衡水湖地区湿地湖泊相黏土工程地质特性研究

2020-02-07刘春原王文静赵献辉

水文地质工程地质 2020年1期

朱楠，刘春原,2，王文静，赵献辉

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401)

我国国土面积广大，各地气候环境复杂，各地迥异的沉积环境和沉积历史导致了不同地区区域性土的工程特性具有显著差别[1]。我国华北平原地区分布着湖泊湿地或古湖泊湿地，这些湖泊湿地形成于第四纪全新世早期，形成初期面积广大并在湖区形成湖相沉积物。到全新世中晚期气候变得温凉干燥，湖区面积干缩，原有湖底沉积物暴露于地表，并在河流迁徙的作用下上覆厚度不等的粉土和粉砂层，在此环境下重新固结。由于沉积环境与沉积历史特殊，平原湿地湖泊相黏土具有区别于东部海相软土和其他区域性土的鲜明工程特性及特殊的结构形式[2]。

近年来我国学者对不同地区的区域性土做了大量的研究，包括天津[3]、湛江[4]、杭州[5]、连云港[6]等地的海相软土，高邮湖相软土[7]、太湖软土[8]、黄石河湖相软土[9]和云南滇池的高原湖相软土[10]等内陆湖相软土，以及长江漫滩相黏土[11]、海陆交互相黏土[12]和洞庭湖砂纹淤泥质土[13]等特殊区域性土，加深了对区域性土的成因和工程特性的认识，为区域性土的研究和相关地区的工程建设积累了大量研究资料。湿地湖泊相黏土在我国广泛分布，如河北平原衡水湖和白洋淀等地区发育的湿地湖泊相黏土。目前河北省多条公路及雄安新区的建设都面临平原湿地湖泊相黏土的处理问题。对于这种形成于湖泊湿地干缩过程中的特殊区域性软弱土，需要进行系统的试验研究来揭示其工程特性及机制，但目前相关的研究报道较少。同时，根据现有规范[14]对平原湿地湖泊相黏土进行分类评价和地基处理设计，经工程实践证实存在不妥之处。若根据土的力学指标将湿地湖泊相黏土地基划分为一般地基而不做加固，在施工和运营阶段会出现沉降突然增大的情况，造成工程事故；若按一般软土地基进行加固，又会出现过度加固、造成浪费的问题。

本文以衡水湖地区的平原湿地湖泊相黏土为研究对象，进行系统的室内和现场试验，从物理力学性质、颗粒分布、矿物组成和微观结构等几个方面，对平原湿地湖泊相黏土的工程特性做全面分析，并同其他地区软土进行对比，探讨平原湿地湖泊相黏土的特殊性质及其机制，为相关地区的工程建设提供指导。

1 沉积背景与分布特征

1.1 沉积环境与沉积历史

衡水湖地处华北平原中部，属于暖温带半干旱半湿润季风型大陆性气候，多年平均降水量543 mm，年内分布不均，年际变化较大，全年降水量的74%集中在6～9月份，地下水位变化较大，对地基土的工程性质影响很大[2]。根据前人文献资料可知，衡水湖属于“构造洼地”的成因类型，也是古湖泊的遗迹。文献[15]中记载，在衡水、冀州等地有古湖泊遗迹，古湖长约67 km，后来湖泊渐淤形成现在的衡水湖。

衡水湖形成于第四纪全新世早期，经历了早全新世(距今约10 000—7 500年)温凉稍湿的形成阶段、中全新世(距今约7 500—2 500年)温暖湿润的扩展阶段及晚全新世(2 500年—至今)温凉干燥的收缩阶段。衡水湖区的湿地湖泊相黏土也经历了湖泊形成扩张阶段的湖相沉积，及湖泊干缩阶段的陆相沉积。在陆相沉积阶段，由于古黄河和古漳河等河流改道的影响，在湿地湖泊相黏土层上覆盖冲积粉土和粉砂层，形成如今的地层结构。

1.2 分布特征及地层结构

由文献[15]和[16]可知，衡水湖湿地湖泊相黏土的分布区域及地层构造与其他软土相比有很大不同。湿地湖泊相黏土属于新近沉积黏土，土质比较疏松，主要分布在湖泊湿地周边或古湖泊遗迹地区，土层厚度一般为2～8 m，并上覆河流改道形成的1～8 m厚冲积粉土和粉砂薄层。不同地区的湿地湖泊相黏土层厚度变化大，上覆土层的厚度也变化较大，这是衡水湖湿地湖泊相黏土分布的最重要特征，与其他地区的区域性土有显著区别。

2 土的基本性质

2.1 试验方法

在衡水湖西侧邢衡高速工程现场采用原状土取样器钻取不同深度原状土样，根据文献[17]进行物理力学指标的测试，土样的颗粒分析采用筛分法和密度计法进行；进行固结压缩试验，加载比为1∶1，固结稳定时间为24 h，测试土样的压缩系数和压缩模量，并确定土体结构屈服应力；进行直剪试验，测试土样的内摩擦角和黏聚力；进行三轴固结不排水剪切试验，围压为50，100，150，200和250 kPa，加载速率为0.08 mm/min，确定土体的抗剪强度包线。另外，在工程现场进行原位标准贯入试验(SPT)和静力触探试验(CPT)测试土体的标贯击数N和锥尖阻力。采用天津理工大学的Rigaku D/Max-2 500型X射线衍射仪，对原状土样进行X射线衍射测试(XRD)，测定湿地湖泊相黏土的矿物组成及含量。

2.2 物理力学性质

在工程现场共对6个断面进行了原状土的钻孔取样，对取得的湿地湖泊相黏土土样进行物理力学指标测试，结果见表1所示。由于各断面物理力学指标沿深度的变化规律相似，故选取典型断面与其他软土的典型断面进行对比。

衡水湖湿地湖泊相黏土典型断面的物理力学指标沿深度分布如图1所示，湿地湖泊相黏土主要分布在3～8 m深度，黏土层上为约3 m厚的粉土，黏土层下为深厚的粉土和粉质黏土。由图1可见，湿地湖泊相黏土的天然含水率为36.0%～40.9%，重度为17.84～18.33 kN/m3，孔隙比为1.05～1.21，达到并超过1.0，黏土的液限为39.6%～43.5%，塑性指数为19～21，液性指数为0.79～0.88。土样的物理指标较差，各项物理指标接近或达到软土，但尚未完全达到规范规定的软土标准[14]。

将衡水湖湿地湖泊相黏土与典型海相软土和湖相软土进行对比，连云港软土的含水率为37.1%～87.4%，孔隙比为1.04～2.17，液限为28.4%～66.7%，塑性指数为9.5～33.5，液性指数为1.01～2.36，重度为16.4 kN/m3左右[6]。而太湖软土含水率为22.3% ～46%，孔隙比为0.66～1.34，液限为27.8%～56.5%，塑性指数为7.4～33.7，液性指数为0.67～1.56，重度为17.15～19.99 kN/m3[18]。衡水湖湿地湖泊相黏土的物理指标与太湖软土比较接近，但与连云港软土相差较大，含水率、孔隙比和液限等指标均小于连云港软土。此外，衡水湖湿地湖泊相黏土的含水率和孔隙比接近或达到软土标准，但含水率小于液限。

表1 衡水湖湿地湖泊相黏土物理力学指标统计

图1 衡水湖湿地湖泊相黏土典型断面的物理指标沿深度变化Fig.1 Physical indexes of the typical section of the marshy and lacustrine clay with depths of the Hengshui lake

如图2所示，衡水湖湿地湖泊相黏土在塑性图中全部位于A线上方、B线左侧，可知均为低液限黏性土。衡水湖地区湿地湖泊相黏土的塑性指数为IP=0.704(WL-12.55)，与塑性图IP=0.73(WL-20)有所区别。表明不同地区区域性土的塑性图存在差异，在对土进行分类时应予以考虑[19]。

如图3所示，不同深度土样的含水比都在0.65～0.95之间，其中湿地湖泊相黏土的含水比为0.84～0.95，处于软塑接近流塑状态，接近太湖软土的含水比0.8～1.0[8]，但小于连云港软土的含水比1.0～2.0[20]。

图2 衡水湖湿地湖泊相黏典型断面的塑性图Fig.2 Plasticity chart of the typical section of the marshy and lacustrine clay of the Hengshui lake

图3 衡水湖湿地湖泊相黏土典型断面的天然含水率与液限关系Fig.3 Relationships between natural water content and liquid limit of the typical section of the marshy and lacustrine clay of the Hengshui lake

衡水湖湿地湖泊相黏土的力学指标沿深度变化如图4所示，压缩系数为0.38～0.52 MPa-1，为中、高压缩性土；压缩模量为3.9～5.6 MPa，压缩模量偏大；黏聚力为19.3～27.4 kPa，内摩擦角为13.8°～19.4°。连云港软土压缩系数为0.4～2.88 MPa-1，黏聚力为2.7～18 kPa，内摩擦角为1.4°～8°[6]。太湖软土压缩系数为0.17～2.98 MPa-1，压缩模量为0.88～10.39 MPa，黏聚力为1～26 kPa，内摩擦角为1.2°～22.9°[21]。对比分析可见，衡水湖湿地湖泊相黏土的压缩系数小于连云港软土和太湖软土，但黏聚力和内摩擦角则略高于连云港软土和太湖软土。

图4 衡水湖湿地湖泊相黏土典型断面的力学指标沿埋深变化Fig.4 Mechanical indexes of the typical section of the marshy and lacustrine clay with depths of the Hengshui lake

如图5所示，采用双对数压缩曲线法[22]确定土体的结构屈服应力，由2条直线的交点确定土的结构屈服应力σy=107.89 kPa，而土体的上覆压力pc=91.65 kPa，两者之比为1.18，表明衡水湖湿地湖泊相黏土具有较明显的结构强度。

图5 衡水湖湿地湖泊相黏土双对数压缩曲线Fig.5 Bi-Logarithmic compression curves of the marshy and lacustrine clay of the Hengshui lake

如图6所示，衡水湖湿地湖泊相黏土的固结不排水抗剪强度包线的转折点明显，转折点(σ，τ)为(253.26 kPa，137.84 kPa)，转折前后强度包线的斜率、截距变化较大，抗剪强度在转折前后发生明显改变。

图6 衡水湖湿地湖泊相软土不排水抗剪强度包线Fig.6 Undrained shear strength envelope curves of the marshy and lacustrine clay of the Hengshui lake

由现场原位标准贯入试验和静力触探试验结果可知(图7)，衡水湖湿地湖泊相黏土的标贯击数N为3～7，由文献[14]可知其略大于软土标准(N<3)。衡水湖湿地湖泊相黏土锥尖阻力为0.3～1.2 MPa，而连云港软土为0.19～0.4 MPa之间[23]，太湖软土为0.13～2.7 MPa[18]，可见衡水湖湿地湖泊相黏土锥尖阻力比一般软土偏大一些，但小于一般黏土。

图7 标准贯入击数N和锥尖阻力沿埋深变化Fig.7 Standard penetration number and static point resistance of the typical section

综上所述，由于沉积历史和沉积环境特殊，衡水湖湿地湖泊相黏土是一种物理性质较差，但力学性质较好的特殊区域性软弱土。物理指标接近或达到软土标准，与太湖软土大体相当，但与连云港软土相差较大；力学指标好于一般软土，压缩系数小于连云港软土和太湖软土，而黏聚力和内摩擦角大于两类软土。由于湖泊湿地干缩，湿地湖泊相黏土从饱和湖相沉积变为陆相沉积，土体处于从饱和软黏土向一般黏性土转变的过程中，因此其物理性质介于两者之间。同时，由于衡水湖湿地湖泊相黏土具有明显的结构性，当土中应力超过结构屈服应力后，土体的强度和压缩性会发生突变。因此根据文献[14]按物理力学指标对衡水湖湿地湖泊相黏土进行分类和地基处理存在不妥之处。

2.3 颗粒分布

由表2可知，衡水湖湿地湖泊相黏土的黏粒和胶粒比重更大，亲水性更好；砂粒含量稍高，使得剪切强度指标和现场试验结果略高于一般软土；粉粒含量略低于其他软土，但黏粒含量与其他软土大体相当，表明湿地湖泊相黏土具有接近一般软土的亲水性，但由于该地区地下水位变化大，且周边环境较干燥，导致土体的天然含水率低于液限；胶粒含量达到33.9%，明显高于其他软土，表明湿地湖泊相黏土具有较强的胶结特性，能够形成较高的结构强度。

表2 湿地湖泊相黏土与其他地区软土的颗粒分布/%[24]

2.4 矿物组成

衡水湖湿地湖泊相黏土与其他软土的矿物组成及含量如表3所示，由于白云母和石英会提高土的内摩擦角，黏土矿物会降低土的内摩擦角、提高黏聚力[25]，而湿地湖泊相黏土的白云母和石英含量较高，黏土矿物含量略低于其他软土，因此其抗剪强度指标高于其他软土，亲水性略弱于其他软土，含水率和液限小于其他软土。同时，湿地湖泊相黏土的磁铁矿物含量较高，在酸性溶液环境下容易生成氧化铁，提高土体的胶结强度。由于湿地湖泊相黏土胶结强度较高，且具有明显的结构骨架，在应力小于结构屈服应力时，湿地湖泊相黏土的物理指标较差而力学指标较好。衡水湖湿地湖泊相黏土物理指标与力学指标不匹配的问题，在我国其他地区的区域性土研究中也有报道[12]，这种特殊现象是其特殊的矿物组成和结构特征所导致的。

3 微观结构特征

扫描电镜拍照采用美国QUANTA FEG 450场发射环境扫描电镜进行，将原状土样切成1.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的土条，采用烘干法干燥，扫描电镜拍照的放大倍数为2 000倍，采用IPP6.0软件对SEM照片进行定量分析，得到衡水湖湿地湖泊相黏土的微观孔隙特征参数，与其他地区软土进行对比分析。

表3 湿地湖泊相黏土与其他地区软土的矿物组成及含量/%[26]Table 3 Mineral compositions and contents of the marshy and lacustrine clay and other soft clays/%

图8为衡水湖湿地湖泊相黏土与其他软土的微结构形态对比，可见湿地湖泊相黏土为团粒状和絮凝状混合结构，颗粒排列较紧密，结构单元体多为边-边接触和边-面接触，排列混乱无明显定向性，孔隙多为粒间孔隙和团粒内孔隙。杭州软土多为较大的片状或板状集聚体结构，土颗粒骨架排列混乱松散，存在很多较大的架空孔隙，多为边-边和边-面接触[5]；武汉软土为蜂窝状结构，颗粒集聚体和孔隙排列成等轴的、开放的蜂窝状形态，孔隙尺寸较大，颗粒多沿轴线排列，形成蜂窝状结构[27]。土体的矿物组成和微结构形态的不同，使湿地湖泊相黏土的力学特性与其他软土有显著区别。湿地湖泊相黏土的微细颗粒和碎屑较多，容易依附在大颗粒和片状颗粒表面增强胶结作用，同时湿地湖泊相黏土磁铁矿含量较高，容易生成游离氧化铁，进一步增大了土体的胶结强度[28]。较强的胶结特性使湿地湖泊相黏土的压缩性低于物理指标相似的其他软土，只有当土中的应力水平超过结构屈服应力后，土体结构发生破损，此时土体的力学性能才发生改变。

图8 湿地湖泊相黏土与其他地区软土的微观结构Fig.8 Microstructures of the marshy and lacustrine clay and other soft clays

表4为衡水湖湿地湖泊相黏土与其他软土的宏微观孔隙特性对比，由于湿地湖泊相黏土的土颗粒直径较小，且土颗粒大多集聚成土团粒，其孔隙以直径较小的粒间孔隙与团粒间孔隙为主，因此湿地湖泊相黏土的宏观孔隙比略小于其他软土。而杭州软土的片状大颗粒相互搭接形成了较大的粒间孔隙，因此其表观孔隙率和平均孔隙面积均较大；武汉软土为蜂窝状结构，其孔隙分布更多、孔隙直径更大，因此其表观孔隙率与平均孔隙面积都远大于湿地湖泊相黏土。

表4 湿地湖泊相黏土与其他软土的宏微观孔隙特征对比

由以上分析可知，土颗粒形态、颗粒接触方式和微结构形式的不同使不同地区区域性土的孔隙特征有很大区别，而孔隙特征的差别又会影响土体的压缩特性与渗透固结特性。不同地区土体颗粒的接触和集聚方式不同，其胶结强度和结构形式也各不相同，导致了不同地区的区域性土结构强度的差异。因此可知，土颗粒形态、颗粒接触方式与微观结构形式的不同，是衡水湖湿地湖泊相黏土与其他地区软土工程性质差异的主要原因。