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宁波地区软土物理力学性质试验研究

更新时间 2011-10-27 14:14:18 点击数:

    宁波地区软土物理力学性质试验研究何颖(浙江省水文队工程勘察院测试中心,浙江宁波315000)1前言第四纪泻湖相、溺谷相与滨海相等海相沉积软土层一般包括淤泥与淤泥质土,广泛分布在浙江省东南沿海地区。这些软土层具有强度低、含水量大、透水性差、压缩性大、土质不均匀、地区之间土性存在较大差异等特点。土的物理力学性质指标对于反映土的工程特性具有重要的实用价值,也是研究土体性质的重要依据。随着多年来浙江省沿海地区大量水利、交通、城建等方面的工程(如海堤、码头、公路、水库、水闸、桥梁、工业与民用建筑等)的兴建,积累了大量软土工程地基土室内与野外试验研究成果,也积累了丰富的软土工程经验。现以宁波地区为例,根据宁波地区历年所兴建工程的地基勘察报告,系统分析宁波地区软土的工程特性并结合试验对其研究。
    2工程地质特性
    在地理位置上,宁波地区位于杭州湾口南侧,宁-奉平原中部,兼有山、海、平原之利,三面环山,北面临海,西与四明山麓相连,是白垩纪后期北东向构造断裂形成的地堑盆地。基底主要为下白垩统的陆相岩屑沉积岩,自第四纪中期开始,在多次海陆变迁中,堆积了一套由陆相到海陆交互相的松散沉积物,它在市区厚约90~100m,构成海陆交错及海积粘性土超复沉积模式。根据宁波市工程地质图,区内土可划分为11个工程地质单元,其中影响该地区建筑物沉降变形的主要软土压缩层有两组:第一软土组为上更新统海积层,呈软-流塑状态,压缩性中高,埋深28~45m;第二软土组由全新统海积淤泥质土组成,厚度大,天然含水量大,呈流塑状态,压缩性高,埋深2~20m。宁波地区软土呈典型的海绵结构和层理结构,主要是淤泥质粉质粘土与淤泥质粘土。这种软土具有压缩性大、灵敏度高、透水性差、固结慢等特点。由于粘粒多,且含有机质,结合水膜较厚,颗粒间联结力弱[1]。
    3试验简介
    3.1试验土样为了更真实有效地反映宁波地区软土的物理状态,试验土样的采取点分布于宁波所属各县区,各场地都存在软土层,地貌类型绝大多数为滨海相淤积平原。为了便于进行试验研究,对原状土和扰动土分别进行取样。
    3.2试验内容
    该试验研究由基本物理性质试验和基本力学性质试验两部分组成。其中,基本物理性质试验包括三项基本物理指标试验、液塑限试验和固结压缩试验四部分;基本力学试验为直接剪切试验,试验过程均严格遵循《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)中的各项要求来进行[2]。
    4试验结果及结果分析
    4.1基本物理性质试验结果及分析4.1.1三项基本物理指标试验首先进行三项基本物理指标试验,由于密度、土粒重度和含水量是土的三项基本物理性质指标。故分别对原状土样进行密度试验、土粒重度试验和含水量试验,试验结果如表1所示。由实验结果可知,宁波地区软土在天然状态下含水量高,孔隙比大,干密度小,处于饱和状态。
    表1宁波地区软土三项基本物理指标试验结果4.1.2液塑限试验为了进一步确定宁波地区软土的性质,采用液塑限联合测定法对其进行测试。细粒土的性质主要取决于土粒和水相互作用的状态,土中含水量的不同,可使土处于坚硬、可塑或流动状态。试验结果如表2所示。
    由试验结果可知,宁波地区软土土样的塑性指数分别为21.9、20.4和18.7,根据粘性土的命名规则,该软土为淤泥质黏土。又由于#1、#2和#3土样的液性指数为1.03、1.05和1.59,IL>1,因此#1、2#和#3土样的物理状态为流塑状态。
    表2宁波地区软土液塑限试验结果4.1.3固结压缩试验土在压力作用下体积会缩小,土的这种特性叫土的压缩性。由于土具有压缩性,致使地基在压力作用下,会发生沉降变形。而土的压缩系数是评价土压缩性高低的重要指标之一,为此一般通过标准固结压缩试验来测试土的压缩系数进而研究土的压缩变形。固结压缩试验所采用的仪器设备为双联中压固结仪,试验土样面积为30cm2,高度cm2。为了尽量避免土样的扰动影响,固结压力按25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、600kPa、800kPa的加荷等级来加荷,以变形小于0.01mm/h来判定土体变形稳定,可施加下级负荷。实验数据采集通过TSW-3土工试验微机数据采集处理系统自动采集,可避免人工采集造成的误差。此外,所有土样试验前在真空抽气饱和容器中进行24小时的抽气饱和,土体饱和度在95%以上。试验结果见图1所示[3]。
    由于土的压缩系数不是一个常数,因此工程实践中常采用压力间隔由p1=100kPa增加到p2=200kPa时所得的压缩系数a1-2评定土的压缩性高低。由图2可以得出,宁波地区软土的压缩系数a1-2为1.08MPa-1,大于0.5MPa-1,属于高压缩性土。
    图1宁波地区软土压缩曲线图
    4.2直接剪切试验所谓直接剪切实验,是指在某一特定面上剪切土的试件,直接测定该面上的剪应力和抗剪强度的实验。直接剪切实验的主要目的是,根据已知剪切面上的垂直应力σ与抗剪强度T的关系,求强度参数c和φ,以提供稳定检算及确定土体材料性能之用。目前,直接剪切实验大部分是单面剪切实验(区别于扭曲剪切和单纯剪切),只有1个剪切面,是将土试件的一侧(上半部或下半部)沿剪切面与土试件的另一侧平行错动的剪切实验。直接剪切实验(直剪实验)是室内测定土体抗剪强度的一种常用方法。通常用4个试样,通过测定,便可方便地为土木工程治理、加固及破坏分析提供所需的土体抗剪强度参数:力c和内摩擦角φ。该方法因其快捷方便,结果处理简单,几经改进后现被广泛采用。也是测定土的抗剪强度最简单的和最老的试验方法。按剪切前土的固结程度,剪切时排水条件以及剪切加荷快慢,把直剪试验分为快剪、固结快剪、慢剪。同一种土用同一台仪器做试验,如果采取的试验方法不同,测得结果往往差别很大,有时甚至相差十分悬殊,工程负责人应根据模拟现场条件,选择接近实际情况的试验方法是非常很重要的。快剪(不排水剪):试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切,试验全过程都不允许有排水现象产生。适用于施工进度快,排水条件差,如斜坡的稳定性,厚度很大的饱和粘土地基;固结快剪(固结不排水剪)试样在垂直压力下,经过一定程度的排水固结后,再进行快速剪切。适用于一般建筑物的地基稳定性,施工期间有一定的固结作用;慢剪(排水剪)试样在垂直压力下,排水固结后慢慢地进行剪切,剪切过程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工进度都不符合这样的条件,所以,工程试验中较少直接采用。
    试验采用慢剪试验方法,共4个试样,分别施加50~200kPa的不同垂直压力,再分别对它们施加水平剪切力进行剪切,求得破坏时的剪应力亦即抗剪强度S。以抗剪强度S为纵坐标,垂直压力p为横坐标,绘制S-p关系曲线,如图2所示。
    5结论
    通过对宁波地区历年所兴建工程的地基勘察报告和的分析与研究,并针对宁波地区软土进行了基本物理性质试验和基本力学性质试验。在了解宁波地区软土的工程特性的基础上,试验结果揭示了各试验参数指标之间的相互关系,这对宁波地区的实际工程的选址阶段有参考应用价值。宁波地区软土的土塑性图、固结系数等重要指标与我国其他地区软土存在较大的差异,表明土性具有区域性。因此,实际工程建设应结合宁波地区的土质特性来确定有关参数。

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