粘性土的工程特性研究论文题目

一、洱海软粘土

近年来，随着我国沿海和内陆软土地区工程建设的迅速发展，饱和软粘土的物理力学特性研究受到了工程地质和岩土工程界的极大关注，并取得了不少进展。滇藏铁路沿线的软弱湖相粘土地基主要分布在数个第四纪盆地中，例如洱海盆地、鹤庆盆地、丽江盆地、拉市海盆地、小中甸盆地、中甸盆地、林芝盆地等。由于上述盆地中湖相粘土的形成时代、沉积物形成的古气候、古环境和物质组成不同，其工程性质是极其复杂的，既有流塑态现代粘土、又有早全新世软塑态粘土、还有次稳定的晚更新世小中甸粘土及硬塑态鹤庆粘土等。此外，在安久拉山口大熊错、白衣错一带，土壤坡面中发育有暗黑色泥炭层，属山地沼泽化土；在宽谷江河的水网地带，如雅鲁藏布江和拉萨河谷，也有河漫滩沼泽相软土发育。因此，滇藏铁路规划和建设中必须对上述不同地质时代和不同性质的湖相粘土开展专门的研究，以便进行有效的工程评价和工程设计。现以洱海第四系软粘土为例，阐述湖相软粘土工程地质研究的理论和方法。

1.洱海东缘软粘土的分布特征

洱海是滇西最大的断陷湖泊，湖水面积约 km2，湖面海拔1974 m，属澜沧江水系。洱海西邻由寒武系板岩和大理岩构成的点苍山，东部为上古生界的石灰岩低山丘陵，北侧为入口，向南为西洱河，是一个开放的湖泊水系（图12-18）。

图12-18 洱海周缘软土分布示意图

根据前人研究（吴根耀，1992），洱海盆地自始新世开始断陷并接受沉积。晚更新世时气候寒冷，大理冰期来临，来自西侧点苍山的山岳冰川产生强烈刨蚀作用，造成河流堵塞。进入早全新世时气候发生变化、温度上升，洱海水泛滥，平均水位达海拔2160 m，形成大量河湖相或河湖-沼泽相沉积。全新世中期，全区温度持续上升，湖水大面积干涸或范围缩小，水位下降到海拔2000 m左右（段彦学，1987）。全新世晚期，区内湖泊进一步缩小或干涸，洱海目前的水位是1974 m。随着洱海水位不断下降，湖泊面积逐渐缩小，原湖泊近岸水下的沉积地层出露水面。经孢粉分析和14C年龄测定，洱海东缘的软粘土主要是早全新世以来的沉积物。

2.洱海东缘软粘土的物质组成和物化性质

（1）粒度组成

根据移液管全分散法粒度分析结果（表12-15），洱海东缘软粘土具有高分散性，砂粒含量极低，主要由粉粒和粘粒组成，d＜5 μm的粘粒含量大部分在35%以上，最高达。

表12-15 洱海东缘软粘土物质组成及物理化学活性测试结果

（2）粘土矿物

粘土矿物XRD定量测试结果表明，洱海东缘软粘土的主要粘土矿物成分为单矿物蒙脱石（S）（图12-19），占粘土矿物总量的80～81%，次要粘土矿物为高岭石（K），占16～17%，伊利石（I）仅占2～4%（表12-16）。洱海富Mg2+的水体环境和周边大量蒙脱石化蚀变岩的分布是形成大量蒙脱石的原因。

表12-16 洱海东缘软粘土矿物成分定量测试结果

（3）软粘土的物理化学活性及孔隙溶液的化学成分

比表面积指标可以较好地反映粘性土的物理化学活性。采用乙二醇乙醚吸附法测定结果表明，洱海软粘土的比表面积为～ m2/g，平均值 m2/g，巨大的比表面积决定了其物理活性很高。采用土水比1∶5水提取液测得样品的pH值为～（表12-17），基本属中性。洱海软粘土的含盐量通常小于100 mg/100 g，个别地点因有机质大量聚集，引起局部含盐量升高（主要为。孔隙溶液的主要阳离子及粘土矿物表面可交换性阳离子都是以Ca2+为主，交换性Ca2+引起的粘土颗粒絮凝作用和双电层压缩明显，造成粘土结构强度高、粘聚力增大、压缩性降低。

图12-19 洱海东缘软粘土＜2 μm粒组X-射线衍射曲线

表12-17 洱海东缘软粘土水提取液化学分析结果

3.洱海东缘软粘土的工程地质特性

根据洱海东缘软粘土的大量土工试验结果（表12-18），软粘土的工程特性主要表现在以下方面：

（1）含水量较高。含水量一般在40%～65%之间，最高可达104%，平均值为，接近于液限，几乎处于饱和状态。

（2）天然孔隙比大。孔隙比一般在～之间，平均值为。

（3）特殊的稠度状态。稠度即液性指数，是软粘土判别和分类最重要的指标。在国际上通常将液性指数IL≥或不排水抗剪强度≤40 kPa的粘性土称为软粘土（Brand et al.，1981）。中国软土的判别一般把天然孔隙比e≥且天然含水量w大于液限wL的细粒土称为软土。测试结果表明，洱海早全新世软粘土的液性指数IL介于～之间，平均值为（表12-18，图12-20）。无论是分布概率还是平均值都说明它们处于软塑态，液性指数IL降低还导致压缩性减少、抗剪强度增大，这一特点与其形成的地质时代有关。

（4）高塑性。液限多在45%以上，最高达，平均值为；塑限多大于25%，最高达61%，平均值；塑性指数的平均值绝大多数大于20%。总体上，洱海早全新世软粘土属于高塑性粘土。

（5）压缩性大。软粘土压缩系数为～ MPa-1，平均值 MPa-1；压缩模量一般为～ MPa，平均值 MPa。数据统计表明，有14%的软粘土为中等压缩性，86%为高压缩性，说明洱海软粘土以高压缩性为主，同时中压缩性仍占有一定比例，说明这部分软粘土已经发生了一定程度的固结。

（6）强度低：直剪（快剪）试验测定结果，内摩擦角最低°，最高°，平均一般为11°；粘聚力c值～ kPa，一般值8～16 kPa，表明洱海湖相软粘土的抗剪强度较低，与一般软粘土并没有明显的差异。

表12-18 洱海东缘软粘土的工程特性统计结果

（7）固结系数小。该区软粘土固结系数一般在～ cm2/s之间，平均值为 cm2/s，说明该区软土完成固结沉降需要较长时间，这对施工工期影响很大。

（8）透水性弱。低渗透性是软粘土的共同属性，其渗透性大小随粘粒含量和塑性指数的增高而降低，洱海软粘土渗透系数最低×10-7 cm/s，高者达×10-7 cm/s，一般为～×10-7 cm/s，平均值×10-7 cm/s；表明软土的排水固结不好，对排水固结不利。

4.洱海东缘软粘土的固结性分析

洱海东缘软粘土沉积时间较短、固结程度低，淤泥及淤泥质粘土呈絮状结构，孔隙发育，因而压缩性大。鉴别天然粘土沉积是否属于正常固结的方法有很多种，Skempton（1970）建议采用以下两种方法：①用Casagrande图解法从压缩实验求得先期固结压力σ′vo，即延长e-logσ′v曲线的原始直线部分与通过原位孔隙比е0的水平线相交得出下限σ′vc（min），如果σ′vo夹在σ′vc和σ′vc（min）之间，则粘土是正常固结的。②根据Su/σ′vo与深度的关系判断，Su是不排水抗剪强度，可根据粘聚力和内摩擦角由公式τ=c+σtanθ计算而得。如果各点近似落在一条直线上，即如果不排水抗剪强度随着有效覆盖压力成比例增加，则认为粘土是正常固结的。

对洱海东缘软粘土固结性采用上述第二种方法进行分析。根据室内试验结果，抗剪强度与有效应力之比（Su/σ′vo）随深度出现2种不同的变化规律（图12-20）。从地表到大致10 m左右的深度，Su/σ′vo随深度呈现对数变化规律，对其进行回归分析，可以看出有明显的相关性，相关系数为。相关关系可以表示为：

滇藏铁路沿线地壳稳定性及重大工程地质问题

根据Skempton建议采用的方法判断，表明表层软粘土并非正常固结，而是出现超固结现象。从图12-20中含水量、容重、不排水抗剪强度随深度变化情况也可以证明这一点。在表层（约0～10 m）天然含水量随深度而增大，容重、不排水抗剪强度随深度而降低。初步分析认为，出现这种现象主要是由于滇西北高原的隆升造成地表抬升，降水量减少、湖水位退缩，早全新世软粘土上部抬升到湖水位以上，致使上部土层干燥硬化，孔隙比减小，产生超固结，从而出现并非仅在自身重力作用下的固结作用。地表土经过雨水的淋滤及有机质的氧化分解作用，形成与下部土层呈渐变的硬壳层，这个硬壳层表现出液性指数与含水量小、抗剪强度大的工程特性。

图12-20 洱海东缘早全新世软粘土工程特性指标与深度关系曲线图

5.洱海东缘软粘土物理力学指标的相关性分析

实际工程中经常建立土体物理力学性质指标之间的相互关系式，从而根据容易测定的物理性质指标估算难以准确测定且费时费力的力学性质指标，以供工程应用参考。统计分析表明，洱海东缘软粘土的物理力学参数之间具有较好的相关性（图12-21）。其中，软粘土含水量w与孔隙比e、塑性指数IP与液限wL、孔隙比e与压缩系数av、含水量w与压缩系数av具有显著正相关性；液性指数IL与粘聚力c、含水量w与内摩擦角φ、塑性指数IP与压缩系数av之间存在较明显的负相关性。

图12-21 指标参数之间关系散点图

综上所述，可以得到以下认识：

（1）洱海东缘早全新世湖相粘土属于软塑态的软粘土，而不属于现国家标准规定的液性指数IL≥的流塑态的软土。按照国际流行的软土定义，它们仍然属于软粘土，并且具有高压缩性、低强度等不良工程特性，因此路基、桥基等需进行地基处理成采用适宜的桩基基础。

（2）滇藏铁路沿线广泛分布的湖相、湖沼相沉积粘土，因形成的地质时代、物质成分各不相同，因此软粘土的工程性质及其相关的工程问题也有很大差异，尤其是晚更新世以来形成的湖相粘土，从工程地质角度都属于性质不良的软弱地基，对其静力学和动力学性质都要加以深入研究。

二、小中甸盆地湖相硬粘土

前已叙及，滇西北小中甸盆地是上新世末期以来在青藏高原强烈隆起过程中形成的NNW向第四纪断陷湖盆地，从深切的小中甸河谷剖面可见盆地上部发育中晚更新世湖相粘土（图2-11，图2-12）。规划中的滇藏铁路约有50 km的线路沿着小中甸盆地走向建设，作为滇藏铁路路基、边坡和填筑材料的小中甸湖相粘土，对铁路工程的设计、施工和安全有重要影响。

1.小中甸粘土的物质组成和物理化学活性

根据移液管全分散法的粒度分析结果，小中甸湖相粘土具有高分散性，砂粒含量极低，主要由粉粒和粘粒组成，d＜5 μm的粘粒含量大部分在40%以上，最高达，小中甸湖相粘土中所夹粉质粘土层的粘粒含量较低，但也在～（表12-19）。

表12-19 小中甸湖相粘土物质组成及物理化学活性测试结果

对样品采用3种方法（天然样品、乙二醇处理样品和550℃加热处理样品）进行了粘土矿物X-射线衍射定量测试，测试结果表明，湖相粘土的矿物组成为伊利石、伊利石/蒙脱石混层矿物、高岭石、绿泥石、绿泥石/蒙脱石混层矿物的共生组合，但以伊利石为主（表12-20，图12-22），其相对含量54%～70%，绝对含量～。

表12-20 小中甸湖相粘土矿物成分定量测试结果

由乙二醇乙醚吸附法测得的小中甸粘土比表面积为～ m2/g，平均值为 m2/g（纯伊利石表面积67～100 m2/g，高岭石7～30 m2/g）。活动性系数A介于～之间（表12-19），活性指数综合反映了土的塑性与粘粒含量和粘土矿物亲水性的关系，该套粘土的A＜，表明粘土含水量变化时，土颗粒的体积变化不大。

根据单高地剖面8个样品土水比1∶5悬浮液测得样品的pH值为～（表12-19），属微碱性。林业局浅表层边坡剖面样品pH值变化较大，为～。试验测得单高地剖面CaCO3 含量为～，而浅表层林业局剖面CaCO3 含量较低，为～，用重铬酸钾氧化法测得的有机质含量为～。5个样品土水比1∶5水提取液水化学分析结果表明该处粘土水化学类型以HCO3--Ca2+型为主（表12-21），个别青灰色粘土为型，且水提取液含盐量很低，为～ mg/100 g。表明小中甸粘土沉积时的古湖为湿润环境下具有弱还原环境和具有一定封闭性的高原深水淡水湖。在这种湖水环境下形成的湖相粘土不但分选良好，颗粒细腻，而且具有较高的结构强度。但是，目前处于浅表层或遭受雨水溶滤改造的湖相粘土pH值和CaCO3 含量明显降低。

图12-22 小中甸湖相粘土＜2 μm粒组X-射线衍射曲线

表12-21 小中甸盆地单高地粘土水提取液化学分析结果

2.小中甸粘土的物理性质

对分别采集于浅表层的小中甸林业局东北214国道边坡剖面和单高地村深切沟谷剖面的湖相粘土样品进行物理和水理性质测试，前者因遭受大气干湿交替作用、雨水和坡面水流淋溶作用，在物理水理力学性质上与后者有所不同。根据测试结果，林业局边坡粘土天然含水量～，干容重～ g/cm3，孔隙比～，液限～，塑限～，塑性指数～，液性指数～（表12-22），表明位于浅表层的小中甸粘土具有高塑性硬粘土的特性。单高地深切沟谷小中甸粘土单高地村8个粘土样品含水量在～，平均为，这是一般硬塑粘土所没有的，高含水性还表现在天然含水量远远大于此粘土的塑限，表明处于潜塑态。腊封法测得的样品容重为～ g/cm3，平均 g/cm3，其干容重～ g/cm3，平均 g/cm3，孔隙比～，平均。可见，单高地小中甸粘土具有高孔隙性低密度的特点，这与小中甸粘土形成地质时代相对较新、固结程度低、粘土的钙质和有机质胶结作用较强密切相关，也与深切沟谷两侧粘土遭受后期表生改造轻微有关，可代表小中甸粘土真实物理特性。

表12-22 小中甸湖相粘土基本物性指标测试结果

采用锥式液限仪和搓条法测得的液限为～、塑限～，塑性指数～，表明小中甸粘土属于高塑性粘土。8个样品液性指数～，平均为，按照液性指数的稠度分级，单高地小中甸粘土多数属可塑态，仅个别为硬塑态。这与天然小中甸粘土的实际状态表现（野外调查所见为硬塑态）极不相符。分析认为，液限、塑限指标测定是样品在结构充分扰动水化状态条件下测定的，而不代表天然结构状态，二者之间的不一致说明了天然小中甸粘土的结构性，即CaCO3和有机质对粘土的胶结作用。这一事实表明小中甸粘土在机械扰动结构破坏条件下粘土将发生显著的塑性变形。

3.工程特性

（1）胀缩性分析

采用国际流行的Williams 和Donadson 粘土膨胀势判别法，对小中甸粘土进行膨胀势判别表明，小中甸粘土以中等膨胀-强膨胀为主（图12-23），相当于国内弱、中等膨胀粘土。小中甸粘土的膨胀性主要与粘粒含量高密切相关，这是与我国中东部地区膨胀土的不同之处。另外，小中甸湖相粘土的天然含水率高，基本上位于40%～50%之间，具有干燥收缩特性，易导致开挖暴露引起地面开裂、边坡风化剥落。而野外观测该粘土表现为外观性状好，这与该剖面长期受水浸润作用有关。

图12-23 小中甸湖相粘土膨胀势判别图

（2）力学强度特性

为了进一步揭示小中甸粘土的强度特性，我们对采集的原状样品进行了直剪试验和三轴压缩试验。直剪试验结果表明，该粘土的粘聚力c值较大，为～ kPa，内摩擦角φ为°～°（表12-23），三轴（UU）抗剪强度值c值为 kPa，φ值为°，较高的粘聚力与粘粒含量高、较高的钙质和有机质胶结作用有关。在CaCO3和有机质胶结作用下粘土的工程特性良好，在遭受淋滤后CaCO3和有机质含量减少，引起c值降低，由此可见小中甸粘土为结构性土。边坡开挖易引起结构破坏、土体含水量降低引起土体收缩变形，降雨引起φ值降低，在此种情况下该粘土组成的边坡将发生破坏。

表12-23 小中甸单高地湖相粘土物理力学指标测试结果

综上所述，可以得到以下认识：① 小中甸盆地湖相粘土粘粒含量高，矿物组成以伊利石为主，伴生有伊利石/蒙脱石混层矿物、高岭石、绿泥石、绿泥石/蒙脱石混层矿物，形成于高原温带湿润气候的古气候环境和较弱的化学风化作用。② 小中甸粘土具有高含水量、高孔隙性和高塑性、显著结构性等特点，具有较高的结构强度和较高的地基承载力。在干湿交替和浅表部粘土遭受水的淋滤后粘土的力学性质变差。③ 粘土粘聚力较大，与粘粒含量高、CaCO3胶结作用密切相关，处于浅表层的粘土边坡在水和人类活动等外部因素的影响下易发生滑坡灾害。建议在今后研究中对小中甸湖相粘土的固结程度、变形性质和微观结构特征进行专门研究，以进一步揭示在振动荷载作用下该湖相粘土作为地基的结构稳定性和变形量。