天津滨海海相软土成因及物理力学指标分析

刘芙荣，胡剑峰

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 概述

我国沿海地区经济发展迅速，许多城市基础设施建设(如机场、码头、高层建筑)等如雨后春笋般快速发展。而沿海地区多涉及全新世海相沉积软土层，厚度几米至几十米不等，因此了解和掌握软土的工程特性，具有重要的理论意义和工程实用价值。天津滨海新区是北方对外开放的门户，地处华北平原东北部，属海积冲积平原区。浅层海相软土主要由淤泥和淤泥质黏土组成，具有结构疏松、孔隙比大、含水率高和强度低等特点，准确认识其工程性质对工程建设至关重要，对其物理力学指标的分析和比较更是每一个工程项目勘察和设计中必不可少的环节。本文即以天津滨海新区的浅层海相软土为研究对象，开展了物性试验以及直接剪切、单向压缩、固结不排水(CU)剪切等力学试验，对比分析了软土物性指标以及力学指标，为软土地基的设计计算提供依据[1-5]。

2 成因类型

天津陆地经历过“沧海桑田”的变化，是在漫长的历史时期海退陆进逐步形成的。近代的六次海侵作用，使第四纪地层具有明显的海陆交互相沉积特征，且全新世以来古黄河曾经历3次改道，致使软土分布范围广、成因复杂，包括海相沉积、泻湖相沉积、河流冲积、三角洲沉积等。其中，海相软土相较于其他成因软土，分布广、厚度大，为滨海新区浅基础的常见软弱下卧层，也是导致工程事故多发的不良地质要素之一。

滨海新区海相软土形成于距今约8000年～4000年前的全新世中期最后一次海侵作用下，岩性主要由淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土组成。受海相沉积环境影响，海相软土呈灰色，层理明显，常呈千层饼状，有机质含量较高，富含贝壳碎屑，因粒间存在一定连结强度而具有显著结构性[6]。

3 物理力学性质

3.1 物理力学指标特征

本试验土样取自天津滨海新区某工地，埋深10 m～15 m左右，层顶高程-7.00 m～-12.00 m。土样呈灰色、软塑～流塑状，含贝壳、切面光滑、韧性高。主要试验指标包括天然含水量w、土粒比重Gs、重度γ、干重度γd、饱和度Sr、孔隙比e、液限WL、塑限WP、压缩系数α1-2、压缩模量Es、黏聚力c、内摩擦角φ等，并进行统计分析，其结果如表1所示。

表1 滨海新区海相软土物理指标统计表

根据以上物理指标，可知滨海新区软土具有以下物理性质：

1)含水量高。软土的天然含水量31.5%～56.8%，平均含水量43.2%，饱和度高，Sr平均值97.4%。这主要是由于海相软土中淤泥质黏土以及淤泥质粉质黏土中黏粒含量较高，增加了保水性。

2)干密度小。软土的干密度为1.08 g/cm3～1.44 g/cm3，平均值为1.24 g/cm3。意味着单位体积内，土体颗粒较少，颗粒咬合不紧密，分子间作用力较弱。

3)孔隙比大。孔隙比平均值1.223，这与海相软土的沉积环境有关，在静水或缓慢水流的作用下形成土体多具有疏松多孔状结构，孔隙比较大。

4)液性指数大。液限平均值42.8%，小于含水率，液性指数平均值1.10，土体多呈软塑～流塑状。

5)渗透性差。渗透系数为1.00E-08～2.52E-06，属于微～极微透水。说明土的颗粒成分以细颗粒为主，矿物成分以亲水矿物为主，扩散层水膜厚，渗透系数小，所以软土上建筑物的沉降过程缓慢，但总体沉降量较大。

土体的主要力学指标见表2。

根据以上力学指标，可知滨海新区软土具有以下力学性质：

1)压缩性高。软土的压缩系数均值0.87 MPa-1，压缩模量均值2.6 MPa，属于高压缩性软土，受压后沉降量较大。滨海新区海相软土多属于欠固结土，其高含水量及低渗透性特性说明土体不易压密。2)抗剪强度低。黏聚力一般在6.8 kPa～25.0 kPa，摩擦角平均值2.0°。这主要与海相软土的欠固结状态及排水条件差有关，在外力作用下，孔隙水不能及时排出，导致孔隙水上升、有效应力降低。这也是影响边坡失稳和地基承载力的主要原因。从变异系数判断，物理指标变异性多为小～很小，说明物理指标离散型较小；相较之下，力学指标如黏聚力和内摩擦角，变异系数较大，数据离散性大，在工程中应该根据勘察报告，充分考虑参数的变异特性进行选取。

表2 滨海新区海相软土力学指标统计表

3.2 物理力学指标统计关系

在岩土工程理论研究和工程设计中，各物理力学指标间存在一定的相关性，并不相互独立，深入研究和分析各参数的相互关系，并建立参数间的相关关系式，建立工程区的经验公式，对工程勘察和设计具有实际应用价值。

3.2.1 天然含水量和孔隙比的关系

当土体饱和时，软土中孔隙基本被孔隙水充满，因此孔隙比越大，含水量越大，饱和土体天然含水量和孔隙比应具有线性关系。图1为天津滨海软土含水量与孔隙比的关系曲线。含水量与孔隙比线性拟合程度较高，线性关系式为e=0.028w+0.051，相关系数R2=0.956 5，说明相关性显著。

3.2.2 密度和孔隙比的关系

孔隙比越大，密度越小。图2为天津滨海软土密度与孔隙比的关系曲线，拟合关系式为ρ=0.151 4e2-0.707e+2.41，相关系数R2=0.946 6，表明相关性显著。

3.2.3 塑性指数和孔隙比的关系

塑性指数大的土含黏粒量高，保水性好，水膜比较厚，土颗粒较小。同时塑性指数大的土体形成絮状结构往往有较大孔隙比。图3为塑性指数与孔隙比的关系。由图3可知，塑性指数与孔隙比呈正相关，但线性拟合程度一般，线性关系式为IP=16.914e-0.158，相关系数R2=0.420 5。

3.2.4 压缩系数和孔隙比的关系

压缩系数是表征土体压缩性的重要指标之一。图4表示压缩系数与孔隙比的关系。从图4中实测数据点可以看出压缩系数和孔隙比之间呈线性正相关，线性拟合程度较好，线性关系式为av1-2=1.058e-0.453，相关系数R2=0.803 8。

3.2.5 压缩模量和孔隙比的关系

图5表示压缩模量与孔隙比的关系。压缩模量与孔隙比相关性拟合关系式为ES1-2=3.111e-0.935，相关系数为R2=0.797 5，表明相关度较好。

上述成果中天然含水量、密度与孔隙比的相关性显著，相关系数R2均在0.94以上。压缩系数、压缩模量与孔隙比的相关性较好，相关系数R2在0.80左右。塑性指数和孔隙比的相关性一般，相关系数R2仅为0.420 5。

另外，含水量、密度、压缩系数、压缩模量与孔隙比的关系与郭林坪等[7]对天津滨海新区黏性土物理力学指标的相关性研究中的结论是较相近的(w=38.172e-3.353，ρ=0.146e2-0.686e+2.378，av1-2=1.119e-0.494，ES1-2=3.514e-1.242)。因此本文中含水量、密度、压缩系数、压缩模量与孔隙比的拟合关系式可考虑用在滨海新区软土指标的预测上，供工程应用参考。

4 结语

1)天津市滨海新区浅层软土分布范围广、厚度达，具有含水量高、干密度小、孔隙比大、液性指数小、渗透性差、压缩性高、抗剪强度低的特点。

2)天津市滨海新区浅层软土的一些物理力学指标间存在一定的相关性，天然含水量、密度与孔隙比的相关性显著。压缩系数、压缩模量与孔隙比的相关性较好。塑性指数和孔隙比的相关性一般。各参数之间的关系方程的建立，对计算中指标的选取有一定的参考作用，亦可用在软土指标的预测上，供工程应用参考。