深圳西部滨海海积软土工程特性及统计分析

2012-01-23骆以道杨光华张玉成

土木工程与管理学报 2012年2期

骆以道，杨光华，张玉成，刘鹏

(1. 武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072； 2. 深圳市勘察测绘院有限公司，广东深圳 518028；3. 广东省水利水电科学研究院，广东广州 510610； 4. 广东省岩土工程技术研究中心，广东广州 510610)

广东地区软土广泛分布于广州、顺德、珠海、中山、东莞、深圳一带，主要为第四系海相沉积或海陆交互沉积形成的淤泥及淤泥质土层。其中深圳滨海地区软土为较新的Q4海相沉积形成，放射性碳(C14)测定结果表明，大致年龄为480～6430年。由于在海相缓流或静水的还原沉积环境下形成，海积软土层具有含水量高、承载力低、抗滑稳定性差、压缩性高、固结时间长、工后沉降量大等不利的工程特性。

滨海地区土地资源稀缺，近年来大规模填海软基处理及软基上的工程建设项目日益增多。研究软土工程特性及指标分布规律，具有为海积软土区工程建设提供参考的现实意义。陈晓平(2003)[1]曾收集珠江三角洲内20多个工程的试验成果，对其物理力学指标进行了统计和分析。统计结果除饱和度指标外，含水量、孔隙比等大部分指标分布范围较大，数据离散性大，这说明区域内不同工程地点，软土工程特性仍有很大差异。2010年珠海市住房和城乡规划建设局发布的《珠海市软土分布区工程建设指引》[2]附录C中，对珠海市75个工程项目的1397个软土样本试验资料进行了统计，统计结果为该地区的工程建设具有重要的指导意义。不同地区的海积软土的沉积环境、组成成分、孔隙分布、微结构等具有一定的差异，进而导致其宏观物理力学特性存在差异。深圳西部滨海海积软土具有一定的特殊性，目前缺乏较全面的统计分析成果，通过本文的研究，以期为本地区及类似地区的软土工程提供参考。

1 软土的成分和微观结构

深圳西部滨海海积软土为较新的Q4海相沉积物，质点颗粒的粒径较小。对区域内多个典型工程的勘察资料[3～13]分析结果表明，软土颗粒组成中主要为粘粒和粉粒，占65%以上，而大部分软土中粘粒(ds<0.005 mm)含量超过45%，表1为代表地点取样的软土颗粒分析测试结果。

表1 典型海积软土颗粒组成

影响软土工程特性的另一因素是矿物成分。X-衍射分析结果表明，区域内淤泥中原生矿物(长石、石英)所占比例较小，矿物成分以次生的粘土矿物为主，蒙脱石、伊利石和埃洛石含量较高。另外还存在少量贝壳碎屑、有机质和腐殖质等，多以粒径大于2 mm的粗颗粒形式存在。

由于粘土矿物具有较强的亲水特性，软土中的粘粒具有典型的双电离层结构。一般认为经吸附和离子交换作用，粘粒可聚合成絮凝体和链状结构。电镜分析表明，深圳西部海积淤泥具有独特的微观结构。根据西部通道工程采集的淤泥样本电镜图片[14](图1)，淤泥的微观结构具有如下特征：(1)淤泥中存在大量包菜状团粒结构，中心有草莓状核心体(或黄铁矿结晶体)，周围有叠片状、卷叶状粘粒包围，也见到有空心的孔隙，可能是盐晶体已重新溶于水所留下的空洞；(2)发现有多种晶体状矿物颗粒，呈多棱形的多层叠片状结构。

以上的海积软土的细微颗粒组成、丰富的粘土矿物成分、及独特的微观结构决定了软土具有一系列影响地基强度、变形、渗透性等的工程特性。

图1 海积软土微观结构

2 软土物理力学特性及指标分析

2.1 物理力学指标统计分析

为了研究海积软土工程特性，对深圳西部滨海海积软土的物理力学指标进行了统计。参与统计的工程项目有：深港西部通道工程，面积1.5 km2；深圳市后海湾填海工程，面积4.2 km2；深圳市前海湾填海工程，面积12 km2；深圳机场扩建陆域形成工程，面积13.23 km2。采样工程项目地点如图2所示，统计海积软土样本总数713个，原位试验(十字板剪切)数据样本472个，统计结果见表2。

表2 深圳西部滨海海积软土物理力学性质指标统计

图2 统计的海积软土样本采取地点

统计采用《岩土工程勘察规范》(GB50021 -2001)[15]规定的岩土参数分析方法，统计参数计算公式如下：

(1)

(2)

变异系数

δ=σ/μ

(3)

标准值

Xk=γk·μ

(4)

其中，统计修正系数：

(5)

从表2指标统计情况看来，海积软土的颗粒比重、饱和度、容重指标分布集中，变异系数小于0.05；含水量、孔隙比、界限含水量指标分布较为稳定，变异系数小于0.2；压缩特性指标(压缩模量、压缩系数、压缩指数)变异系数小于0.3；强度、灵敏度、有机质含量、渗透系数等数据分布离散。综合分析指标统计结果，海积软土具有如下特性：

(1)处于饱和状态。尽管软土取样、试验过程中难以避免水分损失，仍有参与统计的软土样本饱和度范围83.8%～100%，统计均值98.2%。实际上，海积软土在海水环境下长期沉积形成，位于海平面以下，工程中可认为处于完全饱和状态。

(2)高含水量、大孔隙比。软土的含水量分布范围47.9%～127.8%，统计均值81.5%，天然含水量远大于液限(均值为52.2)，处于流塑状态，超软弱。而室内、原位测试表明，流塑软土仍具有一定强度，这间接说明了海积软土的结构性。高含水量软土经排水固结处理其含水量可大幅降低，这决定了海积软土的高压缩性。大孔隙比是海积软土的又一特点。根据本次统计数据，孔隙比分布范围0.94～3.225，统计均值2.226。如此大的孔隙比决定了软土压缩性高的工程特性。

(3)高压缩性。统计的553个常规压缩试验样本中，压缩系数a1-2分布范围为0.44～ 4.31 MPa-1，统计均值2.01 MPa-1；193个高压固结试验样本中，压缩指数Cc分布范围为0.324～1.800，统计均值0.697，远大于0.167。可知，海积软土具很高的压缩性。

(4)低渗透性。统计的61个原状软土渗透系数试验数据离散性较大，竖向渗透系数在10-6～10-8cm/s数量级，说明海积软土渗透性极低。低渗透性不利于排水固结，在外荷载作用下固结速率很慢。

(5)低强度、具有一定灵敏度。海积软土抗剪强度很低，本次统计的133组直剪(快剪)试验结果表明，φq均值仅为1.8°，近期沉积的流泥、浮泥强度更低。另一方面，由于沉积环境特殊，海积软土具有一定的结构性。472次原位十字板试验结果统计表明，软土灵敏度均值为3.12。在对灵敏性海积软土进行地基处理时，应特别注意尽量减少对原状土的扰动。深圳前海湾的某地块软基处理时曾发生边界失稳情况，由于滑动后淤泥强度大幅降低，后续的边界处理难度很大，大幅度地增加了工程造价。

(6)欠固结特性。对80个取自4.5～13.6 m深度的淤泥高压固结试验数据进行了统计，其超固结比OCR的均值为0.78，说明海积软土处于较严重的欠固结状态。数据统计中还发现，取样深度为4.5 m左右时，OCR值接近1.0；取样深度4.5 m以上土样的OCR值多数大于1。这可能由于勘察取样时，多数淤泥面已进行了晾晒、回填处理，使表层淤泥发生了一定程度的排水固结作用而处于超固结状态。

2.2 指标随地层深度分布特点

2.2.1物理指标

对深圳西部沿海海积软土435个样本的含水量、孔隙比、重度指标随深度分布情况进行了统计，数据点如图3～图5，可以大致发现软土的物理指标随深度分布具有一定特征。

图3 含水量指标随深度分布

图4 孔隙比指标随深度分布

图5 重度指标随深度分布

含水量、孔隙比指标在8 m以上地层中无明显随深度变化规律，其中含水量大部分数据点分布在70%～110%范围内，孔隙比数据点主要分布在1.5～3.0范围内。地层深度大于8 m时，含水量、孔隙比指标随深度增加有逐渐减小趋势。软土重度指标在8 m以上地层中主要分布在14～16 kN/m3范围内，深度大于8 m时有逐渐增大趋势。从含水量、孔隙比、重度指标分布情况看，软土在8 m以上地层深度内为近期沉积，土质非常软弱，是地基沉降的主要贡献者，8 m以下地层软土性状有所好转。

2.2.2压缩性指标

为分析软土压缩性指标随深度分布规律及特征，对软土361个常规压缩试验指标和161个高压固结试验指标随深度分布情况进行统计，数据点如图6～图7。可见压缩系数a1-2指标主要分布在1.0～3.0 MPa-1范围，指标随深度增加无明显变化规律；压缩指数Cc指标分布较集中，主要数据点在0.5～1.0范围，工程中用Cc指标计算软土地基沉降将更为合理。

图6 压缩系数随深度分布

图7 压缩指数随深度分布

2.2.3渗透系数、灵敏度及欠固结特性

本文只收集到61个原状海积软土的竖向渗透系数试验数据，主要分布在10-7～10-5cm·s-1范围，数据量少，未发现明显的指标随深度变化规律。

图8为349个海积软土十字板试验数据统计的灵敏度St指标分布情况。受试验点软土成分和微结构情况、固结状态、测试手段的差异性等因

图8 灵敏度指标随深度分布

图9 OCR指标随深度分布

素的影响，St指标的离散型较大，但指标大致有随深度增加而减小的趋势。图9为OCR指标随深度分布情况，指标随深度增加而减小。海积软土在沉积过程中，下层淤泥因渗透性低而不能得到充分的排水固结，随着上层淤泥的不断沉积，自重应力增加，下层软土处于更严重的欠固结状态。

以上软土性质指标随深度变化规律统计分析中，12 m以下深层软土样本较少，统计规律有待于进一步验证。

2.3 指标相关关系分析

由于软土强度低，易扰动，取样要求高。一些指标测定准确性差，而另一些测定相对准确。比如含水量指标测定对土样要求相对较低，且测试过程简单，可以现场测定，避免土样运输过程中的扰动。分析各指标之间的相关关系，有利于在工程中计算分析时对取用指标相互佐证，用易于测定的指标推算不易测定的指标，具有实用意义。图10～图12为采取的435个海积软土样本的含水量、孔隙比、天然重度指标的相关关系拟合情况。统计拟合结果表明，孔隙比与含水量具有很好的线性相关关系，相关系数达R2=0.965，拟合关系式为：

e=0.0272w

(6)

事实上，孔隙比指标有下面的换算关系：

(7)

前述指标统计情况可知，海积软土基本处于饱和状态，饱和度Sr及土粒比重Gs变异性很小，由表2取标准值Sr=98.3%，Gs=2.69，则式(7)换算为e=0.0274w，与样本拟合结果相符。软土的天然重度与含水量、孔隙比指标均有较高的相关性，R2在80%以上。

图10 孔隙比与含水量的关系

图11 天然重度与含水量的关系

图12 天然重度与孔隙比的关系

压缩特性指标是软土地基沉降计算的重要指标，由室内试验测试的压缩指标有压缩系数a1-2(或压缩模量Es)及压缩指数Cc等。软土压缩特性应该由土的成分、颗粒组成、微结构等因素决定，其压缩指标与物理性质指标存在必然联系。图13～图14为采集的351个海积软土样本压缩系数a1-2与物理指标w、e相关关系线性拟合情况；图15～图16为143个软土样本压缩指数Cc与物理指标w、e相关关系线性拟合情况。可以看出，压缩指标与物理指标存在一定的相关性，但相关系数不高。比较而言，压缩指数Cc比压缩系数a1-2具有更高的相关系数，说明海积软土的Cc值较a1-2分布更稳定，工程中采用Cc指标进行海积软土沉降分析更为合理。

图13 压缩系数与含水量的关系图

图14 压缩系数与孔隙比的关系

图15 压缩指数与含水量的关系图

图16 压缩指数与孔隙比的关系

上述只对压缩指标与单一的物理性质指标进行了相关性分析，实际上压缩指标应是各项物理指标(如：含水量、孔隙比、密度、界限含水量指标等)综合确定的，指标间的关系也不一定是线性的，可以寻求通过多项物理指标综合确定海积软土的压缩指标。

3 海积软土的固结特性指标

3.1 固结系数

固结系数是计算土体固结变形快慢的指标，由于软土渗透性低，排水固结缓慢，软土地基在受荷载时，固结沉降数月，甚至数十年都不能完成。软土地基沉降的时间效应是工程中非常关心的，因为它关系到地基设计标准、建设工期及地基处理措施的选择。因此，固结系数是实际工程中软土地基沉降分析中的非常重要的指标。固结系数指标可以用室内测定和原位试验方法获得，常用的室内测定方法有时间对数法、时间平方根法等。

实际工程中，往往根据软土地基实际应用荷载情况，测定软土相应的固结系数。表3是对软土的主固结系数分布的统计情况，统计荷载范围50～400 kPa，样本总数219个。从统计结果看，虽然样本容量不大，但变异系数在0.23～0.37之间，各级荷载下竖向及水平固结系数均值变化不大。

用以上的统计数据，绘制各级荷载下竖向固结系数Cv及水平固结系数Ch的分布情况，如图17所示。可以看出，海积软土Cv、Ch主要分布范围在0.2～0.8 ×10-3cm2/s之间，各级荷载下Cv的均值约为0.458×10-3cm2/s，Ch的均值约为0.474×10-3cm2/s。水平固结系数略大于竖向固结系数，Ch≈1.035Cv。

图17 固结系数与荷载关系统计

固结系数Cv (×10-3 cm2/s)Ch(×10-3 cm2/s)荷载/kPa5010015020030040050100150200300400样本数1452035820345102121174531742580最小值0.15 0.21 0.20 0.12 0.28 0.23 0.20 0.28 0.26 0.15 0.30 0.22 最大值0.94 0.84 0.67 0.93 0.78 0.78 0.94 0.98 0.86 0.97 0.81 0.83 平均值0.46 0.47 0.39 0.45 0.46 0.47 0.46 0.50 0.47 0.45 0.49 0.48 标准差0.17 0.12 0.11 0.14 0.11 0.12 0.16 0.13 0.17 0.14 0.12 0.11 变异系数0.37 0.26 0.27 0.31 0.23 0.25 0.34 0.26 0.36 0.30 0.25 0.23

3.2 次固结系数

软土地基主固结完成后，在有效应力不变的情况下，仍可由土骨架蠕变产生次固结变形，次固结系数是反映软土次固结变形快慢的指标，通常用室内固结试验测定。表4是对各级荷载下80个软土样本次固结系数的统计情况，统计结果表明，荷载较小时(p=50，100 kPa)，样本具有较大的变异系数(δ=0.5)，荷载较大时，次固结系数分布相对较稳定。与主固结系数不同，统计的次固结系数随荷载变化较大，如图18所示的各级荷载下Ca的分布情况，p=100，200 kPa时，Ca均值较大。随荷载逐渐加大，Ca缓慢减小。次固结系数受应力路径、应力历史等诸多因素的影响，由于本次统计样本数量有限，Ca随荷载的变化规律是否具有普遍性有待于进一步验证。

表4 海积软土次固结系数指标统计

图18 次固结系数与荷载关系统计

4 结语

(1)深圳西部沿海海积软土为较新的海相沉积层，具有独特的组成成分和微观结构。含水量高，孔隙比大，压缩性高，强度低，与其他区域软土相比具有更为不利的工程特性。

(2)运用统计方法对区域内典型工程软土样本的物理力学性质指标分布情况、指标随地层深度的变化，指标间相关关系，主、次固结指标随荷载变化的分布规律等问题进行了研究。弥补了深圳地区这方面研究空缺，分析成果对于本地区及类似滨海软土地区的工程建设具有参考意义。

(3)本文的统计数据源于典型工程的室内测试资料，实际上，室内试验中土样的应力状态、排水条件等条件均与实际地基情况存在一定差异，加之取样、运输、制样过程中的扰动，使得室内测试结果具有一定的局限性。海积软土固结等特性指标也可以通过原位测试、监测等资料来反演确定，这应更符合地基的真实情况，这方面的资料积累和研究仍需进一步深入。

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