珠江口區(qū)淤泥土微觀結構性研究

范家驊，祝劉文，衡濤

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.深圳大學建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 深圳 518060）

珠江口區(qū)淤泥土以其廣泛分布和特殊的工程性質成為工程建設的關注重點，同時受生產任務性試驗的淡化，工程上對其認識并不充分。為深入探討其微觀結構性，在南沙港區(qū)和高欄港區(qū)不同地段分別進行代表性取樣，進行了相關試驗研究。

1 沉積和組成

糖碳標準C14測齡、X射線衍射分析和差熱分析試驗結果分別如表1~表3所示。

結合表1，根據(jù)沉積相和沉積旋回劃分研究[1]以及氣候變遷歷史，區(qū)內淤泥土屬于燈籠沙組（） 和萬傾沙組（）。其中燈籠沙組形成于距今約2 600 a前后，屬間冰期海進階段，形成時水動力條件較弱，為熱溫條件下的濱海相沉積物，萬傾沙組則形成于距今約5 500 a前后，屬冰期海退階段，形成時水動力條件較強，為涼溫條件下的河流相沉積物。

表1 C14年齡測定結果Table 1 Age dating resultsof C14

表2 X射線衍射分析結果Table2 X-ray diffraction analysisresults

表3 差熱分析結果Table3 Differential thermal analysisresults

特定的沉積環(huán)境和水動力條件決定其相應的物質組成。由表2可知，區(qū)內淤泥土中的黏土礦物以伊利石、蒙脫石和埃洛石為主，這些礦物中相鄰晶包間距較大，連接較弱，水分子容易滲入，形成較細的黏粒，黏粒的比表面積很大，親水性較強，膨脹性顯著，壓縮性高，抗剪強度低，顆粒表面一般帶電，并因此具有較強的吸附能力[2]。在水土分散系中，土顆粒被水介質包圍，在其表面一定范圍內會形成具有特殊性質的結合水，見表3。這種結合水分強、弱兩種，以孔隙水形式存在時其黏滯系數(shù)和附著強度明顯大于重力水。土體固結過程，尤其是尾段部分，隨著重力自由水的逐漸排出，孔隙中的含水類型必將發(fā)生改變，大量吸附水的存在延緩了固結過程，也增大了次固結作用所占的比率。

2 微觀結構

土的微觀結構通常包括土結構單元的性狀、排列狀況、孔隙特征和結構連接等，為查明區(qū)內淤泥的微觀結構專門進行了顆粒分析和電鏡掃描試驗，結果如表4和圖1。

表4 不同地點淤泥土粒度成分Table 4 Grain size composition of muddy clays in different locations

圖1 區(qū)內淤泥土微觀結構典型圖片F(xiàn)ig.1 Typical figureof muddy clay′smicrostructure

由表4可知，區(qū)內淤泥土以黏粒為主，粉粒次之，含少量砂粒。其中黏粒含量占絕對優(yōu)勢，一般遠高于30%，膠粒含量也超過了20%。

圖1可見，區(qū)內淤泥土黏土礦物顆粒多呈扁平片狀，主要以“邊-面”或“邊-邊”方式連結，呈絮凝狀架空結構。由于扁平狀黏土礦物不同部位存在明顯的電性差異，這種“邊-面”或“邊-邊”靜電連接的庫侖力遠大于“面-面”相連的范德華力。

珠江搬運了大量的陸源物質，在區(qū)內注入南海時，沉積物所處環(huán)境必然發(fā)生兩個明顯變化：1） 水動力條件逐漸減弱；2） 所處溶液中的電解質濃度逐漸增加。黏粒占絕對優(yōu)勢，膠粒占比較高，加之水動力條件逐漸變弱，共同決定了區(qū)內淤泥的沉積過程較為緩慢。同時電解質濃度的增加必然引起黏土礦物表面的雙電層變薄，粒間斥力減小，這等效于粒間引力相對增加，因此區(qū)內淤泥在沉積過程中，結構單元之間很難相對滑動。隨著上覆沉積荷載的不斷增加，這種“邊-面”或“邊-邊”接觸點處的水膜會相應減薄，顯然，這一過程也會伴隨孔隙比減小，但與顆粒滑移引起的減小相比會小很多。淤泥沉積的過程是荷載緩慢增加的過程，這種緩慢性，為粒間接觸點上發(fā)生一定的物理化學作用，增加接觸點的強度以抵抗荷載的增加提供了時間可能，使本不穩(wěn)定的絮凝結構的強度得以提高，它同時也是結構強度逐漸增長的過程。當沉積過程減緩到一定程度后，接觸點處強度增長的速率往往會大于自重增加的速率，此時，上覆有效應力往往由土骨架單獨承擔，在自重壓力下無法進一步壓密，從而保持了大孔隙比、高含水率狀態(tài)。

上述微觀結構及其形成機理可以從微觀層面充分解釋有關大孔隙比、高含水率、低強度等現(xiàn)有工程經驗，但需要注意的是，淤泥的這種結構連結方式與典型的膠結連結（如紅土、黃土中的Ca、Fe膠結）明顯不同：在外力作用下，兩者的可穩(wěn)性大不一樣。區(qū)內淤泥土以“邊-面”或“邊-邊”連結形成的架空結構，在外力作用下較容易破壞，從而形成“面-面”連結；而典型膠結連結形成的結構具有較強的抗變形能力，因此其結構強度遠小于膠結連結的典型結構性土。

3 微觀結構性

天然沉積土都具有一定的結構性，工程上通常將結構效應明顯的土稱為結構性土，將排列、連結的力學效應稱為土的微觀結構性。結構性土通常具有以下特征[3]：1） 有一定的天然結構強度，用靈敏度St表示，一般St＞4時為典型結構性土；2） 偏應力偏應變關系曲線呈Ⅰ型（圖2），即應變軟化型；3）傳統(tǒng)的先期固結應力及固結狀態(tài)的確定方法不適用。

圖2 三種不同類型土的應力與應變關系Fig.2 Stressand strain relations between three different soils

本次工作從南沙港和高欄港選取一個典型工程，結合室內試驗成果，嚴格按規(guī)范[4]定義篩選出淤泥的十字板試驗成果示于圖3，經統(tǒng)計整理得表5。

圖3 原狀土和重塑土十字板剪切強度隨深度分布圖Fig.3 Vane shear strength distributionsof undisturbed soil and remolded soil along with depth

表5 十字板剪切強度統(tǒng)計表Tabel 5 Statisticsof thevane shear strength

由表5可知，所選工程淤泥土靈敏度在2.62～5.43之間，均值分別為4.05和4.13，略大于4，屬于結構性軟土。

用所取土樣制取代表性原狀淤泥試樣，按相關標準[5-6]進行壓縮試驗，加荷全過程荷載率控制在0.5以下，依據(jù)試驗結果繪制e-log p曲線得圖4。由圖可知：1） 圖示曲線均存在一個變形拐點（即圖中反彎點），這與常規(guī)e-log p曲線明顯不同；2）曲線尾部直線段的反向延長線均位于最小曲率半徑點以下，無法通過傳統(tǒng)作圖法求取先期固結壓力，這與前述結構性土特征之3） 完全符合。

由前述分析知，區(qū)內淤泥系新近河口/海相沉積，為欠固結土，超固結比OCR=σc/σz＜1，先期固結壓力應小于上覆有效應力σz，即σc通常較小，而實際生產中按采用傳統(tǒng)方法求出的先期固結壓力往往較大。這是因為傳統(tǒng)方法中的先期固結壓力σc在數(shù)值上等于原狀土壓縮曲線拐點所對應的壓力，認定其為土歷史上經受的最大荷載，并將其與上覆壓力σz之比定義為超固結比（OCR），以判定土的固結狀態(tài)。

圖4 淤泥土典型室內壓縮曲線Fig.4 Typical indoor compression curve of muddy clay

事實上，曲線變形拐點對應于土的屈服應力σk。由于結構性原狀淤泥具有一定的天然結構強度，拐點應力應為σk=σc+q，q為天然土的天然結構強度。如果沒有認識到這一點，而隨意沿用傳統(tǒng)方法測求σc，并據(jù)以判定土的固結狀態(tài)，可能將欠固結土或正常固結土錯判為超固結土，在工程設計上造成錯誤。應力記憶形成的先期固結壓力與結構性的形成機理不同，超固結是土層在其形成和存在的某個過往時期遭遇卸載或冰川過境等引起的應力記憶；結構性土的屈服應力實際上是正常固結土或欠固結土具有微觀結構強度的表現(xiàn)。因此由結構性引起的視壓密土與應力歷史形成的超固結土在荷載作用下其變形性狀也必然不相同，從室內壓縮曲線上看，應力小于σk前，結構性和超固結都會減小土樣的變形，使土體強度在加荷初期得到提高，但當應力超過σk后，結構性土比超固結土的孔隙比減小得更快，即圖示壓縮曲線呈現(xiàn)的陡降型，而真正超固結土的壓縮曲線往往都是緩降型的。另外，同一壓力作用下，結構性軟土具有更大的孔隙比和明顯的結構屈服應力，土的壓縮性在結構屈服應力前后有明顯的差異，表現(xiàn)在低于屈服應力時，土的壓縮性較小，而當超出結構屈服應力時，則土的壓縮性顯著增大，最后趨于重塑土的壓縮曲線。由于結構性土與超固結土對壓力的反應不同，其壓縮指標的確定方法也應有所區(qū)別，這樣才能更為科學地預測結構性淤泥土地基的固結變形。

4 結論和展望

通過試驗和相關分析，認為珠江口區(qū)淤泥土：

1）系新近沉積的燈籠沙組（Q43）和萬傾沙組（Q42-2），為欠固結或正常固結土；

2）黏粒含量占絕對優(yōu)勢，膠粒含量較高，黏土礦物主要以伊利石、蒙脫石和埃洛石等親水礦物區(qū)為主，結合水膜較厚，次固結作用相對明顯；

3）主要以“邊-面”或“邊-邊”方式連結形成絮凝狀空間架空結構，從而保持了高含水率和大孔隙比，粒間結構連接較弱，處于典型結構性連接和非結構性連接之間；

4） 靈敏度略大于4，具有中-高靈敏性，屬于結構性軟土；室內壓縮曲線具有明顯反彎點，對應于土的結構屈服應力，該應力大于上覆有效應力，使得試樣呈視壓密狀態(tài)；傳統(tǒng)作圖法確定先期固結壓力不再適用；

5）壓縮過程中，結構性屈服應力點前，孔隙比減小緩慢，e-log p曲線呈水平/緩降型；結構性屈服應力點后，孔隙比迅速減小，e-log p曲線呈陡降型；隨壓力增加，曲線尾端逐漸趨近固有壓縮曲線。

珠江口區(qū)淤泥土在工程建設中具有非常重要的意義，對其微觀結構性的研究目前仍然很少。如何科學確定其先期固結壓力和結構性屈服應力，并在固結、沉降和強度增長中對其影響予以合理考慮，還需要更加深入的研究。

[1] 陳建強，周洪瑞，王訓練，等.沉積學及古地理學教程[M].北京：地質出版社，2004.CHEN Jian-qiang，ZHOU Hong-rui，WANG Xun-lian，et al.Tutorial of Sedimentology and Paleogeography[M].Beijing：Geological Publishing House，2004.

[2] 唐大雄，劉佑榮，張文殊，等.工程巖土學[M].第二版.北京：地質出版社，1999.TANG Da-xiong，LIU You-rong，ZHANG Wen-shu，et al.Rock and soil engineering[M].second edition.Beijing：Geological Publishing House，1999.

[3] 房后國，于立新，劉聘慧，等.結構性淤泥土固結機理及模型研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.FANGHou-guo，YU Li-xin，LIU Pin-hui，et al.Structural muddy clay consolidation mechanism and model research[M].Zhengzhou：The Yellow River Water Conservancy Press，2008.

[4]JTJ240—97，港口工程地質勘察規(guī)范[S].JTJ240—97，Geologic Investigation Codefor Port Engineering[S].

[5]GB/T 50123—1999，土工試驗方法標準[S].GB/T 50123—1999，Standard for Soil Test Method[S].

[6]SL 237—1999，土工試驗規(guī)程[S].SL 237—1999，Specification of Soil Test[S].