软土工程特性研究——以南京鼓楼滨江段为例

唐　波, 张莉萍, 曹建军, 徐甲存, 王艳波

(南京市水利规划设计院有限责任公司,江苏 南京　210022)

0　引言

南京地区地处长江中下游,沿江两岸漫滩地貌上广泛分布软弱地基土。该土具有高含水量、高压缩、高孔隙比,低承载力、低渗透性系数、低抗剪强度等工程特性。随着城市建设的发展进程,南京市长江沿线基本建设巨大,但多次出现因软土所带来的崩岸、滑坡以及建筑物的过大沉降与不均匀沉降问题,给周边居民人身及财产安全带来很大影响。

按照中国软土分布区域图,南京属于Ⅱ—中部地区[1]。不同地区、不同成相软土表现的工程特性并不相同,对长江南京鼓楼滨江段软土的工程特性进行研究,对评价其工程地质条件,准确进行软土地基的沉降计算、合理的地基处理设计及岸坡稳定性分析等具有重要的理论与实践意义。

文章以南京鼓楼滨江段(长江右岸三汊河河口—长江大桥)所揭示的软土为研究对象,在分析其成因及分布规律的基础上,进而通过大量土工试验数据与原位测试结果分析该地区软土物理力学参数特征及相关性,对软土承载力、应力历史及变形等工程特性进行分析研究,得出了相应的结论。

1　工程概况及岩性特征

“南京长江鼓楼滨江岸线整治工程”项目场地位于南京市鼓楼区长江南岸岸边,三汊河河口—长江大桥(约4 km)。该项目旨在对鼓楼区长江滨江段进行环境综合整治,工程包括:防洪墙及码头改造、岸坡稳定性分析以及景观整治等内容,本院受业主委托进行该项目工程地质勘察工作。

多年的水利工程实践表明,长江南京鼓楼滨江段为软土广泛分布区。工程沿线分布长江漫滩相淤泥、淤泥质粉质粘土及淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层等软土层。总的说来,该场地软土层属第四纪沉积层,地质年代较近,其地层构造特征是土层较厚,层理比较明显。土层分布虽较均匀且具有一定规律性,但土层的起伏和厚薄仍有较多的变化。从整个区域地层构造来看,大体上可划分为四种基本类型(图1)。

图1　南京鼓楼滨江段典型地质剖面图

第一层为人工填土。有①1杂填土,局部分布,含建筑垃圾或工业废料等;①2块石,堤外水下分布较广,多年人工抛石固基所致;①素填土,由粉质粘土、粉土组成,广泛分布。人工填土的厚度变化规律性不强,一般较薄。

第二层为表层土或称硬壳层。②粉质粘土,灰褐色,软塑—可塑,厚度1～3 m,但因人类活动或古河道切割而厚薄不均,甚至缺失。该表层土可作为浅基础持力层,但设计时需进行软弱下卧层强度验算。

第三层软土层是南京鼓楼滨江地段的代表性土层。该层包括③1淤泥、③2淤泥质粉质粘土,以及③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层等类型。灰色,流塑状态,夹薄层粉砂,具有典型的“千层饼”状。其中,③2淤泥质粉质粘土、③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层分布广、埋深浅、厚度大,对工程建设影响大,为本文主要研究对象。

第四层为粉砂层。④粉砂,灰色,中密—密实,土质不甚均匀,局部夹粉质粘土薄层,埋深较大、厚度较大,层位稳定。该层是良好的桩基持力层。

2　工程特性研究

2.1　一般物理、力学性质

通过对南京鼓楼滨江段(三汊河河口—长江大桥段)③2淤泥质粉质粘土、③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层等进行的大量室内土工试验分析(表1、表2),结合现场原位测试等数据结果,该两层软土具有软土所共有的“三高三低”等工程特性。

表1　软土层主要物理指标统计值表

表2　软土层主要力学指标统计值表

表3　软土层渗透系数指标统计值表

2.1.1高含水量、高压缩性、高灵敏度

由表1含水率、饱和度及液限统计值可以看出,该工程段软土的含水量较高,土性状态为软流塑,饱和度接近于1。天然含水率高于液限,孔隙比>1.0,根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009年版)进而证明上述地基土属于淤泥质土。由表2看出,本工程段软土层压缩系数多>0.5,属高压缩性土。

由表3可知,③2淤泥质粉质粘土、③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层的无侧限抗压强度之灵敏度为2.30～5.80、1.80～7.20,属中等灵敏、灵敏结构性土。天然粘性土通常具有一定的结构,当外力扰动破坏了土体天然结构时,将导致土体强度降低和压缩性增高,特别是具有较大触变性的淤泥质土。

与软土灵敏度相反的是其触变性,软土在结构遭扰动后强度降低,当停止扰动后,并经一段时间静止后,土粒间的粘结会得到局部恢复,这个过程称软土的触变特性。这个过程在软土中恢复的很慢,遭破坏的软土恢复的更慢,即使恢复也很难达到原有的状态,施工时需注意,减少对软土的扰动。

2.1.2低密度、低强度、低渗透性

由表1看出,本工程软土层的天然容重在16.8～19.2 kN/m3,平均值17.8～18.0 kN/m3,密度低;由表2看出,无论是采取直剪快剪、三轴剪切、无侧限抗压强度试验等室内试验方法,还是现场的静力触探、十字板试验等原位测试手段,获得的软土强度指标都比较低。

渗透系数可用来评价土的渗透性大小,在工程建设方面有着重要意义。特别是在水利工程中,诸如降水、排水计算,水库(渠道)渗透量计算,地下洞室及基坑涌水量计算,浸没区预测,供水工程计算等等方面都需要渗透系数指标。

由表3可知本工程段埋深较浅的③2淤泥质粉质粘土层的渗透性主要为微透水,局部弱透水。渗透系数小是因为软土的孔隙比大但空隙小,粘粒的吸水、亲水性强,土中含有机质也较多,分解的气体封闭在空隙中,使得土的渗透性变差,一般渗透系数<10-6数量级。而水平渗透系数普遍高于垂直向渗透系数,主要是软土层局部含粉砂薄层所致。

2.1.3软土主要物理力学参数相关性

软土取原状样较不易,通过采用较易获得相对准确的参数反演相对较难得到参数的方式,提出地区性经验公式,可供工程技术人员有选择性的参考,可以为该地区的工程建设提供一定的借鉴。通过对该工程场地分布的③2淤泥质粉质粘土、③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层等软土层各物理、力学参数进行一元线性回归分析,获得各参数间的规律性关系:孔隙比e与天然含水率w有良好的正相关性,且与密度ρ负相关关系显著;而压缩系数α1-2与摩擦角φc间属弱负相关,与含水率w弱正相关关系。各参数间回归方程及相关指数见表4。

2.2　承载力研究

在建筑物基础设计时,建筑物基底压力应在地基土所允许的承载能力之内。确定地基土承载力的方法除静载试验外,通常可以采用以下几种方法:

2.2.1理论计算法[2]

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第5.2.5条款计算地基土承载力特征值fa。

fa=Mbγb+Mdγ0d+Mcck

式中:fa为由土的抗剪强度指标确定的地基土承载力特征值;Mb,Md,Mc为承载力系数,根据内摩擦角φk值查规范中相应的表;b,d为基地宽度和埋深(取b=3.0 m,d=1.0 m);ck为粘聚力。

表4　软土物理力学指标的统计关系

2.2.2土工试验指标查表法[3]

根据《南京地区建筑地基基础设计规范》(DGJ32/j12—2005)附录F确定地基土承载力基本值,再经回归修正系数修正得地基土承载力特征值fak。

2.2.3经验公式法

应用静力触探、十字板等现场原位试验数据按照《软土地区岩土工程勘察规程》(JGJ83-2011)所列经验公式等方法计算承载力特征值,静力触探指标,对于淤泥质土可采用fak=29+0.063ps计算;十字板指标数据,q=2.2cu+10计算。

为方便比较,本工程③2淤泥质粉质粘土、③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层承载力按各方法计算的地基土承载力值特征值汇总表如表5所示。

由表5可以看出:

表5　软土层地基土承载力特征值汇总表

(1)《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)计算确定的承载力特征值高于由土工试验物理指标确定的承载力特征值,这是因为前者确定的地基土承载力特征值经过基础深、宽(取b=3.0 m;d=1.0 m)修正。

(2)由室内试验指标计算的承载力特征值相对于十字板、静力触探原位测试数据计算的承载力特征值较低,主要是因为原位测试时避免了由于钻探取样、试样运输及试验扰动等因素的影响,所计算的承载力更具有一定的代表性。

2.3　固结系数及其特征研究

单纯的地基承载力满足要求对于软土是不够的,地基变形问题是不少工程在使用后的地基事故主因。基础的沉降量或沉降差(或不均匀沉降)过大等变形问题,不但会降低建筑物的使用价值,而且往往会造成建筑物的毁坏。例如水利工程中的水闸,如果闸门两侧的闸墩基础产生过大的不均匀沉降,就会使闸门启闭困难;对于挡水的水工建筑物,例如土坝,如果产生过大的沉降,将不能满足拦洪蓄水的要求;不均沉降往往又会引起土坝的裂缝,导致集中渗漏,给工程带来危害。

在软土地基处理设计中,地基固结度计算是一项很重要的内容,通常需要通过固结度计算来预测地基土强度增长、确定加载速率、荷载分级、预压时间等。在固结度计算中,固结系数是一个十分重要的参数,可通过室内固结试验求得,常用的方法有时间对数法和时间平方根法。文章对南京鼓楼滨江段软土,通过对某个典型勘察钻孔取样试验分析,采用时间平方根法室内试验手段获得固结系数数据,通过比较分析,进而探讨一些规律性结论,以期能对类似工程提供借鉴。根据时间平方根法求出的各级压力下淤泥质土的水平及垂直向固结系数见表6。

(1)固结系数与固结压力有较好的规律性,在较低的固结应力(低于土的固结屈服应力)的范围内,固结系数较高,当固结压力增大到一定值(大于结构屈服应力时)后,土的结构性被破坏后,固结系数将不再有明显变化,基本趋于一定值[4];

(2)水平向固结系数普遍较垂直向数值大,这主要与该工程软土层具有明显的夹砂层薄层有关。

对于设置竖向排水通道的深厚软土层地基,当土层厚度较大时,土的径向排水固结是主要的,竖向固结所占比例较小,因此,确定土的水平向固结系数尤为重要。

表6　软土各深度处固结系数统计值汇总表

2.4　应力历史研究

软土的应力历史状态在基础沉降、桩基负摩阻力计算等方面是十分重要的因素,应力历史状态的反映主要通过先期固结压力pc与超固结比OCR值等物理量来体现。当OCR>1则为超固结,OCR等于1则为正常固结土,OCR>1则为欠固结土[5-6]。

为了判断本场地内软土层是否为欠固结土层,本文对工程场地软土层不同深度处进行先期固结压力研究,分析ZK2钻孔各深度处5组高压回弹试验确定的先期固结压力、自重应力指标统计成果(表7)。先期固结压力pc确定方法主要是根据卡萨格兰德建议的经验作图法,通过室内试验得出孔隙比e和p,利用e-lgp的关系曲线得出;而自重应力σc计算公式如下:

式中：σc为天然地面下任意深度z处的自重应力,kPa;n为深度z范围内的土层总数;hi为第i层土的厚度,m;γi为第i层土的天然重度,对地下水位以下的土层取有效重度。

表7　软土层回弹试验及自重应力统计值表

通过对比各深度范围自重应力与先期固结应力,可判断该区域内③2淤泥质粉质粘土、③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层属因固结沉降将产生负摩阻力的欠固结土。地基最终沉降计算也应考虑应力历史等因素进行最终沉降计算。

3　结语

(1)无论是③2淤泥质粉质粘土,还是③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层,均属长江河漫滩相软弱地基土,基本工程特性包括:高含水率、高压缩性、高灵敏度、低密度、低强度及低渗透性。

(2)灵敏度在2.3～7.2,属中等灵敏—灵敏。

(3)对该区段软土的强度评价时,特别是承载力的确定需综合考虑土工试验、静力触探、十字板等综合因素。

(4)水平向固结系数普遍较垂直向数值大。

(5)③2淤泥质粉质粘土、③3淤泥质粉质粘土与粉质粘土互层属欠固结土。

建议在今后的工作中多积累经验,总结不同地区、不同成因类型软土的工程特性,特别是在软土矿物成分、结构强度、膨胀性方面进行研究,为准确把握该地区软土的工程特性,正确处理软弱地基土提供可靠依据。

参考文献:

[1]JGJ83—2011，软土地区岩土工程勘察规范[S].

[2]GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范[S].

[3]J10648—2005，南京地区建筑地基基础设计规范[S].

[4]秦志光,李志,罗嗣海,等.珠三角软土的结构性分析[J].江西理工大学学报,2006,27(4)：8-11.

[5]高大钊.软土地基理论与实践[M].上海:中国建筑工业出版社,1991.

[6]李彰明.软土地基加固与质量监控[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.