上海浅部土层沉积环境及其物理力学性质

摘要

天然沉积结构性黏土的物理力学特性受到沉积环境、矿物组成、颗粒级配和孔隙溶液化学特性等因素的综合影响。在上海地区，地下工程建设一般涉及晚更新世⑥层硬土层及其以上全新世⑤层~②层土，该土层的深度一般为30~35 m，称为浅部土层。本文首先以现代长江三角洲的堆积过程为背景，详细描述了上海浅部各层黏土的沉积环境，并对上海浅部各层土体的物理化学及力学性质的进行了综合研究。
　　（1）上海浅部土层是作为现代长江三角洲的一部分堆积形成的。在晚更新世13~7.5 ka BP（千年之前），海面上升引起世界范围内的大规模海侵，在广大海岸带的海相环境中广泛沉积有一层软黏土，各地黏土在沉积完成后又经历不同的环境变化。这种不同的沉积环境和沉积历史影响着土体的物理力学性质。长江巨大的流通量和挟沙量，使得在江水和潮汐流相互作用下形成的长江三角洲有独特的沉积环境。上海浅部土中的⑥层硬土和⑤4层土分别沉积于海侵发生前古河间地的湖泊沼泽环境和古河谷内的溺谷环境中。⑤3~⑤1层软土沉积于海侵过程中的滨海相环境。淤泥质软黏土（③层和④层）沉积于距今7~4 ka BP之间浅海–滨海环境中。表层②层土沉积于滨海–河口相环境，该层土裸露于陆地表面，长期经受蒸腾作用，与古地面⑥层土性质类似，表现为一定的超固结性。
　　上海浅部各层土沉积环境的不同的使得物理特性、结构性和超固结性均有所区别。沉积环境的差异直接影响孔隙溶液的含盐量，从而影响土体的液塑限；结合河口位置、水流速率的差异，导致土体不同的絮凝程度。上海浅部④层土沉积于海侵最盛时期，水中含盐量最高，颗粒之间絮凝程度最高，从而导致其结构性最强。
　　（2）通过试验，得到了上海浅部土体的基本物理特性典型剖面，揭示了浅部土体天然含水率（wn）、初始孔隙比（e0）、密度（ρ）、液限（wL）、塑限（wP）、液性指数（IL）与塑性指数（IP）沿深度方向的分布规律。②~⑥层黏土范围内，随着埋深的增加，wn、e0、wL、IP和IL先增加后减小，ρ和OCR则相反。这些参数均在④层土所处深度（8~15 m）范围内达到极大或极小值。
　　上海浅部各土层基本为黏土和粉质黏土，少量的粉土和粉砂（分布于苏州河附近及以北地区）。颗粒级配试验表明，上海②~⑥各层土之间级配差别不大，均以粉土颗粒为主，黏土颗粒含量均不超过50%，可以定义为粉质黏土。浅部土层原生矿物不足1/3，以黏土矿物为主，其中伊利石含量高达70%，这是源于长江流域的岩源分布及地质作用。
　　（3）分析了上海浅部土压缩指数（Cc）与其他基本物理特性之间的相关关系，发现 wn、e0和wL均与Cc有较好的相关性，并建立了wn与Cc的关系式。既有的Cc与wn之间的线性经验关系式并不适用于上海浅部黏土，尤其是当wn较大（>45%）时，实际Cc偏高。提出的Cc和wn之间的指数关系Cc=0.0426（e0.0444wn–0.794）可以更好地预测上海浅部黏土的压缩指数，并且基本适用于中国东部沿海其他地区的黏土。
　　（4）对上海浅部各层原状土进行了固结和三轴试验，尤其是对厚度最大的④层海相软黏土，还进行了重塑试样和原状试样的对比试验，得到了结构性对上海浅部土层压缩性和剪切特性的影响。
　　对于上海浅部②~⑥各层土，结构性对压缩特性的影响均比较弱。对比Iv–lg p空间中浅部各层土的压缩曲线与沉积压缩线（SCL）和固有压缩线（ICL）的相对关系：③层和④层土处在 SCL和ICL之间，结构性最强、超固结性最弱；⑤层土贴近ICL；②层和⑥层土基本位于ICL以下，处于超固结状态，结构性最弱。④层土重塑和原状试样的固结试验表明，与世界上其它结构性黏土（Ariake等）相比，Cc–p曲线在Cc达到峰值后衰减幅度很小，说明结构性对上海④层土的压缩特性的影响比较弱。
　　在不同应力路径作用下，结构性对上海浅部④层土的三轴剪切特性影响不同。在固结排水剪切（CD）试验中，结构性原状试样和重塑试样的q/p′–εa曲线基本一致，εv–εa曲线的发展趋势类似，但结构性试样的最终体变量是重塑样的两倍。在固结不排水剪切（CU）试验中，结构性试样的初始刚度相对较大，但最终破坏时的孔隙水压力系数（Af）与基本一致。
　　上海浅部④层软黏土的结构难以完全被破坏。在 e–logσv空间中，原状试样与重塑试样的强度包线（即临界状态线 CSL）并不重合，而是呈现出两条平行直线，表明在三轴试验剪切破坏时，原状试样的结构仍未完全破坏至重塑状态。固结试验中，土体在1600 kPa竖向荷载下孔隙指数Iv仍位于ICL以上。
　　（5）通过对上海浅部各层土的原状试样进行固结和三轴试验，研究了各层土原位状态下的超固结性。固结试验所得各层土的超固结比OCR以②层土最高（Max≈10），该层土处于陆地表面，原位应力较低，又长期经受蒸腾作用，使得其具有较高的表观先期固结压力，因此OCR最高；其次是底部⑥层土（OCR≈2.0），因为其在晚更新世时期曾作为地表土长期暴露地面；中间厚度较大的③层和④层土淤泥质软黏土OCR接近1.0，可认为正常固结土；⑤层土虽然为海相软黏土，但是由于沉积历史较长，产生一定的表观前期固结压力，OCR≈1.4，为弱超固结土。上海浅部各土层的CD试验结果中，②层和⑥层土的q/p–εa曲线表现为一定的应变软化型，而③层和④层土则为应变硬化型，从另一角度印证了固结试验得到的上海浅部各层土的超固结性。
　　（6）小应变区间内的应力–应变关系反映了土体屈服前结构的破坏过程。常规三轴系统的缺陷使得局部位移传感器成为小应变试验中必要仪器。对上海浅部④层土进行了一系列小应变试验尝试的基础上，初步确定了一套使用霍尔效应传感器的小应变三轴试验流程，探讨了K0固结对小应变试验结果的影响，并修正了常规的试样帽与轴压传感器的接触形式，使得试验所得刚度衰减曲线更加合理。

目录

声明

符号说明

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2研究历史与现状

1.3已有研究的不足

1.4主要研究内容

1.5主要创新点

第二章 上海浅部土层的沉积环境

2.1引 言

2.2上海市地质环境概况

2.3上海市浅部土层工程地质概况

2.4上海地区东海海平面变化

2.5长江三角洲的形成过程

2.6上海浅部各层土的沉积环境

2.7小 结

第三章 上海浅部土层的物理与化学特性的试验研究

3.1引 言

3.2取 样

3.3物质组成

3.4基本物理指标

3.5孔隙溶液的化学特性

3.6溶液含盐量与液塑限的关系

3.7小 结

第四章 上海浅部土层的压缩和剪切特性的试验研究

4.1引 言

4.2标准固结试验

4.3常规三轴试验

4.4压缩指数Cc与天然含水率wn的关系

4.5小 结

第五章 上海浅部土层结构性和超固结性的试验研究

5.1引 言

5.2研究方法

5.3土体结构对压缩性的影响

5.4结构性对剪切性质的影响

5.5土体结构的破坏过程

5.6固结试验确定先期固结压力

5.7超固结性在三轴试验中的表现

5.8小 结

第六章 软黏土的小应变三轴试验研究

6.1前 言

6.2常规三轴试验的缺陷

6.3试验仪器简介

6.4小应变三轴试验流程

6.5剪切前接触力qpre的影响分析

6.6试样帽与轴压传感器的接触方式对试验结果的影响

6.7结构性和超固结性对土体刚度的影响

6.8小 结

第七章 结论与展望

7.1主要研究结论

7.2进一步的研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间发表/录用的论文和专利