佛山軟土層的工程地質(zhì)特性及其地基處理方法研究

陳澤萍 肖榮軍

摘要：對佛山地區(qū)軟土成因及分布進行分析，采用隨機取樣的方式在佛山市五區(qū)范圍內(nèi)抽取49個工程共412件軟土樣品，結(jié)合數(shù)值分析方法對樣品的物理力學(xué)特性進行統(tǒng)計，同時與其他成因軟土層進行對比分析最后得出佛山地區(qū)軟土層的工程地質(zhì)特性，針對該區(qū)軟土層的特性提出軟土地基的處理方法及建議。

關(guān)鍵詞：佛山；軟土層；工程地質(zhì)特性；軟基處理

引言

佛山位于西江和北江沖積而成的大三角洲上，該地區(qū)軟土較發(fā)育，軟土因成因的多樣性，其工程地質(zhì)性質(zhì)既有共性亦有個性，加強佛山地區(qū)軟土層的研究，將其與其他地區(qū)軟土層進行比較對工程建設(shè)有一定積極作用。

1. 軟土成因及分布

軟土一般是指天然含水量大，有機質(zhì)含量多，壓縮性高，孔隙比大，滲透性差，承載能力低的一種軟塑到流塑狀態(tài)的粘性土。如淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭以及其他高壓縮性飽和粘性土。它是在靜水或緩慢水流環(huán)境下，經(jīng)生物化學(xué)作用形成的以細粒土為主的近代沉積物。按軟土的形成環(huán)境，我國軟土的成因類型分為濱海平原地區(qū)的濱海相、瀉湖相、溺谷相、三角洲相，湖積平原的湖相，河流沖積平原的河漫灘相、牛軛湖相，山間谷地的谷地相以及泥炭沼澤地的沼澤相。[1]軟土因其沉積環(huán)境的不同，具有不同的特性。佛山地區(qū)軟土主要為淤泥、淤泥質(zhì)土兩類。

佛山市位于珠江三角洲的西北部，珠江三角洲是由兩個三角洲合成的復(fù)合三角洲，廣州位于東江沖積而成的小三角洲上，佛山位于西江和北江沖積而成的大三角洲上。珠江三角洲上島丘眾多，地形復(fù)雜。佛山市地貌類型包括殘丘、紅巖臺地，集中張搓、弼塘、石灣、瀾石一帶，大致沿西北一東南方向伸展，海拔20米～30米。西部大富村附近為平原的二級階地，高程2米左右。其余為現(xiàn)代河漫灘一級階地。佛山市地勢大致自西北向東南傾斜，佛山市平原地區(qū)為第四系松散沉積物覆蓋，厚度二十米左右。從佛山市區(qū)向東和向西，因受蟠崗山體和西部紅巖臺地的影響，厚度明顯減薄。從石灣往西，南海區(qū)境內(nèi)有一大于四十米的沉積中心。據(jù)有關(guān)資料表明，西、北江三角洲第四系厚度為25.6m，東江三角洲僅為18.88m。[2]二級階地為四紀上更新世河湖相沉積物，一級階地為第四紀全新世沖積物，其中，分布較廣的為全新世桂洲組（Qhg），佛山的軟土大多存在于該組地層中，屬于較為典型的三角洲相軟土。其沉積相如圖1所示.

較其他沉積相而言，三角洲相軟土具有分選性差，結(jié)構(gòu)疏松、多交錯層理，多粉砂薄層等特點。

為了具體研究佛山地區(qū)軟土層的工程地質(zhì)特性，在佛山市五區(qū)范圍內(nèi)隨機抽取65個工程地下土層進行研究工程地質(zhì)，其中含軟土層的工程有49個，占總數(shù)的75.38%。49個工程共取軟土樣412件，其中淤泥樣173件，淤泥質(zhì)土樣229件。對取樣深度范圍內(nèi)的淤泥、淤泥質(zhì)土進行統(tǒng)計分析可得樣品數(shù)量隨深度變化曲線圖（圖2）：

據(jù)分析可知，佛山地區(qū)軟土分布較廣，淤泥大多分布在5m～10m范圍內(nèi)，淤泥質(zhì)土分布于10m～15m間。但局部地區(qū)亦揭露厚層淤泥、淤泥質(zhì)土層，如三水區(qū)水都國際飲料園區(qū)內(nèi)揭露淤泥、淤泥質(zhì)土層厚度達25m。

2. 工程地質(zhì)特性

對412件樣品進行分類統(tǒng)計，同時對部分樣品進行數(shù)值分析。據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可得佛山地區(qū)軟土層的工程地質(zhì)特性如下：

2.1 天然含水量大

軟土的天然含水量一般大于液限，呈軟塑或半流塑狀態(tài)。液限一般在45%～60%，天然含水量大于35%，飽和度大于95%。佛山淤泥層天然含水率為49.0%～89.8%，平均值為69.9%，液限為29.4%～58.7%，平均值為41.2%.淤泥質(zhì)土天然含水量為35.0%～60.1%，平均值為43.7%，液限為23.0%～50.0%，平均值為33.7%；淤泥飽和度93.7%，淤泥質(zhì)土飽和度95.4%。由統(tǒng)計結(jié)果可知，佛山地區(qū)液限較低。

2.2 孔隙比大

軟土的孔隙比大于1.0，一般介于1～2之間，最大可超過2，山區(qū)的軟土可能還要大些。[3]佛山地區(qū)淤泥孔隙比為1.0～3.1，平均值為2.0；淤泥質(zhì)土孔隙比為1.0～1.5，平均值為1.2.

對佛山地區(qū)軟土天然含水率及孔隙比進行線性回歸分析，淤泥、淤泥質(zhì)土天然含水率W及孔隙比e存在較好的相關(guān)性。相關(guān)關(guān)系表示如下：

通過對佛山地區(qū)淤泥、淤泥質(zhì)土孔隙比e、含水率W進行統(tǒng)計分析，該區(qū)e、W存在線性關(guān)系，其線性關(guān)系式淤泥為e=0.02058W1.074，相關(guān)系數(shù)r為0.9121，淤泥質(zhì)土為e=0.038W0.9165，相關(guān)系數(shù)r為0.8657，擬合精確度均比較高。

2.3 透水性能低

軟土的透水性能很低，滲透系數(shù)一般為10-6cm/s～10-8cm/s，垂直方向的滲透系數(shù)通常比平行土層方向的滲透系數(shù)要小一些。對地基排水固結(jié)不利，常使建筑物沉降延續(xù)時間加長；同時，在加載初期，地基土中常出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，影響地基的強度。佛山地區(qū)淤泥、淤泥質(zhì)土滲透系數(shù)一般為10-6cm/s。

2.4 壓縮性高

軟土屬高壓縮性土，壓縮系數(shù)a0.1-0.2一般大于0.5MPa-1，且其壓縮變形大部分發(fā)生在垂直壓力為0.1MPa左右時。[4]佛山地區(qū)淤泥壓縮系數(shù)為0.7MPa-1～4.8MPa-1，平均值為1.7MPa-1，佛山地區(qū)淤泥質(zhì)土壓縮系數(shù)為0.5MPa-1～1.7MPa-1，平均值為0.8MPa-1。高壓縮性土對工程的直接影響是建筑地基沉降量大。

2.5 具觸變性

土經(jīng)擾動由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃樱魉埽顟B(tài)的特性稱為觸變性。軟土一經(jīng)擾動，其強度將被削弱、降低（但在靜置一段時間后，土粒與水分子等重新排列，恢復(fù)絮凝結(jié)構(gòu)，強度又可得到恢復(fù)）。

2.6 具流變性（蠕變性）

軟土在荷載持續(xù)作用下，壓縮變形有隨時間延長而增長的特性叫流變性。一般流變速度很小，每年只移動幾厘米，但持續(xù)時間很長，有的持續(xù)達數(shù)十年。在剪切力作用下，土體長期出現(xiàn)緩慢的剪切變形，這對建筑物地基的沉降有較大影響，對于斜坡、堤岸、碼頭等穩(wěn)定性不利。

2.7 具不均勻性

由于沉積環(huán)境的變化，軟土層中常局部夾有厚薄不等的粘土層，使平面和垂直方向上都具明顯差異，作為建筑物地基極易產(chǎn)生差異沉降。由于沉積環(huán)境的變化，土質(zhì)均勻性差。佛山軟土為三角洲相夾有粉土或者粉砂夾層，具有明顯的微層理構(gòu)造，水平向滲透性常好于垂直向滲透性。

2.8 抗剪強度低

一般軟土不排水剪切時，φ=0，c一般小于20kPa，排水固結(jié)條件下，φ=10°～15°，c=20kPa左右。[5]佛山地區(qū)淤泥不排水剪切時φ=1°～12.7°平均值為5.3°，c=1.0～12.2kPa，平均值為5.1kPa；淤泥質(zhì)土不排水剪切時φ=1°～13.7°平均值為6.1°，c=1.1kPa～15.0kPa，平均值為5.6kPa.佛山地區(qū)軟土抗剪強度很低，當然抗剪強度的大小與施加荷載的速度和排水固結(jié)條件有關(guān)。

為了研究佛山地區(qū)軟土層物理力學(xué)特性，將溫州、寧波等全國十幾個地區(qū)不同成因軟土層的物理力學(xué)指標[1]與三角洲相的佛山地區(qū)軟土層的物理力學(xué)指標進行比較，結(jié)果如表1所示。

由統(tǒng)計結(jié)果可知，對于佛山地區(qū)而言，同種類型的軟土，液限、摩擦角、凝聚力均隨深度增加而增大；而部分物理力學(xué)指標則因淤泥、淤泥質(zhì)土本身及淤泥淤泥質(zhì)土之間隨著深度的增加具有較為明顯的差異。其中同一深度范圍內(nèi)淤泥的含水率、孔隙比、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)均較淤泥質(zhì)土高，而同一軟土類型，隨著深度的增加含水率、孔隙比、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)呈降低趨勢。較其他地區(qū)而言，佛山地區(qū)軟土于廣州地區(qū)軟土物理力學(xué)指標更相近，佛山地區(qū)液性指數(shù)Ip值明顯較其他地區(qū)大。

3. 軟土地基處理方法

淤泥、淤泥質(zhì)土在工程建設(shè)中均屬特殊性土，均勻性差，力學(xué)性質(zhì)差，屬特殊性巖土，對地基的穩(wěn)定性有一定的影響。淤泥、淤泥質(zhì)土不宜作天然地基，因為它會產(chǎn)生不均勻沉降，使建筑物產(chǎn)生裂縫、傾斜、影響正常使用。在淤泥、淤泥質(zhì)土上進行建筑時必須采取人工加固措施。佛山地區(qū)較常用的地基處理為置換及拌入法、加筋法，或者以上方法混合使用等。其中，置換及拌入法包括墊層法、開挖置換法、深層攪拌法、褥墊法；加筋法是通過在土層中埋設(shè)強度較大的土工聚合物、拉筋、受力桿件等達到提高地基承載力，減小沉降，或維持建筑物穩(wěn)定的地基處理方法稱為加筋法，包括松木樁法。[7]

（1）墊層法：在天然地層上鋪設(shè)墊層，作為人工填筑的持力層。同時將結(jié)構(gòu)物基底壓力擴散到下臥天然地層中，使其應(yīng)力減少到下臥層的許可承載力范圍以內(nèi)，從而滿足地基穩(wěn)走性的要求，同時由于墊層材料的壓縮性低于天然的軟粘土層，采用墊層法也可減少地基的沉降量。墊層材料可分柔性材料和剛性材料。柔性材料包括砂土、碎石、石渣、煤灰、礦渣、粘性土等，剛性材料包括木材墊層，金屬墊層，合成樹脂墊層等。砂、礫、碎石或石渣等無粘性土是最常采用的墊層材料，因為這類土的強度大，壓縮性小，透水性良好，比較容易使之密實，且在不少地區(qū)料源豐富，價格便宜。適用范圍：淺層地基處理。

（2）開挖置換法：開挖置換法就是將基底下一定深度的軟弱土層挖除（如軟弱土層較薄，可將其全部挖除）然后回填較好的土石料，例如砂土、碎石、石渣等，分層夯實作為持力層，達到地基處理的目的。上述兩法的差別在于：墊層法一般系指不開挖而做成的墊層，而開挖置換法系指先開挖然后回填并夯實。適用范圍：淺層地基處理。

（3）深層攪拌法：深層攪拌法是用于加固飽和軟粘土地基的一種新技術(shù)。它是利用水泥、石灰或其他材料作為固化劑的主劑，通過特別的深層攪拌機械，在地基深處就將軟土和固化劑（水泥或石灰的漿液或粉體）強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，形成堅硬拌和柱體，與原地層共同起復(fù)合地基的作用。高壓噴射注漿法和深層攪拌法的差別在于采用不同的加料拌和手段。適用范圍：軟弱粘性土。

（4）褥墊法：在壓縮性較低的地基上（如巖基、孤石）上加褥墊，使它與壓縮性較高的地基相適應(yīng)，調(diào)整巖土交界處的相對變形，避免由于該處應(yīng)力集中而使結(jié)構(gòu)物破壞。適用范圍：地基軟土層深淺不一，易于發(fā)生不均勻沉降的地層。

（5）松木樁法：在地基中沿不同方向，打入松木樁，可以是豎直樁，也可以是斜樁，形成如樹根狀的群樁，以支撐結(jié)構(gòu)物，或用以擋土，乃至可作為穩(wěn)定土坡的一種措施。適用范圍：軟弱粘性土、雜填土。

4. 結(jié)論

（1）佛山地區(qū)軟土為典型的三角洲相軟土，除了具有天然含水量大、孔隙比大、壓縮系數(shù)高、強度低，并具有蠕變性、觸變性等一般軟土的工程地質(zhì)性質(zhì)外由于沉積環(huán)境的變化，軟土層中常局部夾有厚薄不等的粘土層，使平面和垂直方向上都具明顯差異，作為建筑物地基極易產(chǎn)生差異沉降。由于沉積環(huán)境的變化，土質(zhì)均勻性差。佛山軟土為三角洲相夾有粉土或者粉砂夾層，具有明顯的微層理構(gòu)造，水平向滲透性常好于垂直向滲透性。

（2）對于佛山地區(qū)而言，同種類型的軟土，液限、摩察角、凝聚力均隨深度增加而增大；而部分物理力學(xué)指標則因淤泥、淤泥質(zhì)土本身及淤泥淤泥質(zhì)土之間隨著深度的增加具有較為明顯的差異。其中同一深度范圍內(nèi)淤泥的含水率、孔隙比、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)均較淤泥質(zhì)土高，而同一軟土類型，隨著深度的增加含水率、孔隙比、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)呈降低趨勢。較其他地區(qū)而言，佛山地區(qū)軟土于廣州地區(qū)軟土物理力學(xué)指標更相近，佛山地區(qū)液性指數(shù)Ip值明顯較其他地區(qū)大。

（3）佛山地區(qū)軟土天然含水率及孔隙比進行線性回歸分析，淤泥、淤泥質(zhì)土天然含水率W及孔隙比e存在相關(guān)性。淤泥，e=0.02058W1.074，相關(guān)系數(shù)0.9121；淤泥質(zhì)土，e=0.038W0.9165，相關(guān)系數(shù)0.8657。淤泥較淤泥質(zhì)土而言相關(guān)系數(shù)更高?？紫侗萫壓縮系數(shù)av相關(guān)系數(shù)為0.4393～0.6639，存在弱相關(guān)性；含水率W、壓縮系數(shù)av存在弱相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.3736～0.4626。

（4）淤泥、淤泥質(zhì)土在工程建設(shè)中均屬特殊性土，在地基處理過程中應(yīng)充分考慮該地區(qū)軟土層和其他地區(qū)軟土層的共性適當借鑒其他地區(qū)軟土地基處理方法的同時也要充分考慮該地區(qū)軟土的特性，因地制宜地優(yōu)化地基處理方案，選擇技術(shù)可行、效果可靠、工期較短、經(jīng)濟合理的施工方案。

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