上海第⑧層黏土沉積環(huán)境及超固結(jié)特性

劉麗斌， 蘭立信， 李明廣， 葉冠林

(上海交通大學(xué) 土木工程系，上海 200240)

近幾十年來，隨著我國城市化進程的不斷深入，城市地表資源逐漸稀缺，地下空間開發(fā)成為城市建設(shè)的發(fā)展趨勢和主流方向，但隨著地下空間設(shè)施的日益擁擠，對土體的工程性質(zhì)要求越來越高[1].地下結(jié)構(gòu)建設(shè)高速發(fā)展的上海，其地下結(jié)構(gòu)面積雖然僅為全國土地面積的0.066%，但由于其舉足輕重的經(jīng)濟地位，對上海深層土體的研究顯得尤為重要.

目前，從國內(nèi)外的工程實踐來看，研究的土體深度主要集中于30 m以內(nèi)的淺層土，有關(guān)土體的沉積環(huán)境影響的研究卻比較少.在已有的關(guān)于黏土沉積環(huán)境及與物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性的研究中，大部分系針對分布于歐洲西北部以及加拿大東部地區(qū)的冰川型海相沉積黏土[2-3]，沉積后經(jīng)歷了一些物理化學(xué)作用形成了工程性質(zhì)極差的超靈敏土.對于在東南亞各國廣泛分布的沖積型海相黏土，僅有少量研究.Ohtsubo等[4]先后對日本有明和泰國曼谷黏土的沉積過程進行了分析，并指出了沉積環(huán)境對物理性質(zhì)的影響.在國內(nèi)，邵光輝等[5]和Liu等[6]對連云港的黏土進行了相關(guān)研究.關(guān)于上海的黏土，雖然有地質(zhì)領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者對全新世長江三角洲的發(fā)育過程進行了系統(tǒng)研究，但關(guān)注的往往是廣域問題以及厚達上百米的地層，與巖土工程少有交集.近幾十年來，魏道垛等[7-8]對上海淺部土層的應(yīng)力歷史、原狀土和重塑土等基本物理力學(xué)性質(zhì)進行了研究，分析了應(yīng)力歷史、各向異性等不同因素對上海軟黏土變形和強度特性的影響.武朝軍等[9]通過大量試驗，研究了上海淺部土層(②～⑥層土)沉積環(huán)境、物理化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)特性，分析了沉積環(huán)境對淺層土工程性質(zhì)的影響.超固結(jié)成因方面，一般來說可以分為兩類：應(yīng)力和非應(yīng)力.應(yīng)力類原因有土層剝蝕、地下水位的變動及動荷載的作用；非應(yīng)力類原因有次固結(jié)和膠結(jié)作用等.

迄今為止，還沒有文獻對上海深層(⑥～⑨層)軟黏土的沉積環(huán)境和工程性質(zhì)進行過研究.本文結(jié)合末次冰期以來中國東海海平面及大氣溫度變化，分析了上海深層土的沉積環(huán)境；通過高壓固結(jié)和超固結(jié)比(OCR)三軸不排水剪切(CU)試驗，研究了上海第⑧層土的超固結(jié)特性，并分析了其產(chǎn)生超固結(jié)的原因，為進一步展開相關(guān)研究工作及工程設(shè)計、施工人員提供了一定的參考.

1 上海深層土沉積環(huán)境

根據(jù)上海市區(qū)第四紀綜合地層柱狀圖[10-11]，本文所研究的上海深層土為第一硬土層、第二砂層、第二硬土層、第三砂層，即⑥～⑨層土，地層年代屬于第四系的上更新統(tǒng).⑥～⑨層土沉積環(huán)境依次為：湖泊、河流-濱海、湖泊和河流-濱海、河流.文獻[12]中擬定的海平面、大氣溫度變化曲線以及對應(yīng)的土層沉積年代如圖1所示.其中，時間采用ka B.P.,表示距今多少千年；土層沉積年代信息來源于上海市區(qū)第四紀綜合地層柱狀圖.晚更新世末次冰期(下文簡稱為末次冰期)以來，中國東部平原發(fā)生了3次海侵，根據(jù)江蘇第一水文地質(zhì)隊依次命名為：太湖海侵、滆湖海侵和鎮(zhèn)江海侵.

圖1 末次冰期以來上海地區(qū)海平面、大氣溫度變化與深部土層沉積歷史[12]

太湖海侵的形成年代約為70～128 ka B.P.，在該時間段內(nèi)，上海境內(nèi)的沉積通常為河流沉積，間或為受到海水影響的三角洲河流，偶爾在局部可達到三角洲前緣的河口環(huán)境.河流-三角洲相砂層構(gòu)成了分布廣泛、厚度較大的川沙組地層，上海工程地質(zhì)界稱之為第⑨工程地質(zhì)層.雖然此次海侵在上海境內(nèi)分布廣泛，但根據(jù)研究資料[13]顯示，長江三角洲東部地區(qū)在該時間段內(nèi)的沉積物以含礫砂為主、普遍發(fā)育溺谷相，并且海侵層較薄，厚約10 m.海水主要沿古河谷入侵，此次海侵層屬于海相性較弱的海侵層.

海退發(fā)生的時間約在7萬年前，海退歷時約1.5萬年左右.從古氣候分期，得出這段時間是“第六寒冷期”，大氣溫度的降低將引起冰川的凝聚，伴隨的是海平面下降約80 m.全區(qū)沉積環(huán)境由泛濫平原環(huán)境演化為泛濫湖泊環(huán)境，堆積了暗綠、灰綠粉質(zhì)黏土，為可塑性硬土狀，夾有砂質(zhì)粉土或粉細砂紋層，厚約2～4 m，為上海第⑧層土下部.

滆湖海侵的形成年代約在20～55 ka B.P.，這次海侵遍及上海全區(qū)，海侵的強度為長江三角洲區(qū)域第四紀期間歷次海侵之最.此次海侵層期間形成了兩個海侵亞層及其間的陸相灰綠色硬土層(第二硬土層).其中，下亞層約形成于45～55 ka B.P.；硬土層形成于35～45 ka B.P.；上亞層約形成于20～35 ka B.P..在23～35 ka B.P.期間，海面回升，堆積了灰色粉質(zhì)黏土與粉砂紋層交互的“千層餅”和上覆的灰色砂層，即工程地質(zhì)界對應(yīng)的⑧層上部和⑦2層下部.約在20～23 ka B.P.期間，此時海平面已下降，位于三角洲平原的河流-濱海環(huán)境堆積了巖性特征為普遍呈褐黃、繡黃色的砂質(zhì)粉土和粉砂、粉細砂，即上海工程地質(zhì)所劃的⑦1層和⑦2層.在約為11～20 ka B.P.的末次冰期最盛時，從圖1可以看出，海平面下降幅度比現(xiàn)今約低140 m，上海西北部發(fā)育的泛濫平原-湖泊擴展到除現(xiàn)河口區(qū)外的上海整個陸域，在本區(qū)廣泛沉積了褐黃色粉質(zhì)黏土和暗綠色黏土層，即上海工程地質(zhì)所劃的⑥層土.

綜上所述，⑨層土沉積環(huán)境為河流沉積，由于太湖海侵的原因，⑨層屬于海相性較弱的海侵層；⑧層土主要以湖泊沉積為主，但⑧層的上部和⑦層有著相同的沉積環(huán)境，都是河流-濱海環(huán)境，整體呈現(xiàn)出兩端海相性高于中部的特點；⑥層則是湖泊沉積環(huán)境.

2 試驗分析

本次試驗取土地區(qū)第⑧層深度47～70 m，試驗對象為灰綠色硬土(第二硬土層)，屬于典型的上海⑧層土.試驗方案：對深度分別為54.0～54.5 m、57.0～57.5 m、60.0～60.5 m的上海⑧層原狀土進行三軸不排水剪切試驗(K0固結(jié)實驗)和高壓固結(jié)試驗，通過分析試驗結(jié)果來研究⑧層土的超固結(jié)性.考慮到土層埋深較深，普通常規(guī)固結(jié)儀加載的壓力不能使土體發(fā)生足量的壓縮變形.本次固結(jié)試驗采用自行設(shè)計的氣動式高壓固結(jié)儀，可對土樣施加8 MPa的固結(jié)壓力.三軸剪切試驗采用的是全自動控制靜力三軸儀，簡稱為GDS.試驗飽和階段反壓取200 kPa，圍壓取210 kPa；試驗儀器的反壓飽和系統(tǒng)，使土樣達到95%以上的飽和度；剪切和固結(jié)圍壓取原位有效自重應(yīng)力.為了保證孔隙水壓力在加載過程中能及時消散，剪切速率為 6.6 m/min，換算成每分鐘應(yīng)變?yōu)?0.008 5%(土工試驗規(guī)范要求在0.003%～0.012%).

2.1 高壓固結(jié)試驗確定先期固結(jié)壓力

土層受到其生成環(huán)境和地質(zhì)歷史變遷等因素影響，就會在土層中產(chǎn)生一種“記憶”，土的工程性質(zhì)就表現(xiàn)為與這種“記憶”有關(guān).而土的先期固結(jié)壓力值反映了地質(zhì)歷史的影響，是用來判斷土層固結(jié)狀態(tài)的重要參數(shù).因此可以推測，沉積環(huán)境類似的土層，其土層固結(jié)狀態(tài)可能相似.

上海第⑧層土的孔隙比-豎向應(yīng)力曲線(e-lgp)如圖2所示，其相關(guān)試驗結(jié)果如表1所示.其中，e0為初始孔隙比；wn為土的天然含水質(zhì)量分數(shù)；Cc為壓縮指數(shù)；Cs為回彈指數(shù)；p0為原位應(yīng)力，地下水位(-1 m)以下的土層采用有效重度計算；pc為先期固結(jié)壓力；OCR=pc/p0，為超固結(jié)比.由圖2可知，曲線沒有明顯的彎曲點，因此，無法采用傳統(tǒng)的Casagrande經(jīng)驗作圖法從壓縮曲線中獲得較為準確的先期固結(jié)壓力.此次先期固結(jié)壓力的計算采用的是Becker等[14]提出的能量法，該方法可以從光滑的壓縮曲線中準確得到屈服應(yīng)力，即pc.以54.0～54.5 m土樣為例，其總能量E與p的關(guān)系曲線如圖3所示.曲線由3段直線組成：屈服前、屈服后和中間段.屈服前與中間段的交點即原位應(yīng)力p0(p0=493.1 kPa)，與根據(jù)實際土層深度計算所得的447.0 kPa相差46.1 kPa，此處在計算超固結(jié)比時取實際計算得出的p0.屈服前與屈服后交點為屈服點的豎向應(yīng)力py，即先期固結(jié)壓力(pc=1 332.8 kPa).

試驗結(jié)果顯示，3組試驗得出的OCR均在3.0左右，說明上海第⑧層土為超固結(jié)土.由前文的分析

表1 固結(jié)試驗參數(shù)

圖3 由能量法確定的先期固結(jié)壓力(54.0～54.5 m)

可知，⑧層土的沉積環(huán)境與⑥層土的沉積環(huán)境相似，而已有試驗驗證：⑥層土為超固結(jié)土，OCR在2.0左右.

2.2 超固結(jié)在三軸試驗中的表現(xiàn)

將54.0～54.5 m試樣K0固結(jié)到原位應(yīng)力后再進行剪切的有效應(yīng)力路徑(pq～p′)，應(yīng)力應(yīng)變曲線(pq-ε)和超孔壓應(yīng)變曲線(u-ε)如圖4所示.取最大應(yīng)力pqmax為剪切過程中的屈服應(yīng)力pqf，獲得的相應(yīng)不排水剪切試驗結(jié)果如表2所示.其中：σ為試驗圍壓；Mf=pq/p′為破壞時的強度比,pq/p′為該直線的斜率；Δu為剪切后的超孔壓累計值；Af為剪切破壞時的孔隙壓力系數(shù)，數(shù)值上等于超靜孔壓Δuf與對應(yīng)的pqf的比值，即Δuf/pqf.

圖4 不排水剪切試驗結(jié)果(54.0～54.5 m)

表2 不排水剪切試驗結(jié)果

圖4中的有效應(yīng)力路徑斜向上走的趨勢和負超孔壓的出現(xiàn)說明了該土層是超固結(jié)土；另一方面，3組試樣剪切破壞時的孔壓力系數(shù)都是負值，數(shù)值在 -0.1 左右.飽和黏性土破壞時的Af值[15]如表3所示.對比表3中飽和黏性土破壞時的Af值，可判斷該土層表現(xiàn)出強超固結(jié)性.

表3 飽和黏性土破壞時的Af值[15]

Tab.3 Values ofAfin triaxial test with different radial stresses[15]

土樣(飽和)黏土Af高靈敏度0.75～1.50正常固結(jié)0.50～1.00弱超固結(jié)0.25～0.50一般超固結(jié)0～0.25強超固結(jié)-0.50～0

2.3 超固結(jié)原因分析

對于超固結(jié)產(chǎn)生的原因，總體來說可以分為兩類：應(yīng)力類和非應(yīng)力類.應(yīng)力類原因有層剝蝕、地下水位的變動和動荷載作用；非應(yīng)力類原因有次固結(jié)和膠結(jié)作用等.

從應(yīng)力角度分析，考慮到⑧層土經(jīng)歷了2次海退，在海退過程中，地下水位下降、土體孔隙水消散，伴隨著土體中有效應(yīng)力的增加，進而產(chǎn)生超固結(jié).

以60.0～60.5 m的試樣為例，假設(shè)地下水位與海平面一樣，地下水位取 -1.5 m，土的平均重度γ=18 kN/m3，p0=1.5×18+(60-1.5)×8=495 kPa.對不同海退時期的有效自重應(yīng)力估算如下：

(1)時間在50 ka B.P.時，海平面約為 -80 m，⑧層土沉積完成，此時pc=18×(60-47)=234 kPa，OCR=234/495=0.47；

(2)時間在18 ka B.P.時，海平面約為 -140 m，⑥層土沉積完成，此時pc=18×(60-29.8)=543.6 kPa，OCR=543.6/495=1.1；

(3)時間在8 ka B.P.時，海平面約為 -60 m，⑤層土沉積完成，此時pc=18×(60-18)=756 kPa，OCR=756/495=1.53.之后海平面逐漸上升，P0接近現(xiàn)在值.

此外，抽地下水也會引起先期固結(jié)應(yīng)力的增加.第⑧層土下臥層為第⑨層砂質(zhì)土，以粉砂和含礫中砂為主，為上海市的第二承壓含水層.該含水層富水性和水質(zhì)均較好，20世紀80年代以前，作為主要的開采水層為上海市提供了大量水源.第二壓含水層水位歷時曲線可以參考文獻[16].由文獻[16]中的第⑨層的水位記錄可知，在20世紀60年代由于抽水引起地下水位下降了約30 m.假設(shè)第⑨層的水位下降有足夠時間引起第⑧層的孔壓減少并達到平衡，則水位下降30 m引起的孔壓減少量為：Δp=300 kPa，此時pc=18×1.5+8×(65-1.5)+Δp=835 kPa，OCR=835/495=1.69.

由上述計算可見，海退或抽地下水引起的有效應(yīng)力變化，所產(chǎn)生的OCR均小于2.0，與試驗所得值2.84～3.07有一定的差異，因此應(yīng)力變化并不能完全解釋此超固結(jié)成因.

從非應(yīng)力角度考慮，根據(jù)Bjerrum[17]提出的等時壓縮曲線模型，在原位應(yīng)力p0作用下，隨著作用時間的增長，伴著次固結(jié)量不斷增加，從而導(dǎo)致pc也有所增加，土體顯示出超固結(jié)性狀，這種現(xiàn)象區(qū)分于應(yīng)力原因引起的超固結(jié)，稱為“似超固結(jié)”[18]，也稱為Age effect.第⑧層土沉積時間距今約5萬年，似超固結(jié)是導(dǎo)致超固結(jié)的另外一個原因.綜上所述，超固結(jié)是水位下降引起的應(yīng)力歷史和似超固結(jié)的綜合結(jié)果.

另外，土體的膠結(jié)作用也是導(dǎo)致土體產(chǎn)生“似超固結(jié)”的原因.上海⑧層土經(jīng)歷了海相沉積環(huán)境，根據(jù)前人的研究成果[19]，海相黏土等由于土體中存在一些特定的物質(zhì)成分，如碳酸鹽、鐵鋁氧化物和有機質(zhì)等，可以沉積在土粒間或包裹顆粒，或者孔隙溶液與土顆粒表面發(fā)生離子交換，使土體具有一定的結(jié)構(gòu)，并賦予一定的力學(xué)性質(zhì)，使土體顯現(xiàn)出某些超固結(jié)特征.

3 結(jié)論

通過研究末次冰期以來中國東海海平面和大氣溫度變化，分析了上海深層土(⑧層土為主)的沉積環(huán)境，結(jié)合高壓固結(jié)和GDS三軸不排水剪切試驗，研究了上海第⑧層土的超固結(jié)性，并分析了其產(chǎn)生超固結(jié)的原因，得出以下結(jié)論.

(1)上海深層土地層年代屬于第四系的上更新統(tǒng)，沉積時間在距今兩萬年以前，⑥～⑨層土沉積環(huán)境依次為湖泊、河流-濱海、湖泊和河流-濱海、河流.

(2)運用Becker能量法分析高壓固結(jié)試驗結(jié)果得出⑧層土的OCR在3.0左右.在GDS三軸不排水剪切試驗中，土樣破壞時的Af為負值，呈現(xiàn)出強超固結(jié)土的性狀.

(3)從應(yīng)力和非應(yīng)力的角度分析了⑧層土產(chǎn)生超固結(jié)的原因.從應(yīng)力角度分析得出，地下水位下降、土體孔隙水消散，導(dǎo)致土體中有效應(yīng)力的增加，約在8 ka B.P.時，通過估算得出OCR為1.53.從非應(yīng)力角度考慮得出，長時間的次固結(jié)作用和土體的膠結(jié)作用都是上海⑧層土呈現(xiàn)出超固結(jié)性狀的重要原因.