下蜀黃土層的原位壓縮特性分析

李 全 軍

(江蘇省巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212021)

1 概述

下蜀黃土是我國區(qū)域性分布的一種特殊風(fēng)塵沉積性土壤，因最早在江蘇省鎮(zhèn)江市句容縣下蜀鎮(zhèn)附近研究而得名。其形成于第四紀(jì)晚更新世，普遍發(fā)育于長江中、下游地區(qū)，尤其是在寧鎮(zhèn)地區(qū)地帶廣泛分布[1]。下蜀黃土的厚度各地變化較大，鎮(zhèn)江地區(qū)大約10 m～25 m居多，局部最厚可達(dá)30 m～40 m。如此厚的土層對工程建設(shè)的影響往往不容忽視，故深入研究鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土的物理力學(xué)特性具有重要的實(shí)際意義。

喬春元等[2]對下蜀黃土顆粒分形計(jì)算表明顆粒分維值隨粘粒含量的增大而增大，并探討了粒度分維值所代表的工程地質(zhì)意義。陳璞皎等[3]針對鎮(zhèn)江下蜀黃土剖面進(jìn)行粒度特征分析進(jìn)一步表明其是風(fēng)塵沉積的產(chǎn)物。夏佳和劉子彤[4]分析了下蜀黃土的非均質(zhì)性及非飽和特性隨地貌的變化情況。夏磊等[5]發(fā)現(xiàn)比貫入阻力與土體物理力學(xué)指標(biāo)間存在著良好的線性關(guān)系，給出利用靜力觸探參數(shù)預(yù)測下蜀黃土工程性質(zhì)的方法。苗永紅和張立新[6]探討了粘粒含量、塑性指數(shù)、標(biāo)貫擊數(shù)、比貫入阻力對下蜀黃土承載力的影響。此外，胡云[7]為下蜀黃土作為垃圾填埋場襯墊層的可行性提供了滲透與變形特性的依據(jù)。但以上針對鎮(zhèn)江下蜀黃土的研究中缺少對其壓縮特性方面的報(bào)道，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形控制理念正逐步引起重視，因此深入探討鎮(zhèn)江區(qū)域下蜀黃土的變形特性具有重要的理論和實(shí)際意義。

本文針對鎮(zhèn)江某工程下蜀黃土的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)成果，分析其原位壓縮特性，為今后鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土層的工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為下屬黃土力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)提供理論參考。

2 下蜀黃土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

受業(yè)主委托，對鎮(zhèn)江市官塘橋路西側(cè)某地塊進(jìn)行巖土工程的詳細(xì)勘察工作。該地塊平均下伏20 m以上的下蜀黃土，其平均埋深為5 m左右，因此該土層為上部結(jié)構(gòu)的主要受力層之一，其變形特性直接決定上部結(jié)構(gòu)變形計(jì)算的精準(zhǔn)度。為相對準(zhǔn)確地計(jì)算上部結(jié)構(gòu)的變形值，對下蜀黃土層的變形特性展開詳盡分析就顯得尤為重要。該土層的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層的基本物理性質(zhì)指標(biāo)(平均值)

根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，該土層可定義為粉質(zhì)黏土。

3 下蜀黃土的原位壓縮特性分析

反映土體原位壓縮特性的指標(biāo)主要包括土層的初始孔隙比、初始有效應(yīng)力、壓縮(回彈)指數(shù)及前期固結(jié)壓力，進(jìn)而可開展該土層的原位壓縮變形計(jì)算。因此，原位壓縮指標(biāo)的確定對變形計(jì)算尤為重要，下面將主要圍繞以上指標(biāo)對下蜀黃土原位壓縮特性展開分析。

3.1 下蜀黃土層初始孔隙比與初始有效應(yīng)力分析

下蜀黃土屬于風(fēng)塵沉積土，其初始有效應(yīng)力的確定應(yīng)充分考慮土體的沉積作用。謝康和等[8]給出土層考慮沉積作用時(shí)土體初始有效應(yīng)力的計(jì)算方法，該方法能夠反映土體的初始有效應(yīng)力與初始孔隙比之間的e—logp非線性關(guān)系。根據(jù)鉆孔資料及土工壓縮試驗(yàn)成果，確定土體的壓縮曲線，在此基礎(chǔ)上計(jì)算下蜀黃土層不同深度處的初始有效應(yīng)力及初始孔隙比。

(1)

獲得初始有效應(yīng)力的基礎(chǔ)上，可利用式(2)計(jì)算土層的初始孔隙比e0沿深度的分布。

(2)

將通過理論公式計(jì)算得到的鉆孔1及鉆孔2初始孔隙比與鉆孔取樣測試得到的初始孔隙比沿深度分布作比較，對比如圖1，圖2所示。

從圖1，圖2可發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用式(1)和式(2)計(jì)算得到的下蜀黃土層初始孔隙比與實(shí)測初始孔隙比相比較吻合，說明利用式(1)和式(2)計(jì)算初始有效應(yīng)力和初始孔隙比的方法是有效的。

3.2 前期固結(jié)壓力分析

分析土層原位壓縮特性時(shí)前期固結(jié)壓力是影響較大的參數(shù)。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土的前期固結(jié)壓力，對不同深度處多個(gè)土樣開展室內(nèi)壓縮試驗(yàn)以確定其前期固結(jié)壓力。不同土樣的壓縮曲線如圖3所示，利用土樣室內(nèi)壓縮曲線可確定不同深度處的前期固結(jié)壓力。

利用式(1)可計(jì)算不同深度處的初始有效應(yīng)力。計(jì)算條件如下：以鉆孔2為例，深度3 m處初始有效應(yīng)力58.5 kPa，對應(yīng)的孔隙比為0.78，其壓縮曲線壓縮指數(shù)為Cc=0.2。不同深度處下蜀黃土層的初始自重應(yīng)力和前期固結(jié)壓力具體見表2。

從表2可發(fā)現(xiàn)，去除初始自重應(yīng)力的計(jì)算誤差及取樣回彈的擾動(dòng)誤差，可認(rèn)為鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土屬正常固結(jié)土范疇，且壓縮系數(shù)在0.15～0.2間變化。

表2 不同深度處初始有效應(yīng)力及前期固結(jié)壓力

至此，可確定鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土的原位壓縮曲線，初始孔隙比和初始有效應(yīng)力沿深度是變化的，同時(shí)不同深度處的前期固結(jié)壓力也是變化的，壓縮指數(shù)在0.15～0.2之間變化，同時(shí)鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土層大多處于正常固結(jié)狀態(tài)，進(jìn)而可確定鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土的原位壓縮曲線。

4 鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土層的原位壓縮曲線

5 結(jié)語

下蜀黃土在寧鎮(zhèn)地區(qū)分布廣泛，其對工程建設(shè)影響較大。本文結(jié)合鎮(zhèn)江某工程的鉆孔取樣的室內(nèi)試驗(yàn)成果，認(rèn)識(shí)鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土的原位壓縮特性，主要得到如下結(jié)論：

1)鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土層大多處于正常固結(jié)狀態(tài)，如果剔除取樣擾動(dòng)及試驗(yàn)誤差的影響，其前期固結(jié)壓力與土層初始有效應(yīng)力相等。

2)下蜀黃土屬于典型的沉積土，通過對不同深度處土樣的室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)考慮沉積作用的土層初始有效應(yīng)力的計(jì)算方法對鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土層是適用的。

3)鎮(zhèn)江地區(qū)下屬黃土的壓縮指數(shù)一般在0.15～0.2間變化，根據(jù)土層初始有效應(yīng)力和初始孔隙比及壓縮指數(shù)，給出了鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀黃土層的原位壓縮曲線。