廣州市南沙區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計分析

姜 燕1, 2，楊光華1, 2，孫樹楷，賈 愷1, 2，李澤源

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510610；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣州 510610；3.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641)

1 研究背景

珠三角深厚軟土的代表性地區(qū)主要集中在珠海市橫琴新區(qū)、廣州市南沙區(qū)、江門市、深圳市沿海等地，各地區(qū)軟土的成因、含水量、物質(zhì)組成、有機(jī)質(zhì)含量等不同，導(dǎo)致各地區(qū)軟土的孔隙比、變形及強(qiáng)度等指標(biāo)存在一定的差異，其軟基處理效果也存在一定差異。比如大量的試驗證明對于珠海拱北、斗門區(qū)軟基，真空、堆載預(yù)壓措施均具有較好的效果，攪拌樁處理深厚軟基也有較成功的經(jīng)驗；而對于橫琴新區(qū)，真空堆載預(yù)壓及攪拌樁處理軟土深度多差于其他地區(qū)。由此可見，各地區(qū)的軟土參數(shù)具有很強(qiáng)的區(qū)域性，因此，近年來學(xué)者們逐漸重視軟土參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系研究。屈若楓等[1]針對武漢地區(qū)典型軟土物理力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性開展了研究，指出典型軟土層中物理指標(biāo)天然密度、干密度、液限、塑限、飽和度等服從正態(tài)分布；馬海鵬等[2]、蘇衛(wèi)衛(wèi)等[3]對上海地區(qū)巖土體參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；陳曉平等[4]、彭立才等[5-6]、夏銀飛等[7]對珠三角的軟土特性及指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計分析；尹利華等[8]對天津軟土土性指標(biāo)概率分布進(jìn)行了統(tǒng)計分析；劉雪梅[9]、吳長富等[10]對杭州地區(qū)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的概率分布以及變異性進(jìn)行了相關(guān)研究；劉慧明[11]對閩東南沿海地區(qū)軟土物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究；楊光華[12]結(jié)合大量標(biāo)貫試驗給出了標(biāo)貫擊數(shù)與變形模量之間的關(guān)系。面對復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，以上的研究均區(qū)域性地總結(jié)了軟土部分指標(biāo)之間的關(guān)系。而對于近年來建設(shè)力度較大的廣州市南沙區(qū)，相關(guān)研究仍是一片空白，具有較大的研究空間。

表1 南沙區(qū)淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計Table 1 Physical and mechanical properties of silt in Nansha District

本研究收集了南沙區(qū)近300組軟土勘察試驗結(jié)果，現(xiàn)場取樣后進(jìn)行室內(nèi)試驗，測試指標(biāo)包括土的物理性質(zhì)指標(biāo)、可塑性指標(biāo)、固結(jié)指標(biāo)及剪切指標(biāo)。根據(jù)軟土不同含水率區(qū)間，對南沙區(qū)軟土基本物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了分區(qū)統(tǒng)計和分析，給出了不同含水率區(qū)間軟土指標(biāo)的統(tǒng)計范圍，得出了軟土強(qiáng)度指標(biāo)與含水率、變形指標(biāo)與含水率的關(guān)系等，并與珠海橫琴新區(qū)軟土的相關(guān)力學(xué)特性進(jìn)行了較深入對比分析。

2 南沙區(qū)軟土物理力學(xué)特性指標(biāo)的總體統(tǒng)計分析

采用數(shù)理統(tǒng)計方法，對所有試驗資料進(jìn)行篩選后統(tǒng)計分析，得到南沙區(qū)軟土(淤泥)的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果，如表1所示。其中固結(jié)指標(biāo)在荷載P=100～200 kPa下測得。

由南沙區(qū)軟土物理力學(xué)特性的總體統(tǒng)計分析結(jié)果可知，在樣本范圍內(nèi)，南沙區(qū)軟土具有以下特征：

(1)淤泥含水率平均值為61.84%，孔隙比平均值為1.69，軟土含水率高，天然孔隙比大。

(2)淤泥飽和度平均值為96.64%，接近完全飽和。

(3)淤泥的壓縮模量均值為1.98 MPa，屬于高壓縮性土。

(4)淤泥的直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)：黏聚力平均值為6.09 kPa，內(nèi)摩擦角平均值為3.96°，抗剪強(qiáng)度低。固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)：黏聚力平均值為11.64 kPa，內(nèi)摩擦角平均值為13.7°，但固結(jié)快剪指標(biāo)的樣本較少，參考價值較低。

3 不同含水率區(qū)間下南沙區(qū)軟土力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計分析

影響軟土抗剪強(qiáng)度的主要指標(biāo)是軟土的含水率。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計的軟土的含水率區(qū)間為48%～82.5%，跨度較大，且軟土的含水率是影響軟土強(qiáng)度指標(biāo)的主要因素，在較大含水率區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計得到的軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有較大離散性，其中直接快剪黏聚力c的變異系數(shù)達(dá)到0.28，內(nèi)摩擦角φ的變異系數(shù)達(dá)到0.56，離散程度較大。為進(jìn)一步研究含水率與南沙區(qū)軟土力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，按照含水率分區(qū)來進(jìn)一步統(tǒng)計南沙區(qū)軟土的物理力學(xué)特性指標(biāo)。含水率分區(qū)為：[50%,55%)，[55%,60%)，[60%,65%)，[65%,70%)，[70%,80%)，不同含水率區(qū)間下南沙區(qū)軟土的力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果分別如表2—表6所示。由于含水率<50%及含水率≥80%的樣本數(shù)較少，不具有參考價值，故不再單獨統(tǒng)計。

將南沙區(qū)軟土壓縮模量、直接快剪黏聚力和直接快剪內(nèi)摩擦角與天然含水率的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分布統(tǒng)計，如圖1所示。南沙區(qū)軟土壓縮模量、直接快剪黏聚力c、直接快剪內(nèi)摩擦角φ隨天然含水率的變化趨勢如圖2所示。

表5 65%≤天然含水率<70%下南沙區(qū)淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計Table 5 Physical and mechanical properties of silt in Nansha (65%≤natural moisture content <70%)

表6 70%≤天然含水率<80%下南沙區(qū)淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計Table 6 Physical and mechanical properties of silt in Nansha (70%≤natural moisture content <80%)

圖1 南沙區(qū)軟土力學(xué)參數(shù)隨天然含水率分布統(tǒng)計Fig.1 Statistics of mechanical parameters of Nansha soft soil in different natural moisture content intervals

圖2 南沙區(qū)軟土壓縮模量、直接快剪黏聚力、 直接快剪內(nèi)摩擦角隨天然含水率變化統(tǒng)計Fig.2 Changes in compressive modulus, direct shear cohesion, and direct shear internal friction angle of Nansha soft soil against natural moisture content

由圖1及圖2(a)可知：隨著含水率的增加，軟土壓縮模量基本在1.5～2.5 MPa范圍內(nèi)浮動，較為穩(wěn)定，略呈遞減趨勢。淤泥按含水率分區(qū)[50%,55%)，[55%,60%)，[60%,65%)，[65%,70%)，[70%,80%)統(tǒng)計得到的壓縮模量Es均值依次為2.12，2.26，1.92，1.91，1.70 MPa。

由圖1及圖2(b)可知，隨著含水率的增加，軟土抗剪強(qiáng)度黏聚力指標(biāo)呈比較明顯的遞減趨勢。淤泥按含水率分區(qū)[50%,55%)，[55%,60%)，[60%,65%)，[65%,70%)，[70%,80%)統(tǒng)計得到的直接快剪黏聚力c均值依次為6.5，6.6，6.0，5.6，4.7 kPa。

由圖1及圖2(c)可知，隨著含水率的增加，軟土直剪內(nèi)摩擦角指標(biāo)呈上下波動的趨勢，基本穩(wěn)定在4°上下，沒有明顯的增減規(guī)律。淤泥按含水率分區(qū)[50%,55%)，[55%,60%)，[60%,65%)，[65%,70%)，[70%,80%)統(tǒng)計得到的直剪內(nèi)摩擦角φ均值依次為3.7°，4.3°，4.2°，3.4°，4.0°。

4 南沙區(qū)與橫琴新區(qū)軟土指標(biāo)對比分析

珠三角深厚軟土的代表性地區(qū)主要集中在珠海、南沙、江門、深圳等地區(qū)，根據(jù)以上統(tǒng)計結(jié)果，南沙區(qū)軟土具有其自身的規(guī)律性，結(jié)合文獻(xiàn)[1]所述的珠海橫琴新區(qū)軟土特性指標(biāo)，對比研究橫琴新區(qū)與南沙區(qū)軟土壓縮變形指標(biāo)、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與天然含水率之間相互關(guān)系和規(guī)律的區(qū)別。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，橫琴新區(qū)軟土力學(xué)參數(shù)隨天然含水率分布統(tǒng)計如圖3所示；南沙區(qū)與橫琴新區(qū)軟土壓縮模量、直接快剪黏聚力、直接快剪內(nèi)摩擦角隨天然含水率變化對比情況如圖4所示。

圖3 橫琴新區(qū)軟土力學(xué)參數(shù)隨天然含水率分布統(tǒng)計Fig.3 Statistics of mechanical parameters of Hengqin soft soil in different natural moisture content intervals

圖4 南沙區(qū)與橫琴新區(qū)軟土壓縮模量、直接快剪 黏聚力、直接快剪內(nèi)摩擦角變化對比Fig.4 Comparison of changes in compressive modulus, direct shear cohesion, and direct shear internal friction angle between Nansha soft soil and Hengqin soft soil

由圖3、圖4可知：

(1)整體上看，在相同含水率情況下，橫琴新區(qū)軟土壓縮模量、直接快剪黏聚力、直接快剪內(nèi)摩擦角指標(biāo)均低于南沙區(qū)軟土指標(biāo)，橫琴新區(qū)軟土指標(biāo)相對更差。其中，南沙區(qū)淤泥壓縮模量、直接快剪黏聚力、直接快剪內(nèi)摩擦角分別平均高出橫琴新區(qū)約0.25 MPa、約1.31 kPa、約 1°。

(2)南沙區(qū)軟土與橫琴新區(qū)軟土的壓縮模量與直接快剪黏聚力呈現(xiàn)較一致的變化趨勢，軟土壓縮變形指標(biāo)基本在1.5～2.5 MPa范圍內(nèi)浮動，較為穩(wěn)定，隨含水率的增加略呈遞減趨勢；軟土直接快剪黏聚力基本在3～7 kPa范圍內(nèi)變化，隨含水率增加呈現(xiàn)較明顯的遞減趨勢。

(3)南沙區(qū)軟土與橫琴新區(qū)軟土的直接快剪內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)不同的變化趨勢：隨著含水率的增加，南沙軟土直接快剪內(nèi)摩擦角指標(biāo)呈上下波動的趨勢，基本穩(wěn)定在4°上下，沒有明顯的增減規(guī)律，范圍為3.4～4.3 kPa；橫琴新區(qū)軟土直接快剪內(nèi)摩擦角指標(biāo)呈遞減趨勢，范圍為2°～3.5°。

5 結(jié)論及建議

(1)南沙區(qū)作為珠三角深厚軟土代表性地區(qū)，其軟土壓縮性高、強(qiáng)度指標(biāo)低，平均含水率超60%，接近完全飽和，且含水率變化大(48%～82%)，其變形指標(biāo)及強(qiáng)度指標(biāo)與含水率具有較強(qiáng)的相關(guān)性，應(yīng)根據(jù)不同含水率區(qū)分并確定軟土指標(biāo)?；谘芯繕颖窘y(tǒng)計，南沙區(qū)淤泥含水率平均值為61.84%，孔隙比平均值為1.69，飽和度平均值為96.64%，壓縮模量平均值為1.98 MPa，黏聚力平均值為6.09 kPa，內(nèi)摩擦角平均值為3.96°，不同含水率下的指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果可供南沙軟土工程設(shè)計及施工借鑒。

(2)在相同含水率情況下，橫琴新區(qū)軟土壓縮模量、直接快剪黏聚力、直接快剪內(nèi)摩擦角等指標(biāo)均低于南沙區(qū)軟土指標(biāo)，橫琴新區(qū)軟土指標(biāo)相對更差。

(3)南沙與橫琴新區(qū)軟土的壓縮模量、直接快剪黏聚力呈現(xiàn)較一致的變化趨勢：隨含水率的增加，軟土壓縮變形指標(biāo)略呈遞減趨勢，軟土直接快剪黏聚力呈現(xiàn)較明顯的遞減趨勢。南沙區(qū)與橫琴新區(qū)軟土直接快剪摩擦角呈現(xiàn)不同的變化趨勢：隨著含水率的增加，南沙區(qū)軟土直接快剪內(nèi)摩擦角呈上下波動的趨勢，沒有明顯的增減規(guī)律，橫琴新區(qū)軟土直接快剪內(nèi)摩擦角指標(biāo)呈遞減趨勢。

(4)一般情況下，淤泥的變形指標(biāo)較為穩(wěn)定，取樣擾動對淤泥強(qiáng)度指標(biāo)的影響較大，本次統(tǒng)計結(jié)果均為室內(nèi)取樣結(jié)果，建議有條件時進(jìn)一步開展南沙區(qū)軟土原位試驗研究，如靜力觸探、十字板剪切試驗等，使參數(shù)統(tǒng)計及取值更為可靠、合理。