深圳西部濱海海積軟土工程特性及統(tǒng)計分析

駱以道， 楊光華， 張玉成， 劉 鵬

(1. 武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072； 2. 深圳市勘察測繪院有限公司， 廣東 深圳 518028；3. 廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510610； 4. 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510610)

廣東地區(qū)軟土廣泛分布于廣州、順德、珠海、中山、東莞、深圳一帶，主要為第四系海相沉積或海陸交互沉積形成的淤泥及淤泥質(zhì)土層。其中深圳濱海地區(qū)軟土為較新的Q4海相沉積形成，放射性碳(C14)測定結(jié)果表明，大致年齡為480～6430年。由于在海相緩流或靜水的還原沉積環(huán)境下形成，海積軟土層具有含水量高、承載力低、抗滑穩(wěn)定性差、壓縮性高、固結(jié)時間長、工后沉降量大等不利的工程特性。

濱海地區(qū)土地資源稀缺，近年來大規(guī)模填海軟基處理及軟基上的工程建設(shè)項目日益增多。研究軟土工程特性及指標分布規(guī)律，具有為海積軟土區(qū)工程建設(shè)提供參考的現(xiàn)實意義。陳曉平(2003)[1]曾收集珠江三角洲內(nèi)20多個工程的試驗成果，對其物理力學(xué)指標進行了統(tǒng)計和分析。統(tǒng)計結(jié)果除飽和度指標外，含水量、孔隙比等大部分指標分布范圍較大，數(shù)據(jù)離散性大，這說明區(qū)域內(nèi)不同工程地點，軟土工程特性仍有很大差異。2010年珠海市住房和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局發(fā)布的《珠海市軟土分布區(qū)工程建設(shè)指引》[2]附錄C中，對珠海市75個工程項目的1397個軟土樣本試驗資料進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果為該地區(qū)的工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。不同地區(qū)的海積軟土的沉積環(huán)境、組成成分、孔隙分布、微結(jié)構(gòu)等具有一定的差異，進而導(dǎo)致其宏觀物理力學(xué)特性存在差異。深圳西部濱海海積軟土具有一定的特殊性，目前缺乏較全面的統(tǒng)計分析成果，通過本文的研究，以期為本地區(qū)及類似地區(qū)的軟土工程提供參考。

1 軟土的成分和微觀結(jié)構(gòu)

深圳西部濱海海積軟土為較新的Q4海相沉積物，質(zhì)點顆粒的粒徑較小。對區(qū)域內(nèi)多個典型工程的勘察資料[3～13]分析結(jié)果表明，軟土顆粒組成中主要為粘粒和粉粒，占65%以上，而大部分軟土中粘粒(ds<0.005 mm)含量超過45%，表1為代表地點取樣的軟土顆粒分析測試結(jié)果。

表1 典型海積軟土顆粒組成

影響軟土工程特性的另一因素是礦物成分。X-衍射分析結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)淤泥中原生礦物(長石、石英)所占比例較小，礦物成分以次生的粘土礦物為主，蒙脫石、伊利石和埃洛石含量較高。另外還存在少量貝殼碎屑、有機質(zhì)和腐殖質(zhì)等，多以粒徑大于2 mm的粗顆粒形式存在。

由于粘土礦物具有較強的親水特性，軟土中的粘粒具有典型的雙電離層結(jié)構(gòu)。一般認為經(jīng)吸附和離子交換作用，粘?？删酆铣尚跄w和鏈狀結(jié)構(gòu)。電鏡分析表明，深圳西部海積淤泥具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)西部通道工程采集的淤泥樣本電鏡圖片[14](圖1)，淤泥的微觀結(jié)構(gòu)具有如下特征：(1)淤泥中存在大量包菜狀團粒結(jié)構(gòu)，中心有草莓狀核心體(或黃鐵礦結(jié)晶體)，周圍有疊片狀、卷葉狀粘粒包圍，也見到有空心的孔隙，可能是鹽晶體已重新溶于水所留下的空洞；(2)發(fā)現(xiàn)有多種晶體狀礦物顆粒，呈多棱形的多層疊片狀結(jié)構(gòu)。

以上的海積軟土的細微顆粒組成、豐富的粘土礦物成分、及獨特的微觀結(jié)構(gòu)決定了軟土具有一系列影響地基強度、變形、滲透性等的工程特性。

圖1 海積軟土微觀結(jié)構(gòu)

2 軟土物理力學(xué)特性及指標分析

2.1 物理力學(xué)指標統(tǒng)計分析

為了研究海積軟土工程特性，對深圳西部濱海海積軟土的物理力學(xué)指標進行了統(tǒng)計。參與統(tǒng)計的工程項目有：深港西部通道工程，面積1.5 km2；深圳市后海灣填海工程，面積4.2 km2；深圳市前海灣填海工程，面積12 km2；深圳機場擴建陸域形成工程，面積13.23 km2。采樣工程項目地點如圖2所示，統(tǒng)計海積軟土樣本總數(shù)713個，原位試驗(十字板剪切)數(shù)據(jù)樣本472個，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 深圳西部濱海海積軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標統(tǒng)計

圖2 統(tǒng)計的海積軟土樣本采取地點

統(tǒng)計采用《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021 -2001)[15]規(guī)定的巖土參數(shù)分析方法，統(tǒng)計參數(shù)計算公式如下：

(1)

(2)

變異系數(shù)

δ=σ/μ

(3)

標準值

Xk=γk·μ

(4)

其中，統(tǒng)計修正系數(shù)：

(5)

從表2指標統(tǒng)計情況看來，海積軟土的顆粒比重、飽和度、容重指標分布集中，變異系數(shù)小于0.05；含水量、孔隙比、界限含水量指標分布較為穩(wěn)定，變異系數(shù)小于0.2；壓縮特性指標(壓縮模量、壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù))變異系數(shù)小于0.3；強度、靈敏度、有機質(zhì)含量、滲透系數(shù)等數(shù)據(jù)分布離散。綜合分析指標統(tǒng)計結(jié)果，海積軟土具有如下特性：

(1)處于飽和狀態(tài)。盡管軟土取樣、試驗過程中難以避免水分損失，仍有參與統(tǒng)計的軟土樣本飽和度范圍83.8%～100%，統(tǒng)計均值98.2%。實際上，海積軟土在海水環(huán)境下長期沉積形成，位于海平面以下，工程中可認為處于完全飽和狀態(tài)。

(2)高含水量、大孔隙比。軟土的含水量分布范圍47.9%～127.8%，統(tǒng)計均值81.5%，天然含水量遠大于液限(均值為52.2)，處于流塑狀態(tài)，超軟弱。而室內(nèi)、原位測試表明，流塑軟土仍具有一定強度，這間接說明了海積軟土的結(jié)構(gòu)性。高含水量軟土經(jīng)排水固結(jié)處理其含水量可大幅降低，這決定了海積軟土的高壓縮性。大孔隙比是海積軟土的又一特點。根據(jù)本次統(tǒng)計數(shù)據(jù)，孔隙比分布范圍0.94～3.225，統(tǒng)計均值2.226。如此大的孔隙比決定了軟土壓縮性高的工程特性。

(3)高壓縮性。統(tǒng)計的553個常規(guī)壓縮試驗樣本中，壓縮系數(shù)a1-2分布范圍為0.44～ 4.31 MPa-1，統(tǒng)計均值2.01 MPa-1；193個高壓固結(jié)試驗樣本中，壓縮指數(shù)Cc分布范圍為0.324～1.800，統(tǒng)計均值0.697，遠大于0.167?？芍?，海積軟土具很高的壓縮性。

(4)低滲透性。統(tǒng)計的61個原狀軟土滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)離散性較大，豎向滲透系數(shù)在10-6～10-8cm/s數(shù)量級，說明海積軟土滲透性極低。低滲透性不利于排水固結(jié)，在外荷載作用下固結(jié)速率很慢。

(5)低強度、具有一定靈敏度。海積軟土抗剪強度很低，本次統(tǒng)計的133組直剪(快剪)試驗結(jié)果表明，φq均值僅為1.8°，近期沉積的流泥、浮泥強度更低。另一方面，由于沉積環(huán)境特殊，海積軟土具有一定的結(jié)構(gòu)性。472次原位十字板試驗結(jié)果統(tǒng)計表明，軟土靈敏度均值為3.12。在對靈敏性海積軟土進行地基處理時，應(yīng)特別注意盡量減少對原狀土的擾動。深圳前海灣的某地塊軟基處理時曾發(fā)生邊界失穩(wěn)情況，由于滑動后淤泥強度大幅降低，后續(xù)的邊界處理難度很大，大幅度地增加了工程造價。

(6)欠固結(jié)特性。對80個取自4.5～13.6 m深度的淤泥高壓固結(jié)試驗數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，其超固結(jié)比OCR的均值為0.78，說明海積軟土處于較嚴重的欠固結(jié)狀態(tài)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計中還發(fā)現(xiàn)，取樣深度為4.5 m左右時，OCR值接近1.0；取樣深度4.5 m以上土樣的OCR值多數(shù)大于1。這可能由于勘察取樣時，多數(shù)淤泥面已進行了晾曬、回填處理，使表層淤泥發(fā)生了一定程度的排水固結(jié)作用而處于超固結(jié)狀態(tài)。

2.2 指標隨地層深度分布特點

2.2.1物理指標

對深圳西部沿海海積軟土435個樣本的含水量、孔隙比、重度指標隨深度分布情況進行了統(tǒng)計，數(shù)據(jù)點如圖3～圖5，可以大致發(fā)現(xiàn)軟土的物理指標隨深度分布具有一定特征。

圖3 含水量指標隨深度分布

圖4 孔隙比指標隨深度分布

圖5 重度指標隨深度分布

含水量、孔隙比指標在8 m以上地層中無明顯隨深度變化規(guī)律，其中含水量大部分數(shù)據(jù)點分布在70%～110%范圍內(nèi)，孔隙比數(shù)據(jù)點主要分布在1.5～3.0范圍內(nèi)。地層深度大于8 m時，含水量、孔隙比指標隨深度增加有逐漸減小趨勢。軟土重度指標在8 m以上地層中主要分布在14～16 kN/m3范圍內(nèi)，深度大于8 m時有逐漸增大趨勢。從含水量、孔隙比、重度指標分布情況看，軟土在8 m以上地層深度內(nèi)為近期沉積，土質(zhì)非常軟弱，是地基沉降的主要貢獻者，8 m以下地層軟土性狀有所好轉(zhuǎn)。

2.2.2壓縮性指標

為分析軟土壓縮性指標隨深度分布規(guī)律及特征，對軟土361個常規(guī)壓縮試驗指標和161個高壓固結(jié)試驗指標隨深度分布情況進行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)點如圖6～圖7?？梢妷嚎s系數(shù)a1-2指標主要分布在1.0～3.0 MPa-1范圍，指標隨深度增加無明顯變化規(guī)律；壓縮指數(shù)Cc指標分布較集中，主要數(shù)據(jù)點在0.5～1.0范圍，工程中用Cc指標計算軟土地基沉降將更為合理。

圖6 壓縮系數(shù)隨深度分布

圖7 壓縮指數(shù)隨深度分布

2.2.3滲透系數(shù)、靈敏度及欠固結(jié)特性

本文只收集到61個原狀海積軟土的豎向滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)，主要分布在10-7～10-5cm·s-1范圍，數(shù)據(jù)量少，未發(fā)現(xiàn)明顯的指標隨深度變化規(guī)律。

圖8為349個海積軟土十字板試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計的靈敏度St指標分布情況。受試驗點軟土成分和微結(jié)構(gòu)情況、固結(jié)狀態(tài)、測試手段的差異性等因

圖8 靈敏度指標隨深度分布

圖9 OCR指標隨深度分布

素的影響，St指標的離散型較大，但指標大致有隨深度增加而減小的趨勢。圖9為OCR指標隨深度分布情況，指標隨深度增加而減小。海積軟土在沉積過程中，下層淤泥因滲透性低而不能得到充分的排水固結(jié)，隨著上層淤泥的不斷沉積，自重應(yīng)力增加，下層軟土處于更嚴重的欠固結(jié)狀態(tài)。

以上軟土性質(zhì)指標隨深度變化規(guī)律統(tǒng)計分析中，12 m以下深層軟土樣本較少，統(tǒng)計規(guī)律有待于進一步驗證。

2.3 指標相關(guān)關(guān)系分析

由于軟土強度低，易擾動，取樣要求高。一些指標測定準確性差，而另一些測定相對準確。比如含水量指標測定對土樣要求相對較低，且測試過程簡單，可以現(xiàn)場測定，避免土樣運輸過程中的擾動。分析各指標之間的相關(guān)關(guān)系，有利于在工程中計算分析時對取用指標相互佐證，用易于測定的指標推算不易測定的指標，具有實用意義。圖10～圖12為采取的435個海積軟土樣本的含水量、孔隙比、天然重度指標的相關(guān)關(guān)系擬合情況。統(tǒng)計擬合結(jié)果表明，孔隙比與含水量具有很好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達R2=0.965，擬合關(guān)系式為：

e=0.0272w

(6)

事實上，孔隙比指標有下面的換算關(guān)系：

(7)

前述指標統(tǒng)計情況可知，海積軟土基本處于飽和狀態(tài)，飽和度Sr及土粒比重Gs變異性很小，由表2取標準值Sr=98.3%，Gs=2.69，則式(7)換算為e=0.0274w，與樣本擬合結(jié)果相符。軟土的天然重度與含水量、孔隙比指標均有較高的相關(guān)性，R2在80%以上。

圖10 孔隙比與含水量的關(guān)系

圖11 天然重度與含水量的關(guān)系

圖12 天然重度與孔隙比的關(guān)系

壓縮特性指標是軟土地基沉降計算的重要指標，由室內(nèi)試驗測試的壓縮指標有壓縮系數(shù)a1-2(或壓縮模量Es)及壓縮指數(shù)Cc等。軟土壓縮特性應(yīng)該由土的成分、顆粒組成、微結(jié)構(gòu)等因素決定，其壓縮指標與物理性質(zhì)指標存在必然聯(lián)系。圖13～圖14為采集的351個海積軟土樣本壓縮系數(shù)a1-2與物理指標w、e相關(guān)關(guān)系線性擬合情況；圖15～圖16為143個軟土樣本壓縮指數(shù)Cc與物理指標w、e相關(guān)關(guān)系線性擬合情況?？梢钥闯?，壓縮指標與物理指標存在一定的相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)不高。比較而言，壓縮指數(shù)Cc比壓縮系數(shù)a1-2具有更高的相關(guān)系數(shù)，說明海積軟土的Cc值較a1-2分布更穩(wěn)定，工程中采用Cc指標進行海積軟土沉降分析更為合理。

圖13 壓縮系數(shù)與含水量的關(guān)系圖

圖14 壓縮系數(shù)與孔隙比的關(guān)系

圖15 壓縮指數(shù)與含水量的關(guān)系圖

圖16 壓縮指數(shù)與孔隙比的關(guān)系

上述只對壓縮指標與單一的物理性質(zhì)指標進行了相關(guān)性分析，實際上壓縮指標應(yīng)是各項物理指標(如：含水量、孔隙比、密度、界限含水量指標等)綜合確定的，指標間的關(guān)系也不一定是線性的，可以尋求通過多項物理指標綜合確定海積軟土的壓縮指標。

3 海積軟土的固結(jié)特性指標

3.1 固結(jié)系數(shù)

固結(jié)系數(shù)是計算土體固結(jié)變形快慢的指標，由于軟土滲透性低，排水固結(jié)緩慢，軟土地基在受荷載時，固結(jié)沉降數(shù)月，甚至數(shù)十年都不能完成。軟土地基沉降的時間效應(yīng)是工程中非常關(guān)心的，因為它關(guān)系到地基設(shè)計標準、建設(shè)工期及地基處理措施的選擇。因此，固結(jié)系數(shù)是實際工程中軟土地基沉降分析中的非常重要的指標。固結(jié)系數(shù)指標可以用室內(nèi)測定和原位試驗方法獲得，常用的室內(nèi)測定方法有時間對數(shù)法、時間平方根法等。

實際工程中，往往根據(jù)軟土地基實際應(yīng)用荷載情況，測定軟土相應(yīng)的固結(jié)系數(shù)。表3是對軟土的主固結(jié)系數(shù)分布的統(tǒng)計情況，統(tǒng)計荷載范圍50～400 kPa，樣本總數(shù)219個。從統(tǒng)計結(jié)果看，雖然樣本容量不大，但變異系數(shù)在0.23～0.37之間，各級荷載下豎向及水平固結(jié)系數(shù)均值變化不大。

用以上的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，繪制各級荷載下豎向固結(jié)系數(shù)Cv及水平固結(jié)系數(shù)Ch的分布情況，如圖17所示?？梢钥闯?，海積軟土Cv、Ch主要分布范圍在0.2～0.8 ×10-3cm2/s之間，各級荷載下Cv的均值約為0.458×10-3cm2/s，Ch的均值約為0.474×10-3cm2/s。水平固結(jié)系數(shù)略大于豎向固結(jié)系數(shù)，Ch≈1.035Cv。

圖17 固結(jié)系數(shù)與荷載關(guān)系統(tǒng)計

固結(jié)系數(shù)Cv (×10-3 cm2/s)Ch(×10-3 cm2/s)荷載/kPa5010015020030040050100150200300400樣本數(shù)1452035820345102121174531742580最小值0.15 0.21 0.20 0.12 0.28 0.23 0.20 0.28 0.26 0.15 0.30 0.22 最大值0.94 0.84 0.67 0.93 0.78 0.78 0.94 0.98 0.86 0.97 0.81 0.83 平均值0.46 0.47 0.39 0.45 0.46 0.47 0.46 0.50 0.47 0.45 0.49 0.48 標準差0.17 0.12 0.11 0.14 0.11 0.12 0.16 0.13 0.17 0.14 0.12 0.11 變異系數(shù)0.37 0.26 0.27 0.31 0.23 0.25 0.34 0.26 0.36 0.30 0.25 0.23

3.2 次固結(jié)系數(shù)

軟土地基主固結(jié)完成后，在有效應(yīng)力不變的情況下，仍可由土骨架蠕變產(chǎn)生次固結(jié)變形，次固結(jié)系數(shù)是反映軟土次固結(jié)變形快慢的指標，通常用室內(nèi)固結(jié)試驗測定。表4是對各級荷載下80個軟土樣本次固結(jié)系數(shù)的統(tǒng)計情況，統(tǒng)計結(jié)果表明，荷載較小時(p=50，100 kPa)，樣本具有較大的變異系數(shù)(δ=0.5)，荷載較大時，次固結(jié)系數(shù)分布相對較穩(wěn)定。與主固結(jié)系數(shù)不同，統(tǒng)計的次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化較大，如圖18所示的各級荷載下Ca的分布情況，p=100，200 kPa時，Ca均值較大。隨荷載逐漸加大，Ca緩慢減小。次固結(jié)系數(shù)受應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史等諸多因素的影響，由于本次統(tǒng)計樣本數(shù)量有限，Ca隨荷載的變化規(guī)律是否具有普遍性有待于進一步驗證。

表4 海積軟土次固結(jié)系數(shù)指標統(tǒng)計

圖18 次固結(jié)系數(shù)與荷載關(guān)系統(tǒng)計

4 結(jié) 語

(1)深圳西部沿海海積軟土為較新的海相沉積層，具有獨特的組成成分和微觀結(jié)構(gòu)。含水量高，孔隙比大，壓縮性高，強度低，與其他區(qū)域軟土相比具有更為不利的工程特性。

(2)運用統(tǒng)計方法對區(qū)域內(nèi)典型工程軟土樣本的物理力學(xué)性質(zhì)指標分布情況、指標隨地層深度的變化，指標間相關(guān)關(guān)系，主、次固結(jié)指標隨荷載變化的分布規(guī)律等問題進行了研究。彌補了深圳地區(qū)這方面研究空缺，分析成果對于本地區(qū)及類似濱海軟土地區(qū)的工程建設(shè)具有參考意義。

(3)本文的統(tǒng)計數(shù)據(jù)源于典型工程的室內(nèi)測試資料，實際上，室內(nèi)試驗中土樣的應(yīng)力狀態(tài)、排水條件等條件均與實際地基情況存在一定差異，加之取樣、運輸、制樣過程中的擾動，使得室內(nèi)測試結(jié)果具有一定的局限性。海積軟土固結(jié)等特性指標也可以通過原位測試、監(jiān)測等資料來反演確定，這應(yīng)更符合地基的真實情況，這方面的資料積累和研究仍需進一步深入。

[1] 陳曉平, 黃國怡, 梁志松. 珠江三角洲軟土特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2003, 22(1): 137-141.

[2] 珠海市住房和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局. 珠海市軟土分布區(qū)工程建設(shè)指引[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3] 深圳市勘察研究院. 深圳市后海填海市政工程項目巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 2002.

[4] 深圳市勘察測繪院. 深圳市后海灣填海區(qū)市政工程沙河環(huán)北立交橋、沙河?xùn)|濱立交橋工程地質(zhì)勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 2005.

[5] 深圳市勘察研究院. 深圳西部通道一線口岸區(qū)填海及軟基處理工程勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 1998.

[6] 香港奧雅納工程顧問公司. 深港西部通道口岸場地(港方)巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 2004.

[7] 深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司. 深圳市前海填海區(qū)巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 2005.

[8] 深圳市巖土綜合勘察設(shè)計院. 深圳市前海填海區(qū)2、3號地塊巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 2009.

[9] 深圳市巖土綜合勘察設(shè)計院. 深圳市前海填海區(qū)1、4號地塊巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 2009.

[10] 廣東有色工程勘察設(shè)計院. 深圳市前海片區(qū)北區(qū)E、H地塊巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心,2010.

[11] 遼寧有色勘察研究院. 深圳市前海填海區(qū)南區(qū)F、G地塊巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 2011.

[12] 深圳市勘察測繪院有限公司. 深圳地鐵前海北區(qū)軟基處理詳細階段補充勘察巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 深圳地鐵, 2010.

[13] 深圳市勘察測繪院. 深圳機場二跑道填海及軟基處理巖土工程勘察報告[R]. 深圳: 規(guī)劃與國土局, 2004.

[14] 鐵道部科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計院. 深港西部通道工程軟基處理技術(shù)分析報告[R]. 深圳: 土發(fā)中心, 2004.

[15] GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].