淤泥质土 性质

西北地区残积淤泥类土的工程地质特性余侃柱提要残积淤泥类土分布于我国西北地区，它具有成层性差，结构、构造不均一，厚度变化大，抗剪强度低，中压缩性，非湿陷性，高灵敏性，承载力低，在饱水状态下，还具有触变、流变性等特点。该文以临厦—临洮、定西—榆中盆地等为代表该类土的资料为基础，深入研究该类土的工程特性。关键词残积淤泥类土工程特性评价处理措施ENGINEERINGGEOLOGICALPROPERTIESOFTHERESIDUEMUCKYSOILINNORTHWESTREGIONSYuKanzhu(InstituteofWaterConservancyandhydropowerInvestigationandDesign,GansuProvince)AbstractTheresiduemuckysoilsaredistributedinthenorthwestregionofChina.Theypossessthecharacteristicsofbadstratification,nonuniformityofstrctureandtexture,largevarianceinthickness,lowshearstrength,mediumcompressibility,non-collapsibility,highsensitivityandlowbearingcapacity.Undersaturatedcondition,theyalsopossesscharacteristicsofthixotropyandrheology.ThepapertakesthedatafromLinxia-LintaoandDingxi-Yuzhongbasinsasrepresentativesofthesesoils.Onthisbasis,itdeeplystudiestheengineeringpropertiesofthesesoils.Keywordsresidualmuckysoil;assessmentofengineeringcharacteristics;treatmentmeasures1前言我国西北地区一些地槽、盆地中普遍分布着残积淤泥类土，它有别于我国沿海一带分布的典型淤泥质土，它是一种区域性特殊类型土。该类土天然含水量高，孔隙比大，透水性低，中压缩性，高灵敏性，强度低，固结缓慢，还具有一定触变、流变特性。近年来，随着水利、交通、工业民用建筑和其它行业进一步开发建设，该类土往往构成各类工程建筑物的地基和边坡，因其特性危害到地基和边坡的稳定性，因而决定着合理的工程设计和地基处理措施。本文以甘肃省临夏—临洮、定西—榆中、内官—香泉等盆地的该类土为代表，深入研究该类土的工程特性，对工程建设有着重要的意义。2残积淤泥类土的分布规律与成因近年来，在临夏—临洮、定西—榆中、内官—香泉等盆地的水利工程如南阳渠灌溉工程、引洮灌溉工程等的勘测设计中发现该类土，并且在甘肃省东部、南部和我国西北地区其它地方也有此类土的分布。该类土分布一般与周围环境有直接关系，与古地貌形态、水文气象条件、水文地质条件、地层岩性等密切相关。主要表现在以下几方面：a.分布与地貌密切相关，一般分布于我国西北地区相对封闭盆地、地槽内。盆地底部相对厚度大，而盆地边缘、丘陵斜坡地带则相对厚度小，且各地厚度不等，厚者达200m，薄者仅0.5m。b.呈间断性、不连续分布。在分水岭有分布，而在山麓、冲沟中无分布，阶地一侧分布而另一侧无或者厚度差异较大。c.分布区既有半干旱气候区，也有高寒阴湿地区。气候类型不同，分布厚度相差较大。一般高寒阴湿地区分布厚度略大于干旱地区。干旱区颗粒粒度较粗，而高寒阴湿地区颗粒较细。d.该层底部一般为形成该土的母岩第三系红色岩层，岩性以粘土岩、粉质粘土岩、砂岩等为主。某些地方，该层裸露地表，而某些地方则上覆新近堆积黄土状土或第四系全新统堆积物。e.残积淤泥类土根据地层的成因类型可分为残积、残坡积、洪积、河湖相沉积等。本区以残积多见。甘肃省东部、南部盆地中所分布该类土就以残积形成。湖积土在内官—香泉盆地中亦有分布。虽然目前对残积淤泥类土的成因说法不一，但这类土的形成与地貌、第四系构造运动、区域性断裂分布、水文气象条件、水文3残积淤泥类土的物理性质残积淤泥类土的物理力学性质指标见表1、表2，且有以下特点：表1残积淤泥类土物理指标地点颗粒组成/%天然密度kN/m3含不量%孔隙比饱和度%液限%塑限%塑性指数＞0.05mm0.05～0.005mm＜0.005mm西北地区残积淤泥类土13～2061～6817～2414.8～18.630～890.8～1.286～9725～7016～4211～37沿海淤泥类土经验范围值55～6330～4514.9～18.040～85＞1.0＞9535～6018～2715～48表2残积淤泥类土力学指标地点原状快剪饱和快剪原状固结快剪十字板剪切试验CukPa压缩系数200kPaα1-2MPa-1湿陷系数200kPaδs凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角ckPaφ(°)ckPaφ(°)ckPaφ(°)西北地区残积淤泥类土9.8～3022～303.2～16.414.6～17.49.8～303～3016～200.07～0.40.007～0.01沿海淤泥类土经验范围值1～81.5～105～152～1210～40＞0.5a.颜色呈灰、灰绿、灰兰、青灰、灰褐色，结构不均，颜色各地分布有差异。b.颗粒组成以粉粒为主，含量为61%～68%，粘粒含量17%～24%，砂粒含量为13%～20%。粘粒主要粘土矿物成分为伊利石、高岭石、蒙脱石、蛭石等。不同高程，分水岭两侧颗粒组成略有差异，分布越高，粒度越细。有机质含量各地不同，一般为1%～4%。局部底部含有植物根茎和树木碎片。c.天然密度高，一般大于1.7t/m3，含水量高，饱和度达86%～97%，呈饱和状态。天然含水量一般大于液限，一般在30%～89%，呈软塑～流塑状态。孔隙比一般在0.9～1.2之间。d.力学强度低。现场十字板剪切强度Cu≤20kPa，干燥状态下抗剪强度稍高。非湿陷性，中压缩性，承载力低，允许承载力［R］=0.05～0.1MPa。e.透水性低，固结速度缓慢，产生不均匀沉降。饱和状态下具有流变性、触变性。f.该类土有别于我国沿海一带淤泥类土。表现在天然含水量、有机质含量、孔隙比接近沿海淤泥类土经验值的下限值；粘粒含量、液限、塑限、塑性指数、压缩系数、灵敏度均小于沿海淤泥类土经验值的下限值；渗透系数、饱和度基本相同；而力学强度明显高于沿海淤泥类土。4残积淤泥类土的工程地质特性4.1抗剪强度低残积淤泥类土的抗剪强度与其结构、密度、含水量有着密切的关系。结构密实，孔隙小，有机质含量、含水量较小时，抗剪强度较大。当含水量为9.8%，原状快剪φmax=34.8°，cmax=43.4kPa，而在饱和状态，φmin=11°，降低68.4%，cmin=0kPa，降43.4%。从图1知原状快剪和饱和快剪试验粘聚力变化不大，而内摩擦角降低28.4%；原状固结快剪和固结残余快剪粘聚力和内摩擦角变化都不大。上述四种试验状态除饱和快剪内摩擦角较其它三种较小外，其余三种试验内摩擦角变化不甚明显，而粘聚力变化较大，这是因为土粒间水膜与相邻土粒间的分子引力、土中化合物的胶结作用发生变化，土体中孔隙水压力、土粒间的排列组合结构、联结数量等发生变化有关。图1不同试验条件下抗剪强度曲线注：1—原状快剪；2—饱和快剪；3—原状固结快剪；4—固结残余快剪含水量对残积淤泥类土抗剪强度指标影响表现为随含水量(w)的增大内摩擦角(φ)和粘聚力(c)都有减小的趋势。从图2知，随w的增大，φ总的具有降低的趋势；饱水时φ值小于天然土体φ值15～25倍；当w小于塑限而大于9.8%，φ值在34.8°～28°间；当w大于塑限而小于液限时，φ值随w的增高而急剧降低，φ值变幅28°～14°间；当w大于液限时，φ值随w的增高而继续降低，但变幅减小，φ值一般小于14°。随w进一步增大，φ值最低为2°～1°。图2内摩擦角与含水量关系曲线c值随w增大变化表现为，当w＜3%，c值较大；当w＞3%而小于塑限或者饱和含水率时，c值随w增大急剧降低，c值降低3.5～8倍；当w大于饱和含水量时，c值随w变化不甚明显，但总是趋于降低趋势。残积淤泥类土单轴抗压强度为0.187MPa，原状三轴抗剪强度指标φ=5°，c=127kPa，饱和三轴抗剪强度指标φ=2°～4°，c=8～64kPa。该类土三轴试验φ值明显小于直剪试验，c值则大于直剪试验。该类土的强度同其结构有着密切的关系，当土体的结构受到破坏或扰动时，强度迅速降低，十字板剪切试验原状土Cu≤20kPa，重塑土Cu≤14kPa，降低30%，随着深度增加Cu也在增大，但增加幅度不大。4.2固结性固结系数平均值Cu=3.12×10-3cm2/s，次固结系数平均值Cu=0.0123，表明初始压缩瞬时完成，主固结变化很微弱，次固结占主导地位，为主要压缩阶段。固结过程中排水和沉降速率很慢。按时间平方根法计算，土体固结度达90%时，土体最大排水距离按0.5m和1.0m计算，则固结所需时间t90分别为1.2a和5.14a。4.3中压缩性压缩性用压缩系数α1-2来衡量。α1-2越大则土的压缩性越强。该土α1-2max=0.4MPa-1，无论在天然或饱和状态下α1-2max均小于0.5MPa-1，属于中压缩性土。土体结构破坏，含水量增大，压缩系数也增大。压缩指数平均值Cc=0.032，表明压缩过程缓慢，孔隙随压力变化十分缓慢，随压力增大的过程中，孔隙比减少幅度很小。该土的沉降量与压力增大近似呈线性关系。回弹指数平均值Cs=2.08×10-3，表明回弹过程中，随着压力减小土体回弹不明显，土体弹性部分变化很小，孔隙比变化亦很小，以塑性变形为主。4.4非湿陷性湿陷系数δmax=0.001,δzsmax=0.0101，均小于0.015，属非湿陷性土。湿陷起始压力为252kPa。非湿陷原因与该土天然含水量大、可溶盐含量小等有关。4.5低透水性该类土垂直渗透系数K=10-5～10-6cm/s，由于各向异性，渗透系数水平较垂直向大数倍。因透水性差，该类土在荷载作用下不易排水固结，建筑物基础易产生沉降和变形，沉降延续时间较长。4.6触变性触变性大小用灵敏度St来表示，该类土一般St=2～5，大者达16，属高灵敏性土。在饱水状态下，经扰动或振动其结构受到破坏，土体的强度显著降低，使土体呈稀释流动状态，产生侧向滑动、沉降及向基底两侧挤出，形成土溜体、滑坡体危害工程的建设。如南阳渠工程2#隧洞～3#隧洞间明渠段，渠道开挖边坡还未衬砌，就几乎淤平，并产生小坍滑体；3#隧洞进口洞脸、掌子面边坡难以成形，无法施工，其它地段和工程也曾出现此现象，曾改线数次以避开残积淤泥类土的影响。4.7流变性流变性是指土体在一定剪应力作用下，土体随时间增长发生缓慢而长期的剪切变形，并可导致抗剪强度的衰减，土体结构的破坏。该类土体天然含水量高，塑性流变严重。试验在饱水状态下，蠕变变形占总变形的25%～51%，最大为89.6%，蠕变应变平均速率3.27×10-4h-1，蠕变系数为1/2500h-1，最大1/357h-1，相差7倍。室内试验大部分试件都在100～200h即发生蠕变破坏。流变长期强度c=7.6kPa，φ=2°，破坏强度c=13kPa，φ=6°。在施工开挖过程中，蠕变变形量大，速率缓慢，使边坡随时间增长而缓慢失稳，侧向挤出或鼓起，渠道边坡发生松动、侧向流变或土溜体，已建成渠道失稳或衬砌支护被拉裂。如老南阳渠灌溉工程，经过四十多年变化大部分地段现已发展成多级台级状滑坡、土溜体。5残积淤泥类土的主要工程地质问题评价残积淤泥类土的主要工程地质问题是边坡的稳定性和地基的稳定性，而地基的稳定性主要为地基承载力、沉降与变形、固结和压密。尽管残积淤泥类土工程条件很差，对工程的影响很严重，在地下水作用下，工程地质条件更加恶化，但只要正确认识它，并掌握它的工程特性，对其作