上海淺部土層沉積環(huán)境及其物理力學(xué)性質(zhì).pdf

1、天然沉積結(jié)構(gòu)性黏土的物理力學(xué)特性受到沉積環(huán)境、礦物組成、顆粒級配和孔隙溶液化學(xué)特性等因素的綜合影響。在上海地區(qū)，地下工程建設(shè)一般涉及晚更新世⑥層硬土層及其以上全新世⑤層~②層土，該土層的深度一般為30~35 m，稱為淺部土層。本文首先以現(xiàn)代長江三角洲的堆積過程為背景，詳細描述了上海淺部各層黏土的沉積環(huán)境，并對上海淺部各層土體的物理化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)的進行了綜合研究。
　?。?）上海淺部土層是作為現(xiàn)代長江三角洲的一部分堆積形成的。在晚更

2、新世13~7.5 ka BP（千年之前），海面上升引起世界范圍內(nèi)的大規(guī)模海侵，在廣大海岸帶的海相環(huán)境中廣泛沉積有一層軟黏土，各地黏土在沉積完成后又經(jīng)歷不同的環(huán)境變化。這種不同的沉積環(huán)境和沉積歷史影響著土體的物理力學(xué)性質(zhì)。長江巨大的流通量和挾沙量，使得在江水和潮汐流相互作用下形成的長江三角洲有獨特的沉積環(huán)境。上海淺部土中的⑥層硬土和⑤4層土分別沉積于海侵發(fā)生前古河間地的湖泊沼澤環(huán)境和古河谷內(nèi)的溺谷環(huán)境中。⑤3~⑤1層軟土沉積于海侵過程中的

3、濱海相環(huán)境。淤泥質(zhì)軟黏土（③層和④層）沉積于距今7~4 ka BP之間淺海–濱海環(huán)境中。表層②層土沉積于濱海–河口相環(huán)境，該層土裸露于陸地表面，長期經(jīng)受蒸騰作用，與古地面⑥層土性質(zhì)類似，表現(xiàn)為一定的超固結(jié)性。
　　上海淺部各層土沉積環(huán)境的不同的使得物理特性、結(jié)構(gòu)性和超固結(jié)性均有所區(qū)別。沉積環(huán)境的差異直接影響孔隙溶液的含鹽量，從而影響土體的液塑限；結(jié)合河口位置、水流速率的差異，導(dǎo)致土體不同的絮凝程度。上海淺部④層土沉積于海侵最盛時期

4、，水中含鹽量最高，顆粒之間絮凝程度最高，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性最強。
　?。?）通過試驗，得到了上海淺部土體的基本物理特性典型剖面，揭示了淺部土體天然含水率（wn）、初始孔隙比（e0）、密度（ρ）、液限（wL）、塑限（wP）、液性指數(shù)（IL）與塑性指數(shù)（IP）沿深度方向的分布規(guī)律。②~⑥層黏土范圍內(nèi)，隨著埋深的增加，wn、e0、wL、IP和IL先增加后減小，ρ和OCR則相反。這些參數(shù)均在④層土所處深度（8~15 m）范圍內(nèi)達到極大或極小

5、值。
　　上海淺部各土層基本為黏土和粉質(zhì)黏土，少量的粉土和粉砂（分布于蘇州河附近及以北地區(qū)）。顆粒級配試驗表明，上海②~⑥各層土之間級配差別不大，均以粉土顆粒為主，黏土顆粒含量均不超過50%，可以定義為粉質(zhì)黏土。淺部土層原生礦物不足1/3，以黏土礦物為主，其中伊利石含量高達70%，這是源于長江流域的巖源分布及地質(zhì)作用。
　?。?）分析了上海淺部土壓縮指數(shù)（Cc）與其他基本物理特性之間的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn) wn、e0和wL均與Cc

6、有較好的相關(guān)性，并建立了wn與Cc的關(guān)系式。既有的Cc與wn之間的線性經(jīng)驗關(guān)系式并不適用于上海淺部黏土，尤其是當(dāng)wn較大（>45%）時，實際Cc偏高。提出的Cc和wn之間的指數(shù)關(guān)系Cc=0.0426（e0.0444wn–0.794）可以更好地預(yù)測上海淺部黏土的壓縮指數(shù)，并且基本適用于中國東部沿海其他地區(qū)的黏土。
　?。?）對上海淺部各層原狀土進行了固結(jié)和三軸試驗，尤其是對厚度最大的④層海相軟黏土，還進行了重塑試樣和原狀試樣的對比試

7、驗，得到了結(jié)構(gòu)性對上海淺部土層壓縮性和剪切特性的影響。
　　對于上海淺部②~⑥各層土，結(jié)構(gòu)性對壓縮特性的影響均比較弱。對比Iv–lg p空間中淺部各層土的壓縮曲線與沉積壓縮線（SCL）和固有壓縮線（ICL）的相對關(guān)系：③層和④層土處在 SCL和ICL之間，結(jié)構(gòu)性最強、超固結(jié)性最弱；⑤層土貼近ICL；②層和⑥層土基本位于ICL以下，處于超固結(jié)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)性最弱。④層土重塑和原狀試樣的固結(jié)試驗表明，與世界上其它結(jié)構(gòu)性黏土（Ariake等

8、）相比，Cc–p曲線在Cc達到峰值后衰減幅度很小，說明結(jié)構(gòu)性對上海④層土的壓縮特性的影響比較弱。
　　在不同應(yīng)力路徑作用下，結(jié)構(gòu)性對上海淺部④層土的三軸剪切特性影響不同。在固結(jié)排水剪切（CD）試驗中，結(jié)構(gòu)性原狀試樣和重塑試樣的q/p′–εa曲線基本一致，εv–εa曲線的發(fā)展趨勢類似，但結(jié)構(gòu)性試樣的最終體變量是重塑樣的兩倍。在固結(jié)不排水剪切（CU）試驗中，結(jié)構(gòu)性試樣的初始剛度相對較大，但最終破壞時的孔隙水壓力系數(shù)（Af）與基本一致。

9、
　　上海淺部④層軟黏土的結(jié)構(gòu)難以完全被破壞。在 e–logσv空間中，原狀試樣與重塑試樣的強度包線（即臨界狀態(tài)線 CSL）并不重合，而是呈現(xiàn)出兩條平行直線，表明在三軸試驗剪切破壞時，原狀試樣的結(jié)構(gòu)仍未完全破壞至重塑狀態(tài)。固結(jié)試驗中，土體在1600 kPa豎向荷載下孔隙指數(shù)Iv仍位于ICL以上。
　?。?）通過對上海淺部各層土的原狀試樣進行固結(jié)和三軸試驗，研究了各層土原位狀態(tài)下的超固結(jié)性。固結(jié)試驗所得各層土的超固結(jié)比OCR以

10、②層土最高（Max≈10），該層土處于陸地表面，原位應(yīng)力較低，又長期經(jīng)受蒸騰作用，使得其具有較高的表觀先期固結(jié)壓力，因此OCR最高；其次是底部⑥層土（OCR≈2.0），因為其在晚更新世時期曾作為地表土長期暴露地面；中間厚度較大的③層和④層土淤泥質(zhì)軟黏土OCR接近1.0，可認為正常固結(jié)土；⑤層土雖然為海相軟黏土，但是由于沉積歷史較長，產(chǎn)生一定的表觀前期固結(jié)壓力，OCR≈1.4，為弱超固結(jié)土。上海淺部各土層的CD試驗結(jié)果中，②層和⑥層土的q

11、/p–εa曲線表現(xiàn)為一定的應(yīng)變軟化型，而③層和④層土則為應(yīng)變硬化型，從另一角度印證了固結(jié)試驗得到的上海淺部各層土的超固結(jié)性。
　?。?）小應(yīng)變區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系反映了土體屈服前結(jié)構(gòu)的破壞過程。常規(guī)三軸系統(tǒng)的缺陷使得局部位移傳感器成為小應(yīng)變試驗中必要儀器。對上海淺部④層土進行了一系列小應(yīng)變試驗嘗試的基礎(chǔ)上，初步確定了一套使用霍爾效應(yīng)傳感器的小應(yīng)變?nèi)S試驗流程，探討了K0固結(jié)對小應(yīng)變試驗結(jié)果的影響，并修正了常規(guī)的試樣帽與軸壓傳感器