浙江地區(qū)含硅藻類黏性土的工程性質(zhì)研究

田麗霞

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

在我國長三角沿海一帶地面下50 m以淺廣泛分布著軟黏性土地層，多是第四系全新統(tǒng)Q4沉積層，為海積、沖湖積沉積，主要由伊蒙混層黏土礦物組成，物理力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為高含水率、高液塑限、高壓縮性、高靈敏度、低承載力等工程特性，作為工程建設(shè)的不良地層被人們所重視，但在近些年的大型橋梁、超高層、超深基坑等工程項(xiàng)目建設(shè)中，隨著人們對深部地層的開發(fā)利用，在地面下50 m以深常常會(huì)揭露一種類似Q4沉積特性的黏性土層，按歷史成因可劃為第四系上更新統(tǒng)Q3沉積層，沖湖積沉積。此類黏性土具有觸摸手感細(xì)膩，天然密度小，孔隙比大，高靈敏度，原生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，但在外力作用下易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)強(qiáng)度迅速下降和變形突然增大的現(xiàn)象，并且在室內(nèi)土工試驗(yàn)成果中會(huì)出現(xiàn)物理和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)不匹配的特殊現(xiàn)象。經(jīng)對其成分進(jìn)行分析，含有大量硅藻類化石，化學(xué)成分以SiO2為主，礦物成分為蛋白石及其變種，主要由古代硅藻的遺骸形成。查閱相關(guān)資料，可稱為硅藻土。關(guān)于硅藻類土對工程影響的研究文獻(xiàn)較少，高大釗、李韜等[1]編著的《巖土工程試驗(yàn)、檢測和檢測》中記錄，我國工程人員在做項(xiàng)目時(shí)遇到高壓縮性湖湘沉積土的物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)不匹配的問題，高老師答疑此類土是一種成因條件比較特殊的土，一般認(rèn)為是Q4的，但這種軟土也可能是Q3的，所以在工程設(shè)計(jì)中不宜套用我國已有的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而需要做一些有針對性的試驗(yàn)，按照實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果來評價(jià)。余俊杰、許圣華等[2]在《寧德海相軟黏土工程特性與沉積環(huán)境初探》一文中對寧德環(huán)澳軟黏土從歷史成因、微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等方面進(jìn)行研究，提到了含硅藻質(zhì)軟黏土高強(qiáng)度、高靈敏的特性。在工程勘察工作中也很少單獨(dú)命名和劃分成層，造成土工試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)時(shí)，對此類土指標(biāo)往往按異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，因而不被工程技術(shù)人員重視，留下工程安全隱患。另外室內(nèi)土工試驗(yàn)工作中對此類土也僅進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)分析，很少進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)分析。

本文將從此類含硅藻類黏性土的微觀結(jié)構(gòu)、礦物成份和室內(nèi)土工試驗(yàn)等方面進(jìn)行研究，為今后工程建設(shè)提供參考。

1 研究概況

本次研究基于浙江寧波杭州灣新區(qū)某樁基項(xiàng)目，場地地貌類型屬浙北濱海平原。根據(jù)地質(zhì)資料，在勘探深度80 m范圍內(nèi)地層自上而下分為6個(gè)大層，本文研究的含硅藻類黏土分布于場地下53～63 m深度范圍內(nèi)，按浙江省工程標(biāo)準(zhǔn)《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范》（DB33/T 1065—2019）[3]地層可劃分為⑥2層黏土，屬Q(mào)3沉積層，沖湖積沉因類型。

本次研究方法，選取場地內(nèi)代表性土樣，通過掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分分析，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，進(jìn)行物理性質(zhì)（含水率、密度、孔隙比、液塑限、有機(jī)質(zhì)含量）和力學(xué)性質(zhì)（固結(jié)試驗(yàn)、先期固結(jié)壓力試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、無側(cè)限試驗(yàn)）等方面的研究。

2 含硅藻類黏土結(jié)構(gòu)及礦物成分

利用同濟(jì)大學(xué)掃描電鏡（日立SU1510型）對所取的代表性含硅藻類黏土進(jìn)行電鏡掃描成像，從微觀角度認(rèn)識其礦物組成及原始結(jié)構(gòu)，見圖1、圖2。

圖1 垂直向電鏡掃描圖

圖2 水平向電鏡掃描圖

從圖1可以看出：該層黏土除了有正常的伊蒙混層高嶺石、伊利石等成分外，還含有大量的藻類化石；從圖2可以看出：該層黏土中的藻類化石主要為圓篩藻及直鏈藻類。藻類的存在導(dǎo)致黏土結(jié)構(gòu)排列不規(guī)則、不緊密，具有很大的孔隙，因而表現(xiàn)出含水率大，孔隙率大，吸附力強(qiáng)，同時(shí)天然密度小，重量輕的特點(diǎn)。該層黏土由于沉積年代久、埋藏深，固結(jié)歷史長，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但圓篩藻及直鏈藻類化石本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不高，因此在外力作用下易破碎，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅降低，變形大幅增加，從而使該含硅藻類黏土具有較高的靈敏度和壓縮性。

3 含硅藻類黏土物理力學(xué)性質(zhì)研究

3.1 含硅藻類黏土的物理性質(zhì)

3.1.1 常規(guī)物理性試驗(yàn)

對該項(xiàng)目場地內(nèi)142組埋深在53～63 m的黏性土樣品進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)物理性試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

對表1分析：該層黏土跟普通軟黏土相比具有高含水率（最高為79.7%）、小密度（最小為1.47 g/cm3）、高孔隙比（最高2.370）、高孔隙率（最高為70.3），高液限（最高80.7%）及高塑限（最高42.0%）的特性。原狀土試驗(yàn)中手感觸壓強(qiáng)度較高，但根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞后進(jìn)行的液塑限試驗(yàn)結(jié)果，土體狀態(tài)可塑狀占比20%，軟塑狀占比79%，流塑狀占比1%，表明土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高。另外該黏土指標(biāo)離散性較大，土體均勻性差，分析原因主要是土樣中所含硅藻化石分布不均和硅藻的孔隙結(jié)構(gòu)造成。

表1 土層物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3.1.2 有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)

在場地內(nèi)取10組含硅藻類黏土樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量測試，采用燒灼法，燒灼溫度參考國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50307—2012）[4]按550℃確定，對試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 土層燒失量統(tǒng)計(jì)表

對試驗(yàn)結(jié)果表2分析：土樣的原始密度非常小，重量很輕，與常規(guī)的有機(jī)質(zhì)土較接近，但有機(jī)質(zhì)含量并不高，說明含硅藻類黏土雖然由古代硅藻的遺骸所組成，但已經(jīng)沉積成化石，其化學(xué)成分以SiO2為主，因此與有機(jī)質(zhì)土性質(zhì)有很大區(qū)別。

3.2 含硅藻類黏土的力學(xué)性質(zhì)

3.2.1 固結(jié)試驗(yàn)

對該黏土層進(jìn)行了95組標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，加荷序列按照土層埋深和附加應(yīng)力綜合確定為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每級壓力下每小時(shí)變形量不大于0.01 mm。選取100～200 kPa壓力下的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3。

對表2分析：該層黏土固結(jié)指標(biāo)的變化范圍和離散性都較大，壓縮性為中等～高壓縮性。

為進(jìn)一步分析固結(jié)指標(biāo)的變化特性，對壓縮系數(shù)指標(biāo)繪制了散點(diǎn)圖，見圖3。

圖3 壓縮系數(shù)指標(biāo)散點(diǎn)圖

從圖3可以看出：壓縮系數(shù)指標(biāo)以0.5 MPa-1為中心軸上下變化，總體上壓縮性偏高，主要為高壓縮性。

另外在本次固結(jié)曲線中發(fā)現(xiàn)普遍存在反常現(xiàn)象：即在某級荷重前曲線平緩，壓縮變形小，但在超過一定荷重后，曲線突然發(fā)生陡降，壓縮變形突然增大，然后又趨于平緩。為了尋找其突變規(guī)律，選取6組樣品，采用次固結(jié)增量校正試驗(yàn)方法進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)，加荷序列為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa、600 kPa、700 kPa、800 kPa、900 kPa、1 000 kPa、1 200 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa，典型的固結(jié)試驗(yàn)曲線結(jié)果見圖4。

圖4 高壓固結(jié)試驗(yàn)曲線圖

從圖4分析：土樣固結(jié)曲線在壓力50～500 kPa區(qū)間時(shí)，土樣變形穩(wěn)定，其壓力與孔隙比變化趨向于一次線性關(guān)系，壓力增至600 kPa以后，土樣變形出現(xiàn)明顯下降，壓力與孔隙比變化趨向于二次線性關(guān)系，隨后變形又趨于平緩。這一臺階式固結(jié)變形曲線與常規(guī)軟黏性土圓滑的固結(jié)變形曲線明顯不同，說明含硅藻類黏性土強(qiáng)度受硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和黏土本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的雙重控制，其中硅藻孔隙強(qiáng)度對變形影響較大。試驗(yàn)開始時(shí)，土樣的固結(jié)變形主要由硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，當(dāng)壓力超過硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后，硅藻孔隙結(jié)構(gòu)破壞，造成土體出現(xiàn)明顯沉降變形。繼續(xù)施加荷重，土體進(jìn)行新一輪的固結(jié)變形，此時(shí)主要由黏土本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)揮作用，因此曲線變化平緩且穩(wěn)定。在本場地中600 kPa壓力荷重是此類含硅藻類黏性土的硅藻孔隙強(qiáng)度破壞的極限值。因此在工程中需注意含硅藻類黏性土這一特性對承載力和沉降變形的影響。

3.2.2 先期固結(jié)壓力試驗(yàn)

為了解該黏性土的固結(jié)歷史，采用全自動(dòng)固結(jié)儀進(jìn)行先期固結(jié)壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)，最大壓力為3 200 kPa，典型的試驗(yàn)曲線結(jié)果見圖5。

圖5 先期固結(jié)壓力試驗(yàn)曲線圖

根據(jù)試驗(yàn)曲線，采用Casagruande圖解法求得土樣的先期固結(jié)壓力Pc值，然后根據(jù)土層自重應(yīng)力計(jì)算得到該類土的超固結(jié)比。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，先期固結(jié)壓力Pc值在2～4，屬超固結(jié)土，相比較常規(guī)軟黏性土（Pc值1左右）要大出很多，說明此類黏性土沉積歷史較長，固結(jié)程度較高，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2.3 直接剪切試驗(yàn)

對該類黏性土進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)方法分別采用直剪快剪和固結(jié)快剪方法，垂直壓力采用100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四級荷重。本次共進(jìn)行了26組直剪快剪試驗(yàn)和43組固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 直接剪切試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

對試驗(yàn)結(jié)果表4進(jìn)行分析：

（1）同一種試驗(yàn)方法得到的剪切強(qiáng)度指標(biāo)離散性非常大，并且剪切強(qiáng)度指標(biāo)與天然密度、孔隙比等物理性質(zhì)指標(biāo)沒有相關(guān)性。分析原因主要是該類黏土的剪切強(qiáng)度受所含硅藻類結(jié)構(gòu)影響較大，由于土樣硅藻類含量及分布不均勻，故反映出剪切強(qiáng)度變化范圍較大。

（2）不同的試驗(yàn)方法得到的黏聚力普遍較大，與常規(guī)軟黏性土有很大不同。該類黏土雖然天然密度較小，多呈現(xiàn)為軟塑狀態(tài)，但得到的剪切強(qiáng)度指標(biāo)較高，出現(xiàn)剪切力學(xué)參數(shù)與物理性狀態(tài)不匹配的情況。分析原因主要是由于該類黏性土固結(jié)歷史較長，屬超固結(jié)土，歷史上受過比現(xiàn)應(yīng)力大的有效應(yīng)力的壓密，因此具有比正常固結(jié)土高的抗剪強(qiáng)度，另外，由于含硅藻類化石，導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列不規(guī)則，顆粒之間接觸面較粗糙，也增大了抗剪強(qiáng)度。對于物理性狀態(tài)不佳主要受含硅藻類成份結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的高孔隙率影響，造成土體出現(xiàn)低密度、高含水率、高孔隙比等現(xiàn)象。

（3）不同的試驗(yàn)方法得到的內(nèi)摩擦角普遍較小，并且兩種試驗(yàn)方法獲得的內(nèi)摩擦角差別不大，說明固結(jié)排水對該黏性土原始強(qiáng)度影響并不明顯。分析原因主要是土體固結(jié)度較高，且硅藻類結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也較高，而試驗(yàn)加荷受儀器設(shè)備限值，不能使土樣進(jìn)行充分固結(jié)排水，因而得到的內(nèi)摩擦角值差異不明顯。

3.2.4 三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)

對該類黏性土采用全自動(dòng)三軸儀進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，選取代表性土樣制成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，周圍壓力分別按200 kPa、300 kPa、400 kPa施加。試驗(yàn)結(jié)果曲線見圖6、圖7。

圖6 三軸應(yīng)力強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

圖7 三軸應(yīng)變試驗(yàn)曲線

從圖6可以看出：該類黏土總應(yīng)力指標(biāo)和有效應(yīng)力指標(biāo)均較大，受其原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響，其剪切強(qiáng)度大于常規(guī)軟粘性土。

從圖7可以看出：該類黏土強(qiáng)度破壞峰值明顯，呈現(xiàn)為脆性破壞特征，明顯不同于普通軟粘土無峰值的剪切破壞曲線。

3.2.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對該類黏性土選取10組土樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

對統(tǒng)計(jì)表4分析：該類黏土原狀樣抗壓強(qiáng)度值很大，普遍高于常規(guī)的軟黏土，但擾動(dòng)樣抗壓強(qiáng)度值較低，靈敏度非常高，屬于高靈敏～極靈敏土，個(gè)別為流性，表明土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對外力作用敏感。

典型的試驗(yàn)曲線見圖8，試樣破壞情況見圖9。

圖8 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

圖9 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度破壞圖

從圖8可以看出：土樣原狀樣試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)陡升和陡降形式，土樣結(jié)構(gòu)破壞峰值強(qiáng)度明顯，而此時(shí)軸向變形卻不大。土樣擾動(dòng)樣試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)緩升形式，且無強(qiáng)度峰值。

從圖9可以看出：土樣剪切破壞形態(tài)明顯，軸向變形很小，基本上看不出有什么變化，呈現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。

4 結(jié)語

通過對含硅藻類黏性土的微觀結(jié)構(gòu)、礦物成份以及室內(nèi)土工試驗(yàn)等方面的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）含硅藻類黏土具有高含水率、高孔隙比、高液塑限、高靈敏度、高壓縮性、高固結(jié)比、低密度等工程特性，與常規(guī)軟黏土和有機(jī)質(zhì)土存在很大的不同，工程建設(shè)中需引起重視。

（2）含硅藻類黏土的物理力學(xué)性質(zhì)受所含硅藻組成結(jié)構(gòu)和分布不均的影響，導(dǎo)致指標(biāo)離散性很大，并且物理性質(zhì)指標(biāo)不佳（如密度小，孔隙比大），而力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)較好（如剪切強(qiáng)度大、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高），兩者明顯不協(xié)調(diào)。因此在土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的選用過程中不能按常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，需充分考慮其特殊性。

（3）在工程建設(shè)中，建議對含硅藻類黏土除了進(jìn)行常規(guī)的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)外，宜增加微觀結(jié)構(gòu)或礦物成分分析試驗(yàn)。另外考慮到此類土的特殊性，建議單獨(dú)劃分成層，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對土層定名為硅藻類土，以便引起工程技術(shù)人員重視。

（4）根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)，含硅藻類黏土的變形特征由硅藻類結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和土體本身強(qiáng)度雙重控制，具體表現(xiàn)為在受到外力作用下，先是受硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，超過一定壓力后，硅藻孔隙結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生陡降變形，然后受土體本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，開始新一輪的固結(jié)穩(wěn)定過程，產(chǎn)生平緩變形。因此，確定硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對工程結(jié)構(gòu)變形控制至關(guān)重要，室內(nèi)試驗(yàn)需要確定含硅藻類黏土的臨界荷載，以便為設(shè)計(jì)確定承載力和變形要求提供參考依據(jù)。

（5）根據(jù)三軸剪切試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，含硅藻類黏土原狀樣具有較高的抗壓強(qiáng)度，但土體結(jié)構(gòu)破壞后，呈現(xiàn)脆性破壞，強(qiáng)度大幅降低，屬高靈敏～極靈敏土，對施工過程控制及后期建筑物地基沉降存在很大的隱患。故建筑物地基持力層遇到該層土?xí)r，宜穿過該層或增大與該層的安全距離，以保證工程安全。另外由于該層土靈敏度高，采用樁基振動(dòng)沉樁時(shí)會(huì)造成該層土結(jié)構(gòu)破壞，承載力急劇下降，且恢復(fù)緩慢，因此遇到此類土層時(shí)不建議使用振動(dòng)成樁工藝。

（6）本次研究基于寧波杭州灣新區(qū)某樁基項(xiàng)目，內(nèi)容和深度有限，建議在今后能有更多此類含硅藻類黏土特性的研究，為工程設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)提供合理、可靠的地質(zhì)依據(jù)。