三亚海域全新世海相软土工程地质特性

2010-01-28贺瑞霞刘景儒范建好

土木工程与管理学报 2010年4期

贺瑞霞，陈健，刘景儒，马林，范建好

(1.河南城建学院土木与材料工程系，河南平顶山 467001； 2.新加坡国立大学土木工程系，新加坡 119260；3.海军工程设计研究院，北京 100071)

软土问题是世界性的工程地质难题，数世纪以来虽然人类工程实践和理论研究不断深化，但在软土的复杂物质组成、微观结构特征、孔隙溶液性质以及表现出来的复杂力学行为和力学行为背后的控制机理等方面，人类的认识还很肤浅。目前研究内容主要集中在软土的宏观物理力学性质方面[1～6]，或从软土的微观细观结构入手，对其力学性质进行探讨分析[7,8]。对软土的物质成分、粒度组成、孔隙溶液性质与其宏观工程特性的内在规律方面的研究少见报道。本文在全面研究三亚地区典型全新世中晚期软土的基础上，对比不同地区软土的研究成果，总结分析了软土粒度组成、黏土矿物成分、孔隙溶液性质等因素与软土宏观力学行为的内在联系，把软土的微观特性和宏观表现联系起来，得到了一些规律性的结论。

1 三亚海域软土形成时代空间分布

根据前人的研究成果[9～14]，自晚更新世以来(18000～15000)，随着末次冰期的结束，全球海平面迅速升高，三亚地区由广大的陆地变成了一片汪洋；到全新世中期(5000)，海平面上升到现今海平面之上4～8 m的位置。当时，不仅在末次冰期暴露成陆的三亚湾、榆林港等地被海水淹没，现在的鹿回头岭、榆林角等地为海水包围成为孤岛，而且，现今三亚港西岸和北岸的广大滨海平原地区亦为海水占据。此后，海平面位置在小幅震荡变化中保持总体降低的趋势。随着海水入侵，三亚海域沉积了一套厚层海相软土。野外勘察发现，在大东海、榆林角以南海域，海相软土最大厚度为36 m(图1)，中夹粉细砂层，反映了在全新世期间，至少发生了一次幅度较大的海退事件。在钻孔孔深14 m和23 m处分别采取软土样品进行C14年代测定(图1)，试验测得样品沉积年代分别为距今9810±195年和11060±125年。

三亚软土由上到下可分为二层(图1)，①1层以淤泥质粉质黏土、淤泥为主，稳定厚度一般为18～20 m左右，①2层以淤泥质黏土为主，厚度变薄，分布不稳定，局部尖灭。两层软土中间夹有一层粉细砂层，野外调查和室内试验分析认为，除表层浮泥、流泥外，①1层软土由上到下力学性质基本一致，工程性质较差；①2层软土性状明显变好，各项物理力学指标比上层软土明显提高，底部近似为软塑状态的黏土。依据前人研究成果、野外地质勘察和测年数据，综合分析认为①1层软土为全新世中晚期沉积物，①2层软土为全新世早期沉积物。因①1层软土厚度大，工程特性较差，对工程影响较大，有一定的代表性，本文以①1层全新世中晚期沉积的软土为重点研究对象。

图1 三亚海域软土示例剖面图

2 物质组成和孔隙溶液化学特性

三亚海域软土沉积厚度大，土质均匀细腻，不具层理或微具层理，微具臭味，既不像河口三角洲相软土间夹薄层粉细砂，也不像有些海相软土混有粗颗粒砂，反映了其形成于较深静水还原状态的海相沉积环境。

2.1 宏观特征

三亚软土呈蓝灰色，土质均匀细腻，略具层理，含少许贝壳碎片，原状样呈软塑状态，岩芯可直立，切面光，未扰动时手掰脆，扰动后有水释出，手握可从指缝中挤出(图2)。

图2 三亚海域软土岩芯的宏观特征

2.2 粒度成分

根据移液管全分散法粒度分析结果(表1)，三亚软土中粗粉土颗粒(0.075～0.01 mm)含量最高，为51.81%～57.47%，构成软土的骨架和刚性结构单元；其次为粘粒(<0.005 mm)和胶粒(<0.002 mm)，分别为37.96%～44.20%和35.68%～38.60%；细粉土颗粒(0.01～0.005 mm)含量很低，为2.84%～6.6%；砂粒(>0.075 mm)含量极低，为0.13%～0.76%。粘粒(胶粒)含量虽然少于粗粉土颗粒，但是在软土的工程性质中却起控制作用。

2.3 黏土矿物成分

黏土矿物XRD定量测试结果表明，三亚软土中含有4种黏土矿物(图3，表1)，其中I/S(伊利石/蒙脱石混层矿物)含量最高，绝对含量为21.2%，混层比为50%～55%；其次为K(高岭石)，绝对含量为10.1%；I(伊利石)占4.05%，C(绿泥石)仅占1.5%。由于蒙脱石极高的物理化学活性，对软土的工程性质具有重要影响，除了XRD测试方法外，根据蒙脱石对有机染料次甲基兰的选择吸附作用，还进行了有效蒙脱石含量的测定，测试结果表明，三亚软土的有效蒙脱石含量为11.46%，这和XRD法测得的I/S混层比和绝对含量相一致。以往的研究结果表明，当蒙脱石含量超过10%时便会对土的工程性质产生重要影响。

图3 三亚海域软土黏土矿物X-射线衍射图谱

2.4 孔隙溶液性质和化学成分

通过对土水比为1∶5的孔隙溶液的化学分析可知，三亚软土的孔隙溶液为弱碱性，溶液中含盐量很高，反映了软土的海相沉积环境。

表1 三亚海域软土颗粒组成、物理性质和黏土矿物含量

表2 三亚海域软土孔隙溶液性质和化学成分

3 宏观物理力学特征

三亚海域软土是比较典型的海相软土，具备一般软土的共同特点，同时也有自己的特殊性。本研究采用薄壁取土器，取得了大量原状软土试样，并进行了物理力学指标测试，统计分析表明三亚软土的宏观物理力学指标具有以下特征。

3.1 高含水量

含水量高达57.73%～62.20%，平均59.7%。这一方面说明三亚软土含有一定量的亲水黏土矿物，同时也反映了三亚软土沉积时间短、固结程度很低的特性。

3.2 低密度和高孔隙比

天然密度为1.64～1.69 g/cm3，平均为1.66 g/cm3。因含水量很高，干密度值仅为1.01 ～ 1.07 g/cm3，平均1.04 g/cm3，这一数值比中国西北最强的自重湿陷性黄土、比中国西南的最典型的红黏土的干密度值都要低。作为计算指标的孔隙比平均为1.65，表明软土中孔隙的体积是骨架体积的一倍半以上。上述指标表明三亚软土具有较大的潜在压缩性。

3.3 高塑性、高稠度

采用76 g锥，入土深度17 mm为标准，用烘干样测得的液限值(相当于西方国家碟式液限仪测定值)为49.22%～55.32%，平均值为51.88%；采用搓条法测得的塑限为24.7% ～ 25.3%，平均值为24.96%。塑性指数平均值为26.93，为高塑性软土。作为稠度指标的液性指数为1.17 ～ 1.38，平均1.3，按此确定软土处于流塑状态。但是，实际上此土为软塑状态，岩芯呈柱状，可直立，受力破坏后才变为流塑状态。这反映了三亚软土具有一定的结构性，所以准确的说，此土的天然状态为潜流态。

3.4 低强度、高压缩性

多种测试方法的强度指标统计分析均表明，三亚软土的强度低，并且具有内聚力C值偏高，摩擦角Φ角相对偏低的特点。直剪快剪内聚力C平均值为9.5 kPa，摩擦角Φ平均值为5°。固结试验表明三亚软土压缩性高，压缩模量Es1-2=1.7 MPa，为高压缩性软土。这和其较高的含水量和孔隙比相一致。

4 物理力学性质的影响因素

在工程上，人们比较关注软土的宏观物理力学性质，特别是力学性质。实际上，软土的物理力学性质与软土的地质年代、粒度成分、矿物成分，沉积环境以及应力历史等诸多因素密不可分，这些因素往往综合叠加在一起，形成了软土复杂的工程地质性质，理清其中每一种因素对软土工程性质的影响，对软土研究具有十分重要的意义，对工程实践也有巨大的指导价值。笔者收集整理了包括三亚软土在内不同地区、不同成因、不同沉积环境下的全新世软土特性一览表(表3)，仔细分析各因素之间的关系，可以得到以下规律性的认识。

4.1 粒度成分对软土工程性质的影响

软土的粒度成分一般以粉粒、粘粒和胶粒为主，除了间夹粉细砂薄层的河口三角洲相软土和混有砂粒的混合软土，一般来说，软土中砂土颗粒含量不大。但是砂土颗粒的含量对软土的强度指标具有较大影响。从表中可以看出，无论是海相软土还是陆相软土，无论是淡水环境还是咸水环境，随着砂土颗粒含量逐渐增大，软土的内摩擦角明显增大，而且固结快剪摩擦角比直剪快剪摩擦角增加更多。但砂土颗粒含量对内聚力的影响不大。

粘粒和胶粒的含量对内聚力则有一定影响。一般随着含量增大，内聚力有增大趋势，但对内摩擦角影响不大。粉土颗粒(无论是细粉土颗粒还是粗粉土颗粒)含量的变化对软土强度的影响不明显。

摩擦角指标是土颗粒间物理咬合摩擦的宏观反映，所以砂土颗粒含量与软土摩擦角指标的这种正相关性很好理解，同时也为大量的工程实验数据所证明。三亚软土的砂粒含量极低，平均值0.31%，和内陆高原湖泊洱海软土的12.2%以及海口海相软土8.4%相比相差1到2个数量级，相应的，三亚软土的内摩擦角快剪指标平均值为5°，洱海软土为8.8°；三亚软土的内摩擦角固结快剪指标为9°，海口软土为17.7°。

内聚力指标与黏土矿物的成分和微观结构有关，而黏土矿物一般为胶粒粒级，所以粘粒和胶粒含量的变化对内聚力影响较大。粉土颗粒处于砂粒和粘粒、胶粒之间，对粘聚力和摩擦角影响均不显著。

4.2 黏土矿物成分对软土工程性质的影响

由于黏土矿物极为细小，且性质十分复杂，其成分和含量的变化对软土的工程性质有重要的控制作用。几种黏土矿物中，蒙脱石活性最大，其次是伊利石、高岭石和绿泥石。海相软土中，蒙脱石一般不以单矿物形式存在，而是呈混层矿物形式出现，混层矿物也是活性较高的黏土矿物，混层比越高，活性越强。理论上讲，只考虑单一因素，蒙脱石或混层矿物含量越高，混层比越大，软土的塑性越强，稠度指标越大，内聚力也相应增长。从表中数据可以看出，洱海软土的有效蒙脱石含量平均值高达39.3%，三亚软土的有效蒙脱石含量平均值为11.46%，海口软土主要以伊利石为主，相应的，洱海软土的内聚力最大，直剪快剪内聚力指标平均值为14.4 kPa，三亚软土直剪快剪内聚力指标平均值为9.5 kPa，海口软土为7.9 kPa，而且其固结快剪、三轴剪的内聚力指标比三亚软土更低一些；另一方面，随着蒙脱石或混层矿物含量的增高，软土的结构稳定性增强，触变性降低；蒙脱石含量降低，软土的结构稳定性则随之降低，触变性增长。北欧、加拿大等地软黏土矿物研究结果表明，所有超灵敏软土都是蒙脱石含量低，以伊利石、高岭石、绿泥石等低活性黏土矿物为主的软土。

4.3 孔隙溶液性质对软土工程性质的影响

软土是由固相、液相和气相组成的饱和土，液相为土中的孔隙溶液，孔隙溶液的性质不仅反映了软土的沉积环境类型，而且对软土的工程性质也有着重要的控制作用。比较三亚、上海、洱海三地不同沉积环境下软土的孔隙溶液特性(表4)，三亚软土含盐量很高，为1153.7 ～ 1456.4 mg/100g，孔隙溶液水化学类型为Cl-Na型。经过超声波和充分搅拌处理的软土在土水比为1∶5的水提取液中经充分搅拌后能够发生快速絮凝沉淀，说明三亚软土在天然沉积环境中其絮凝结构是稳定的。上海河口三角洲相软土因为沉积时受到淡水的淋滤，其含盐量为249.33 ～ 541.42 mg/100g，在提取液中可以形成很稳定和次稳定的悬液，说明上海软土具有絮凝结构不稳定性，同三亚软土相比，更容易发生触变。上述事实说明，河口三角洲相软土的结构稳定性较典型海相软土差，例如：三亚软土的灵敏度平均值St=3，根据资料，同属河口三角洲相的珠江软土灵敏度St一般值在3～5之间，个别值达到9。

表4 不同地区、不同沉积环境全新世软土孔隙溶液化学特征对比

三亚软土若受到淡水淋滤，其工程性质可能会恶化，导致灵敏性增高、强度降低、压缩性增大，这一点在工程上需要特别注意。洱海软土为高原淡水湖相沉积，其含盐量为29.01 ～ 248.37 mg/100g，孔隙溶液水化学类型为HCO3-Ca·Mg和SO4-Ca·Mg型，PH值为6.23～7.9，基本属于中性。与三亚软土孔隙溶液Na+-Cl-电解质不同的是其孔隙溶液的主要阳离子和黏土矿物表面可交换阳离子以Ca2+为主，Ca2+的絮凝强度比Na+高几十倍，使得软土絮凝作用增强，黏土矿物颗粒双电层压缩，宏观上表现为软土结构增强，压缩性降低。三亚软土尽管絮凝结构是稳定的，但由于Na+-Cl-絮凝强度低，颗粒集合体间和集合体内部黏土矿物间连接较弱，絮凝体内和絮凝体间处于疏松多孔状态，导致三亚软土的高孔隙和高压缩性。根据大量土工试验统计分析，三亚软土的压缩模量平均值Es1-2=1.7 MPa，洱海软土的压缩模量平均值Es1-2=3.14 MPa，最大为5.63 MPa。