宁德海相软黏土工程特性与沉积环境初探*

于俊杰 许圣华 冯 启 彭 博 王继龙 邓永锋

(①中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016，中国) (②东南大学交通学院，南京 210096，中国) (③合肥工业大学资源与环境学院，合肥， 230009，中国)

0 引 言

我国东南沿海地区广泛分布着第四系沉积软土，这类灵敏性软土给港口、高铁等各类工程建设及沉降控制带来一系列问题，因此对其工程特性的掌握尤为重要。在工程建设驱动下，连云港、上海、温州、广州等地的典型软土已有较多的研究成果，对其工程性质已有较为深刻的认识； 从福建省内来看，地处东北部的沿海城市宁德，现代化开发建设进度相对南部各城市如福州、厦门等较慢，因而对其下伏软土的研究也较少且不够深入。宁德软土特性是否适用沿海软土的普遍规律，除此之外是否具有因地质历史和地形条件而产生的独特性？这是工程活动关注的重点。通过对宁德第四系海相沉积软土的研究可以进一步完善我国沿海典型海相沉积软黏土的体系，勾勒出福建省沿海各地软土特性的地图。

三都澳又名三沙湾、宁德港，位于福建省宁德市区东南向30km处，是世界级的天然深水良港。其地形颈小腹大，唯一出水口在东侧，属于典型的内湾沉积环境。福建省是我国“一带一路”倡议中21世纪海上丝绸之路的核心区块，由于三都澳出色的区位优势及优良的港口环境，近年来主城区环澳地段的工商业规划开发正逐步加快。在此背景下，本文结合海岸带陆海统筹综合地质调查和室内外土工试验，从地质成因及工程特性两方面共同分析宁德市下伏软土特征。

1 现场布点和研究方法

考虑到环三都澳地形条件，本研究代表性地选取了宁德市北部的漳湾镇临港工业片区、中部的东侨开发区金后湾及南部的飞鸾镇周厝里3个区段进行了沉积环境的调查研究、现场原位测试和室内岩土试验，以明确软土沉积环境、沉积历史和工程特性。CPT试验的开展主要是为了获取下卧土层的锥尖阻力和侧摩阻力； 十字板剪切试验用于获取原状土的不排水抗剪强度、重塑土的不排水抗剪强度以及土体的灵敏度。图 1为本文所研究3个片区试验点的平面布置图。由北至南3个片区共布置18个钻孔并采得薄壁静压的高质量原状样70个，共完成14孔位的静力触探测试和15孔位的十字板剪切试验，获得了相应原位参数的区域变化特征。通过对南北向间隔分布的3个片区土体的研究，宁德环澳软黏土性质的统一性和区域差异性得以展现。

表 1 孔隙水主要离子浓度与含盐量Table 1 Main ion concentration and salinity in pore water of marine soft clay

表 2 3个片区物理指标统计表Table 2 StatisticalTables of physical indices for three zones

图 1 飞鸾、金后湾、漳湾片区平面布置图Fig. 1 Plane arrangement of Feiluan， Jinhouwan and Zhangwan

2 宁德海相软黏土形成与理化性质

宁德的地质演化涵盖了不同时期构造运动的作用。燕山运动早期，随着太平洋板块对欧亚板块的俯冲加剧，福建地区火山活动越加频繁，形成了广泛而连续分布的火山喷发堆积； 燕山运动晚期、第四纪早期，板块间的推挤作用逐渐松弛，区域张应力使许多地块出现了不同程度的沉降效应，福建沿海的一系列断陷盆地均在这一阶段相继出现，典型如九龙江河口所处的漳州盆地(周慕林， 1983)，整体上看，宁德地处政和—大埔断裂带以东的闽东火山断坳带，更具体的，属于北西向松溪—宁德断裂带。

进入第四纪以后，福建沿海新构造运动再次活跃起来。宁德所处的闽东北沿海地区在晚更新世约90～80kaB.P.、70～60kaB.P.、44～39kaB.P.和34～22kaB.P.发生过4次海侵，但强度均较小，影响范围不大，因此海相层厚度较薄且与陆相沉积层交替出现； 全新世海侵在约12kaB.P.已开始，此后海面高度有过多次变动，在距今约6ka和3ka前出现过明显高于现今海面位置的高海面，海侵范围也在约6ka前达最大，之后地层以不含海相化石的陆相沉积为主(曾从盛， 1997)。

福建沿海第四系地层一般划分为下更新统天宝组(Q4t)，中更新统同安组(Q4t)，上更新统龙海组(Q4l)、全新统东山组(Q4d)和长乐组(Q4c)(童永福， 1985)。环三都澳区段软土中均存在丰富的沿岸种硅藻，基本属于全新统长乐组软土，是一套层厚、连续的淤泥类海相沉积物。该区域在第三纪古风化壳之上普遍覆盖卵石层的河床相沉积； 其上发育深灰色淤泥质黏土层，该层下部一般含有较多碳化植物碎屑、有机质，颜色偏黑，推测可能是潮上带(盐沼)； 中部变为均质泥，含有贝壳碎屑或者螺壳，少量植物碎屑，可能是海湾相环境； 上部仍然以均质泥为主，但是颜色偏黄，可能是现代海湾相沉积。

从水文条件来看，宁德市地势西高东低，沟谷横纵，水系发育，西部为低山、丘陵地貌，东部濒海。漳湾片区顺时针分布有七都溪、霍童溪、交溪和金溪等4条主要溪流(唐锦龙等， 1994)； 穿越后湾片区的兰田溪流向为西北至东南； 飞鸾片区内有飞鸾湾、车里湾两大溪流。这些溪流均独流入海，在穿过山涧时，通过与裸露的火山岩、花岗岩类的接触，为沿岸片区提供了大量陆源物质，对软土孔隙水盐分种类和离子浓度产生显著影响。

福建浅海沉积物的分布主要受控于陆源物质的供给、海流水动力环境以及海底地形、港湾形态等因素的综合作用(张开毕， 2007)。地处闽东北的宁德市沿海沉积环境属于内河口、海湾过渡区，也是淡咸水体混合区，主要以海相沉积为主，同时山间溪流带来的陆源物质也影响着软黏土的成分组成。三都澳独特的“腹大颈小”和岛屿众多的地理构造，提供了相对温和、海流水动力较弱的沉积环境，而海域内相对温凉湿润的北温带气候条件，为硅质生物的生存及其残骸的沉积提供了良好的水体条件。

除个别测试土样含盐量达30g·L-1外，总体含盐量水平低于海水浓度，体现了沉积物所受的降雨、地下水的淋溶作用，同时调查片区周边存在的水厂养殖场和港口工业区所排放的污水也对孔隙水离子浓度产生了一定影响。整体来看，各离子浓度的变化基本遵循“元素的粒度控制律”，Fe、Ca等元素的含量随沉积物粒度变细而升高，其中原因除细粒级沉积物本身富含一定的元素外，还因黏土矿物具有较强的吸附作用或浓集作用，常吸附许多元素共同沉淀(张开毕， 2007)。

对比3个片区土体的物理指标(表 2)发现：含水量均在60%左右，考虑到土样运输、养护过程中水分的损失，实际含水量应大于试验测试值； 孔隙比均大于1.5，各片区最大孔隙比均在2.0左右，从一定程度上说明土体具有较强的结构性，其中又属漳湾片区最高，平均值为1.67； 从塑性图(图 2)中可以看到，环三都澳各区软土均属高液限黏土，其液限与塑性指数对应点落于PI=0.73(LL-20)与PI=0.9(LL-8)两线之间，漳湾片区液限、塑限均属于最高值。

图 2 塑性图Fig. 2 Plasticity chart

图 3 漳湾、后湾、飞鸾片区典型扫描电镜图像Fig. 3 Typical scanning electron microscopic images of marine soft clay at Zhangwan， Houwan and Feiluan zones

特别值得关注的是比表面积值，各区平均比表面积在300m2·g-1左右，国内软黏土的比表面积大多在100m2·g-1以内，符合国内外大量统计数据得到的液限与比表面积的关系(Deng et al.，2019)：

1/LL=1.83/SSA+0.004

(1)

式中：LL为土体液限(%)；SSA为土样比表面积(m2·g-1)。

宁德软黏土根据该比表面积计算的液限范围应在95.8%～120.5%的范围内，明显大于室内试验获得液限53.3%～75.5%； 换而言之，根据国内外软土获得的比表面积与液限间反算比表面积发现宁德软土明显偏大。土体颗粒比表面积测试通常采用液体吸附法和气体吸附法，其中利用极性液体乙二醇乙醚或亚甲基蓝进行测试得到了广泛应用。本文测试比表面积所采用的试剂是亚甲基蓝溶液，宁德黏土体中含有大量的硅藻遗骸，硅藻外表面及结构内部的硅羟基具有一定的活性和负电性，从而使之具备了很强的吸附性，最终表现为极大的比表面积值。经查阅相关资料发现，本文中比表面积与张永双(2012)对云南腾冲芒棒盆地膨胀性硅藻土利用乙二醇乙醚吸附法测得的比表面积值相近，均在300m2·g-1左右，同时两地SiO2含量也较为相近。不同的是，腾冲淤泥质硅藻土主要产于芒棒组(N2m)湖相地层中，由于土体不同的沉积环境、沉积后温度和硅藻种类，使得土体颗粒的比表面积有所差异。

将土样冻干粉碎，根据规范《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X衍射分析方法SY/T 5163-2010》利用X射线衍射仪 Ultima Ⅳ进行X射线衍射试验，可测定其中黏土与非黏土矿物种类与含量，同时利用扫描电镜观察其微观结构。相应结果如表 3和图 3所示。

表 3 3个片区矿物相对含量Table 3 Relative mineral contents in three zones

整体来看，全矿非黏土矿物中占比最大为石英，黏土矿物占20%～30%，其中伊蒙混层矿物为主要成分，相对含量在32%～60%，混层比基本高于50%。伊蒙混层黏土矿物是蒙脱石伊利石化的中间产物(任磊夫， 1992)， 50%混层比体现了沉积后阶段相对温和的环境。横向对比3个片区可以发现，漳湾片区伊利石、绿泥石比例基本略高。绿泥石作为一种初期风化阶段的层状硅铝酸盐矿物，相对较高的占比得益于温凉的北温带滨海内湾环境。少量黄铁矿的存在可能主要来自于山间溪流带来的火成岩陆源物质。

从扫描电镜图片中可以看出，不同观察角度下的硅藻呈现出筛管状、棒状、圆盘状及破碎状，观测到的硅藻表面孔隙直径为0.3～3μm，孔隙形状呈近圆柱和立方体。硅藻残骸在黏土矿物中数量众多却分布散乱，大量硅藻残骸集中堆积的情况较少见，破碎态的硅藻占比很高。

图 4 3个片区土样的代表性压缩曲线Fig. 4 Typical compression curves in three zones

图 5 飞鸾K6/K7土样及后湾K11/K12土样莫尔应力圆和强度破坏包线Fig. 5 Mohr’s stress circles and strength envelopes of Feiluan samples K6K7 and Houwan samples K11 and K12

由于硅藻土沉积需要较稳定的湖相或海相环境，因此相较普通软黏土分布鲜见，导致以往对含硅藻软黏土的研究也较少。我国最早于1935年在山东省临朐县采集到上新世形成的灰白色硅藻土，后续在云南、浙江等地也发现了大量硅藻土，目前关于硅藻土的研究集中在工业应用领域，工程特性研究极为少见。例如国内首条穿过硅藻土地层的杭绍台铁路即面临众多关于硅藻土的未知问题，随着土工建设的不断发展，更多的硅藻土层带来的影响需要深入的研究。

3 宁德软黏土力学性质

室内基于《土工试验方法标准 GB/T 50123》进行原状样常规固结试验，起始荷载12.5 kPa，最终荷载为1600 kPa。将取自飞鸾、金后湾及漳湾的典型土样K4、K8、K20的一维固结压缩曲线列于图 4，3个片区的力学指标统计列于表 4。

表 4 3个片区力学指标统计表Table 4 StatisticalTables of mechanical indices for three zones

整体来看，3个片区土样压缩规律类似，均在100kPa左右时曲线进入直线段； 但与原位压缩曲线相比，上述3个区软土压缩曲线均表现为受较严重的扰动(取样(李高山等， 2019)，运输、开样和试验)，屈服点不明显，换而言之，该处软土具有较显著的灵敏性。后湾与漳湾区所取土样的e-lgP曲线重合度高，固结特性相近，经压缩固结后孔隙比相差不大。基于常规固结试验数据，可以反演计算得到土体的渗透系数k，具体如式(2)所示。

k=cvmvγw

(2)

式中：k为土体的渗透系数(m·s-1)；cv为土体固结系数(m2·s-1)；mv为土体体积压缩系数(kPa-1)；γw为水的容重(kN·m-3)。

设定围压为100kPa、200kPa、400kPa，开展三轴固结不排水剪切试验，得到部分土样的应力莫尔圆和强度包络线(图 5)。飞鸾区K6土样的黏聚力为14.7kPa，摩擦角为12.3°； K7土样的黏聚力为13.7kPa，摩擦角为8.4°； 后湾区K11土样的黏聚力为6.3kPa，摩擦角为11.6°，K12土样的黏聚力为11.1kPa，摩擦角为12.5°。

静力触探试验统计结果列于表 5。从表中可以看出，淤泥层下覆淤泥质土层的锥尖阻力和侧摩阻力均有提高，飞鸾区淤泥质土锥尖阻力约为淤泥的1.7倍，金后湾区这一比例约为2； 软土层锥尖阻力及侧壁摩阻力值总体较相近，平均值在0.35MPa和6.5kPa附近； 飞鸾软土厚度分布在11～21m，金后湾软土厚度为14～34m，漳湾软土厚度为9～18m。总体来看，金后湾软黏土明显更厚，这与飞鸾、漳湾两区距离山体、丘陵更近相关。

表 5 淤泥/淤泥质土层静力触探试验结果Table 5 Cone penetration test results of silt/silty soil layers

表 6 3个片区十字板剪切试验结果Table 6 Vane shear test results in three zones

静力触探结果较好地对应了地质调查的结果，反映出该区在第四纪全新世后期的地壳沉降过程中各沉积层的空间展布规律性较好，在纵向上沉积分层明显，在横向上层底标高相对稳定(陈元智等， 2002)； 软黏土层下分布有卵石层或粉质黏土层，基底岩性为晚中生代陆相酸、中酸性火山岩及燕山期花岗岩类。

3个片区分别布设5个十字板试验孔，在250m的进尺中进行剪切试验97点(原状土及重塑土)。从十字板剪切试验结果表 6可以看出，宁德软土灵敏度介于3～5，属中、高灵敏性黏土，原位强度为10～34kPa之间(漳湾片区偏低，在9～28kPa之间)，重塑土强度2～11kPa(漳湾片区偏低，在1.8～7.3kPa之间)。总体而言，重塑软黏土十字板强度与静力触探侧壁摩阻力相近。根据现场十字板获得的灵敏度在2.9～6.6之间。根据室内试验获得的前期屈服应力较自重应力有非常大的区别，表明了高灵敏度、强结构性，两者间的差距主要来自于十字板贯入过程中对原位土体的扰动以及取样、运输和试验过程中扰动。考虑扰动影响以及原位屈服应力修正，原位前期屈服应力将比目前获得的前期屈服应力高。图 6为3个片区软土在不同深度处土体平均强度与灵敏度对比，强度随深度呈正相关变化。考虑到十字板测试的精度，总体而言，3个片区软土的原状及扰动土强度较为相近，金后湾片区深层软土灵敏度总体偏高，其原因尚需进一步分析。

表 7 四地软土物理力学参数对比Table 7 Comparison of physical and mechanical parameters of four kinds of clays

图 6 3个片区不同深度十字板剪切强度与灵敏度对比Fig. 6 Comparison of vane shear strength and sensitivity with different depths in three zones

4 与其他典型海相软土对比

我国东南沿海普遍分布着深厚的第四系沉积软土层，软土一般具有含水量高、强度低、压缩性大、渗透性差等共性，但由于地理环境、气候条件、地质成因、物质成分及次生变化等因素，各地区软土的工程特性又不尽相同，具有区域性差异。

国内软土工程特性普遍较差，现实工程建设中常常面临着如软基处理等问题，通过对比研究可以进一步加深认识闽东北的宁德软土。本文对福州、连云港、宁波及宁德四地的海相软土进行了横向对比，相关工程参数对照如表 7所示(刘慧明， 2005； 刘用海， 2008； 邓永锋等， 2005， 2015)。

从地质环境与物质来源看，闽江作为福建省内最大的独流入海河流，起源于福建、江西交界，穿福州市区而过，汇入东海，因而其软土主要是第四纪晚更新世至全新世时期的河、海相沉积物(河南大学， 2001)，淤泥土含有石英、长石、生物碎屑及黄铁矿球体等，其硅藻碎屑呈轮胎型及蜂窝型； 连云港软土主要受控于黄河物源，是在第四纪新构造运动、河流作用和海侵地质作用下形成的以滨海沉积为主、冲海积、残坡积为辅的软土层； 宁波境内，奉化江及余姚江汇集为甬江后独流入海，其软土是第四纪早中期以陆相与海相交互形成的以滨海相为主、潟湖相为辅的沉积物，淤泥层中含粉细砂土层，平面上有所差异，垂向上具有明显的分选性； 宁德境内河流流量小，陆源物质相对较少，沉积环境稳定，海相沉积层厚度大，主要形成于第四纪多次海侵海退过程。从地质角度对比四地软土可以发现，连云港软土受控于古黄河夺淮入海所带来的黄土高原的物质，而其他3种软土由于境内河流均不属于长江或黄河的分支，因此受陆源物质影响相对较小，主要是滨海相沉积； 其中福州与宁德在物源上更为接近，但福州软土沉积受闽江作用更大。

从黏土矿物组成来看，宁德软土中发现了相当数量的以硅藻为主的微生物残骸，与此类似的是福州软土，其中也存在含量在10～20%的硅藻及2～5%的黄铁矿，组成上的相似性体现了两者受海相物源影响的一致性。福州软土中伊利石占比达50%～55%、高岭石占比达20%(林琛， 2000)，均显著高于宁德软土的相应矿物含量，体现了福州软土受陆源物质作用更大、沉积后环境温度更高的特点。相比福建省的两种软土，连云港及宁波软土中均未见明显的硅藻存在且以往对此的研究较少，据分析可能有以下两种原因：一是物质来源与沉积环境的差异，连云港及宁波软土均未能达到海相硅藻大量生存且进一步沉积保存的条件； 二是由于硅藻的化学成分主要是SiO2·nH2O，在成分测试中易与石英混淆，因而在含量相对较少的情况下容易被忽略。因此，对矿物成分的分析应结合当地具体地质情况、XRD及SEMEDS等多种手段。

硅藻壳体多具有蜂窝状孔隙，具备堆积密度小、比表面积大等特征。墨西哥软土、日本佐贺有明软土(Mesri et al.，1975； Hanzawa et al.，1990； Lomnitz， 1990； Dìaz et al.，1992；Tateishi， 1997； Hong et al.，1999)均因富含硅藻等微生物化石而使其天然含水量、塑性指数、渗透系数及灵敏度等土性指标显著高于其他软土，因此在这些地区产生的地基沉降问题更为严重。墨西哥软土沉积始于更新世后期，由火山灰细粒和火成细屑物经风和水运输汇聚并在硅藻等微生物作用下形成； 有明软土则是在长达数万年海水作用下沉积形成的海相软土。宁德环三都澳海相软土虽然在硅藻含量、液限、灵敏度等方面不及上述的典型海相灵敏性软土，但作为一般性软土和高灵敏性软土之间的存在，对工程建设和研究仍具有重要意义。

含硅藻质软黏土作为一种特殊土，广泛分布在东南沿海、陆架边缘，在施工过程中容易造成扰动失去强度，建筑建成之后经过一定的时间还会引起地基沉降的加重进而导致更为严重的地质灾害，需要深入研究。

5 结 论

(1)宁德海相软黏土主要形成于第四纪的多次海侵海退过程，影响显著的包括晚更新世海侵及全新世海侵。滨海相的沉积黏土中包含大量硅藻，这是与连云港软土等典型软土明显区别的特征。溪流与山间侏罗纪火成岩及燕山期花岗岩的接触为广泛分布的第四系海相沉积物带来了一定量的陆源物质，对其物质组成也发挥着作用； 颈小腹大的地形条件和众多的岛礁为现有的环澳区段提供了水动力条件相对较弱、优良的内湾环境，这是硅藻得以大量存在的外部条件。

(2)宁德海相软黏土大部分土样的含盐量分布在20～35g·L-1之间，Cl-浓度明显高于Na+，表明成陆后由于淡水侵蚀，发生了显著的离子交换、吸附以及黏土矿物中胶体淋溶； 同时过高的Cl-浓度将对地下结构的耐久性产生较大的影响。

(3)除具有沿海典型软土的高液限、高压缩性、低强度的特点，宁德海相软黏土中含有50%混层比的伊蒙混层矿物和大量的硅藻，蒙脱石族矿物是盐敏性矿物，随盐分减小，水膜层厚度增加，流变性增大； 对于该地区软土较大的比表面积、灵敏度和较强的结构性，在工程建设中应引起重视。