连云港孔隙水盐分变动区海相软土原位参数变异与机理分析

摘要

我国江苏连云港地区大面积分布着海相软土，其特征为黏土矿物含量高，孔隙水盐分高，盐分与黏土矿物相互作用影响黏土的工程性质。工程设计中采用的土体参数一般以当前孔隙水环境下的参数为准。然而，随着淡水的渗透，海相黏土中的盐分含量逐渐改变，同时改变的还有黏土的物理力学性质，可能造成边坡失稳、地基承载力降低、差异沉降或变形加大等工程问题。要减少海相黏土地区基础设施建设及运行期间的隐患，必须对软黏土工程性质和演化有正确的认知。原位测试技术相对于传统现场取样室内试验的勘察方法更加高效、经济，且能获得原位应力状态的土体参数。而目前原位测试的经验分析体系均未考虑孔隙水盐分效应的影响，也没有考虑盐分溶脱后土体的性质变化。因此，本文以国家自然科学基金《孔隙水盐分溶脱过程天然沉积软黏土工程性质演化及机理》为依托，以海相黏土为研究对象，系统开展了孔隙水盐分浓度对原位测试参数影响的试验及理论研究，主要研究内容如下： （1）在连云港海积平原的12个试验点展开了包括静力触探试验、十字板剪切试验、扁铲侧胀试验在内的现场试验。现场试验数据表明，该地区土层分布大致符合上覆硬壳层、中间软土层、下伏硬黏土层的特征，十字板剪切试验点的抗剪强度、重塑强度、灵敏度基本符合随深度增加而增加的规律。研究各试验参数的相关性，提出对于锥尖阻力曲线稳定性不同的区域采用不同圆锥系数求取抗剪强度的方法。 （2）采用密度计法测量海相黏土的粒径分布，采用XRD分析海相黏土的矿物组成，采用离子色谱仪测量黏土孔隙水中各离子浓度。结果表明，试验区域的海相黏土细粒含量高，为87.2%~99.2%，黏粒含量41.2%~79.4%。矿物组成主要包括石英、斜长石、钾长石、方解石和黏土矿物，其中黏土矿物含量在16.8%~52%之间，对盐分敏感的伊蒙混层矿物含量普遍大于10%。孔隙水盐分含量在0.51%~6.25%之间，平均为2.7%。物质成分为孔隙水盐分效应提供了作用条件。 （3）将CPTu及DMT测试参数绘制于对应的分类图中。结果表明，基于CPTu参数的Robertson土类行为指数分类法几乎无法辨别出该地区的软土，而基于CPTu参数的Eslami-Fellenius分类法及基于DMT参数的土分类法则能成功区分软土。通过导出修正剑桥黏土的考虑应力路径和应力历史的小孔扩张理论解，给出了静力触探锥尖阻力和孔隙水压力的计算方法。理论模型表明，导致分类产生偏差的原因在于，Robertson分类法采用的分类参数受到孔隙水盐分效应的影响程度较大。从表达式看，归一化锥尖阻力Qt、归一化摩阻比Fr几乎随临界状态线斜率M的改变同倍率变化，导致投影点偏离淤泥质土区，向分类图左上方黏土区偏移，而E-F分类法和DMT分类法的参数受影响较小，结果相对准确。 （4）通过等向固结试验和固结不排水剪切试验研究同一种黏土在不同孔隙水盐分含量作用下的力学性质。结果表明，盐分浓度较高的土固结速度明显加快，内摩擦角较大，临界状态线斜率较大，抗剪强度较高。 （5）在53.6kPa固结压力下，0.4%、3%、6%盐分浓度的正常固结土样中展开贯入和十字板剪切模型试验。试验结果表明，与0.4%盐分浓度的黏土相比，3%浓度的黏土锥尖阻力、十字板不排水原位抗剪强度都较高，而侧摩阻力、十字板不排水重塑抗剪强度较小。而当3%与6%浓度的黏土中，锥尖阻力、侧摩阻力、抗剪强度等参数没有明显差异。 （6）基于室内试验测得的参数，通过数值模拟和理论计算得到不同盐分黏土的SBTn分类参数，结果表明盐分较高的黏土侧摩阻力比盐分低的黏土低，锥尖阻力高，贯入过程中产生的超孔压高，从而导致投影点在分类图上向左上方偏移。基于这种现象，引入渗透吸力，通过在SBTn分类图中引入渗透吸力，提出了考虑黏土盐分效应的土类划分方法设想，基于不同的渗透吸力作用强度修正分类投影点。对于孔隙水中含有盐分，受到渗透吸力影响的黏土，投影点根据渗透吸力作用强度大小在SBTn图中向右下方修正至渗透吸力作用强度为0时的投影点，然后根据修正后的参数进行土类划分。采用这种修正方法可以解决决含蒙脱石矿物海相黏土的土分类结果偏差。

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