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互层状土的土质工程特征研讨

2013/03/21 阅读:

水理性质

互层状土层的水理性质主要表现为垂直向渗透性受粘性土层的控制,渗透性为中等,渗透系数比纯粘性土略大,而水平向渗透性则受砂性土层及其厚度的影响,渗透性较强,渗透系数较大,更接近于砂性土层。如本研究所选的互层状土层的垂直向渗透系数为7.9×10-7cm/s,比淤泥质土略大,而水平向渗透系数则为1.2×10-5cm/s,远大于淤泥质土的2.14×10-7cm/s,更加接近粉砂层1.0×10-5cm/s的经验值。另外,由于互层状土层为层状构造,相间土层颗粒粒径相差悬殊,在同等条件下互层状土层更容易发生接触流失或接触冲刷。

互层状土层的工程评价

1承载力和稳定性

基于上述互层状土层的物理、力学特性,基本可以确定互层状土层中的粗粒土对其物理、力学性质有较大改善,抗剪强度有所提高,且由于互层状土层特有的层状构造近似于复合地基,其承载力和稳定性比单一均质的粘性软土层均有较大提高。根据《港口工程地质勘察规范》(JTJ240—97)的查表法求得上述3种土层的天然地基容许承载力分别为:互层状土层90kPa;淤泥质土层65kPa;粉砂层150kPa。由于构成互层状土层的粘性软土层为软塑状的软弱土层,在水平剪切力作用下极易发生滑移,是潜在的软弱滑动面,而地基稳定性大多受抗剪强度较低的软弱面控制,在有水平剪切力作用的条件下互层状土层的稳定性反而相对较差。

2变形沉降

互层状土层的压缩模量接近于均质淤泥质土层的2倍,但远小于均质砂性土层,说明在各种环境因素相同的条件下,互层状土层的变形沉降量约为均质淤泥质土层的1/2,但远大于均质砂性土层。这是由于本案例中互层状土层的层厚比接近1:1,若层厚比发生变化,其实际沉降量也会相应变化,其总体沉降量基本介于砂性土层与淤泥质土层之间,主要受淤泥质土层的控制。总之,互层状土层的承载力、稳定性和变形沉降均优于构成互层状土层的均质粘性软土层,承载力基本介于粘性软土层与砂性土层之间,变形沉降和稳定性主要受粘性软土层的控制,各项指标更接近粘性软土层。

3室内试验指标的代表性

3.1试样的选取

本案例中所有的讨论和判断均是基于对互层状土层室内土工试验指标和原位测试数据的统计分析,有关互层状土层的室内土工试验,原则上要求对构成互层状土的2种土层分别进行,然而在实际工作中当2种土层厚度均很小时,很难做到既不扰动又能准确地剥离,实际上分层试验的操作很难实现。另外,过细的分层试验会造成试验指标的离散,而实际上互层状土层的总体指标受主要土层的控制,更加接近于2种土层的综合体,所以分层试验是不可取的。在实际工作中,通常将互层状土层视为均质单一的土层进行试验,只是要根据实际情况在指标统计中进行修正和取舍,实践证明该方法在实际工程中比较可行的,经济上也比较合理。

3.2抗剪强度试验的方法

互层状土层特有的层状构造决定了其具有水平方向各向同性和垂直方向各向异性的特点,互层状土层的抗剪强度试验常采用直接剪切试验、三轴剪切试验和无侧限旁压试验等方法。直接剪切试验的剪切面比较固定,由于互层状土层存在垂直异向性,往往对于同一组试样剪切面有时位于砂性土硬层中,有时位于粘性土软层中,这样势必加大试验数据的离散性。另外,由于受直接剪切试验条件所限,剪切过程中很难控制试样的排水,而砂性土的排水速度往往很快,所以在互层状土的直接剪切试验中,其后2个试样往往因荷重增大,试样排水速度偏快,土层的固结程度提高,试样的抗剪强度偏大,表现在抗剪强度与垂直压力关系图中,就是后2个点上扬,内摩擦角增大。这种情况是由试验方法造成的,往往与实际情况不符。而三轴剪切试验和无侧限旁压试验的剪切面不是人为固定的,而是沿着最软弱面破坏,前述提及互层状土的地基承载力和稳定性大多受制于抗剪强度较低的软弱面,这2种试验方法更加接近实际情况,试验数据也更合理,因此,在条件允许的情况下,互层状土层的抗剪强度试验尽量推荐采用三轴剪切试验或无侧限旁压试验。互层状土层剪切试验中土样的切割示意,见图2。

3.3室内试验指标代表性的评价

目前关于互层状土层物理、力学特性的认识基本是基于野外钻孔勘探、原位测试和室内土工试验等常规手段,由于受现场条件、土层埋深、勘察孔径等的局限,基本上是以单个孔或单个点的土样代表附近一定区域和一定厚度范围内的土层,探槽、探坑等特别方法并不常用于进行更大范围、更全面的勘察。如果在某钻孔孔径范围内所取土样的构造反映为互层状土层,而在更广阔的范围内薄层、夹层却并不连续,而是间断的、呈斑状或透镜状的,这样就会造成认知上的偏差,在工程实际中容易造成理论与实际不符的现象。当砂性土层不连续成层状分布时,虽然室内土工试验得出的互层状土层水平向的渗透系数很大,但由于在较大范围内砂性土层不连续、渗透路径不畅,整个土层的水平向渗透系数未必会很大,在地基处理或沉降计算中,如果只根据单个钻孔的室内试验指标确定土层的固结时间,可能会远小于实际需要的固结时间,卸载时土层可能尚未达到预期的固结度,地基的实际强度可能远小于设计强度,这就会给工程建设带来隐患甚至危害。同理当粘性土层不连续时,虽然室内土工试验结果显示互层状土层强度偏低,但由于在较大范围内粘性土层的不连续,砂性土层所占比例增大,土层总体强度有所提高,又会增加不必要的地基处理费用。

结语

综上所述,互层状土层和软土、黄土等一样属于性质比较特殊的土层,虽然其分布范围有限,但在港口工程建设领域非常有必要厘清某些针对互层状土层性质不正确或不彻底的认识,有利于避免由于互层状土层给港口工程建设带来一些不利影响,更好地发挥其能够为我所用的某些优势。

作者:赵居代康鸿儒单位:中交第一航务工程勘察设计院有限公司

互层状土的土质工程特征研讨

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