沿海地區(qū)洪沖積性粉土的強(qiáng)度特性研究與評(píng)價(jià)方法探討

黃祈鑫

摘要：沿海地區(qū)因長(zhǎng)時(shí)間的海水沖刷及海相沉積作用而形成了具有復(fù)雜力學(xué)特性、濕化特性及結(jié)構(gòu)性的洪沖積性粉土。為研究該類型粉土的工程應(yīng)用問(wèn)題，文章結(jié)合廣西某高速公路工程實(shí)際，在顆粒力學(xué)與土骨架研究的相關(guān)理論基礎(chǔ)上，通過(guò)假設(shè)土顆粒的接觸和堆積形式，分析了土體顆粒粗細(xì)占比變化對(duì)土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而通過(guò)理論計(jì)算分析了粗細(xì)土顆粒含量的最佳比例，并提出了針對(duì)該類型土的評(píng)價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：巖土工程;粉土;顆粒力學(xué);土骨架;土體強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U445.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.032

文章編號(hào)：1673—4874（2020）11-0117-06

0引言

沿海地區(qū)廣泛分布的粉土是一種具有復(fù)雜組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的特殊土，受洪積、海積、流水沖積及近海沉積共同作用的影響，使得該類型土具有復(fù)雜的顆粒組成、礦物組成以及膠結(jié)類型。傳統(tǒng)的土類評(píng)價(jià)方法尚難以對(duì)其準(zhǔn)確定名及分類，因而難以與現(xiàn)有的土體物理力學(xué)性質(zhì)及工程性質(zhì)建立起經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。該類型粉土由于具有復(fù)雜的中間狀態(tài)、顆粒組成復(fù)雜、液塑限差異大等因素，造成其在工程應(yīng)用上存在諸多困難。目前，國(guó)內(nèi)許多研究者已經(jīng)注意到洪沖積性粉土具有特殊的力學(xué)特性，并對(duì)其的應(yīng)用進(jìn)行了一系列的探索。石名磊等通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江河口粉質(zhì)土的研究建立了以孔隙函數(shù)劃分土工程特性的評(píng)價(jià)方法。針對(duì)低液限粉土的水理性質(zhì)及力學(xué)特性，宋修廣等基于黃河沖積平原區(qū)粉土的吸水特性以及粉土的強(qiáng)度衰減規(guī)律，討論了該地區(qū)路基設(shè)計(jì)及修筑時(shí)的難點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，粉土本身也具有較為特殊的性質(zhì)，使得該類型土在直接利用或改良使用方面，均面臨著承載力不足、滲透破壞嚴(yán)重、邊坡沖刷及路基濕化軟化等問(wèn)題。目前的研究尚無(wú)法完全認(rèn)識(shí)洪沖積性粉土的力學(xué)特性，因而能提供的針對(duì)性處治技術(shù)也十分有限。

本文結(jié)合廣西貴（港）合（浦）高速公路建設(shè)工程項(xiàng)目，針對(duì)該地區(qū)洪沖積性粉土，從土的顆粒組成、結(jié)構(gòu)性方面研究該類型土用作路基填料時(shí)CBR值的影響因素，對(duì)該類型土的強(qiáng)度性質(zhì)進(jìn)行研究，并探討其內(nèi)在的影響因素。

1洪沖積性粉土的基本力學(xué)特性

試驗(yàn)土樣取自廣西某高速公路施工區(qū)域內(nèi)，該工區(qū)內(nèi)的土在歷史上經(jīng)歷長(zhǎng)期土層沉積變化及海水沖刷，形成了以洪積、流水沖積及海相沉積共同作用形成的混合土。洪積及沖積土層作用時(shí)間相對(duì)海相沉積作用較短。勘查發(fā)現(xiàn)這類土層通常覆蓋于海相沉積層上，并含有一定量的粉砂及細(xì)砂，局部含有粗砂及少量礫石。本文選取了10個(gè)土樣樣本進(jìn)行了一系列土工試驗(yàn)。土樣基本組成成分如表1所示，物理力學(xué)特性如表2所示。

從表2的試驗(yàn)結(jié)果分析，不同土樣的土顆粒組成成分、最佳含水率等物理指標(biāo)均存在明顯的差異，結(jié)合《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）中對(duì)于土的工程性質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，本文所研究的對(duì)象土樣可劃分為低液限粉土。

2顆粒組成對(duì)CBR試驗(yàn)影響因素分析

CBR是一種貫入試驗(yàn)，貫入過(guò)程中，貫入桿底面區(qū)域土體與整體之間產(chǎn)生相對(duì)位移，在產(chǎn)生的剪切面上表現(xiàn)出土的抗剪強(qiáng)度特性，因此CBR值在公路路基上可以反映出路基的局部抗剪能力。由于土是一種典型的散粒體材料，具有明顯的顆粒物質(zhì)力學(xué)特性，土顆粒的尺寸大小、排列方式等因素均對(duì)土體整體承載能力及變形能力有顯著影響。近海洪沖積土由于長(zhǎng)時(shí)間的沉積及沖刷作用，造成其土樣中細(xì)小顆粒物大量流失，顆粒級(jí)配不連續(xù)，尤其是粘粒占比降低，將對(duì)土體的承載能力造成不可逆的影響。

2.1土顆粒堆積方式分析

土顆粒間擠壓接觸變形構(gòu)成復(fù)雜骨架結(jié)構(gòu)，土顆粒相互摩擦咬合產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)為顆粒體系提供抗剪切能力及抗變形能力。李廣信等通過(guò)理論分析及碎石樁模擬實(shí)驗(yàn)分析研究了土骨架的意義及作用機(jī)理，即土顆粒的相互接觸構(gòu)成所謂土骨架，骨架顆粒是土體受力的主要載體，土的強(qiáng)度及變形能力主要取決于土骨架的強(qiáng)度及變形。該理論與顆粒物質(zhì)力鏈理論符，力鏈理論認(rèn)為顆粒物質(zhì)體系內(nèi)部力的傳導(dǎo)依賴于顆粒間的相互接觸，但承擔(dān)這一任務(wù)的顆粒并不占多數(shù)且在受力時(shí)位置變化不大，非力鏈顆粒通過(guò)填充力鏈顆粒間的孔隙起到保護(hù)力鏈不被破壞的作用。因此對(duì)于由土顆粒組成的土體，其密實(shí)程度越大，孔隙率越小，土體的承載能力、抗剪能力越大。

室內(nèi)試驗(yàn)采用鋼球模擬等大球體顆粒自然堆積，則平面內(nèi)單個(gè)球體最多接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)為6，即配位數(shù)CN為6時(shí)，堆積體系孔隙率為0.395。研究表明：經(jīng)振動(dòng)密實(shí)后孔隙率為0.37。等大球體按簡(jiǎn)單立方體堆積時(shí)，理論孔隙率為0.52，大多數(shù)粉粒土的孔隙率為0.55左右，接近于簡(jiǎn)單立方體堆積狀態(tài)。

CBR試驗(yàn)中土體試件在壓力成型后，土顆粒處于接觸狀態(tài)，試模對(duì)顆粒側(cè)向變形進(jìn)行約束。假設(shè)土體內(nèi)部顆粒接觸狀態(tài)如圖1所示，定義下方為支承顆粒球，半徑為R，顆粒O為滑動(dòng)顆粒球，半徑為r。P為正向應(yīng)力，T為切應(yīng)力，顆粒O有向右滑動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)顆粒O與左下側(cè)顆粒脫離接觸時(shí)，顆粒O產(chǎn)生滑動(dòng)，反映在土體上即為滑動(dòng)剪切面。剪切面為圖1中的水平虛線A-A，單元剪切面寬度為2R，剪切面垂直紙面方向的厚度為1個(gè)單位。規(guī)定剪切單元中只有一個(gè)顆粒滑動(dòng)時(shí)，當(dāng)滑動(dòng)顆粒由最低點(diǎn)位置沿右側(cè)支承球開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，達(dá)到極限剪切強(qiáng)度。滑動(dòng)球沿支承球表面滑動(dòng)過(guò)程所需的水平剪切力逐漸降低，滑動(dòng)至支承球頂面時(shí)，達(dá)到最低值，隨后發(fā)生剪切破壞。

2.2考慮土顆粒組成因素的CBR試驗(yàn)

本文討論分析的粉土中的砂粒、粉粒、粘粒含量相當(dāng)，任何一種粒徑都難以形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，基于上述球形顆粒堆積體系的分析，以0.075mm作為粗細(xì)粒土的區(qū)分粒徑，按填充顆粒與骨架顆粒之比從小遞增至22：78時(shí)為最佳進(jìn)行組合。試驗(yàn)土樣預(yù)先進(jìn)行過(guò)篩分選，按粗顆粒（粒徑大于O.075mm）、粉粒（粒徑介于O.075至0.002m間）及粘粒（粒徑小于0.002mm）分類，分別以粗顆粒及粉粒為骨架顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)篩分后重新設(shè)計(jì)組合的土樣CBR試驗(yàn)表明：以粗粒土為骨架，細(xì)粒土為填充顆粒可以有效提高土體的承載能力（CBR值），并在骨架顆粒與填充顆粒之比接近78：22時(shí)達(dá)到試驗(yàn)土樣的最大CBR值。但對(duì)于以粉粒土為骨架，粘粒土為填充顆粒的試驗(yàn)土樣，其承載能力（C8R）較現(xiàn)場(chǎng)原狀土樣并無(wú)明確提升，但從表4仍可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)作為骨架的粉土顆粒占比接近78%時(shí)，土樣CBR值趨于穩(wěn)定。

實(shí)際上組成土體的顆粒并非簡(jiǎn)單的球形顆粒，土顆粒的不規(guī)則形狀及棱角性均對(duì)土顆粒的摩擦咬合起著重要影響，而土體中的細(xì)粒土多為針狀或片狀結(jié)構(gòu)，由于土顆粒間存在有一定量的水分，因此土中的黏土礦物顆粒的親水性使顆粒間形成水膜，使相鄰?fù)令w粒間的摩擦擠壓效果減弱。同時(shí)，粘粒含量的提高也相應(yīng)增多了顆粒間水膜體積，因此，試驗(yàn)中以細(xì)粒土為骨架的土體CBR值較粗粒土骨架的CBR值低。由于粘粒具有較強(qiáng)的親水性，當(dāng)試驗(yàn)土樣中的粘粒含量增加時(shí)，也能起到土顆粒間部分潤(rùn)滑、降低摩擦效應(yīng)的作用，因此試驗(yàn)結(jié)果中當(dāng)粘粒含量提高時(shí)，土樣CBR值出現(xiàn)減小的情況。

以上分析表明了按球形接觸模型研究土體承載能力具有可行性及可靠性，但對(duì)于土樣A1、A2及表4中試驗(yàn)結(jié)果與理論分析間的差距仍不能做合理的解釋。影響CBR的因素較多，考慮試驗(yàn)土樣采自沿海地區(qū)，受海水沖刷及海相沉積作用的影響，土樣的結(jié)構(gòu)性可能是造成上述試驗(yàn)結(jié)果與理論分析出入的重要原因。

3結(jié)構(gòu)性對(duì)CBR試驗(yàn)的影響分析

3.1洪沖積性粉土的結(jié)構(gòu)性討論

土的結(jié)構(gòu)性通常指土顆粒通過(guò)一定的排列方式所呈現(xiàn)出來(lái)的物理力學(xué)性質(zhì)，而土顆粒間的排列方式通常受土中礦物種類、孔隙水形態(tài)、外界約束等因素影響。現(xiàn)場(chǎng)土樣通過(guò)差熱分析鑒定出土中含有鐵質(zhì)、鋁質(zhì)礦物，易生成金屬礦物膠結(jié)從而增強(qiáng)土的結(jié)構(gòu)性，存在于顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)能使較小顆粒聚攏組成大顆粒，常規(guī)顆粒分析可能無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)其篩分，但在外力作用下，這類大顆粒易破碎為小顆粒，因此在顆粒組合設(shè)計(jì)的CBR試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)與理論不符的情況。為驗(yàn)證這一分析，對(duì)試驗(yàn)土樣采用移液管，并設(shè)計(jì)不同的浸泡時(shí)間、土樣干燥處理及添加化學(xué)試劑的對(duì)照組進(jìn)行分散試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，土中粉粒及粘粒含量上升，同時(shí)采用焦磷酸鈉作為分散劑處理后的粘粒含量大幅增多，表明現(xiàn)場(chǎng)原狀洪沖積土具有較強(qiáng)的膠結(jié)物質(zhì)以及結(jié)構(gòu)性，在外界干擾下土中顆粒易破碎使原級(jí)配發(fā)生變化。

3.2結(jié)構(gòu)性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)顆粒分散試驗(yàn)驗(yàn)證了洪沖積性粉土的結(jié)構(gòu)性主要來(lái)源于其自身礦物膠結(jié)物質(zhì)，為進(jìn)一步研究土體結(jié)構(gòu)性對(duì)土樣強(qiáng)度的影響，在上述骨架顆粒研究的基礎(chǔ)上，以粗顆粒骨架土樣為基本實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了采用不同土樣處理方法的cBR試驗(yàn)，具體處理方法包括加壓、排水、泡水等。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

CBR試驗(yàn)采用不同的處理方法，對(duì)結(jié)構(gòu)性有不同影響，從而cBR試驗(yàn)結(jié)果也不同。試驗(yàn)組c1、c2中對(duì)土樣施加上覆壓力時(shí)的CBR有少量提高，主要原因是加壓可以限制土在泡水過(guò)程中的體積膨脹，從而保證試樣的密度接近成型時(shí)的密度，骨架顆粒與填充顆粒比值對(duì)cBR有明顯影響。風(fēng)干悶料試驗(yàn)與天然原狀土直接貫入試驗(yàn)相比，原狀土樣的結(jié)構(gòu)性保存較好，風(fēng)干悶料對(duì)土的結(jié)構(gòu)性破壞作用明顯，且結(jié)構(gòu)性的破壞具有不可逆性。試驗(yàn)組C7、c8中，振動(dòng)成型試樣的強(qiáng)度較擊實(shí)成型的試樣強(qiáng)度高，主要原因是擊實(shí)過(guò)程中，擊錘周圍的土松散，內(nèi)部顆粒并不完全均勻受力;而振動(dòng)成型過(guò)程中，土體內(nèi)部顆粒經(jīng)振動(dòng)后可充分相互接觸，且成型表面較平整。

在道路路基修筑及使用過(guò)程中，路基填料含水率會(huì)發(fā)生變化，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)cBR試驗(yàn)通過(guò)對(duì)試樣泡水來(lái)預(yù)測(cè)路基填料在使用期間的含水率變化，但不能對(duì)土的結(jié)構(gòu)性因素進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。對(duì)照試驗(yàn)組中，試驗(yàn)土樣泡水與否對(duì)cBR試驗(yàn)結(jié)果影響較大，表明該類型粉土在較高含水率下隨時(shí)間增長(zhǎng)，土顆粒開(kāi)始分散，土的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生不可逆性破壞。

4洪沖積性粉土強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法

4.1評(píng)價(jià)模型的建立

4.2洪沖積性粉土的水穩(wěn)性分析

通過(guò)本文所論述的結(jié)構(gòu)性試驗(yàn)表明：結(jié)構(gòu)性是影響該類型土承載能力變化的關(guān)鍵因素，主要原因是含水率與泡水時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)性造成不可逆的破壞并降低土的承載能力。本文采用CBR試驗(yàn)的中土樣泡水后的體積膨脹率對(duì)洪沖積性粉土的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，土樣風(fēng)干擊實(shí)成型后于試件兩個(gè)端面泡水，測(cè)定土樣膨脹率并進(jìn)行CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

提高土樣成型密度對(duì)降低膨脹率有一定效果，一般性粘粒土吸水膨脹為整個(gè)體積均勻膨脹，膨脹時(shí)沒(méi)有變形空間，因而受約束時(shí)產(chǎn)生較大的膨脹壓力，無(wú)約束時(shí)產(chǎn)生較大的膨脹變形，失水后體積收縮明顯。本文所研究的對(duì)象粉土結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，土樣風(fēng)干對(duì)原有的結(jié)構(gòu)性有一定的消除作用，風(fēng)干過(guò)程中土中粉粒較粘粒更易分散，重塑土?xí)r粘粒聚攏成團(tuán)填充在顆粒空隙中，若土中粗粒土含量較少，在試樣泡水制備過(guò)程中，由于不飽和粘粒土團(tuán)吸水率較大，在粉粒空隙中優(yōu)先吸水并達(dá)到飽和。因此洪沖積性粉土的體積膨脹是在粉粒土空隙間產(chǎn)生，這種不均勻膨脹將粉粒間空隙擴(kuò)大，造成表觀膨脹變大，失水時(shí)由于膠結(jié)物質(zhì)的作用使體積收縮不明顯。

1^#試驗(yàn)組中的試樣顆粒以粉粒土為主，少量的粗粒土處于粉粒、粘粒包裹中，土中孔隙主要為粉粒間空隙。隨著土中粗顆粒含量增加，更多的粗顆粒得以相互接觸，限制了粘粒土團(tuán)吸水后的膨脹。5^#試驗(yàn)組粗顆粒占比接近球形顆粒堆積的最佳比例，因此5^#試驗(yàn)組的CBR及膨脹率均優(yōu)于其余試驗(yàn)組。6^#試驗(yàn)粗顆粒含量最大，CBR值較5^#試驗(yàn)組略有降低，膨脹率略高，分析認(rèn)為粉粒、粘粒占比較低的情形下，粉粒、粘粒易集中堆積，吸水后產(chǎn)生局部膨脹壓力，削弱了骨架顆粒體系的強(qiáng)度。

通過(guò)5^#與1^#、2^#、3^#、4^#、6^#的對(duì)比，提高土體密度及粗顆粒含量對(duì)限制洪沖積性粉土結(jié)構(gòu)性影響，提高承載能力及水穩(wěn)定性有明顯效果，粗顆粒作為骨架顆粒時(shí)，含量以78%左右為宜。

5結(jié)語(yǔ)

（1）沿海地區(qū)分布的洪沖積性粉土顆粒組成復(fù)雜，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性且易濕化使其承載能力大幅降低，作用路基填料使用時(shí)必須對(duì)其土顆粒組成進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）顆粒級(jí)配及由于膠結(jié)物質(zhì)所形成的結(jié)構(gòu)性是影響洪沖積性粉土CBR強(qiáng)度的重要因素，泡水或干燥均對(duì)其顆粒級(jí)配及結(jié)構(gòu)性有不可逆的影響;在消除結(jié)構(gòu)性影響后發(fā)現(xiàn)影響洪沖積性粉土CBR特性的主要因素為粗顆粒含量及密度。

（3）基于球形顆粒接觸模型研究分析的骨架顆粒與填充顆粒的關(guān)系及評(píng)價(jià)方法，可以有效指導(dǎo)土的顆粒配比設(shè)計(jì)，提高土的CSR強(qiáng)度及水穩(wěn)定性。