海相淤泥质土力学参数的实验研究

摘要： 实验通过对辽宁省丹东市海洋红村近海地区淤泥质粘土进行不固结不排水快速直接剪切试验，来测定此地区近海淤泥质土在不同含水率情况下的抗剪强度变化情况，通过计算提供本地区近海地基强度及地基稳定性计算所用的指标：淤泥质土层的黏聚力c及内摩擦角φ。进一步验证在不同含水率情况下淤泥质粘土的c、φ值呈何种变化规律。

Abstract： By operating the unconsolidated-undrained quick direct shear test of the ooze cohesive soilalong the coastal area of the Haiyanghong village in Dandong， Liaoning Province， the experiment is intended to trace and measure the variation of thesoil shear strength at a set of water content. Through the calculation of the indicators of ground strength and stability as well as the cohesion c and internal friction angle φ of the ooze cohesive soil in the area targeted， this article intends to make furthertest and verification of the ooze cohesive soil's varying pattern under various water content circumstances.

关键词： 海相淤泥；粘性土；不固结不排水快速直接剪切试验；库仑定律；抗剪强度；垂直压力；含水率；粘聚力；内摩擦角

Key words： marine ooze；cohesive soil；unconsolidated-undrained quick direct shear test；Coulomb Law；shear strength；vertical pressure；water content；cohesion；internal friction angle

中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）24-0086-03

1 海相淤泥性质及其研究现状

海相淤泥是一种以极细的粘土胶状物质为主，在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并伴有一定的微生物作用的一种结构性软土，土中含有一定数量的有机物。此处所提到的海相淤泥并非平日所见的海中的表面浮泥，而是浮泥层3至5米以下的淤泥质粘土。此种淤泥质粘土结构松散，其天然含水量大于其液限，固结后力学性质变化比较大，具有较强吸附力，属于饱和多孔介质，是由土粒固体骨架以及充满在骨架内的孔隙水组成。我国海相淤泥分布极为广泛，遍布我国东南沿海地区。如：长江三角洲地区丰富的淤泥质土层、渤海海底表层约8米厚的现代海相淤泥沉积层及青岛前湾港区7～14米范围内海相沉积淤泥层等。此类土的强度非常低，工程物理性质较为特殊，工程性质较差，对海底及近海各项工程建设极为不利。近几年，随着我国沿海地区经济的不断发展，许多沿海城市需要建设港口、码头及近海油田等建筑，对于近海软土地基的加固处理变的日趋重要。面对这种现状，施工及设计单位需要弄清楚此近海地区淤泥质土的各种力学参数及此近海地区地基强度及稳定性，对此地区的淤泥质土层进行加固处理。而确定地基强度和稳定性的最重要的指标是土的粘聚力c及内摩擦角φ。本实验通过对辽宁省丹东市海洋红村近海地区淤泥质粘土进行不固结不排水快速直接剪切试验，来测定此地区近海淤泥质土在不同含水率情况下的抗剪强度变化情况，通过计算提供本地区近海地基强度及地基稳定性计算所用的指标：淤泥质土层的内摩擦角c及黏聚力φ。进一步验证在不同含水率情况下此地区淤泥质粘土的c、φ值呈何种变化规律。从而方便设计和施工单位更为准确的进行其设计及施工工作。

2 实验原理

本文通过对土样进行不固结不排水快剪试验，得到“剪应力与剪切位移关系曲线”，取每条曲线的峰值点或稳定值作为抗剪强度。

用所得抗剪强度结合所施加的垂直压力画出“抗剪强度与垂直压力关系曲线”。根据库伦定律公式：

τf=c+σtanφ

得到此处海相淤泥的粘聚力c和内摩擦角φ。

其中：τf指土的抗剪强度（kPa）；σ指剪切面上的垂直应力（kPa）；φ指土的内摩擦角（°）；c土的黏聚力（内聚力kPa）。

3 实验过程

本试验试样取自辽宁省丹东市海洋红村近海地区的淤泥质土，在运输过程中对土样容器进行了固定处理以尽量小的减少土样的扰动，以保持土样的完整性。

取土样进行了颗粒分析试验，对土样进行了简单的分析，了解到此地淤泥质土属于粉质粘土，其烘干后土颗粒过0.25mm孔径筛质量达89.5%，过0.1mm孔径筛质量为70.95%，过0.075mm孔径筛质量为36.3%。

3.1 试验仪器设备

①ZJ型应变控制式直剪仪（三速）：由剪切盒、垂直加压设备、剪切转动装置（自动）、测力计组成。所用仪器规格如下：垂直载荷：400kPa，300kPa，200kPa，100kPa，50kPa；水平载荷：1.2kN；杆杠比：1：12；试件面积：30cm2；电源：220V±10%50Hz；仪器尺寸：850×550×1100mm（L×W×H）；仪器重量：40kg；测力计率定系数：1.800N/0.01mm。实物如图1。②环刀：内经61.8mm，高度20mm。③位移测量设备：量程为5mm，最小分度值为0.01mm的百分表。④电子天平：最大称量为400g，最小分度值为0.01g。⑤其他：切土刀、钢丝锯、凡士林及硬塑料薄膜等。

3.2 操作步骤

①试样制备：试验采用了八组不同含水率的试样，取土样，依据规范的土样制备要求每一组土样制备六个试样，其中两个为备用试样。如图2。

将环刀切下后周边的土样装入铝制小盒中进行含水率试验，以测定每组土样的含水率。

②垂直压力的施加：每组的四个试样在4种不同的垂直压力下进行剪切试验。取垂直压力分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，各级垂直压力轻轻施加。

③试样安装与剪切：对准上下盒，插入固定销，下盒内依次放入透水板硬塑料薄膜，环刀平口朝下，对上剪切盒口，刀口上依次放上硬塑料薄膜和透水板，将试样慢慢推入剪切盒内，盖上传压板。

转动直剪仪后面的螺栓抵住测力计往前推，使测力计顶端传力钢珠刚好与剪切盒上盒前段接触，调整测力计示数为零。将加压框架上螺栓拧到刚刚与传压板接触。

按试验设计分别对一组中的四个试样施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa垂直压力。施加压力后立即拔掉固定销，选用12rad/min的速率启动直剪仪，开始以圈为单位记录测力计示数，待测力计示数稳定或有明显的后退，表示试样已经剪损，停止试验。

剪切结束后，吸去剪切盒内的积水，开启后退按钮，移去垂直压力、框架和加压版，取出剪切盒内剪损试样，测定剪切面附近的含水率。

4 数据分析

通过对八组数据分析计算，作出“剪应力与剪切位移关系曲线”如图3至图10。由图3至图10可以看出，除去误差比较明显的试样，很明显的可以看出，对于同一含水率情况下的一组试样，在同一剪切位移处的剪应力随其垂直压力的增大而增大。取每条曲线峰值点或者稳定值点的剪应力作为抗剪强度值，做“抗剪强度与垂直压力关系曲线”图。（如图11至图18）

由图11至图18可以看出，对于各组不同含水率下的试样，其各垂直压力与抗剪强度所对应的点总是在某一固定范围内徘徊。根据库伦定律，对各不同含水率情况下的抗剪强度与垂直压力关系曲线做一元线性回归，可得到一条与y轴相交的直线，直线与y轴交点即为此含水率下海相淤泥的粘聚力c，直线与x轴的夹角即为此含水率下海相淤泥的内摩擦角φ。如表1。

通过对所得表1中数据的观察不难看出第4组试验属于误差较大的试验，在不影响结果的情况下可以将其排除。分别粘聚力与含水率以及内摩擦角与含水率进行回归得到如图19及图20的分布图。

5 结论

通过对所得数据分析，可以得出结论：①此地海相淤泥的粘聚力c随其含水率的降低而增大，其递减函数大致可列为：y1=（0.3471-0.0011x1）*100%（y1？叟0，x1？叟0）。其中y1表示含水率，x1表示粘聚力c。并且可以得出在此海相淤泥含水率无限接近0时，其粘聚力趋近315.5kPa。②此地海相淤泥内摩擦角φ随其含水率的降低而增大，其递减函数大致可列为：y2=（0.3783-0.0052x2）*100%（y2？叟0，x2？叟0）。其中y2表示含水率，x2表示内摩擦角φ。并且可以得出在此海相淤泥含水率无限接近0时，其内摩擦角趋近72.75°。③综上所述，随着海相淤泥含水率的降低，其粘聚力和内摩擦角均增大，导致其抗剪强度增大。因为随着海相淤泥含水率降低，分子间孔隙水被排出，颗粒与颗粒间接触增多，其分子间相互吸引力增大；并且由于少了孔隙水的缓冲，淤泥分子间的相互作用增大，分子间摩擦力随之增大。在内力和外力的共同作用下，海相淤泥的抗剪强度也随之增大。

6 局限性与解决方法

6.1 局限性 ①由于所取淤泥试样脱离了母体，与实际环境有所出入，取样工具和方法、运输和保管以及试样切割和操作过程均会在一定程度上使试样原始状态发生变化，所以会导致试验结果与原状淤泥的力学性质产生一定程度的偏差；并且由于人工操作的不完善会导致试验结果出现一定的误差。②所取淤泥试样数量有限，所以所测性质并不能代表整个淤泥土的性质。③剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱面剪切破坏；剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象；剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按土样的原截面积计算的。④室内试验应力条件较为单一，会导致试验结果与实际工程结果产生偏差。

6.2 解决方法 尽量在工程现场取到原状土样来进行试验；提高试验人员的操作准确性，改进测试技术、研发新的试验仪器；并且需要尽可能多的跟进大量试验，来减小误差，优化所得结果。

参考文献：

[1]牛作民.渤海湾海相淤泥土工程物理性质的初步研究.地质矿产部第二海洋地质调查大队.

[2]刘莹，王清，夏玉斌，武雄.青岛前湾港软土物质成分与结构及加固方案设计.长春科技大学环境与工程建设学院；天津海陆岩土工程公司；中国矿业大学.

[3]宋畅，柴寿喜，王沛等.土质试验与试验分析[M].天津大学出版社，2007年1月第1版.