平潭海相軟土工程特征研究

1 前言

軟粘土多為第四紀沉積物，分布于河流中下游、沿海或湖泊附近，常見的成因類型可分為濱海相、河谷相、瀉湖相、溺谷相、湖沼相、三角洲相等。平潭島四面環海，金井灣片區位于海島西南側，地區軟粘土為濱海相沉積軟粘土。《巖土工程勘察規范》中將軟土定義為天然孔隙比大于或等于1，且為天然含水量大于液限的細粒土，主要包括淤泥質土和淤泥。當天然隙比大于或等于1.5時稱為淤泥，當天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1時稱為淤泥質土[1]。軟粘土性質獨特，因此研究地區軟土的工程地質特征對工程實際意義較大。

2 物理力學性質指標統計分析

平潭金井灣片區軟粘土多為淤泥質土，其具有孔隙比高、含水量大、壓縮性高、滲透性低、低強度等特征，土層中的砂、貝殼含量對物理力學性質影響較大。本文收集了片區內三個勘察項目229 組軟粘土層試樣室內物理力學試驗成果，其物理力學指標統計見表1[2]。

表1 金井灣片區物理力學指標

3 物理力學性質指標間的相關關系

通過片區軟粘土層試樣室內物理力學試驗成果數據，統計分析w與e、w與a、w與C、wl與Ip間的相關關系如下：

3.1 天然含水量w與天然孔隙比e

土是由固體顆粒、水和氣體三部分所組成的三相體系[3]。固體部分構成土骨架，骨架間全部由水充滿的稱為飽和土，一部分水占據、一部分氣體占據的稱為非飽和土。平潭金井灣片區軟土為飽和土，因而孔隙比e與天然含水量w 呈正相關關系，同時相關系數R=0.986，回歸方程e=0.0261w+0.0764。三相指標換算公式中e=Gs×w/Sr，飽和軟粘土理論上Sr=100%，土工成果統計Gs/Sr=2.68，回歸方程結果與三相指標換算結果基本吻合。

3.2 天然含水量w與壓縮系數a

壓縮系數a是壓縮試驗所得e-p曲線上某一壓力段的割線的斜率，屬于土體壓縮性大小的指標，飽和軟土飽和度Sr=100%，因此天然含水量與壓縮系數在特定壓力下呈現正相關關系，相關系數R=0.834，回歸方程a=0.0435w-0.9601。

3.3 天然含水量w與土的黏聚力C值

抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限強度，它首先決定于土體本身的基本性質，是土的主要力學性質之一。它不僅受土的狀態影響，還受土的組成和土的結構影響，這些性質與土的成因環境、應力歷史、當前受力環境的應力狀態有關。黏聚力C 由土粒間的各種物理化學作用力決定，其包括庫侖力（靜電力）、膠結力、范德華力等，且與取樣攏動程度、試驗精度等有關[3]。土中的水僅是黏聚力眾多影響因素之一，總體趨勢是含水量越大，強度越低，但天然含水量w與土的黏聚力c值無明顯的線性相關關系。

3.4 液限wl與塑性指數Ip

塑性圖是由Aasagrangde 于1947年提出的細粒土分類方法，是在眾多地區大量土樣分析的基礎上建立的，目前被多國采用，我國也較早在各類規范中引用了Aasagrangde 塑性圖。由數據統計可知，該地區軟土液限與塑性指數呈正相關關系，相關系數R=0.892，回歸方程Ip=0.4998Wl-5.4363，與相關學者研究統計的福建沿海地區軟土Ip～Wl指標回歸方程 Ip=0.55Wl-5.995 近似；對比二者可發現，不同地區軟粘土試驗成果統計的塑性圖并非完全相同，應根據地區成果進行修正[4]。

4 十字板剪切試驗

4.1 十字板剪切試驗方法及成果

十字板剪切試驗用于測定飽和軟黏性土的靈敏度和在原位壓力下固結不排水抗剪強度，是一種有效的現場測定土在天然應力狀態下不排水強度試驗的方法。電阻應變式十字板剪切試驗依托貫入裝置將十字板頭壓入不同試驗深度，并借助齒輪扭力裝置旋轉十字板頭，用電子儀器量測土的抵抗力矩，從而計算出土的抗剪強度；測試時首先將十字板頭貫入到位后靜置2～3min，與地溫熱平衡后調零，然后開動秒表，以1～2°/10s的速度旋轉轉盤，搖把每轉一圈計數一次，直到剪損后仍繼續讀數1min，測得峰值強度即為原狀土的天然狀態下的不排水抗剪強度；測重塑土抗剪強度時可松開卡塊，順時針轉動鉆桿6 圈，然后重復上述步驟，并測量記錄原位重塑土的不排水抗剪強度。試驗結果詳見表2。

表2 現場十字板剪切試驗統計成果表

圖1 土體強度、靈敏度與土層深度關系曲線圖

場地地表下5m范圍內為填砂，因此該段未應進行十字板剪切試驗，試驗深度從地面下6m 開始到試驗區軟土層底結束。由圖1及表2分析可知，土的靈敏度與深度不存在明顯關系，原狀土強度隨土層深度的增加而增大，重塑土強度亦隨著土層深度的增加而增大，原狀土強度隨深度增加較為明顯。十字板剪切試驗不排水抗剪強度峰值，一般認為是偏高的，土的長期強度只有峰值強度的60%～70%。在工程中需根據土質條件和當地經驗做必要修正。靈敏度值介于3.57～5.38 之間，表明場地軟土屬高靈敏度軟土，即在土體受到外來因素擾動時，土體強度明顯降低。

4.2 現場十字板剪切試驗成果與室內三軸試驗成果對比

場地地表下5m范圍內為填砂，在6～7m 位置取軟黏土原狀樣進行室內三軸不固結不排水（UU）試驗，抗剪強度C值為12.4kPa，場地相同埋深處原狀土十字板剪切強度C值為16.90kPa，即相同深度十字板剪切試驗強度比室內不固結不排水抗剪強度大，差值約26.9%。其主要原因可能是取樣、運輸及試驗時土樣受到擾動，土粒間的膠結物質及水分子、土粒、離子所組成的平衡體系受到了破壞，或者土樣含有少量砂粒，導致試驗數值偏小，兩種試驗方法的成果值差距增大。

5 結語

5.1 平潭金井灣片區軟土多為淤泥質土，其具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、高靈敏度、低強度等特點。

5.2 通過室內試驗數據統計分析，得出了軟土天然含水量w與天然孔隙e、天然含水量w與壓縮系數a，液限wl與塑性指標Ip 間的相關關系，可供地區估算軟土參數參考使用。

5.3 平潭金井灣片區軟土力學性質總體上隨深度增加而增大，物理力學性質受砂土、貝殼等影響較大。