福建羅源灣源鑫碼頭海相軟土物理力學特性相關(guān)性分析

林晗平

(福建省地質(zhì)測繪院，福州，350011)

我國近海海灣地區(qū)由于陸地河流和陸源侵蝕對泥沙的動力作用較弱，常年接收到來自陸地河流和陸源侵蝕的運輸泥沙，往往在其中沉積了深厚的軟土層，主要為淤泥和淤泥質(zhì)土。這些軟土層往往具備許多不良的建筑工程屬性，如含水量高、壓縮性大、抗剪強度低等，具有較強的觸變性和流動性，這給工程建設(shè)帶來許多不利因素。在勘察工作中，淤泥取樣較為困難，一些力學指標受取樣和實驗室制樣的擾動，表現(xiàn)出較強的離散型[1]。為了降低淤泥工程屬性的不確定性，減少人為擾動的影響，利用數(shù)理統(tǒng)計法，對某一區(qū)域淤泥工程屬性的情況進行了統(tǒng)計分析和研究，這將更加有利于沿海地區(qū)的軟土工程建設(shè)。根據(jù)地質(zhì)學成因論的基礎(chǔ)原理，把某特定的地質(zhì)過程和時期相同的沉積土體環(huán)境下所形成的、在其工程屬性上與土體之間存在一定的內(nèi)部聯(lián)系的、與其特性相近的土體分類為一個獨立的工程地質(zhì)單位，從而可以形成一個獨立的統(tǒng)計地質(zhì)單位體[2]，因此對于某一海灣地區(qū)的軟土，是一個獨立的統(tǒng)計地質(zhì)單位體。

研究地基土性指標的特點是進行巖土結(jié)構(gòu)工程中各種參數(shù)的提取值及其可靠性分析的理論依據(jù)，也是建筑工程中確定巖土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中各種分項系數(shù)的主要技術(shù)參數(shù)之一[3,4]。為了能夠準確確定海灣軟土所用的工程屬性，筆者選取以福建羅源灣(源鑫碼頭)9#～11#泊位及倉儲工程土樣作為研究對象，通過室內(nèi)土工試驗，對主要的物理力學性質(zhì)指標進行統(tǒng)計分析，為該地區(qū)軟土性質(zhì)準確把握提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

羅源灣位于福建省東北部，水域總面積為188.6 km2，內(nèi)灣口寬僅950 m，通往灣口的可門水道寬約1.8 km、長為7.2 km，是一個典型的口小腹大的港灣[5]。據(jù)羅源灣潮水位觀測資料，最高潮水位為4.54 m，最低潮水位為-4.21 m，最大漲潮潮差為8.07 m，最大落潮潮差7.83 m，多年平均潮差5.12 m，歷史最高潮水位5.30 m。據(jù)資料表明，羅源灣水深較大的海域潮流較強，可門水道流速較大，大潮最大潮流流速可達130 cm/s，岡嶼附近海域及西北部海域(因存在深水槽)也是強潮流區(qū)，如岡嶼附近海域中層的大潮最大潮流流速約為115 cm/s，該灣的南部海域、近岸淺水海域潮流流速相對較小，大潮最大潮流流速一般僅為30～70 cm/s。

建設(shè)場地處于濱海淺灘區(qū)，屬于濱海相潮間帶灘涂地質(zhì)單元，地勢總體上北高南低，從淺灘向海域緩傾，海岸線曲折。場地內(nèi)主要地層有第四系人工填土層、第四系沖海積層，沖洪積層、殘積土層及侏羅系上統(tǒng)南園組，并見少量輝綠巖脈。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料[6]，區(qū)域上有詔安—長樂大斷裂帶通過，并受此斷裂帶影響，區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要受北東向福安—南靖斷裂和北西向松溪—寧德斷裂控制，以北東、北西向次級斷裂為主，構(gòu)成該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及地形(地貌)的基本格局。

根據(jù)此次場地工程現(xiàn)場勘察及施工的73個鉆孔的資料分析研究，在區(qū)內(nèi)的陸域巖石中發(fā)育的裂隙主要表現(xiàn)有2組，一組走向北東，傾向南東；另一組走向北西，傾向南西，該組裂隙走向與海岸線基本平行，并基本上控制海岸走向。區(qū)內(nèi)無明顯斷裂及破碎帶通過，場區(qū)內(nèi)地層相對穩(wěn)定(1)福建省現(xiàn)代工程勘察院，福州羅源灣港區(qū)碼頭作業(yè)區(qū)9#～11#泊位及倉儲工程(源鑫碼頭)巖土工程詳細勘察報告，2014。。

根據(jù)此次勘察各巖土層特征自上而下分述如下。

(1)第四系人工填土層(Qml)，素填土：呈灰黃色，松散，稍濕，成分以砂土狀強風化巖為主，局部含有碎石，含量約占15%，為近期人工回填土，層厚為12.50 m。

(2)第四系沖海積層(Qal-m)，①淤泥：呈深灰色、灰色，流塑，飽和，黏性強，切面光滑，手捏具有滑膩感，局部夾少量貝殼碎屑，味微臭，以淤泥為主，局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)黏土，部分地段頂部為流泥。此層在淺灘區(qū)內(nèi)均有分布，一般層厚為2.80～33.10 m，平均厚度為21.77 m。②中砂:呈淺灰色、灰黃色，稍-中密，飽和，成分以石英顆粒為主，粒徑大于0.25 mm的顆粒約占比70%，局部分布。③粉質(zhì)黏土：呈灰黃色、淺灰色，可-硬塑，稍濕，以粘、粉粒為主，切面較光滑，干強度韌性中等，無搖振反應(yīng)，一般分布層厚為0.60～18.00 m，平均厚度為7.10 m。④淤泥質(zhì)黏土：深灰色，軟塑，飽和，成份以黏、粉粒為主，切面光滑，黏性強，含少量腐植質(zhì)，干強度中等，韌性中等，無搖振反應(yīng)。一般層厚為0.60～11.50 m，平均厚度為5.40 m。

以下地層分別為卵石層、第四系沖洪積層、第四系殘積土層以及各種風化程度的凝灰熔巖，不詳細展開描述。

2 樣品采集及試驗方法

為了查明建設(shè)場地巖土工程地質(zhì)特性，提供施工所需要巖土體參數(shù)，場地內(nèi)共采集167個淤泥樣和39個淤泥質(zhì)黏土樣品，嚴格按照“港口巖土工程勘察規(guī)范”標準執(zhí)行[7]，所采集樣品具有代表性和可靠性，采集深度為0～44.80 m，滿足室內(nèi)土工試驗要求。分析167個淤泥和39個淤泥質(zhì)土原狀軟土的土工室內(nèi)試驗結(jié)果，以及若干現(xiàn)場十字板剪切試驗結(jié)果，其中，天然含水量采用烘干法、天然密度采用環(huán)刀法、液限和塑限采用液塑限聯(lián)合測定儀、黏粒含量采用比重瓶法、含砂量采用篩分法、有機質(zhì)含量采用灼燒法、粘聚力和內(nèi)摩擦角采用直剪試驗、壓縮系數(shù)和壓縮模量采用壓縮固結(jié)試驗測得，各種試驗方法嚴格按照“土工試驗規(guī)程及土工試驗方法標準”[8-9]中的規(guī)定進行。室內(nèi)土工試驗在福建省現(xiàn)代工程勘察院實驗室完成。

3 港區(qū)軟土特性與分析

羅源灣建設(shè)港區(qū)沉積一套第四系深厚海相淤泥類型沉積物，此次勘察工作對淤泥各項指標進行較系統(tǒng)的測定，再經(jīng)過對軟土物理力學數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域軟土具有典型的“三高三低”特性，即高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低密度、低強度和低滲透性。其物理和力學特性的統(tǒng)計分析結(jié)果(表1，2)。

表1 港區(qū)淤泥物理力學性質(zhì)指標特征

表2 港區(qū)淤泥質(zhì)土物理力學性質(zhì)指標特征

3.1 天然含水量、飽和度、液限指數(shù)特征

天然含水率越高，液限指數(shù)越大，土體越軟，液限指數(shù)是判斷軟土與含水量的關(guān)系的指標。飽和度是軟土中水的體積與空隙體積之比，飽和度越大，孔隙間越小。含水率、飽和度、液限指數(shù)三者有較強的相關(guān)性。該海灣淤泥大都處于飽和狀態(tài)，孔隙比大，天然含水量高，含水量會因為軟土的液限不斷發(fā)生變化而逐步發(fā)生變化。該海灣淤泥和淤泥質(zhì)土的天然含水量分別為48.3%～76.9%、37.5%～53.7%，平均值分別為64.3%和43.6%。對于淤泥，其液限指數(shù)一般為45.2%～60.4%，其中淤泥的含水量超過液限指數(shù)，表現(xiàn)出流動的狀態(tài)；淤泥質(zhì)土的液限指數(shù)一般為37.0%～49.8%，含水量一般略高于液限指數(shù)，屬于流-軟塑狀態(tài)。

3.2 壓縮性特征

正確認識和確定軟土的壓縮性指標，是港區(qū)軟土地基處理及建筑成敗的關(guān)鍵因素之一，土體在受壓時，孔隙比顯著減小，變形沉降量大。該海灣淤泥和淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)分別為0.86～2.42 MPa-1、0.52～0.97 MPa-1，平均值分別為1.65 MPa-1和0.76 MPa-1，均大于0.5 MPa-1，均屬于高壓縮性土。其中的壓縮系數(shù)較大主要原因之一是由于地下淤泥層的含水量相對較高、孔隙比較大和淤泥處于欠固結(jié)狀態(tài)。在受到壓力時，孔隙水緩慢擠出，孔隙比減小，淤泥體積減小程度較大。

3.3 天然密度、干密度、孔隙比特征

天然密度取決于軟土中孔隙的大小，孔隙中的水的質(zhì)量及軟土的密度能夠綜合反映軟土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征。干密度是軟土中固體顆粒與總體積的比值，是評價土體緊密程度標準，可反映軟土中的孔隙比的大小。三者之間有較強相關(guān)性，該海灣地區(qū)淤泥和淤泥質(zhì)土的天然密度變化分別為1.60～1.79 g/cm3、1.70～1.86 g/cm3，平均值分別為1.67g/cm3、1.81 g/cm3；淤泥和淤泥質(zhì)土的干密度變化分別為0.92～1.21 g/cm3、1.11～1.35 g/cm3，平均值分別為1.02 g/cm3、1.26 g/cm3。淤泥和淤泥質(zhì)土的孔隙比變化范圍分別為1.25～1.99、1.01～1.45，淤泥最大孔隙比為1.99，淤泥質(zhì)土最大孔隙比為1.45。淤泥天然顆粒的密度低、孔隙比大，二者之間是相互對應(yīng)的，由于土體中淤泥顆粒比重通常大于1.0，所以孔隙比越大，孔隙所占的比例越大，其密度和干密度必然要低。

3.4 結(jié)構(gòu)性特征

軟土往往都具有顯著的物理和結(jié)構(gòu)特征，一旦淤泥受到外力擾動，其中的絮凝態(tài)和結(jié)構(gòu)就會被破壞，土的力學強度也會明顯減弱。根據(jù)該區(qū)域原狀土和重塑土的十字板不排水抗剪強度比值，計算軟土的靈敏度。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，淤泥靈敏度范圍為3.98～6.81，淤泥質(zhì)土靈敏度范圍為2.20～2.67。該地區(qū)淤泥基本屬于高靈敏度土(St>4)，淤泥質(zhì)土基本屬于中靈敏度土(2

3.5 滲透性、固結(jié)性特征

該海灣淤泥滲透系數(shù)大部分為2.41×10-7～7.45×10-7m/s，淤泥質(zhì)土滲透系數(shù)為2.11×10-7～6.12×10-7m/s，所以該地區(qū)軟土在荷載的作用下固結(jié)很慢。當荷載為50 kPa時，淤泥固結(jié)系數(shù)為7.16×10-4～14.10×10-4cm2/s，淤泥質(zhì)土的固結(jié)系數(shù)為9.86×10-4～22.00×10-4cm2/s，平均值分別為9.61×10-4cm2/s、13.30×10-4cm2/s。隨著荷載的增加，軟土的固結(jié)系數(shù)越小，固結(jié)越慢。軟土滲透性差主要是因為其顆粒尺寸較小，多數(shù)屬于黏粒(粒徑小于0.005 mm)；另一方面，顆粒具有較強的親水性，外側(cè)能夠黏貼一層較厚的水膜。所以軟土建筑工程上往往需要在整個土體中打設(shè)不同形式的排水系統(tǒng)，加快土體排水和固結(jié)，加速工程進度。另外，若土中有機物含量較多時，滲透性更低。

3.6 抗剪強度特征

在直剪實驗中，淤泥粘聚力變化大部分為3.8～9.7 kPa，內(nèi)摩擦角大部分為0.6°～2.1°；淤泥質(zhì)土內(nèi)聚力為16.9～20.4 kPa，內(nèi)摩擦角為6.7°～9.5°。通過樣品數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)軟土抗剪強度較低?？辜魪姸鹊椭饕且驗槠浜扛?、孔隙比大等原因。

4 軟土物理力學指標關(guān)聯(lián)性

4.1 室內(nèi)物理指標關(guān)系

對該區(qū)域內(nèi)土樣的各個參數(shù)可以進行相關(guān)性的分析，來解釋不同參數(shù)之間的相關(guān)性，對于某一個參數(shù)相關(guān)性要求更高，進而可以利用這一個參數(shù)確定另一個參數(shù)。利用數(shù)理統(tǒng)計的方法擬合出參數(shù)之間的相關(guān)公式。由于土樣的含水量試驗相對比較簡單，且結(jié)果較為可靠。因此，可以考慮利用土樣的含水量作為一個自變量，分析其它物理學指標和含水量之間的關(guān)系，對于淤泥試驗結(jié)果擬合關(guān)系(表3)。對于淤泥質(zhì)土，樣品數(shù)量相對較少，擬合關(guān)系式可信度相對較低，不予以討論?？梢钥闯觯颗c孔隙比、天然重度、干重度之間都具有較強的相關(guān)性，二者之間基本呈線性關(guān)系；含水量與壓縮系數(shù)和壓縮模量之間也是具有很強的相關(guān)性，二者之間基本上是呈冪函數(shù)的關(guān)系，含水量與液塑限、塑性指數(shù)之間的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)R2都控制在0.70以下。軟土中的含水量越高，顆粒之間的孔隙度就越高?？紫侗仍酱?，土就越疏松，其壓縮性也就越高，土就越容易被壓縮、變形。

表3 淤泥物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計關(guān)系

根據(jù)各個物理力學指標間的相互關(guān)系，得出淤泥質(zhì)的含水量和孔隙比之間相關(guān)性的曲線(圖1)和含水量與壓縮系數(shù)之間的相互關(guān)系曲線(圖2)。淤泥含水量和孔隙比之間的線性關(guān)系相對較好，而含水量與壓縮系數(shù)之間可以用冪函數(shù)關(guān)系曲線來表示，在實際勘察設(shè)計工程中，根據(jù)軟土含水量來推算其孔隙比和壓縮系數(shù)，求得壓縮系數(shù)后，進一步結(jié)合孔隙比求得壓縮模量，其他的各項參數(shù)亦可根據(jù)回歸式方程法確定。具體按照實際情況計算。

圖1 淤泥含水量與孔隙比的關(guān)系圖 Fig.1 Relationship diagram of the ratio of the silt water content and the pore

圖2 淤泥含水量與壓縮系數(shù)的關(guān)系圖Fig.2 Relationship diagram of silt water content and compression coefficient

4.2 室內(nèi)指標與原位指標關(guān)系

除了現(xiàn)場取土在室內(nèi)測試其物理力學性質(zhì)指標外，在現(xiàn)場選取了20個典型孔，采用原位十字板剪切測試了其不排水抗剪強度。在豎向上每隔1.0 m測試一組不排水的抗剪能力，分為原狀土和重塑土的抗剪能力，然后再準確地計算其靈敏度。根據(jù)測試深度處十字板剪切強度與其附近深度處的室內(nèi)物理指標，統(tǒng)計二者之間的關(guān)系，推斷出淤泥原狀土含水量與不排水抗剪強度關(guān)系、重塑土含水量與不排水抗剪強度之間的關(guān)系(圖3)。

可以清楚地看出，隨著淤泥中含水量的增加，原狀土和重塑土的不排水耐受性和抗剪能力的強度均會有所下降，主要原因是由于淤泥中含水量越高，其孔隙比越大，單位體積內(nèi)土體顆粒含量越少，抵抗外界荷載的能力越弱。原狀土含水量與不排水抗剪強度基本符合線性關(guān)系，而重塑土含水量與不排水抗剪強度大體上符合冪函數(shù)，但二者之間的相關(guān)性較差。

圖3 淤泥含水量與不排水抗剪強度的關(guān)系Fig.3 Relationship diagram of silt water content and undrained shear strength

5 結(jié)語

此次勘察在充分收集已有資料及建設(shè)羅源灣港區(qū)前期可研勘察資料的基礎(chǔ)上，綜合此次港區(qū)的現(xiàn)場勘察資料及室內(nèi)土工測試結(jié)果，對主要的物理力學性質(zhì)指標進行系統(tǒng)分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)羅源灣港區(qū)軟土的含水量、天然密度、干密度、孔隙比、飽和度、液限、液性指數(shù)的變異系數(shù)都較小，大多數(shù)小于0.08；粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)和壓縮模量的變異系數(shù)相對較大，大多數(shù)大于0.1。這主要是因為物理指標不會或不易受土樣擾動的影響，相對比較穩(wěn)定；由于軟土樣品在取樣、搬運及制樣等工作過程中容易受到各種不同范圍的擾動，對于力學性能指標和壓縮特性指標，容易受到各種擾動影響而產(chǎn)生變異。

(2)根據(jù)羅源灣港區(qū)軟土的167個淤泥和39個淤泥質(zhì)土的土工試驗結(jié)果，研究軟土的物理力學指標變化幅度、平均值、標準差及其變異系數(shù)等內(nèi)容，得到了以含水量為自變量，其他指標作為因變量的統(tǒng)計經(jīng)驗關(guān)系式，以此估算羅源灣港區(qū)軟土物理力學上的特性，為軟土建設(shè)項目順利實施提供一個可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。