福建沿海原状软土力学特性试验研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水利与建筑工程学报 ,:收稿日期:修稿日期:作者简介:田琦(),男,工程师,主要从事岩土工程等方面工作。:通讯作者:陈国篧(),男,工程师,主要从事岩土工程等方面工作。:福建沿海原状软土力学特性试验研究田琦,陈国篧,王伟,史宗刚,刘红位(中电建路桥集团有限公司,北京 ;福州大学 紫金地质与矿业学院,福建 福州 )摘要:软土广泛分布于我国沿海地区,其较差的工程性质往往给工程建设带来不均匀沉降、承载力低,因此开展原状软土力学特性研究具有重大意义。以滨海原状软土为研究对象,通过系统的室内试验研究土体细微观、物理力学及压缩固结特性。试验研究发现:()浅层()和深层()土体细微观结构
2、差异较大,浅层土中孔隙较多且呈鳞片状而深层土小孔隙比较低多为小孔。()土体压缩固结特性受到土体细微观和沉积环境影响,变化规律迥异,不同深度土体压缩性大小顺序具体为:。()土体抗剪强度随深度先增大后减小,主要受到土体粒径分布及有机质含量的影响,有机质含量越高软土抗剪强度越低。关键词:滨海原状软土;压缩固结;直剪试验;三轴试验;微观结构;剪切强度中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,):,()()(),(),:(),:;我国经济发展迅速,城市化规模与日俱增。软土广泛分布于我国东南沿海地区,具有高含水率、高压缩性、孔隙比大、高灵敏度、低渗透性、承载力低、力学强度差等特性 。工程实例表明,若
3、软土处置不当,会导致工程质量不合格,甚至是引起较大的工程事故 。因此,应开展系统的试验,研究软土的基本特性,为工程建设提供理论参考。众多学者开展了软土压缩固结特性的研究,发现土体结构是重要的影响因素。软土次固结系数变化以结构发生破坏时的结构屈服应力为分界,次固结系数在接近结构屈服应力时达到最大 。由于土体受结构性影响,近海软土和深海软土 对荷载敏感度不同,固结系数存在差异。吴雪婷 通过试验发现固结系数与固结应力之间存在显著的双对数线性相关性,得出淤泥固结系数随固结应力的变化规律可以用先期固结压力与荷载的相对大小关系来解释,并利用“改进的门田法”得到验证。以上是学者对不同地区软土压缩特性的研究,
4、但福建沿海地区滨海结构性软土的压缩固结特性研究相对缺乏,而软土压缩固结特性是工程建设的重要参数,因此研究福建沿海地区滨海结构性软土的压缩固结特性具有重大的理论意义。软土强度特性亦是研究者关注的焦点。部分学者采用原位试验确定土体抗剪强度及其结构特征规律 。室内试验三轴剪切试验表明,初始应力状态对饱和黏性土抗剪强度指标的影响显著,试验中应恢复土体原始应力状态 ,试验方案影响土体的抗剪强度参数 。等 基于原状和重塑软粘土试样强度特性的比较,提出了当土体受压达到屈服后应力状态时,结构抗力完全消失的土结构损失新解释。李旭昶等 发现扬州软土的内摩擦角与塑性指数、黏聚力和液限指数具有一定相关性。近年来,研究
5、者发现细微观是分析土体强度重要因素,徐日庆等 以平均接触面积率为评价土体抗剪强度指标,证明微观参数定量表征宏观力学特性的可行性。张先伟等 也发现湛江黏土塑性指数和抗剪强度与孔隙比相关性较差,区别于其他地区黏土。综上,软土区域性很强,特别是海相软土可借鉴的资料相对较少,因此,开展对滨海软土的研究,探明其强度特性不仅可增加对软土的理解亦可为工程实践提供基本参数。本文针对霞浦地区滨海原状软土开展一系列室内试验,包含直剪试验(固结快剪、固结慢剪)、一维压缩固结试验和常规三轴固结排水剪切试验。旨在探明:)滨海软土的压缩性;)软土的力学特性(抗剪强度);)土体细微观结构和有机质等对土体力学特性的影响。试验
6、用土和试验方法 试验土样本次试验所用土样取自福建霞浦县滨海新城项目湖滨北路 右幅路基外缘未处理区域,取样方式为钻机连接尺寸 的铁制薄壁取土器取样。共对 个钻孔取样,至淤泥土层,取样质量等级为级标准,扰动程度为不扰动,满足室内开展各类试验的要求 。取样完成后立即编录封装保存,运回实验室,运输过程中应尽可能减少振动,以免对原状土样产生扰动破坏,土样保存过程中,应保持取土管呈直立状态,否则将会使土样发生除原始重力方向以外的其他方向固结。采用推土器以 的速率小心推出取土管中土样,根据不同试验要求制备规定尺寸试样,切除余土,测定土体相关物理特性参数。不同深度粒径分布曲线如图 所示,土样的基本特性如表 所
7、示。图 土体粒径分布曲线表 土体基本特性深度 液限 塑限 液性指数塑性指数砂粒含量 粉粒含量 黏粒含量 土体分类()有机质含量 低液限黏土()低液限黏土()低液限黏土()注:土体分类根据土的分类标准 进行定名。试验方法本文试验包含固结试验、直剪切试验、三轴固结排水剪切试验及扫描电镜试验。()标准固结试验第 期 田琦,等:福建沿海原状软土力学特性试验研究采用三联高压固结仪进行一维压缩固结试验。分别选取、深度土体制备环刀原状土试样,每个深度取 个重复组试样进行试验。按照土工试验方法标准 要求逐级加卸载,每一级荷载稳定时间为 ,需保证每级加载后,百分表读数 ,方可进行下一级加载。()直剪试验固结快剪
8、和固结慢剪试验剪切速率分别为 、,在剪切过程中量力环读数达到最大值,则以该最大值为试样剪切力破坏值,若剪切全过程无峰值出现,则取剪切位移为 时所对应的剪切力为剪切破坏值。在剪切过程中应在剪切盒槽内加水,加压盖上以湿棉花包裹,防止因高温导致试样水分蒸发。()三轴固结排水剪切试验使用 型应力 应变控制式三轴剪切试验仪对深度为 土体开展三轴固结排水()剪切试验。围压 值分别为 、,试样的尺寸为 。将制备完成后三轴试样用饱和器固定好后放置于真空饱和装置内用抽真空法进行饱和,饱和完成后即可对试样进行安装并开展试验。首先,设定一定的围压(、)和反压(),检查试样饱和度,当 时,即视为完成饱和。然后,在一定
9、围压条件下对试样进行各向等压固结。最后,开展剪切试验,剪切速率为 ,当轴向应变 达到 时终止试验。()扫描电子显微镜()利用 场发射扫描电子显微镜()观察深度和 土体微观结构。按照水平方向选取米粒大小土样,采用真空冷冻干燥机在 条件下抽真空(以上)冰干试样 。将干燥后试样使用导电胶带固定于实验台上,采用英国 型全自动磁控离子溅射仪(参数设定为 ,)喷金处理固定于实验台上试样,以增强导电性,如试样表面喷金不均匀时,可做重复喷金处理。将处理完成后试样放大 倍,观察土体结构基本情况及变化规律。试验结果与讨论 土体细微观结构图 分别是浅层()和深层()土体扫描电镜图()。由图可知,浅层()土体颗粒间多
10、为边 面接触、面 面接触,层状结构整体性较差,层间无较强紧密性,呈鳞片状构造。颗粒间含有较多中型孔隙(),同时土层表面存在大量小型()、微型孔隙()。深层()土体颗粒间多为面 面接触,具有一定层状结构,层间接触紧密,孔隙较小。其中一个原因是可能是上覆土压力增加,导致土体密实度提高,土体孔隙减小 。深度 和 的土体不均匀系数()分别为 和 ,曲率系数()分别为 和 。由此可知,深度为 的土体颗粒粒径分布曲线平缓,不均匀系数较大,土颗粒分布不均,颗粒级配较佳,大孔隙被细颗粒填充,推测孔隙总量降低。图 扫描电镜图 一维压缩固结不同深度原状土一维压缩固结试验的 曲线和 曲线,如图 所示。总体上,软土在
11、压缩过程中存在明显的拐点,这是由于土体的结构性 产生结构屈服应力,压缩固结初期土体所受压力小于结构屈服应力,导致加载初期曲线较为平缓,土体变形量较小。当压力逐渐增大达到屈服应力时,压缩曲线出现拐点,压缩变形量加剧,其原因可水利与建筑工程学报第 卷能是土体结构改变,土体结构对压缩特性的影响逐渐变小至消失。土体大孔隙破坏,土中水排出量增大、孔隙比减小趋势加剧,颗粒间产生滑移。试验结果与 等 的研究成果类似。加载至一定荷载后,孔隙比变化幅度降低,逐渐呈平缓趋势发展,说明土体结构性完全散失,土体结构抗力消散。图 土体压缩曲线由图 可知,随着土层深度增加,土体初始孔隙比先减小后增大,即?。对比深度为与深
12、度为 土层,孔隙比大小与 结果吻合。浅层()土颗粒间以边 面接触为主,孔隙数量较多,存在孔隙贯通现象。而深层()土颗粒间以面 面接触为主,层间接触紧密,孔隙数量较少。土体受压缩变形的实质是土粒间孔隙逐渐减小的过程,土颗粒间接触方式不同,导致孔隙分布规律和数量存在差异,从而影响其压缩性。研究结果表明 ,不同深度土体初始孔隙比沿深度方向向下延伸呈现逐渐减小、压缩性减小的趋势。土体压缩指标如表 所示。由表 可知,随着深度增加,土体压缩系数、压缩指数先减小后增大,压缩模量先增大后减小。本研究结果与前人研究成果存在一定差异,主要原因受到海相结构沉积历史影响,沉积物中砂质物与黏土质物组成水平互层层理,黏性
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