彭建林

慈溪地區(qū)灰色粘土物理力學(xué)性質(zhì)分析

彭建林

（安徽省核工業(yè)勘查技術(shù)總院，安徽 蕪湖 241002）

杭州灣地區(qū)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(shù)高、中等壓縮性、抗剪強(qiáng)度大的特性；物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)與陸地常規(guī)土性質(zhì)不相同。本文通過對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)測(cè)試，野外鑒別及原位測(cè)試；對(duì)這類土的特征有了較全面認(rèn)識(shí)。

慈溪；沖海積層；物理力學(xué)性質(zhì)；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(fā)現(xiàn)慈溪地區(qū)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(tǒng)沖海積層（Q3al+m），野外鑒別原狀土為硬可塑，充分?jǐn)_動(dòng)后呈軟可塑狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為高含水量、高液限、孔隙比大，力學(xué)強(qiáng)度跟野外鑒別一致，表現(xiàn)較好力學(xué)性質(zhì)；物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)匹配性矛盾，與常規(guī)土性質(zhì)不相同（陶旭光等，2020）。

1 野外鑒別及試驗(yàn)

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

圖1 鉆探所取芯樣

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

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

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

采用《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》（TB 10102-2010）（中國(guó)人民共和國(guó)鐵道部，2010）。

2.1 該粘土測(cè)試成果

表1 慈溪粘土的基本物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)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(shù)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(shù)大，一般0.39～0.92，平均值0.63。

（3）中壓縮性土：壓縮系數(shù)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?qiáng)度指標(biāo)（快剪），凝聚力一般為31.0～62.0kpa，標(biāo)準(zhǔn)值為41.62kpa，摩擦角一般為2.9°～13.8°，標(biāo)準(zhǔn)值為6.87°。

表3 慈溪粘土試樣高度與固結(jié)壓力的關(guān)系表

綜上所述，該粘土表現(xiàn)為高含水率、高液限、大孔隙比、塑性指數(shù)高、液性指數(shù)高、壓縮性較小、抗剪強(qiáng)度大的特點(diǎn)。

常規(guī)粘性土當(dāng)含水量為30%～45%之間，平均值為37.2%時(shí)，液限約為30%～40%之間，液性指數(shù)大于0.75，為軟—流塑狀，壓縮系數(shù)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(nèi)摩擦角約為1°～5°之間?？梢娫撜惩恋倪@種指標(biāo)組合與常規(guī)土體有較大差異。

2.2 壓縮指標(biāo)分析

選取24個(gè)試樣的固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中15個(gè)試樣進(jìn)行了高壓固結(jié)試驗(yàn)。

根據(jù)選取的24個(gè)試樣的初始孔隙比平均值e=1.047，以及表3各級(jí)壓力下的變形平均值可以計(jì)算出各級(jí)壓力下的孔隙比平均值。

根據(jù)表4，該粘土的綜合固結(jié)曲線如圖2所示。

表4 各級(jí)壓力下的孔隙比、壓縮指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

綜上可以看出首級(jí)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)出常規(guī)土正常的下一級(jí)小于上一級(jí)2倍增量變化，當(dāng)壓力超過1200kpa之后才呈現(xiàn)正常的變大的趨勢(shì)。說明該粘土在較小的壓力剛作用時(shí)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(dāng)壓力繼續(xù)超過200kpa后變形量繼續(xù)增加，變形顯著，呈現(xiàn)出較高的壓縮性，直到壓力達(dá)到1200kpa以后壓縮性變小（孔慶東，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(jié)構(gòu)單元之間可能存在某種牢固的膠結(jié)鍵致使其有一定的天然強(qiáng)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(diǎn)（羅鴻禧，陳守義，1981）。

由表5可以看出，該粘土的先期固結(jié)壓力Pc大約在300～400kpa范圍內(nèi)，超固結(jié)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(yàn)固結(jié)曲線也可以看出，當(dāng)壓力小于自重壓力時(shí)，試樣難以壓密，當(dāng)壓力超過自重壓力時(shí)，試樣為再壓縮，壓縮性變小。

表5 慈溪粘土超固結(jié)比統(tǒng)計(jì)表

2.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(qiáng)度。舍去異常值，由表2統(tǒng)計(jì)中小平均值和中大平均值如下，50kpa壓力下，抗剪強(qiáng)度值為43～65kpa， 100kpa壓力下，抗剪強(qiáng)度值為55～84kpa，150kpa壓力下，抗剪強(qiáng)度值為59～86kpa，200kpa壓力下，抗剪強(qiáng)度值為69～99kpa。凝聚力標(biāo)準(zhǔn)值為41.62kpa，摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為6.87°。各級(jí)剪切試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線基本無峰值出現(xiàn)，類似于松砂。625、626號(hào)樣做了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，qu分別為44kpa、66kpa，換算為不固結(jié)不排水強(qiáng)度值cu分別為22kpa、33kpa。

圖2 該粘土綜合e～p曲線圖

2.4 力學(xué)強(qiáng)度較大的成因分析

該粘土的基本結(jié)構(gòu)單元之間可能存在某種牢固的膠結(jié)鍵致使其有一定的天然強(qiáng)度，在海洋的特殊沉積環(huán)境下，含有一定的有機(jī)質(zhì)（郭曉娟，2015）、碳酸鹽等水穩(wěn)性膠結(jié)物質(zhì)，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中逐漸產(chǎn)生了較強(qiáng)的附加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3 結(jié)語

慈溪市位于杭州灣地區(qū)特殊粘土，因臨近東海，地下土質(zhì)沉積環(huán)境復(fù)雜。導(dǎo)致粘土特點(diǎn)為高含水量、高液限、大孔隙比、比重大、塑性指數(shù)大、液性指數(shù)高、壓縮性較小、抗剪強(qiáng)度大，出現(xiàn)粘土物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)與常規(guī)粘土特征不匹配性。

該粘土特殊的沉積環(huán)境下具有一定的天然結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，野外鑒別原狀土狀態(tài)為硬可塑，室內(nèi)對(duì)該粘土進(jìn)行充分的擾動(dòng)，比如揉、搓等，擾動(dòng)后呈軟可塑狀態(tài)，野外波速測(cè)試值較高，靜力觸探錐尖阻力值較小，也說明該粘土在擾動(dòng)后的力學(xué)性質(zhì)下降顯著。

該粘土為欠亞密土，其壓縮特性為，當(dāng)壓力較小時(shí)，因?yàn)樽陨淼奶烊唤Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)較小的壓縮性，當(dāng)壓力增大致使其天然結(jié)構(gòu)破壞，土的結(jié)構(gòu)破壞變軟，壓縮性并不立刻隨著壓力的增大而減小，而是穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，直到壓力大于其自重壓力時(shí)，壓縮性會(huì)減小，成正常增長(zhǎng)。

該粘土具有較高的抗剪強(qiáng)度，因?yàn)槠浯罂紫侗?、結(jié)構(gòu)破壞變軟的特點(diǎn)，其剪應(yīng)力-見應(yīng)變關(guān)系曲線呈松砂的特點(diǎn)，基本不出現(xiàn)峰值應(yīng)力。

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

中華人民共和國(guó)鐵道部．2010．鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程（TB10102-2010）[S]．北京．中國(guó)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(xué)技術(shù)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(zhì)特性[M]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)．

李廣信、張丙?。?013．土力學(xué)[M]．北京：清華大學(xué)出版社．

郭曉娟．2015．江西省東鄉(xiāng)縣特殊土的性質(zhì)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(cè)土木工程師（巖土），主要從事工程勘察、巖土、試驗(yàn)工作