慈溪地區灰色粘土物理力學性質分析

彭建林

慈溪地區灰色粘土物理力學性質分析

彭建林

（安徽省核工業勘查技術總院，安徽 蕪湖 241002）

杭州灣地區慈溪地下勘探遇灰色粘土，為硬可塑狀，具高含水量、高液限、孔隙比大、液性指數高、中等壓縮性、抗剪強度大的特性；物理性質與力學性質與陸地常規土性質不相同。本文通過對其物理力學性質的室內測試，野外鑒別及原位測試；對這類土的特征有了較全面認識。

慈溪；沖海積層；物理力學性質；欠壓密土

新建通蘇嘉甬鐵路工程杭州灣跨海特大橋南岸陸地段（慈溪市），2019年6月勘探發現慈溪地區埋深20m以下分布著一種灰色粘土，其主要分布埋深40～70m，為第四系上更新統沖海積層（Q3al+m），野外鑒別原狀土為硬可塑，充分擾動后呈軟可塑狀態，試驗結果表現為高含水量、高液限、孔隙比大，力學強度跟野外鑒別一致，表現較好力學性質；物理性質與力學性質匹配性矛盾，與常規土性質不相同（陶旭光等，2020）。

1 野外鑒別及試驗

（1）鉆探取芯，粘土顏色為灰色、灰黑色，硬可塑狀，土質均勻，粘性很大，刀切面光滑，有光澤，干強度及韌性高（圖1）。

圖1 鉆探所取芯樣

（2）波速測試。采用XG-I懸掛式波速測井儀單孔法，測得波速值203～345m/s，屬中軟—中硬場地土。

（3）靜力觸探試驗。采用江蘇溧陽科爾KE-U310雙橋靜探，測得錐頭阻力qc范圍值0.91～2.21Mpa，平均值1.37Mpa，側阻力fs范圍值24.3～128.6kpa，平均值47.0Mpa。根據靜力觸探參數判別為軟可塑狀。

2 室內試驗結果

采用《鐵路工程土工試驗規程》（TB 10102-2010）（中國人民共和國鐵道部，2010）。

2.1 該粘土測試成果

表1 慈溪粘土的基本物理力學指標統計表

根據表2，慈溪粘土特征：

（1）天然含水率高，在30%～45%，平均值37.2%。天然密度小，在1.73～1.96 g.cm-3之間，平均值1.86g.cm-3?？紫侗却?，一般在0.79～1.02，平均值1.02。

（2）液限含水率高，一般值38%～56%，平均44.2%。塑性指數高，一般17.3～26.6。比重較大，一般2.74～2.76，平均2.75，變化范圍小。液性指數大，一般0.39～0.92，平均值0.63。

（3）中壓縮性土：壓縮系數一般為0.12～0.33 Mpa-1，平均值為0.25 Mpa-1，壓縮模量一般為6.0～14.5Mpa，平均值為8.45Mpa，為中壓縮性土?？辜魪姸戎笜耍旒簦哿σ话銥?1.0～62.0kpa，標準值為41.62kpa，摩擦角一般為2.9°～13.8°，標準值為6.87°。

表3 慈溪粘土試樣高度與固結壓力的關系表

綜上所述，該粘土表現為高含水率、高液限、大孔隙比、塑性指數高、液性指數高、壓縮性較小、抗剪強度大的特點。

常規粘性土當含水量為30%～45%之間，平均值為37.2%時，液限約為30%～40%之間，液性指數大于0.75，為軟—流塑狀，壓縮系數大于0.45 Mpa-1，壓縮模量小于4.0 Mpa，凝聚力約為6～20kpa之間，內摩擦角約為1°～5°之間?？梢娫撜惩恋倪@種指標組合與常規土體有較大差異。

2.2 壓縮指標分析

選取24個試樣的固結試驗數據進行分析，其中15個試樣進行了高壓固結試驗。

根據選取的24個試樣的初始孔隙比平均值e=1.047，以及表3各級壓力下的變形平均值可以計算出各級壓力下的孔隙比平均值。

根據表4，該粘土的綜合固結曲線如圖2所示。

表4 各級壓力下的孔隙比、壓縮指標統計表

綜上可以看出首級50kpa壓力下試樣變形量較大，200kpa壓力下變形量增量較小，200～1200kpa范圍內試樣變形量與壓力值基本呈直線變化，壓力超過1200kpa后試樣變形量的增量隨壓力的增大而減小。試樣的壓縮特性表現為Es0-0.05較小，Es0.05-0.1、Es0.1-0.2較大、Es0.1-0.2、Es0.2-0.4、Es0.4-0.8、Es0.8-1.2這一段變化不大，沒有呈現出常規土正常的下一級小于上一級2倍增量變化，當壓力超過1200kpa之后才呈現正常的變大的趨勢。說明該粘土在較小的壓力剛作用時有一定的變形，之后在小壓力段有著較小的變形，呈中壓縮性，在中壓段當壓力繼續超過200kpa后變形量繼續增加，變形顯著，呈現出較高的壓縮性，直到壓力達到1200kpa以后壓縮性變?。讘c東，李秉宜，2016），3200kpa作用后最終的孔隙比為0.524，因此該粘土的基本結構單元之間可能存在某種牢固的膠結鍵致使其有一定的天然強度，這些鍵一旦破壞，試樣開始顯著變形，并中壓難以壓密，但可以壓密的特點（羅鴻禧，陳守義，1981）。

由表5可以看出，該粘土的先期固結壓力Pc大約在300～400kpa范圍內，超固結比在0.23～0.54之間，屬于欠壓密土（李廣信，張丙印，2013）。從各試驗固結曲線也可以看出，當壓力小于自重壓力時，試樣難以壓密，當壓力超過自重壓力時，試樣為再壓縮，壓縮性變小。

表5 慈溪粘土超固結比統計表

2.3 抗剪強度指標分析

慈溪灰色粘土高含水量、高液限、大孔隙比粘土卻有著較高的抗剪強度。舍去異常值，由表2統計中小平均值和中大平均值如下，50kpa壓力下，抗剪強度值為43～65kpa， 100kpa壓力下，抗剪強度值為55～84kpa，150kpa壓力下，抗剪強度值為59～86kpa，200kpa壓力下，抗剪強度值為69～99kpa。凝聚力標準值為41.62kpa，摩擦角標準值為6.87°。各級剪切試驗的剪應力-剪應變關系曲線基本無峰值出現，類似于松砂。625、626號樣做了無側限抗壓強度試驗，qu分別為44kpa、66kpa，換算為不固結不排水強度值cu分別為22kpa、33kpa。

圖2 該粘土綜合e～p曲線圖

2.4 力學強度較大的成因分析

該粘土的基本結構單元之間可能存在某種牢固的膠結鍵致使其有一定的天然強度，在海洋的特殊沉積環境下，含有一定的有機質（郭曉娟，2015）、碳酸鹽等水穩性膠結物質，在漫長的地質年代中逐漸產生了較強的附加結構強度。

3 結語

慈溪市位于杭州灣地區特殊粘土，因臨近東海，地下土質沉積環境復雜。導致粘土特點為高含水量、高液限、大孔隙比、比重大、塑性指數大、液性指數高、壓縮性較小、抗剪強度大，出現粘土物理指標與力學指標與常規粘土特征不匹配性。

該粘土特殊的沉積環境下具有一定的天然結構強度，野外鑒別原狀土狀態為硬可塑，室內對該粘土進行充分的擾動，比如揉、搓等，擾動后呈軟可塑狀態，野外波速測試值較高，靜力觸探錐尖阻力值較小，也說明該粘土在擾動后的力學性質下降顯著。

該粘土為欠亞密土，其壓縮特性為，當壓力較小時，因為自身的天然結構優勢表現較小的壓縮性，當壓力增大致使其天然結構破壞，土的結構破壞變軟，壓縮性并不立刻隨著壓力的增大而減小，而是穩定在一個范圍內，直到壓力大于其自重壓力時，壓縮性會減小，成正常增長。

該粘土具有較高的抗剪強度，因為其大孔隙比、結構破壞變軟的特點，其剪應力-見應變關系曲線呈松砂的特點，基本不出現峰值應力。

陶旭光，榮艷麗，劉冰．2020．菲律賓馬尼拉灣海洋土物理力學性質分析[J]．港工技術，57(4)，1-2．

中華人民共和國鐵道部．2010．鐵路工程土工試驗規程（TB10102-2010）[S]．北京．中國鐵道出版社．

孔慶東，李秉宜．2016．浙江高液限土壓縮特性研究[J]．科學技術與工程，16(30)，290-291．

羅鴻禧、陳守義．1981．湛江灰色粘土的工程地質特性[M]．水文地質工程地質．

李廣信、張丙印．2013．土力學[M]．北京：清華大學出版社．

郭曉娟．2015．江西省東鄉縣特殊土的性質分析研究[J]．江西水利科技，41(3)，230-231．

Physical and Mechanical Properties of Grey Clay in the Cixi Region

PENG Jian-lin

(Anhui Institute of Uranium Geological Exploration, Wuhu, Anhui 241002)

Buried gray clay in the Cixi region is a kind of hard but plastic clay which is characterized by high water content, high liquid limit, high void ratio, high liquidity index, medium compressibility and high shear strength. It differs from common clay in physical and mechanical properties. This paper has a discussion on its physical and mechanical properties.

Cixi region; alluvial strata; physical and mechanical properties; underconsolidated clay

P313.1

A

1006-0995（2022）02-0198-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.004

2021-07-12

彭建林（1989— ），男，四川巴中人，工程師，注冊土木工程師（巖土），主要從事工程勘察、巖土、試驗工作