地质工程论文：江苏太仓浅部淤泥质土层的工程地质特征 摘要:太仓浅部广泛分布的淤泥质粉质粘土层具有高含水量、高压缩性和低渗透性，对开采浅层地下水引起的地面沉降研究有重要意义。论文通过一系列微观和宏观室内试验，查明该层土的矿物成分主要为伊利石，其次为绿泥石、高岭石，土中孔隙主要为中孔隙和小孔隙。在一定应力范围内，随固结压力增大，土中的中孔隙明显减小，渗透系数也明显减小，孔隙比与渗透系数之间有单对数线性关系，但当固结压力超过一定值后，土中以小孔隙为主，随固结压力增大，孔径分布变化不明显，渗透系数随孔隙比的变化也小得多。淤泥质粉质粘土层的变形以不可恢复的塑性变形为主，具有显著的蠕变性，在开采地下水引起的地面沉降中将会有明显的变形迟后。
关键词:淤泥质粉质粘土;工程地质性质;微观结构;渗透性;蠕变性
太仓市位于江苏省苏州地区东北部，东北部紧临长江，东南部与上海相连，总面积822.9km2，其中陆地面积537km2。全区地势低平，地面标高为5～6m。根据钻孔资料，研究区浅部土层从上到下可分为4层:(1)粉质粘土;(2)淤泥质粉质粘土;(3)粉质粘土;(4)粉土、粉质粘土互层，局部夹粉砂(图2)，各土层的物理力学性质指标所示。第(1)～(3)层为潜水含水层，第(4)层为微承压含水层，存在于潜水和微
a
a
承压含水层中的地下水具有密切的水力联系，统称为浅层地下水［
a
a
1］。土层的含水量、孔隙比和压缩系数在深度上的变化如图3所示。由图可见，淤泥质粉质粘土层具有高含水量和高孔隙比，其压缩性要比相邻土层大得多，且该层土在研究区内普遍分布，厚度为2～26m。因此，这层土对浅部地下水开采可能造成的地面沉降具有重要意义。
1淤泥质粉质粘土的微观结构特征 1.1矿物成分
根据X射线衍射分析，淤泥质粉质粘土中的粘土矿物以伊利石为主，其次为绿泥石、高岭石。非粘土矿物中，正长石含量最多，其次为石英、钠长石，极少量方解石、硅藻土。将淤泥质粉质粘土样风干，进行电子显微镜扫描，图4是淤泥质粉质粘土的扫描电子显微镜(SEM)照片，在照片上伊利石呈叠片状，表面有台阶。
1.2不同压力下的孔隙性
用环刀切取6个淤泥质粉质粘土样，放入固结仪中，分别在不同的固结压力下固结24h。在固结后的土样中取1cm3左右的试样，进行压汞试验，该实验在南京工业大学GT－60压汞仪上完成，实验所采用的最大压力为1.4421e+8Pa，所测最小孔隙直径为0.0102μm。根据实验结果绘制孔径分布曲线和孔容频率累计曲线，试样T1～
a
a
T6所对应的固结压力分别为100、200、400、600、800和1 600kPa。可以看到，试样中孔隙主要为直径为0.1～1μm的小孔隙和直径为1～10μm的中孔隙，直径大于10μm的大孔隙和直径小于0.1μm的微孔隙都很少。在压力较小时，土样中的孔隙主要为中孔隙，且孔隙直径随压力增加而明显减小，但当压力大于400kPa后，虽然汞压入量(孔隙体积)随固结压力增大而减小，分别为0.2355、0.2217、0.2209和0.2082mL/g，但孔隙直径分布变化不大，且孔隙主要为小孔隙。
2不同压力下土样的渗透性
根据不同压力下的固结曲线用时间平方根法推算出试样的固结系数，再根据固结系数与渗透系数的关系获得相应固结压力下的渗透系数。渗透系数随固结压力增大、孔隙比减小而减小，在单对数坐标中近似呈双折线形态。在固结压力小于400kPa、孔隙较大时，渗透系数随孔隙比变化明显，对数坐标中直线的斜率为7.322;在固结压力大于400kPa、孔隙较小时，渗透系数随孔隙比变化程度较小，对数坐标中直线的斜率为1.725。这一变化特征与孔径大小变化相一致。土体渗透性不仅决定于土中孔隙总体积，而且决定于孔隙大小、形状及其连通性。当孔隙比减小到一定程度后，孔隙的形状和连通性发生显著改变，这时渗透系数很小，而且随孔隙比的变化程度也弱得多。因此，孔隙比与渗透系数的对数
a
a
之间的线性关系［
a
a
2］是有条件的，仅当孔隙比在一定范围内时成立。由于物质组成的差异，不同土体对应转折点的孔隙比会有变化，可通过试验确定。
3土层的变形特性
3.1三轴排水剪切条件下应力应变曲线
取淤泥质粉质粘土样进行不同围压下三轴排水剪切试验，试验所得的应力应变曲线如图8所示，呈典型的硬化型。不同围压下回弹模量与初始切线模量的比值在4.8～6.6之间，土样变形以不可恢复的塑性变形为主。
3.2单向受压条件下的流变性。
是土样在高压固结仪上分级加载时的蠕变曲线，在一级荷载作用下，当试样变形量小于0.005mm/d时，再施加下一级荷载。从图中可见，淤泥质粉质粘土的蠕变曲线在双对数坐标上具有明显的双折线形态，前一部分的曲线较陡，转折点对应的时间在荷载施加后49min左右，这时绝大部分固结变形已完成。在不同荷载水平下，后一部分曲线几乎相互平行。由于淤泥质粉质粘土的渗透系数较小，荷载施加引起的超孔隙水压力消散需要一段较长的时间。因此，在荷载作用下，土样同时产生固结变形和蠕变变形，前一部分的曲线主要反映的是土样的固结变形，后一部分主要反映土样的蠕变变形。是不同加载速率下加载后
a
a
24h变形量与荷载之间的关系曲线。当加载速率为50kPa/d时，土样在开始卸载时就有回弹，当加载速率为25kPa/d时，土样开始卸载后变形仍在增加，直到第六天才出现回弹，其变形明显迟后于荷载的变化。由于淤泥质粘土具有显著的蠕变性，在每级荷载作用下土样达到变形稳定需要较长的时间，而且荷载增量越小，达到变形稳定的时间越长［3］。因此，在卸载时若卸载引起的回弹变形小于因蠕变引起的压缩变形，土样就表现为持续压缩。
4浅部淤泥质粉质粘土层对地面沉降的影响
野外勘查和室内试验表明，浅部淤泥质粉质粘土层具有极高的压缩性，其变形呈明显的塑性和蠕变性。开采浅层地下水将导致该土层中孔隙水压力减小，土层产生压缩变形，且主要为不可恢复的塑性变形。因地下水开采引起的水位变化速率一般较小，淤泥质粉质粘土层的变形迟后现象将会十分显著，尤其在淤泥质粉质粘土层厚度较大的地方。因此，开采浅层水时需要进行合理规划，以避免产生严重的地面沉降。
5结论
太仓浅部淤泥质粉质粘土层含水量高，孔隙比大，渗透性小，具有极高的压缩性，其矿物成分以伊利石为主，其次为绿泥石和高岭石。土中孔隙主要为小孔隙和中孔隙，随固结压力增大，孔隙比和渗透系数都减小，两者在单对数坐标
a
a
系中近似呈双折线关系。淤泥质粉质粘土的变形以不可恢复的塑性变形为主，具有蠕变性，当荷载变化速率较小时，卸载时土体仍表现为持续压缩。长期开采地下水引起土中有效应力变化具有范围小、速率小的特点，在进行地面沉降预测时，可根据土层实际应力变化范围采用相应的渗透系数随孔隙比的变化关系，同时要考虑土层的蠕变性以研究地面沉降的迟后问题。
a
a
参考文献:
［1］王彩会，朱锦旗，陈杰.苏锡常地区浅层地下水开采技术研究及环境效应分析［J］.地质灾害与环境保护，2004，15(1):42－45.
［2］Nagaraj T S，Pandian N S，Narasimha Raju P S R.Stress-state-permeability
relations
for
overconsolidatedclays［J］.Geotechnique，1994，44(2):349－352.
［3］张云，薛禹群，吴吉春，等.上海砂土蠕变变形特征的试验研究［J］.岩土力学，2009，30(5):1226－1230.
文本仅供参考，感谢下载！
a
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容