田麗霞

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

在我國長三角沿海一帶地面下50 m以淺廣泛分布著軟黏性土地層，多是第四系全新統(tǒng)Q4沉積層，為海積、沖湖積沉積，主要由伊蒙混層黏土礦物組成，物理力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為高含水率、高液塑限、高壓縮性、高靈敏度、低承載力等工程特性，作為工程建設(shè)的不良地層被人們所重視，但在近些年的大型橋梁、超高層、超深基坑等工程項(xiàng)目建設(shè)中，隨著人們對(duì)深部地層的開發(fā)利用，在地面下50 m以深常常會(huì)揭露一種類似Q4沉積特性的黏性土層，按歷史成因可劃為第四系上更新統(tǒng)Q3沉積層，沖湖積沉積。此類黏性土具有觸摸手感細(xì)膩，天然密度小，孔隙比大，高靈敏度，原生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，但在外力作用下易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)強(qiáng)度迅速下降和變形突然增大的現(xiàn)象，并且在室內(nèi)土工試驗(yàn)成果中會(huì)出現(xiàn)物理和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)不匹配的特殊現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)其成分進(jìn)行分析，含有大量硅藻類化石，化學(xué)成分以SiO2為主，礦物成分為蛋白石及其變種，主要由古代硅藻的遺骸形成。查閱相關(guān)資料，可稱為硅藻土。關(guān)于硅藻類土對(duì)工程影響的研究文獻(xiàn)較少，高大釗、李韜等[1]編著的《巖土工程試驗(yàn)、檢測和檢測》中記錄，我國工程人員在做項(xiàng)目時(shí)遇到高壓縮性湖湘沉積土的物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)不匹配的問題，高老師答疑此類土是一種成因條件比較特殊的土，一般認(rèn)為是Q4的，但這種軟土也可能是Q3的，所以在工程設(shè)計(jì)中不宜套用我國已有的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而需要做一些有針對(duì)性的試驗(yàn)，按照實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果來評(píng)價(jià)。余俊杰、許圣華等[2]在《寧德海相軟黏土工程特性與沉積環(huán)境初探》一文中對(duì)寧德環(huán)澳軟黏土從歷史成因、微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等方面進(jìn)行研究，提到了含硅藻質(zhì)軟黏土高強(qiáng)度、高靈敏的特性。在工程勘察工作中也很少單獨(dú)命名和劃分成層，造成土工試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)時(shí)，對(duì)此類土指標(biāo)往往按異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，因而不被工程技術(shù)人員重視，留下工程安全隱患。另外室內(nèi)土工試驗(yàn)工作中對(duì)此類土也僅進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)分析，很少進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)分析。

本文將從此類含硅藻類黏性土的微觀結(jié)構(gòu)、礦物成份和室內(nèi)土工試驗(yàn)等方面進(jìn)行研究，為今后工程建設(shè)提供參考。

1 研究概況

本次研究基于浙江寧波杭州灣新區(qū)某樁基項(xiàng)目，場地地貌類型屬浙北濱海平原。根據(jù)地質(zhì)資料，在勘探深度80 m范圍內(nèi)地層自上而下分為6個(gè)大層，本文研究的含硅藻類黏土分布于場地下53～63 m深度范圍內(nèi)，按浙江省工程標(biāo)準(zhǔn)《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范》（DB33/T 1065—2019）[3]地層可劃分為⑥2層黏土，屬Q(mào)3沉積層，沖湖積沉因類型。

本次研究方法，選取場地內(nèi)代表性土樣，通過掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分分析，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，進(jìn)行物理性質(zhì)（含水率、密度、孔隙比、液塑限、有機(jī)質(zhì)含量）和力學(xué)性質(zhì)（固結(jié)試驗(yàn)、先期固結(jié)壓力試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、無側(cè)限試驗(yàn)）等方面的研究。

2 含硅藻類黏土結(jié)構(gòu)及礦物成分

利用同濟(jì)大學(xué)掃描電鏡（日立SU1510型）對(duì)所取的代表性含硅藻類黏土進(jìn)行電鏡掃描成像，從微觀角度認(rèn)識(shí)其礦物組成及原始結(jié)構(gòu)，見圖1、圖2。

圖1 垂直向電鏡掃描圖

圖2 水平向電鏡掃描圖

從圖1可以看出：該層黏土除了有正常的伊蒙混層高嶺石、伊利石等成分外，還含有大量的藻類化石；從圖2可以看出：該層黏土中的藻類化石主要為圓篩藻及直鏈藻類。藻類的存在導(dǎo)致黏土結(jié)構(gòu)排列不規(guī)則、不緊密，具有很大的孔隙，因而表現(xiàn)出含水率大，孔隙率大，吸附力強(qiáng)，同時(shí)天然密度小，重量輕的特點(diǎn)。該層黏土由于沉積年代久、埋藏深，固結(jié)歷史長，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但圓篩藻及直鏈藻類化石本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不高，因此在外力作用下易破碎，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅降低，變形大幅增加，從而使該含硅藻類黏土具有較高的靈敏度和壓縮性。

3 含硅藻類黏土物理力學(xué)性質(zhì)研究

3.1 含硅藻類黏土的物理性質(zhì)

3.1.1 常規(guī)物理性試驗(yàn)

對(duì)該項(xiàng)目場地內(nèi)142組埋深在53～63 m的黏性土樣品進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)物理性試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

對(duì)表1分析：該層黏土跟普通軟黏土相比具有高含水率（最高為79.7%）、小密度（最小為1.47 g/cm3）、高孔隙比（最高2.370）、高孔隙率（最高為70.3），高液限（最高80.7%）及高塑限（最高42.0%）的特性。原狀土試驗(yàn)中手感觸壓強(qiáng)度較高，但根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞后進(jìn)行的液塑限試驗(yàn)結(jié)果，土體狀態(tài)可塑狀占比20%，軟塑狀占比79%，流塑狀占比1%，表明土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高。另外該黏土指標(biāo)離散性較大，土體均勻性差，分析原因主要是土樣中所含硅藻化石分布不均和硅藻的孔隙結(jié)構(gòu)造成。

表1 土層物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3.1.2 有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)

在場地內(nèi)取10組含硅藻類黏土樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量測試，采用燒灼法，燒灼溫度參考國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50307—2012）[4]按550℃確定，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 土層燒失量統(tǒng)計(jì)表

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果表2分析：土樣的原始密度非常小，重量很輕，與常規(guī)的有機(jī)質(zhì)土較接近，但有機(jī)質(zhì)含量并不高，說明含硅藻類黏土雖然由古代硅藻的遺骸所組成，但已經(jīng)沉積成化石，其化學(xué)成分以SiO2為主，因此與有機(jī)質(zhì)土性質(zhì)有很大區(qū)別。

3.2 含硅藻類黏土的力學(xué)性質(zhì)

3.2.1 固結(jié)試驗(yàn)

對(duì)該黏土層進(jìn)行了95組標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，加荷序列按照土層埋深和附加應(yīng)力綜合確定為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每級(jí)壓力下每小時(shí)變形量不大于0.01 mm。選取100～200 kPa壓力下的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3。

對(duì)表2分析：該層黏土固結(jié)指標(biāo)的變化范圍和離散性都較大，壓縮性為中等～高壓縮性。

為進(jìn)一步分析固結(jié)指標(biāo)的變化特性，對(duì)壓縮系數(shù)指標(biāo)繪制了散點(diǎn)圖，見圖3。

圖3 壓縮系數(shù)指標(biāo)散點(diǎn)圖

從圖3可以看出：壓縮系數(shù)指標(biāo)以0.5 MPa-1為中心軸上下變化，總體上壓縮性偏高，主要為高壓縮性。

另外在本次固結(jié)曲線中發(fā)現(xiàn)普遍存在反?，F(xiàn)象：即在某級(jí)荷重前曲線平緩，壓縮變形小，但在超過一定荷重后，曲線突然發(fā)生陡降，壓縮變形突然增大，然后又趨于平緩。為了尋找其突變規(guī)律，選取6組樣品，采用次固結(jié)增量校正試驗(yàn)方法進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)，加荷序列為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa、600 kPa、700 kPa、800 kPa、900 kPa、1 000 kPa、1 200 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa，典型的固結(jié)試驗(yàn)曲線結(jié)果見圖4。

圖4 高壓固結(jié)試驗(yàn)曲線圖

從圖4分析：土樣固結(jié)曲線在壓力50～500 kPa區(qū)間時(shí)，土樣變形穩(wěn)定，其壓力與孔隙比變化趨向于一次線性關(guān)系，壓力增至600 kPa以后，土樣變形出現(xiàn)明顯下降，壓力與孔隙比變化趨向于二次線性關(guān)系，隨后變形又趨于平緩。這一臺(tái)階式固結(jié)變形曲線與常規(guī)軟黏性土圓滑的固結(jié)變形曲線明顯不同，說明含硅藻類黏性土強(qiáng)度受硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和黏土本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的雙重控制，其中硅藻孔隙強(qiáng)度對(duì)變形影響較大。試驗(yàn)開始時(shí)，土樣的固結(jié)變形主要由硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，當(dāng)壓力超過硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后，硅藻孔隙結(jié)構(gòu)破壞，造成土體出現(xiàn)明顯沉降變形。繼續(xù)施加荷重，土體進(jìn)行新一輪的固結(jié)變形，此時(shí)主要由黏土本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)揮作用，因此曲線變化平緩且穩(wěn)定。在本場地中600 kPa壓力荷重是此類含硅藻類黏性土的硅藻孔隙強(qiáng)度破壞的極限值。因此在工程中需注意含硅藻類黏性土這一特性對(duì)承載力和沉降變形的影響。

3.2.2 先期固結(jié)壓力試驗(yàn)

為了解該黏性土的固結(jié)歷史，采用全自動(dòng)固結(jié)儀進(jìn)行先期固結(jié)壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)，最大壓力為3 200 kPa，典型的試驗(yàn)曲線結(jié)果見圖5。

圖5 先期固結(jié)壓力試驗(yàn)曲線圖

根據(jù)試驗(yàn)曲線，采用Casagruande圖解法求得土樣的先期固結(jié)壓力Pc值，然后根據(jù)土層自重應(yīng)力計(jì)算得到該類土的超固結(jié)比。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，先期固結(jié)壓力Pc值在2～4，屬超固結(jié)土，相比較常規(guī)軟黏性土（Pc值1左右）要大出很多，說明此類黏性土沉積歷史較長，固結(jié)程度較高，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2.3 直接剪切試驗(yàn)

對(duì)該類黏性土進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)方法分別采用直剪快剪和固結(jié)快剪方法，垂直壓力采用100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四級(jí)荷重。本次共進(jìn)行了26組直剪快剪試驗(yàn)和43組固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 直接剪切試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果表4進(jìn)行分析：

（1）同一種試驗(yàn)方法得到的剪切強(qiáng)度指標(biāo)離散性非常大，并且剪切強(qiáng)度指標(biāo)與天然密度、孔隙比等物理性質(zhì)指標(biāo)沒有相關(guān)性。分析原因主要是該類黏土的剪切強(qiáng)度受所含硅藻類結(jié)構(gòu)影響較大，由于土樣硅藻類含量及分布不均勻，故反映出剪切強(qiáng)度變化范圍較大。

（2）不同的試驗(yàn)方法得到的黏聚力普遍較大，與常規(guī)軟黏性土有很大不同。該類黏土雖然天然密度較小，多呈現(xiàn)為軟塑狀態(tài)，但得到的剪切強(qiáng)度指標(biāo)較高，出現(xiàn)剪切力學(xué)參數(shù)與物理性狀態(tài)不匹配的情況。分析原因主要是由于該類黏性土固結(jié)歷史較長，屬超固結(jié)土，歷史上受過比現(xiàn)應(yīng)力大的有效應(yīng)力的壓密，因此具有比正常固結(jié)土高的抗剪強(qiáng)度，另外，由于含硅藻類化石，導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列不規(guī)則，顆粒之間接觸面較粗糙，也增大了抗剪強(qiáng)度。對(duì)于物理性狀態(tài)不佳主要受含硅藻類成份結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的高孔隙率影響，造成土體出現(xiàn)低密度、高含水率、高孔隙比等現(xiàn)象。

（3）不同的試驗(yàn)方法得到的內(nèi)摩擦角普遍較小，并且兩種試驗(yàn)方法獲得的內(nèi)摩擦角差別不大，說明固結(jié)排水對(duì)該黏性土原始強(qiáng)度影響并不明顯。分析原因主要是土體固結(jié)度較高，且硅藻類結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也較高，而試驗(yàn)加荷受儀器設(shè)備限值，不能使土樣進(jìn)行充分固結(jié)排水，因而得到的內(nèi)摩擦角值差異不明顯。

3.2.4 三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)

對(duì)該類黏性土采用全自動(dòng)三軸儀進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，選取代表性土樣制成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，周圍壓力分別按200 kPa、300 kPa、400 kPa施加。試驗(yàn)結(jié)果曲線見圖6、圖7。

圖6 三軸應(yīng)力強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

圖7 三軸應(yīng)變試驗(yàn)曲線

從圖6可以看出：該類黏土總應(yīng)力指標(biāo)和有效應(yīng)力指標(biāo)均較大，受其原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響，其剪切強(qiáng)度大于常規(guī)軟粘性土。

從圖7可以看出：該類黏土強(qiáng)度破壞峰值明顯，呈現(xiàn)為脆性破壞特征，明顯不同于普通軟粘土無峰值的剪切破壞曲線。

3.2.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)該類黏性土選取10組土樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)統(tǒng)計(jì)表4分析：該類黏土原狀樣抗壓強(qiáng)度值很大，普遍高于常規(guī)的軟黏土，但擾動(dòng)樣抗壓強(qiáng)度值較低，靈敏度非常高，屬于高靈敏～極靈敏土，個(gè)別為流性，表明土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)外力作用敏感。

典型的試驗(yàn)曲線見圖8，試樣破壞情況見圖9。

圖8 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

圖9 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度破壞圖

從圖8可以看出：土樣原狀樣試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)陡升和陡降形式，土樣結(jié)構(gòu)破壞峰值強(qiáng)度明顯，而此時(shí)軸向變形卻不大。土樣擾動(dòng)樣試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)緩升形式，且無強(qiáng)度峰值。

從圖9可以看出：土樣剪切破壞形態(tài)明顯，軸向變形很小，基本上看不出有什么變化，呈現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。

4 結(jié)語

通過對(duì)含硅藻類黏性土的微觀結(jié)構(gòu)、礦物成份以及室內(nèi)土工試驗(yàn)等方面的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）含硅藻類黏土具有高含水率、高孔隙比、高液塑限、高靈敏度、高壓縮性、高固結(jié)比、低密度等工程特性，與常規(guī)軟黏土和有機(jī)質(zhì)土存在很大的不同，工程建設(shè)中需引起重視。

（2）含硅藻類黏土的物理力學(xué)性質(zhì)受所含硅藻組成結(jié)構(gòu)和分布不均的影響，導(dǎo)致指標(biāo)離散性很大，并且物理性質(zhì)指標(biāo)不佳（如密度小，孔隙比大），而力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)較好（如剪切強(qiáng)度大、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高），兩者明顯不協(xié)調(diào)。因此在土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的選用過程中不能按常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，需充分考慮其特殊性。

（3）在工程建設(shè)中，建議對(duì)含硅藻類黏土除了進(jìn)行常規(guī)的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)外，宜增加微觀結(jié)構(gòu)或礦物成分分析試驗(yàn)。另外考慮到此類土的特殊性，建議單獨(dú)劃分成層，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土層定名為硅藻類土，以便引起工程技術(shù)人員重視。

（4）根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)，含硅藻類黏土的變形特征由硅藻類結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和土體本身強(qiáng)度雙重控制，具體表現(xiàn)為在受到外力作用下，先是受硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，超過一定壓力后，硅藻孔隙結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生陡降變形，然后受土體本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，開始新一輪的固結(jié)穩(wěn)定過程，產(chǎn)生平緩變形。因此，確定硅藻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)工程結(jié)構(gòu)變形控制至關(guān)重要，室內(nèi)試驗(yàn)需要確定含硅藻類黏土的臨界荷載，以便為設(shè)計(jì)確定承載力和變形要求提供參考依據(jù)。

（5）根據(jù)三軸剪切試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，含硅藻類黏土原狀樣具有較高的抗壓強(qiáng)度，但土體結(jié)構(gòu)破壞后，呈現(xiàn)脆性破壞，強(qiáng)度大幅降低，屬高靈敏～極靈敏土，對(duì)施工過程控制及后期建筑物地基沉降存在很大的隱患。故建筑物地基持力層遇到該層土?xí)r，宜穿過該層或增大與該層的安全距離，以保證工程安全。另外由于該層土靈敏度高，采用樁基振動(dòng)沉樁時(shí)會(huì)造成該層土結(jié)構(gòu)破壞，承載力急劇下降，且恢復(fù)緩慢，因此遇到此類土層時(shí)不建議使用振動(dòng)成樁工藝。

（6）本次研究基于寧波杭州灣新區(qū)某樁基項(xiàng)目，內(nèi)容和深度有限，建議在今后能有更多此類含硅藻類黏土特性的研究，為工程設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)提供合理、可靠的地質(zhì)依據(jù)。