珠海横琴岛环岛西堤软土工程特性分析

朱事业

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

珠海横琴岛环岛西堤软土工程特性分析

朱事业

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

在珠海市横琴新区环岛西堤工程地质勘察资料收集整理基础上，对沿线软土分布、成因及物质组成进行说明,对沿线102组原状土样的基本物理力学指标，及原位十字板剪切试验成果进行统计整理，分析各基本物理力学指标随埋深不同的变化特征,提出对区内建筑物进行地基基础设计计算时，应针对工程特点将深厚软土层按其所表现的工程特性进行分层处理;同时选取软土物理力学参数应分层对待，才更为可靠、合理。

软土;沉积分布;基本物理力学指标;工程特性;工程地质分层

横琴岛位于珠海市陆域东南部，毗邻港澳。从地貌形态可分北部小横琴山(山顶高程194 m)北丘陵区及填海地、围垦地；中部大、小横琴山之间区域，即中心沟围垦区及填海地、滩涂；南部大横琴山(山顶高程457.7 m)以南丘陵区、平地、滩涂河水域。山体岩性为燕山期(γ)花岗岩。填海地、围垦地及滩涂地地层则广泛分布着滨海相沉积(Qmc)的软土地层[1]。横琴岛是继上海浦东新区、天津滨海新区之后，第三个由国务院批准的国家级新区。因横琴新区四周皆有水道，防洪海堤则是横琴新区建设发展的重要屏障。环岛西堤是横琴新区环岛海堤的重要组成部分，主要任务是挡潮、排水，兼顾市政交通、改善水环境和生态景观。

据勘察资料，拟建的环岛西堤沿线堤基岩土层以深厚淤泥、淤泥质土为主。岩土有地域性的特点，其性质随位置而改变。不仅不同场地岩土性能不同，即使同一场和同一层土，其性质也不相同[2]。因此，为解决岩土工程设计的任务，不得不通过一些数理统计的手段，对岩土体进行工程地质分层[3-4]。

1 分布及物质组成

横琴岛位于磨刀门出海口的东北侧，为浅海环境下的古海湾，孤立海岛分布其间，随着时间的推移，大量泥沙不断淤积，浅滩逐渐升高，岸线向南推进，孤岛与平原相连，形成现今软土淤积平原与低山丘陵相间分布的地貌形态。据黄镇国等人所著《珠江三角洲形成发育演变》[5]中记录：该区软土沉积属新三角洲相，主要沉积物由距今五六千年以来的第四系物质组成；而表层3～5 m的沉积物则是2 500年以来沉积而成。软土在平面方向的分布特点：水域侧裸露地表，岛陆内被表层填土覆盖，呈单层或多层的沉积结构。

环岛西堤全长约7 km，沿线软土的地质描述：水域范围表层软土为流塑状浮泥，随埋深增加则是灰黑色淤泥、淤泥质土，流塑—软塑状过渡，偶见夹薄层状淤泥质粉砂，味臭。揭露层厚1～40余米，在近山处层薄，一般<5 m，下伏硬土层起伏大，以花岗岩风化土或基岩为主；其余区段以层厚>20 m为主，下伏硬土层起伏平缓，以黄褐色黏土、泥质砂砾等为主。本文选取102组软土原状样,分析其颗粒组成(图1),发现软土颗粒以胶粒和黏粒(约占55%)为主，其次是直径为0.005～0.05 mm的粉粒(约占44%)，基本不含砂粒;其微观结构主要为蜂窝状结构、海绵状结构及凝块状结构三种类型[6-7]。

2 基本物理力学指标

根据沉积规律，同一场区、同一沉积时期的沉积物，其沉积层理、物质组成相近，在水平方向上同一沉积层序的地层应具备相似的工程特性；但因原始地貌起伏，使得沉积厚度、埋藏深度、有机物含量等在垂直方向上存在较大差异，不同埋深的地层所具备不同的工程特性。本文参照《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[8]的数理统计方法，对环岛西堤软土层各基本物理力学指标随埋深不同的变化特征进行统计分析。数值有效性判别依据式(1)进行，若不满足式(1)则判别为异常值，不参与统计分析。

|d|

(1)

图1 颗粒筛分曲线图Fig.1 The particle sieving curve diagram

2.1 天然含水率(w)、天然孔隙比(e)

样本总数为102组，天然含水率取值范围为36.7%～92.4%。图2为天然含水率随埋深变化的曲线图，从图可知在0～17 m埋深的软土含水率最高，平均值59.1%～64.5%；>17 m埋深的含水率值逐渐降低。天然含水率随埋深变化的特征表现为：<10 m埋深的软土含水率起伏变化;10～17 m埋深的软土含水率值稳定，较表层软土有升高，值最大；>17 m埋深的软土含水率逐步降低。

图2 天然含水率随深度变化曲线图Fig.2 The natural water content with depth curve

与含水率相同统计样本，天然孔隙比取值范围为1.043～2.471。图3为天然孔隙比随埋深不同的曲线图，从图可知深度在0～17 m范围内孔隙比较大，平均取值范围在1.65～1.793。因天然孔隙比与天然含水率具有线性相关性[9]，随埋深不同表现出与天然含水率相似的变化特征。天然含水率和孔隙比随深度变化的规律，可由软土的压密特性分析得出[10]：随埋深增加，上覆土压力增大，使得土孔隙比降低，孔隙水排出，天然含水率降低。

图3 天然孔隙比随深度变化曲线图Fig.3 The natural pore ratio varies with depth curve

依据国标《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[11]中规定，将w>wL，e>1.5的土称为淤泥；w>wL，1.025 m的软土以淤泥质土为主。另外统计了67组原状土样所得有机质测试成果，有机质含量<5%，沿线软土以无机土为主。

2.2 压缩特性

压缩性指标是建筑物地基沉降计算的重要参数。根据天然含水率、天然孔隙比随深度变化的特征，及有机质测定成果，首先将本区深厚软土划分为两大类：埋深<25 m的淤泥，埋深>25 m的淤泥质土。将102组原状样的压缩试验成果，绘制不同埋深的e-p曲线(图4)、压缩系数(αv)随深度变化曲线(图5)。

图4 不同深度土样e-p曲线图Fig.4 The different depths of soil sample e-p curve

图5 不同深度土样αv-p曲线图Fig.5 The different depths of soil sample αv-p curve

对所有样本的压缩系数值α1-2统计，取值范围为0.8～2.3，样本均属高压缩性土。孔隙比随固结压力增加而减小，在0～200 kPa的范围内，曲线斜率较大，之后较缓(图4-图5)。在埋深<25 m的淤泥曲线斜率大，埋深>30 m的曲线斜最小，埋深介于25～30 m的曲线斜率中等(图4)。压缩系数随固结压力增加而减小，在<25 m的淤泥曲线斜率大，埋深>30 m的曲线斜率最小，埋深介于25～30 m的曲线斜率中等(图5)。

2.3 软土的固结特性

固结系数(Cv)是表征土固结快慢的一个重要参数，值越大则沉降速度越大，固结完成所需的时间越短。固结系数受到固结状态、固结压力影响，在微观上反映的是孔隙中水的排出速度以及孔隙的压缩过程，宏观上则反映土的沉降速度。图6、图7为同一固结压力下垂直、水平固结系数(时间平方根法)随深度变化特征图，其具有如下特征：同等应力下，水平向固结系数一般较垂直向固结系数大；埋深<11 m的土，表现出同一埋深垂直、水平固结系数随压力增加值变大的趋势；P>100 kPa固结系数随着压力增加，变幅小；P≤100 kPa固结系数随着压力增加，变幅大，最终随埋深增加趋于稳定；埋深在15～18 m、22～25 m的软土，其垂直、水平固结系数出现两个峰值区间。

图6 各级压力下垂直向固结系数随深度变化曲线Fig.6 Variation depth curves of vertical consolidation coefficient under pressure

图7 各级压力下水平向固结系数随深度变化曲线Fig.7 Variation depth curves of horizontal consolidation coefficient under pressure

由软土的沉积成因及颗粒组成可解释以上特点：因软土沉积的层序性，使得水平向透水比垂直向透水较大，固结较快。埋深较浅的土，多属于欠固结土，当固结压力大于先期固结应力时，软土固结不仅是孔隙压缩、孔隙水排出，同时伴随有结构重新排列以及结合水的析出;当固结压力小于先期固结应力的固结初始阶段时，软土固结主要为孔隙水及空气排出，且随着压力增加，孔隙水及空气排出越快，固结最终趋于稳定状态。

2.4 原位十字板剪切试验成果

在沿线范围内均匀布置9个原位十字板剪切试验孔，测试点间距1 m。图8-图10为软土的不排水抗剪峰值强度(Cu)、重塑土强度(Cu′)和灵敏度(St)随埋深的变化曲线。由图8、图9知：在深度<10 m的范围内，峰值强度、重塑土强度最低，且强度增长缓慢，按照Daccal 方法进行修正后的长期强度标准值为8.9 kPa；在深度10～20 m范围内，强度增长较快，按照Daccal 方法进行修正后的长期强度标准值为15.3 kPa；在深度>20 m范围内，强度增长最快，按照Daccal 方法进行修正后的长期强度标准值为22.3 kPa。由图10可知：场区软土以低灵敏土为主，结构性不强。

图8 十字板剪切峰值强度随深度的变化曲线Fig.8 The depth curve of cross plate shear peak strength

图9 十字板剪切重塑土强度随深度的变化曲线Fig.9 The depth curve of cross plate shear remoulded soil strength

原位十字板试验结果随深度变化的特征，可由土压密理论及沉积规律解释：随软土埋深增加，孔隙比降低，天然含水率降低[12]，下部土体固结较上部土体更充分，其天然抗剪强度有所增加。

2.5 饱和快剪试验成果

饱和快剪试验是当前室内快捷测定原状土抗剪强度指标的一种试验方法。其测定的原状土抗剪强度指标(cQ、ΦQ)，可较为直观地反映出土的力学强度特性。图11、图12分别是本文选取4个具有代表性的钻孔中不同埋深软土层的原状样饱和快剪指标随埋深的变化曲线。

图10 灵敏度随深度的变化曲线Fig.10 The sensitivity with depth curve

图11 饱和快剪强度cQ随埋深变化曲线Fig.11 Saturation and fast shear strength cQ with buried depth curve

图12 饱和快剪强度ΦQ随埋深变化曲线Fig.12 Saturation and fast shear strength ΦQ with buried depth curve

由图11、图12知，饱和抗剪强度指标随埋深变化的规律不明显,这与现场原位十字板试验表现出的变化规律不一致。原因可能为：软土层的含水量高、孔隙比大，即使严格按照取样规程取样，在运输和储存过程中做足了防护措施，也难免使得原状软土在进行室内试验时已成为了扰动土，其试验数据已不能准确代表原位土的物理力学特性。

3 分层及物理力学参数选取

环岛西堤为堤防工程，堤身由砂土料填筑，可自由适应堤基土变形,堤身填筑期以堤基土不发生失稳破坏为控制标准。依据堤防工程的特点及软土物理力学特性，并综合考虑水工设计计算的实用性，将环岛西堤堤基深厚软土层进行分层，各层次划分如下：

(1) 2-1层埋深0～4 m，以表层浮泥为主，主要依据现场钻探取芯特征及地表测绘得出。

(2) 2-2层埋深4～11 m，为淤泥，其物理指标值在一定区间变动,原位十字板剪切试验测得其天然土体抗剪强度增长缓慢。

(3) 2-3层埋深11～17 m，为淤泥，其物理指标离散性小,原位十字板剪切试验测得其天然土体抗剪强度呈振荡型快速增长。

(4) 2-4层埋深17～25 m，为淤泥，其天然含水率、天然孔隙比随埋深有所降低,原位十字板剪切试验测得其天然土体抗剪强度呈振荡型缓慢增长。

(5) 2-5层埋深>25 m，为淤泥质黏土，对该工程的地基基础设计计算影响不大。

综上所述，对深厚软土层进行工程地质分层，分层统计提出主要物理力学建议值见表1[13-14]。对比表1的分层统计值与102组原状样的试验成果统计值，分层统计指标值离散性小，符合土层沉积规律特征;同时也反映出岩土材料的多样性特征，便于设计计算，指标选取更符合实际。

表1 珠海横琴环岛西堤软土层主要物理力学指标分层建议值表Table 1 The main physical and mechanical indicators of soft soil layered recommended table of West Bund around Hengqin Island in Zhuhai

说明：表1中物理指标提出为分层的平均值，力学指标为分层的标准值；2-1层所取原状样的室内剪切试验数据离散性大，无法常规统计分析。

4 结论

(1) 沿环岛西堤线路除山体区域外，软土皆有分布，层厚5～40余米。软土颗粒组成以胶粒和黏粒(约占55%)为主，其次是颗粒直径0.005～0.05 mm的粉粒(约占44%)，基本不含砂粒。整体沉积过程，处于一个相对稳定的状态。

(2) 沿线软土天然含水率、天然孔隙比随埋深增大，值变小。不同埋深的软土层压缩曲线特征不同，埋深10～25 m的软土压缩曲线斜率最大。水平向固结系数一般较垂直向大,埋深较浅的土，固结过程不仅是孔隙压缩、孔隙水排出，还伴随有结构重新排列以及结合水的析出。

(3) 对环岛西堤软土层的一些基本物理力学指标进行统计分析，结果表明：对区内建筑物进行地基基础设计计算时，应针对工程特点，在充分分析软土层各物理力学参数随埋深的不同而发生变化，对深厚土层分层进行统计，使选取的物理力学参数更为可靠、合理。因软土样在取样、运输保存及制样时扰动的可能性较大，其抗剪强度指标的选用以原位十字板剪切试验的成果更为合适。

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(责任编辑：费雯丽)

Analysis on Soft Soil Engineering Characteristics ofWest Bund around Hengqin Island in Zhuhai

ZHU Shiye

(GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou,Guangdong510635)

Based on the collection of engineering geological survey data of West Bund around Hengqin Island in Zhuhai,the distribution,origin and material composition of soft soil along the line are described.The basic physical and mechanical indicators and in situ cross plate shear test results of 102 groups undisturbed soil samples along the line were analyzed,and the variation characteristics of the basic physical mechanical indicators with different depth were analyzed.In this paper,the foundation design of the buildings is calculated,and the deep soft soil layer should be stratified according to the engineering characteristics.The selection of soft soil physical mechanical parameters should be treated in layers so that the values are more reliable and reasonable.

soft soil; sediment distributing; basic physical and mechanical indicators; engineering characteristic; engineering geology division

2017-07-12;改回日期:2017-07-21

朱事业(1987-)，男，工程师，地质工程专业，从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:542403958@qq.com

P642.13+3; TV447

A

1671-1211(2017)04-0470-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.025

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170731.1703.002.html 数字出版日期:2017-07-31 17:03