珠三角平原區(qū)軟土分布與地面沉降相關性分析

王 雙，嚴學新，揭 江，羅煒宇，王紅珊，楊天亮，吳建中

（1. 廣東省地質局第四地質大隊，廣東·湛江 524033；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072）

珠江三角洲平原區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，既是人口密度較高的區(qū)域，也是中國南部的經(jīng)濟和金融中心。改革開放以來，充分發(fā)揮毗鄰港澳的獨特區(qū)位優(yōu)勢、信息優(yōu)勢以及華僑眾多的人文優(yōu)勢，工業(yè)及城市化發(fā)展迅速，人類經(jīng)濟工程活動對環(huán)境地質的作用和相互影響越來越大，其中地面沉降是區(qū)內主要地質災害之一。地面沉降具有多種起因[1]，在不同地區(qū)其主導因素不同。珠江三角洲平原為松散沉積物堆積平原，受人類工程活動及天然固結等作用的影響，部分地區(qū)已出現(xiàn)了嚴重地面沉降，導致房屋、公路、橋梁、水利設施、堤圍、地下管網(wǎng)設施等不同程度的破壞，造成了嚴重的經(jīng)濟損失。我國珠三角平原區(qū)分布有大面積的軟土，且分布厚度相對較大[2]。其軟土以海相沉積的淤泥、淤泥質土為主，其次為泥炭土、淤泥質砂、含炭化植物碎屑和貝殼碎片等。軟土的低強度高壓縮性特點使軟土地基在各種荷載作用下特別容易發(fā)生沉降變形，給工程建設造成巨大的經(jīng)濟損失，對于軟土沉降的研究越來越受到重視[3]。以往工作中，未對軟土與沉降速率的關系進行定量分析，本文據(jù)此作相關研究。

1 珠三角平原區(qū)軟土基本特征

1.1 軟土分布特點

在軟弱類土中，由淤泥、淤泥質土組成的軟土在珠三角平原區(qū)內相對分布最廣、厚度最大，且根據(jù)不同時代劃分為第一、二、三軟土層，軟土大面積分布于廣州市以南的廣大平原區(qū)，總面積約5 969 km2，占全區(qū)（面積11 681 km2）陸地總面積的51.1%[4]。在珠海、中山、廣州南沙一帶重點沉降區(qū)內，軟土的總厚度一般在5.00~35.00 m之間，最厚達47.20 m，層底埋深5.00~41.70m，標高一般-43.80~5.40m。區(qū)內軟土厚度以18.50~35.50m為主，8.50~18.50m次之，再次分別為3.50~8.50m、小于1.50m、1.50~3.50m，厚度大于35.50m范圍最?。ū?、圖1）。

表1 珠三角平原區(qū)軟土厚度分布情況Table 1 The distribution of soft soil thickness in the Pearl River delta plain

三角洲頂端和中部以第一層和第二層軟土為主，三角洲前緣局部地段三層軟土均有分布，濱海平原區(qū)則以第一層、第二層軟土為主；總體上來說，第一層、第二層軟土在三角洲區(qū)分布廣泛，第三層分布不連續(xù)，僅局部揭露。在垂直方向上，軟土厚度分布情況為越靠近丘陵臺地其厚度越小，越靠近河流、海濱，其厚度越大；軟土厚度變化總體由前期構造運動形成的基底控制；第一軟土層分布最廣、厚度最大，第二軟土層次之，第三軟土層最?。▓D2）。其中：第一軟土層，頂板埋深0~11.40m，底板埋深5.00~38.00m，底板標高-35.00~5.40m，厚度一般2.00~36.00m，最厚達47.20m（珠海金灣高爾夫球場）；第二軟土層，頂板埋深4.60~38.08m，底板埋深9.00~41.70m，厚度一般1.10~21.10m，最厚達34.60m；第三軟土層，頂板埋深38.00~60.10m，沉積底板埋深45.90~62.80m，厚度一般2.70~4.50m，最厚達20.40m，僅在中山市三角鎮(zhèn)結民圩、建軍圍、金灣高爾夫球場等局部地段揭露。區(qū)內軟土形成較晚，厚度大，多為現(xiàn)代沉積物。第三軟土層與第二軟土層分層界線清晰明顯，第二軟土層與第一軟土層界線則不甚明顯，局部相連。據(jù)調查資料分析，區(qū)內北部以雙層軟土為主，南部則以單層為主。第二軟土層在北部以淺埋為主，中南部以中深埋為主，南部以深埋為主。

圖1 珠三角主要沉降區(qū)軟土厚度分布圖Fig.1 Distribution of soft soil thickness in the main settlement area of the Pear River Delta

1.2 軟土多層分布的成因

珠三角平原區(qū)的軟土在垂直方向、水平方向上的分布規(guī)律皆與三角洲海侵次數(shù)、范圍與延續(xù)時間密切相關，其分布范圍與各時期海侵也基本一致，厚度變化大，不少地方缺失，頂板埋深差別大，厚度變化自老至新表現(xiàn)為不穩(wěn)定至穩(wěn)定。全新世時期，珠江三角洲地區(qū)經(jīng)歷二次較大的海侵，這兩次海侵范圍遍布全區(qū)，因而在全區(qū)范圍內沉積了較厚和較穩(wěn)定的淤泥層；因近代海侵后海水并未全部退出全區(qū)或海退歷時較短，緊接又進行了第三次海侵，使得這二層淤泥在三角洲前緣常為連續(xù)沉積，彼此沒有明顯的分層標志。在現(xiàn)代期，三角洲前半部可能還有數(shù)次規(guī)模較小、歷時短的海侵與海退，因而在第一層淤泥中還常常夾薄層的雜色黏土。

圖2 珠三角典型軟土剖面圖Fig.2 Section of typical soft soil in Pearl River Delta

1.3 軟土物理力學性質

區(qū)內軟土的形成時代只有40000a左右[5]，三層軟土的成分下雜上純且較穩(wěn)定，力學強度隨深度增加而提高。由于沉積年代新、質純且夾層少、孔隙比大、含水量高、壓縮系數(shù)大的軟土層，孔隙水壓力易于降低和易產(chǎn)生壓縮，因此其力學強度低。據(jù)金灣高爾夫球場別墅區(qū)鉆探、測年及原位測試資料，軟土隨深度增大年齡和強度愈大，且呈線性關系[6]。

從軟土層物理力學指標統(tǒng)計值（表2）可知，第一軟土層巖性較第二、三軟土層復雜。

比較第一、二、三軟土層指標平均值可知：軟土層液限、液性指數(shù)、天然含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)等指標值自上而下總體上由大變小，而壓縮模量、黏聚力、標貫則由小變大。

顯然，區(qū)內軟土一般具有下列特性：（1）高含水率和高孔隙性。天然含水率一般為45%~70%，最大值96.9%；液限一般為40%~60%，天然含水率隨液限的增大成正比增加；天然孔隙比在1~2之間，飽和度一般大于95%，因而天然含水率與其天然孔隙比呈直線變化關系。高含水率和高孔隙性特征是軟土高壓縮性和低抗剪強度的重要決定因素。（2）高壓縮性。壓縮系數(shù)a1-2一般為0.70~1.50 MPa-1，最大達4.28 MPa-1，隨液限和天然含水率增大而增高。在上部荷載作用下的軟土變形特征一是變形大而不均勻、二是變形穩(wěn)定歷時長。（3）抗剪強度低。不排水三軸快剪所得黏聚力一般為2.0~7.0 kPa，最小為1.0 kPa；十字板剪切試驗所得抗剪強度一般在5.3~31.9 kPa，最小為0.3 kPa，其靈敏度一般在2.1~20.0之間?？偟膩碚f，軟土抗剪強度值很小，且與其側壓力大小無關；排水條件下的抗剪強度隨固結程度的增加而增大。（4）承載力極低。大部分標貫試驗為自落，修正后N63.5一般為0.6~1.6擊，承載能力很差，一旦受到上部荷載作用即產(chǎn)生較大幅度的壓縮變形。（5）較顯著的觸變性和蠕變形。由于軟土的組成成分細小，且含水率高，抗剪強度低，在重力作用和較小外部作用力下發(fā)生緩慢的蠕動變形；而較大外部荷載作用力下軟土極易發(fā)生快速的觸動變形，軟土雜質越少、外部瞬間作用力越大，則其變形速率越快、變形幅度越大。（6）滲透性弱。滲透系數(shù)一般在10-4~10-5cm/s之間，而大部分濱海相和三角洲相軟土地區(qū)，由于軟土層中夾有數(shù)量不等的薄層或極薄層粉、細砂、粉土等，故在水平方向的滲透性較垂直方向要大得多。由于軟土滲透系數(shù)小、含水量大且飽和狀態(tài)，這不但延緩其土體的固結過程，而且在加荷初期，常易出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，對地基強度有顯著影響。

軟土在普遍具有上述特性的同時，由于其組成成分及其含量的不同，其性質相應隨之變化?？傮w上，由淤泥質黏性土至淤泥，其液限、含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)均逐漸增大，壓縮模量、黏聚力則逐漸減小。

表2 軟土層主要物理力學指標Table 2 Statistical tables of main physical and mechanical indexes of the soft soil layers

2 軟土厚度與地面沉降相關性分析

2.1 定性分析

圖3 珠三角軟土厚度與地面沉降速率關系對比圖Fig.3 Comparison of the relationship between the soft soil thickness of the Pearl River Delta and the land subsidence rate

把區(qū)內已有年沉降量等值線和軟土分布情況進行對比（圖3），年沉降量大于35mm分布范圍與軟土厚度大于15m區(qū)域分布范圍基本一致，僅在中山市小欖水道、雞鴨水道和橫門水道交匯帶、中山市坦洲鎮(zhèn)、珠海市白蕉鎮(zhèn)、平沙鎮(zhèn)東南部和斗門富山工業(yè)園區(qū)略有出入。在珠海紅旗鎮(zhèn)紅燈村一帶軟土厚度增大，沉降量略有增加。

由圖3可明顯看出，中山塊段和珠海塊段河流平原區(qū)沉降量等值線的分布和展布趨勢與軟弱類土厚度分布情況總體趨勢是一致的，說明區(qū)內軟土是地面沉降產(chǎn)生的主要影響因素，并且其厚度是影響地面沉降速率的關鍵因子。

2.2 定量分析

為使統(tǒng)計結果具有代表性，在收集統(tǒng)計資料時注意了以下幾方面：一是勘察面比較廣，包括了珠海市、中山市、江門市、廣州南沙區(qū)等地，基本覆蓋了珠三角第四系松散沉積層分布區(qū)；二是資料的可靠程度較高，所收集的資料由廣東省地質局第四地質大隊、珠海工程地質勘察院、廣東省地質局第十地質大隊、廣東省水文地質大隊等單位編制，測量結果由廣東省地質測繪院提供[4]，符合數(shù)理統(tǒng)計對樣本數(shù)的要求，收集數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 軟土總厚度及沉降速率一覽表Table 3 Table of total thickness and settlement rate of soft soil

通過非線性關系、線性關系計算對比（見表4），發(fā)現(xiàn)S-H關系曲線以冪函數(shù)型緊密程度最高（見圖4）。

表4 軟土總厚度及沉降速率相關性分析成果表Table 4 Table of correlation analysis results of total thickness and settlement rate of soft soil

圖4 軟土總厚度與沉降速率相關關系圖Fig.4 Correlation diagram of total thickness of soft soil and settlement rate

因此，假設S—H為冪函數(shù)關系，則有：

式中：S—沉降速率；H—軟弱類土厚度；a、b—常數(shù)。

由最小二乘法原理求出：a=5.37，b=0.36，代入(1)式得

對其分別作F檢驗法與r檢驗法的回歸效果顯著性檢驗。

F檢驗法計算結果的F值為27.96，查F分布表：因為所以回歸方程顯著程度高。

r檢驗法計算結果的r值為0.453，查相關系數(shù)檢驗表：因為所以回歸方程顯著程度高。

通過F檢驗法和r檢驗法驗算表明，軟土總厚度與地面沉降速率冪函數(shù)型非線性關系的顯著度高。

3 結論

綜上所述，珠三角平原區(qū)軟土總厚度與地面沉降速率相關性較好，說明該區(qū)地面沉降與軟土密切相關，且軟土厚度與沉降速率呈正相關關系。

從軟土總厚度與地面沉降速率的冪函數(shù)型非線性關系可知，隨著軟土厚度不斷增大，地面沉降的年沉降量增速趨緩。

本文確定的珠三角地區(qū)軟土與地面沉降速率的定量關系，可為工程建設防災減災、圍海造地前期軟土預處理等提供技術參考。