珠三角平原区软土分布与地面沉降相关性分析

2019-07-25严学新罗炜宇王红珊杨天亮吴建中

上海国土资源 2019年2期

王双，严学新，揭江，罗炜宇，王红珊，杨天亮，吴建中

（1. 广东省地质局第四地质大队，广东·湛江 524033；2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072）

珠江三角洲平原区是我国经济最发达的地区之一，既是人口密度较高的区域，也是中国南部的经济和金融中心。改革开放以来，充分发挥毗邻港澳的独特区位优势、信息优势以及华侨众多的人文优势，工业及城市化发展迅速，人类经济工程活动对环境地质的作用和相互影响越来越大，其中地面沉降是区内主要地质灾害之一。地面沉降具有多种起因[1]，在不同地区其主导因素不同。珠江三角洲平原为松散沉积物堆积平原，受人类工程活动及天然固结等作用的影响，部分地区已出现了严重地面沉降，导致房屋、公路、桥梁、水利设施、堤围、地下管网设施等不同程度的破坏，造成了严重的经济损失。我国珠三角平原区分布有大面积的软土，且分布厚度相对较大[2]。其软土以海相沉积的淤泥、淤泥质土为主，其次为泥炭土、淤泥质砂、含炭化植物碎屑和贝壳碎片等。软土的低强度高压缩性特点使软土地基在各种荷载作用下特别容易发生沉降变形，给工程建设造成巨大的经济损失，对于软土沉降的研究越来越受到重视[3]。以往工作中，未对软土与沉降速率的关系进行定量分析，本文据此作相关研究。

1 珠三角平原区软土基本特征

1.1 软土分布特点

在软弱类土中，由淤泥、淤泥质土组成的软土在珠三角平原区内相对分布最广、厚度最大，且根据不同时代划分为第一、二、三软土层，软土大面积分布于广州市以南的广大平原区，总面积约5 969 km2，占全区（面积11 681 km2）陆地总面积的51.1%[4]。在珠海、中山、广州南沙一带重点沉降区内，软土的总厚度一般在5.00~35.00 m之间，最厚达47.20 m，层底埋深5.00~41.70m，标高一般-43.80~5.40m。区内软土厚度以18.50~35.50m为主，8.50~18.50m次之，再次分别为3.50~8.50m、小于1.50m、1.50~3.50m，厚度大于35.50m范围最小（表1、图1）。

表1 珠三角平原区软土厚度分布情况Table 1 The distribution of soft soil thickness in the Pearl River delta plain

三角洲顶端和中部以第一层和第二层软土为主，三角洲前缘局部地段三层软土均有分布，滨海平原区则以第一层、第二层软土为主；总体上来说，第一层、第二层软土在三角洲区分布广泛，第三层分布不连续，仅局部揭露。在垂直方向上，软土厚度分布情况为越靠近丘陵台地其厚度越小，越靠近河流、海滨，其厚度越大；软土厚度变化总体由前期构造运动形成的基底控制；第一软土层分布最广、厚度最大，第二软土层次之，第三软土层最薄（图2）。其中：第一软土层，顶板埋深0~11.40m，底板埋深5.00~38.00m，底板标高-35.00~5.40m，厚度一般2.00~36.00m，最厚达47.20m（珠海金湾高尔夫球场）；第二软土层，顶板埋深4.60~38.08m，底板埋深9.00~41.70m，厚度一般1.10~21.10m，最厚达34.60m；第三软土层，顶板埋深38.00~60.10m，沉积底板埋深45.90~62.80m，厚度一般2.70~4.50m，最厚达20.40m，仅在中山市三角镇结民圩、建军围、金湾高尔夫球场等局部地段揭露。区内软土形成较晚，厚度大，多为现代沉积物。第三软土层与第二软土层分层界线清晰明显，第二软土层与第一软土层界线则不甚明显，局部相连。据调查资料分析，区内北部以双层软土为主，南部则以单层为主。第二软土层在北部以浅埋为主，中南部以中深埋为主，南部以深埋为主。

图1 珠三角主要沉降区软土厚度分布图Fig.1 Distribution of soft soil thickness in the main settlement area of the Pear River Delta

1.2 软土多层分布的成因

珠三角平原区的软土在垂直方向、水平方向上的分布规律皆与三角洲海侵次数、范围与延续时间密切相关，其分布范围与各时期海侵也基本一致，厚度变化大，不少地方缺失，顶板埋深差别大，厚度变化自老至新表现为不稳定至稳定。全新世时期，珠江三角洲地区经历二次较大的海侵，这两次海侵范围遍布全区，因而在全区范围内沉积了较厚和较稳定的淤泥层；因近代海侵后海水并未全部退出全区或海退历时较短，紧接又进行了第三次海侵，使得这二层淤泥在三角洲前缘常为连续沉积，彼此没有明显的分层标志。在现代期，三角洲前半部可能还有数次规模较小、历时短的海侵与海退，因而在第一层淤泥中还常常夹薄层的杂色黏土。

图2 珠三角典型软土剖面图Fig.2 Section of typical soft soil in Pearl River Delta

1.3 软土物理力学性质

区内软土的形成时代只有40000a左右[5]，三层软土的成分下杂上纯且较稳定，力学强度随深度增加而提高。由于沉积年代新、质纯且夹层少、孔隙比大、含水量高、压缩系数大的软土层，孔隙水压力易于降低和易产生压缩，因此其力学强度低。据金湾高尔夫球场别墅区钻探、测年及原位测试资料，软土随深度增大年龄和强度愈大，且呈线性关系[6]。

从软土层物理力学指标统计值（表2）可知，第一软土层岩性较第二、三软土层复杂。

比较第一、二、三软土层指标平均值可知：软土层液限、液性指数、天然含水率、孔隙比、压缩系数等指标值自上而下总体上由大变小，而压缩模量、黏聚力、标贯则由小变大。

显然，区内软土一般具有下列特性：（1）高含水率和高孔隙性。天然含水率一般为45%~70%，最大值96.9%；液限一般为40%~60%，天然含水率随液限的增大成正比增加；天然孔隙比在1~2之间，饱和度一般大于95%，因而天然含水率与其天然孔隙比呈直线变化关系。高含水率和高孔隙性特征是软土高压缩性和低抗剪强度的重要决定因素。（2）高压缩性。压缩系数a1-2一般为0.70~1.50 MPa-1，最大达4.28 MPa-1，随液限和天然含水率增大而增高。在上部荷载作用下的软土变形特征一是变形大而不均匀、二是变形稳定历时长。（3）抗剪强度低。不排水三轴快剪所得黏聚力一般为2.0~7.0 kPa，最小为1.0 kPa；十字板剪切试验所得抗剪强度一般在5.3~31.9 kPa，最小为0.3 kPa，其灵敏度一般在2.1~20.0之间。总的来说，软土抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关；排水条件下的抗剪强度随固结程度的增加而增大。（4）承载力极低。大部分标贯试验为自落，修正后N63.5一般为0.6~1.6击，承载能力很差，一旦受到上部荷载作用即产生较大幅度的压缩变形。（5）较显著的触变性和蠕变形。由于软土的组成成分细小，且含水率高，抗剪强度低，在重力作用和较小外部作用力下发生缓慢的蠕动变形；而较大外部荷载作用力下软土极易发生快速的触动变形，软土杂质越少、外部瞬间作用力越大，则其变形速率越快、变形幅度越大。（6）渗透性弱。渗透系数一般在10-4~10-5cm/s之间，而大部分滨海相和三角洲相软土地区，由于软土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉、细砂、粉土等，故在水平方向的渗透性较垂直方向要大得多。由于软土渗透系数小、含水量大且饱和状态，这不但延缓其土体的固结过程，而且在加荷初期，常易出现较高的孔隙水压力，对地基强度有显著影响。

软土在普遍具有上述特性的同时，由于其组成成分及其含量的不同，其性质相应随之变化。总体上，由淤泥质黏性土至淤泥，其液限、含水率、孔隙比、压缩系数均逐渐增大，压缩模量、黏聚力则逐渐减小。

表2 软土层主要物理力学指标Table 2 Statistical tables of main physical and mechanical indexes of the soft soil layers

2 软土厚度与地面沉降相关性分析

2.1 定性分析

图3 珠三角软土厚度与地面沉降速率关系对比图Fig.3 Comparison of the relationship between the soft soil thickness of the Pearl River Delta and the land subsidence rate

把区内已有年沉降量等值线和软土分布情况进行对比（图3），年沉降量大于35mm分布范围与软土厚度大于15m区域分布范围基本一致，仅在中山市小榄水道、鸡鸭水道和横门水道交汇带、中山市坦洲镇、珠海市白蕉镇、平沙镇东南部和斗门富山工业园区略有出入。在珠海红旗镇红灯村一带软土厚度增大，沉降量略有增加。

由图3可明显看出，中山块段和珠海块段河流平原区沉降量等值线的分布和展布趋势与软弱类土厚度分布情况总体趋势是一致的，说明区内软土是地面沉降产生的主要影响因素，并且其厚度是影响地面沉降速率的关键因子。

2.2 定量分析

为使统计结果具有代表性，在收集统计资料时注意了以下几方面：一是勘察面比较广，包括了珠海市、中山市、江门市、广州南沙区等地，基本覆盖了珠三角第四系松散沉积层分布区；二是资料的可靠程度较高，所收集的资料由广东省地质局第四地质大队、珠海工程地质勘察院、广东省地质局第十地质大队、广东省水文地质大队等单位编制，测量结果由广东省地质测绘院提供[4]，符合数理统计对样本数的要求，收集数据详见表3。