沿海地區(qū)洪沖積性粉土的強度特性研究與評價方法探討

黃祈鑫

摘要：沿海地區(qū)因長時間的海水沖刷及海相沉積作用而形成了具有復(fù)雜力學特性、濕化特性及結(jié)構(gòu)性的洪沖積性粉土。為研究該類型粉土的工程應(yīng)用問題，文章結(jié)合廣西某高速公路工程實際，在顆粒力學與土骨架研究的相關(guān)理論基礎(chǔ)上，通過假設(shè)土顆粒的接觸和堆積形式，分析了土體顆粒粗細占比變化對土體強度及穩(wěn)定性的影響，進而通過理論計算分析了粗細土顆粒含量的最佳比例，并提出了針對該類型土的評價方法。

關(guān)鍵詞：巖土工程;粉土;顆粒力學;土骨架;土體強度

中圖分類號：U445.6文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.032

文章編號：1673—4874（2020）11-0117-06

0引言

沿海地區(qū)廣泛分布的粉土是一種具有復(fù)雜組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的特殊土，受洪積、海積、流水沖積及近海沉積共同作用的影響，使得該類型土具有復(fù)雜的顆粒組成、礦物組成以及膠結(jié)類型。傳統(tǒng)的土類評價方法尚難以對其準確定名及分類，因而難以與現(xiàn)有的土體物理力學性質(zhì)及工程性質(zhì)建立起經(jīng)驗關(guān)系。該類型粉土由于具有復(fù)雜的中間狀態(tài)、顆粒組成復(fù)雜、液塑限差異大等因素，造成其在工程應(yīng)用上存在諸多困難。目前，國內(nèi)許多研究者已經(jīng)注意到洪沖積性粉土具有特殊的力學特性，并對其的應(yīng)用進行了一系列的探索。石名磊等通過對長江河口粉質(zhì)土的研究建立了以孔隙函數(shù)劃分土工程特性的評價方法。針對低液限粉土的水理性質(zhì)及力學特性，宋修廣等基于黃河沖積平原區(qū)粉土的吸水特性以及粉土的強度衰減規(guī)律，討論了該地區(qū)路基設(shè)計及修筑時的難點問題和關(guān)鍵技術(shù)。同時，粉土本身也具有較為特殊的性質(zhì)，使得該類型土在直接利用或改良使用方面，均面臨著承載力不足、滲透破壞嚴重、邊坡沖刷及路基濕化軟化等問題。目前的研究尚無法完全認識洪沖積性粉土的力學特性，因而能提供的針對性處治技術(shù)也十分有限。

本文結(jié)合廣西貴（港）合（浦）高速公路建設(shè)工程項目，針對該地區(qū)洪沖積性粉土，從土的顆粒組成、結(jié)構(gòu)性方面研究該類型土用作路基填料時CBR值的影響因素，對該類型土的強度性質(zhì)進行研究，并探討其內(nèi)在的影響因素。

1洪沖積性粉土的基本力學特性

試驗土樣取自廣西某高速公路施工區(qū)域內(nèi)，該工區(qū)內(nèi)的土在歷史上經(jīng)歷長期土層沉積變化及海水沖刷，形成了以洪積、流水沖積及海相沉積共同作用形成的混合土。洪積及沖積土層作用時間相對海相沉積作用較短?？辈榘l(fā)現(xiàn)這類土層通常覆蓋于海相沉積層上，并含有一定量的粉砂及細砂，局部含有粗砂及少量礫石。本文選取了10個土樣樣本進行了一系列土工試驗。土樣基本組成成分如表1所示，物理力學特性如表2所示。

從表2的試驗結(jié)果分析，不同土樣的土顆粒組成成分、最佳含水率等物理指標均存在明顯的差異，結(jié)合《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）中對于土的工程性質(zhì)分類標準，本文所研究的對象土樣可劃分為低液限粉土。

2顆粒組成對CBR試驗影響因素分析

CBR是一種貫入試驗，貫入過程中，貫入桿底面區(qū)域土體與整體之間產(chǎn)生相對位移，在產(chǎn)生的剪切面上表現(xiàn)出土的抗剪強度特性，因此CBR值在公路路基上可以反映出路基的局部抗剪能力。由于土是一種典型的散粒體材料，具有明顯的顆粒物質(zhì)力學特性，土顆粒的尺寸大小、排列方式等因素均對土體整體承載能力及變形能力有顯著影響。近海洪沖積土由于長時間的沉積及沖刷作用，造成其土樣中細小顆粒物大量流失，顆粒級配不連續(xù)，尤其是粘粒占比降低，將對土體的承載能力造成不可逆的影響。

2.1土顆粒堆積方式分析

土顆粒間擠壓接觸變形構(gòu)成復(fù)雜骨架結(jié)構(gòu)，土顆粒相互摩擦咬合產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)為顆粒體系提供抗剪切能力及抗變形能力。李廣信等通過理論分析及碎石樁模擬實驗分析研究了土骨架的意義及作用機理，即土顆粒的相互接觸構(gòu)成所謂土骨架，骨架顆粒是土體受力的主要載體，土的強度及變形能力主要取決于土骨架的強度及變形。該理論與顆粒物質(zhì)力鏈理論符，力鏈理論認為顆粒物質(zhì)體系內(nèi)部力的傳導依賴于顆粒間的相互接觸，但承擔這一任務(wù)的顆粒并不占多數(shù)且在受力時位置變化不大，非力鏈顆粒通過填充力鏈顆粒間的孔隙起到保護力鏈不被破壞的作用。因此對于由土顆粒組成的土體，其密實程度越大，孔隙率越小，土體的承載能力、抗剪能力越大。

室內(nèi)試驗采用鋼球模擬等大球體顆粒自然堆積，則平面內(nèi)單個球體最多接觸點個數(shù)為6，即配位數(shù)CN為6時，堆積體系孔隙率為0.395。研究表明：經(jīng)振動密實后孔隙率為0.37。等大球體按簡單立方體堆積時，理論孔隙率為0.52，大多數(shù)粉粒土的孔隙率為0.55左右，接近于簡單立方體堆積狀態(tài)。

CBR試驗中土體試件在壓力成型后，土顆粒處于接觸狀態(tài)，試模對顆粒側(cè)向變形進行約束。假設(shè)土體內(nèi)部顆粒接觸狀態(tài)如圖1所示，定義下方為支承顆粒球，半徑為R，顆粒O為滑動顆粒球，半徑為r。P為正向應(yīng)力，T為切應(yīng)力，顆粒O有向右滑動的趨勢。當顆粒O與左下側(cè)顆粒脫離接觸時，顆粒O產(chǎn)生滑動，反映在土體上即為滑動剪切面。剪切面為圖1中的水平虛線A-A，單元剪切面寬度為2R，剪切面垂直紙面方向的厚度為1個單位。規(guī)定剪切單元中只有一個顆?；瑒訒r，當滑動顆粒由最低點位置沿右側(cè)支承球開始滑動時，達到極限剪切強度?；瑒忧蜓刂С星虮砻婊瑒舆^程所需的水平剪切力逐漸降低，滑動至支承球頂面時，達到最低值，隨后發(fā)生剪切破壞。

2.2考慮土顆粒組成因素的CBR試驗

本文討論分析的粉土中的砂粒、粉粒、粘粒含量相當，任何一種粒徑都難以形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，基于上述球形顆粒堆積體系的分析，以0.075mm作為粗細粒土的區(qū)分粒徑，按填充顆粒與骨架顆粒之比從小遞增至22：78時為最佳進行組合。試驗土樣預(yù)先進行過篩分選，按粗顆粒（粒徑大于O.075mm）、粉粒（粒徑介于O.075至0.002m間）及粘粒（粒徑小于0.002mm）分類，分別以粗顆粒及粉粒為骨架顆粒進行試驗，試驗結(jié)果如表3、表4所示。

2.3試驗結(jié)果分析

經(jīng)篩分后重新設(shè)計組合的土樣CBR試驗表明：以粗粒土為骨架，細粒土為填充顆?？梢杂行岣咄馏w的承載能力（CBR值），并在骨架顆粒與填充顆粒之比接近78：22時達到試驗土樣的最大CBR值。但對于以粉粒土為骨架，粘粒土為填充顆粒的試驗土樣，其承載能力（C8R）較現(xiàn)場原狀土樣并無明確提升，但從表4仍可以發(fā)現(xiàn)：當作為骨架的粉土顆粒占比接近78%時，土樣CBR值趨于穩(wěn)定。

實際上組成土體的顆粒并非簡單的球形顆粒，土顆粒的不規(guī)則形狀及棱角性均對土顆粒的摩擦咬合起著重要影響，而土體中的細粒土多為針狀或片狀結(jié)構(gòu)，由于土顆粒間存在有一定量的水分，因此土中的黏土礦物顆粒的親水性使顆粒間形成水膜，使相鄰?fù)令w粒間的摩擦擠壓效果減弱。同時，粘粒含量的提高也相應(yīng)增多了顆粒間水膜體積，因此，試驗中以細粒土為骨架的土體CBR值較粗粒土骨架的CBR值低。由于粘粒具有較強的親水性，當試驗土樣中的粘粒含量增加時，也能起到土顆粒間部分潤滑、降低摩擦效應(yīng)的作用，因此試驗結(jié)果中當粘粒含量提高時，土樣CBR值出現(xiàn)減小的情況。

以上分析表明了按球形接觸模型研究土體承載能力具有可行性及可靠性，但對于土樣A1、A2及表4中試驗結(jié)果與理論分析間的差距仍不能做合理的解釋。影響CBR的因素較多，考慮試驗土樣采自沿海地區(qū)，受海水沖刷及海相沉積作用的影響，土樣的結(jié)構(gòu)性可能是造成上述試驗結(jié)果與理論分析出入的重要原因。

3結(jié)構(gòu)性對CBR試驗的影響分析

3.1洪沖積性粉土的結(jié)構(gòu)性討論

土的結(jié)構(gòu)性通常指土顆粒通過一定的排列方式所呈現(xiàn)出來的物理力學性質(zhì)，而土顆粒間的排列方式通常受土中礦物種類、孔隙水形態(tài)、外界約束等因素影響?，F(xiàn)場土樣通過差熱分析鑒定出土中含有鐵質(zhì)、鋁質(zhì)礦物，易生成金屬礦物膠結(jié)從而增強土的結(jié)構(gòu)性，存在于顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)能使較小顆粒聚攏組成大顆粒，常規(guī)顆粒分析可能無法準確對其篩分，但在外力作用下，這類大顆粒易破碎為小顆粒，因此在顆粒組合設(shè)計的CBR試驗中會出現(xiàn)與理論不符的情況。為驗證這一分析，對試驗土樣采用移液管，并設(shè)計不同的浸泡時間、土樣干燥處理及添加化學試劑的對照組進行分散試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。浸泡時間越長，土中粉粒及粘粒含量上升，同時采用焦磷酸鈉作為分散劑處理后的粘粒含量大幅增多，表明現(xiàn)場原狀洪沖積土具有較強的膠結(jié)物質(zhì)以及結(jié)構(gòu)性，在外界干擾下土中顆粒易破碎使原級配發(fā)生變化。

3.2結(jié)構(gòu)性試驗設(shè)計

通過顆粒分散試驗驗證了洪沖積性粉土的結(jié)構(gòu)性主要來源于其自身礦物膠結(jié)物質(zhì)，為進一步研究土體結(jié)構(gòu)性對土樣強度的影響，在上述骨架顆粒研究的基礎(chǔ)上，以粗顆粒骨架土樣為基本實驗對象，設(shè)計了采用不同土樣處理方法的cBR試驗，具體處理方法包括加壓、排水、泡水等。試驗結(jié)果如表5所示。

3.3試驗結(jié)果分析

CBR試驗采用不同的處理方法，對結(jié)構(gòu)性有不同影響，從而cBR試驗結(jié)果也不同。試驗組c1、c2中對土樣施加上覆壓力時的CBR有少量提高，主要原因是加壓可以限制土在泡水過程中的體積膨脹，從而保證試樣的密度接近成型時的密度，骨架顆粒與填充顆粒比值對cBR有明顯影響。風干悶料試驗與天然原狀土直接貫入試驗相比，原狀土樣的結(jié)構(gòu)性保存較好，風干悶料對土的結(jié)構(gòu)性破壞作用明顯，且結(jié)構(gòu)性的破壞具有不可逆性。試驗組C7、c8中，振動成型試樣的強度較擊實成型的試樣強度高，主要原因是擊實過程中，擊錘周圍的土松散，內(nèi)部顆粒并不完全均勻受力;而振動成型過程中，土體內(nèi)部顆粒經(jīng)振動后可充分相互接觸，且成型表面較平整。

在道路路基修筑及使用過程中，路基填料含水率會發(fā)生變化，室內(nèi)標準cBR試驗通過對試樣泡水來預(yù)測路基填料在使用期間的含水率變化，但不能對土的結(jié)構(gòu)性因素進行有效的預(yù)測。對照試驗組中，試驗土樣泡水與否對cBR試驗結(jié)果影響較大，表明該類型粉土在較高含水率下隨時間增長，土顆粒開始分散，土的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生不可逆性破壞。

4洪沖積性粉土強度的評價方法

4.1評價模型的建立

4.2洪沖積性粉土的水穩(wěn)性分析

通過本文所論述的結(jié)構(gòu)性試驗表明：結(jié)構(gòu)性是影響該類型土承載能力變化的關(guān)鍵因素，主要原因是含水率與泡水時間對結(jié)構(gòu)性造成不可逆的破壞并降低土的承載能力。本文采用CBR試驗的中土樣泡水后的體積膨脹率對洪沖積性粉土的水穩(wěn)定性進行研究，土樣風干擊實成型后于試件兩個端面泡水，測定土樣膨脹率并進行CBR試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

提高土樣成型密度對降低膨脹率有一定效果，一般性粘粒土吸水膨脹為整個體積均勻膨脹，膨脹時沒有變形空間，因而受約束時產(chǎn)生較大的膨脹壓力，無約束時產(chǎn)生較大的膨脹變形，失水后體積收縮明顯。本文所研究的對象粉土結(jié)構(gòu)性較強，土樣風干對原有的結(jié)構(gòu)性有一定的消除作用，風干過程中土中粉粒較粘粒更易分散，重塑土時粘粒聚攏成團填充在顆粒空隙中，若土中粗粒土含量較少，在試樣泡水制備過程中，由于不飽和粘粒土團吸水率較大，在粉?？障吨袃?yōu)先吸水并達到飽和。因此洪沖積性粉土的體積膨脹是在粉粒土空隙間產(chǎn)生，這種不均勻膨脹將粉粒間空隙擴大，造成表觀膨脹變大，失水時由于膠結(jié)物質(zhì)的作用使體積收縮不明顯。

1^#試驗組中的試樣顆粒以粉粒土為主，少量的粗粒土處于粉粒、粘粒包裹中，土中孔隙主要為粉粒間空隙。隨著土中粗顆粒含量增加，更多的粗顆粒得以相互接觸，限制了粘粒土團吸水后的膨脹。5^#試驗組粗顆粒占比接近球形顆粒堆積的最佳比例，因此5^#試驗組的CBR及膨脹率均優(yōu)于其余試驗組。6^#試驗粗顆粒含量最大，CBR值較5^#試驗組略有降低，膨脹率略高，分析認為粉粒、粘粒占比較低的情形下，粉粒、粘粒易集中堆積，吸水后產(chǎn)生局部膨脹壓力，削弱了骨架顆粒體系的強度。

通過5^#與1^#、2^#、3^#、4^#、6^#的對比，提高土體密度及粗顆粒含量對限制洪沖積性粉土結(jié)構(gòu)性影響，提高承載能力及水穩(wěn)定性有明顯效果，粗顆粒作為骨架顆粒時，含量以78%左右為宜。

5結(jié)語

（1）沿海地區(qū)分布的洪沖積性粉土顆粒組成復(fù)雜，具有較強的結(jié)構(gòu)性且易濕化使其承載能力大幅降低，作用路基填料使用時必須對其土顆粒組成進行設(shè)計。

（2）顆粒級配及由于膠結(jié)物質(zhì)所形成的結(jié)構(gòu)性是影響洪沖積性粉土CBR強度的重要因素，泡水或干燥均對其顆粒級配及結(jié)構(gòu)性有不可逆的影響;在消除結(jié)構(gòu)性影響后發(fā)現(xiàn)影響洪沖積性粉土CBR特性的主要因素為粗顆粒含量及密度。

（3）基于球形顆粒接觸模型研究分析的骨架顆粒與填充顆粒的關(guān)系及評價方法，可以有效指導土的顆粒配比設(shè)計，提高土的CSR強度及水穩(wěn)定性。