同的十字板頭(異性十字板頭)來人為控制剪切面，得到了設計剪切面上的抗剪強度值；結果表明水平剪切面強度最低，為常規十字板試驗值的0.63倍，豎直面抗剪強度最高，為常規十字板試驗值的1.08倍(圖6)。通過上海軟土異形十字板試驗類比知：連云港軟土水平剪切面強度最低，豎直面抗剪強度最高，采用FVT試驗得出的SF不是軟土最低抗剪強度，而與軟土最高強度接近。

圖6 上海軟土設計剪切面強度值[11]Fig.6 Strength value of Shanghai soft soil of design shear plane

基于數據統計分析知：常規FVT試驗測得軟土抗剪強度SF離散性較大(圖7)，SF最大值為50.00 kPa，最小值僅為1.70 kPa，平均值為19.72 kPa。

4 軟土強度固有各向異性

基于數據統計分析的結果：FVT試驗測得抗剪強度大于UTC和三軸UU試驗測得抗剪強度(表2)；三軸UU試驗所測黏聚強度大于快剪所測黏聚強度(圖5)。可以從4種試驗方法的剪切面破壞特征來解釋不同試驗方法得出的抗剪強度差異原因：三軸UU試驗土體剪切破裂面在水平面和豎直面上的投影面積基本接近，即豎直面和水平面對軟土抗剪強度貢獻量基本相當，豎直面稍微大于水平面的貢獻量，抗剪強度值位于4種方法的中間值；UTC試驗軟土剪切面破壞特征與三軸UU試驗一致，2種方法得出的抗剪強度值接近；快剪試驗剪切面為固定的水平面，軟土強度反應土體天然沉積面的強度，抗剪強度最低；FVT試驗土體剪破面為圓柱面，得出的強度指標SF反映的主要是圓柱體側面(豎直面)的抗剪強度，抗剪強度強度最高。本文的測試和計算結果與袁聚云等[13]、高彥斌等[11]的研究結果一致，即剪切面平行軟土沉積面(水平面)軟土強度一般最低，豎直面強度最高。

表2 3種試驗方法得出抗剪強度

注：SF，SU，SUU分別對應FVT試驗、UTC試驗、三軸UU試驗。

5 結果分析

5.1 軟土強度差異的原因

UTC試驗與三軸UU試驗所測抗剪強度平均值非常接近，基于大數據的強度與深度變化預測曲線幾乎重合(圖7)，說明采用這2種方法來獲取研究區軟土抗剪指標是通用的。

圖7 軟土抗剪強度隨其埋深分布圖Fig.7 Distribution map of soft clay shear strength with depth

由表2可知，FVT試驗測得軟土SF平均值比三軸UU試驗測得SUU平均值大6.59 kPa，比UTC試驗測得SU平均值大6.62 kPa。造成這種差異的原因，除了受軟土強度固有各向異性影響外，室內試驗和原位試驗最大的區別——土體機械擾動和應力狀態的改變也是其重要影響因素。

FVT試驗結果表明，研究區軟土靈敏度均值為3.24，最大值為8.20，最小值為1.20。這與黃高峰等[17]的研究結果一致。從試驗結果分析知：研究區軟土以中等靈敏性為主，個別為高靈敏和不靈敏。由FVT試驗得知：原位軟土抗剪強度均值為19.72 kPa，最大值為50.00 kPa，最小值為1.70 kPa；塑狀軟土抗剪強度均值為6.34 kPa，最大值為24.60 kPa，最小值為0.95 kPa。將FVT試驗得出的原狀軟土與塑狀軟土強度的差值定義為軟土的結構強度，則研究區軟土結構強度均值為10.27 kPa，最大值為29.00 kPa，最小值為1.50 kPa。軟土結構強度主要反映的是軟土的黏聚強度，對于3種室內剪切試驗，機械擾動引起的抗剪強度損失主要是結構強度的損失；而摩擦強度基本上與機器擾動無關，主要與土體實際的應力狀態有關。

選擇研究區典型對比孔就3種(三軸UU試驗、UTC試驗和FVT試驗)測試方法進行比較，可以發現：軟土抗剪強度隨深度增加而增加；但隨著深度的增加，UTC試驗和三軸UU試驗得出的抗剪強度與FVT試驗得出的抗剪強度差值越來越大(圖8)。這主要是由以下3方面的原因造成的：1)基于UTC試驗、三軸UU試驗計算的原狀土樣抗剪強度低與機械擾動有關[18]。目前軟土取樣主要采用敞口式薄壁取土器和內裝鍍鋅鐵皮襯管的對分式取土器，理想狀況下也僅取得Ⅱ級試樣[6]。采用的取樣器對土體結構破壞損失較大。此外還包括運輸、貯存和加工土樣時引起的機械擾動作用，消弱了土體黏聚強度。2)在采取土樣的過程中，土體經歷了一個應力釋放并且重新分布的過程，土體由原位天然不等向的應力狀態轉變為各向總應力相等，土體稍有膨脹，從而引起土體抗剪強度降低[19]。3)與土體剪切破壞面特征有關。

5.2 軟土強度低的原因

采集軟土樣本343件，進行了粒度分析試驗，結果顯示連云港地區軟土黏粒(小于0.005 mm)質量分數最高達80.40%，平均值為48.08%。根據χ衍射物相分析，連云港地區軟土的黏土礦物以伊利石(43.24%)和綠泥石(34.23%)為主，其次為蒙脫石(15.32%)，還含有少量凹凸棒石。其中蒙脫石對土的工程特性影響最大[20]。一般黏土礦物形狀為片狀(圖9)，這就決定了研究區軟土比表面很大，黏土礦物顆粒表面結合水膜很厚，造成土體顆粒之間直接接觸很少，土體顆粒間易發生滑動。黏性土活動度A是反應黏土礦物活性的一個定量指標。活動度A定義為：黏性土的塑性指數IP與膠粒(粒徑小于0.002 mm)質量分數(wBJ)的比值，即A=IP/wBJ。工程地質手冊規定：A≤0.75為非活性黏土；0.751.25活性黏土。研究區軟土活動度A最大值為2.03，最小為0.84，平均值為1.43，平均值大于1.25；說明研究區軟土中的黏土礦物活性高，黏土類型以活性黏土為主，這是研究區軟土強度低的一個原因。

連云港地區軟土微結構為不穩定的片架狀結構[21-22]，其是軟土在連續沉積時形成的一種結構形式，黏土礦物呈扁平狀顆粒單元或聚集體，以面-面接觸為主(圖9)，其次為邊-面接觸(最不穩定的一種接觸關系)。基于多張SEM圖像分析可知：研究區軟土超大孔(孔徑≥40 μm)約占總孔隙的14.73%；大孔(20～40 μm)約占總孔隙的11.59%；中孔(5～20 μm)約占總孔隙的32.29%；小孔(2～5 μm)約占總孔隙的23.36%；微孔(1～2 μm)約占總孔隙的9.33%；極微孔(< 1μm)約占總孔隙的8.46%。超大孔隙和大孔隙隨軟土埋深逐漸減少，孔徑<5 μm的孔隙隨埋深的增加逐漸增多，且孔隙分布趨于均勻，這與軟土抗剪強度隨埋深增大的變化規律一致。研究區軟土大孔隙和超大孔隙發育，顆粒間接觸不穩定的關系，也是其抗剪強度低的一個主要原因。

圖8 單孔軟土抗剪強度隨埋深分布圖Fig.8 Distribution map of soft clay shear strength with depth in single hole

水平觀測，深度15.1 m。圖9 淤泥原狀樣的SEM(掃描電子顯微鏡)圖片Fig.9 SEM image of undisturbed mud deposit

基于上面的分析可知：軟土顆粒組成、黏土礦物成分、微觀結構等因素決定了研究區軟土具有很低的抗剪強度。

6 結論

1)連云港地區軟土為堿性環境下沉積的非均質海積軟土。采用活動度這一定量指標描述了黏土礦物的活性，研究表明工作區軟土活動性高。軟土中的黏土礦物主要以面-面接觸為主，軟土結構為不穩定的片架狀結構，決定了研究軟土抗剪強度很低。

2)三軸UU試驗和UTC試驗土體單元應力狀態一致。土體制樣采用垂直方向的切取試樣方式，試驗時最小主應力為水平方向，最大主應力為豎直方向，土體沿該應力狀態下的最弱橢圓形斜面剪切破壞，破裂角在45.10°～45.70°區間最為集中，約占破裂角總數的93%。

3)軟土強度具有固有各向異性。三軸UU試驗豎直面和水平面對軟土抗剪強度貢獻量基本相當。快剪試驗中，剪切面為固定的水平面，軟土強度反應土體天然沉積面的強度。三軸UU試驗測得的黏聚強度大于直剪中的快剪測得的黏聚強度，反映了研究區軟土水平剪切面強度最低，豎直面抗剪強度最高。

4)FVT試驗測得軟土強度平均值為19.72 kPa，與三軸UU試驗和UTC試驗得出的強度平均值相比高了約6.60 kPa。兩種室內試驗法測得抗剪強度較FVT試驗低，與試驗試樣的機械擾動、土體應力狀態改變和土體剪切破壞面特征有關。