朱事業(yè)

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

珠海橫琴島環(huán)島西堤軟土工程特性分析

朱事業(yè)

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

在珠海市橫琴新區(qū)環(huán)島西堤工程地質(zhì)勘察資料收集整理基礎(chǔ)上，對(duì)沿線軟土分布、成因及物質(zhì)組成進(jìn)行說(shuō)明,對(duì)沿線102組原狀土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)，及原位十字板剪切試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，分析各基本物理力學(xué)指標(biāo)隨埋深不同的變化特征,提出對(duì)區(qū)內(nèi)建筑物進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)針對(duì)工程特點(diǎn)將深厚軟土層按其所表現(xiàn)的工程特性進(jìn)行分層處理;同時(shí)選取軟土物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)分層對(duì)待，才更為可靠、合理。

軟土;沉積分布;基本物理力學(xué)指標(biāo);工程特性;工程地質(zhì)分層

橫琴島位于珠海市陸域東南部，毗鄰港澳。從地貌形態(tài)可分北部小橫琴山(山頂高程194 m)北丘陵區(qū)及填海地、圍墾地；中部大、小橫琴山之間區(qū)域，即中心溝圍墾區(qū)及填海地、灘涂；南部大橫琴山(山頂高程457.7 m)以南丘陵區(qū)、平地、灘涂河水域。山體巖性為燕山期(γ)花崗巖。填海地、圍墾地及灘涂地地層則廣泛分布著濱海相沉積(Qmc)的軟土地層[1]。橫琴島是繼上海浦東新區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)之后，第三個(gè)由國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的國(guó)家級(jí)新區(qū)。因橫琴新區(qū)四周皆有水道，防洪海堤則是橫琴新區(qū)建設(shè)發(fā)展的重要屏障。環(huán)島西堤是橫琴新區(qū)環(huán)島海堤的重要組成部分，主要任務(wù)是擋潮、排水，兼顧市政交通、改善水環(huán)境和生態(tài)景觀。

據(jù)勘察資料，擬建的環(huán)島西堤沿線堤基巖土層以深厚淤泥、淤泥質(zhì)土為主。巖土有地域性的特點(diǎn)，其性質(zhì)隨位置而改變。不僅不同場(chǎng)地巖土性能不同，即使同一場(chǎng)和同一層土，其性質(zhì)也不相同[2]。因此，為解決巖土工程設(shè)計(jì)的任務(wù)，不得不通過(guò)一些數(shù)理統(tǒng)計(jì)的手段，對(duì)巖土體進(jìn)行工程地質(zhì)分層[3-4]。

1 分布及物質(zhì)組成

橫琴島位于磨刀門出海口的東北側(cè)，為淺海環(huán)境下的古海灣，孤立海島分布其間，隨著時(shí)間的推移，大量泥沙不斷淤積，淺灘逐漸升高，岸線向南推進(jìn)，孤島與平原相連，形成現(xiàn)今軟土淤積平原與低山丘陵相間分布的地貌形態(tài)。據(jù)黃鎮(zhèn)國(guó)等人所著《珠江三角洲形成發(fā)育演變》[5]中記錄：該區(qū)軟土沉積屬新三角洲相，主要沉積物由距今五六千年以來(lái)的第四系物質(zhì)組成；而表層3～5 m的沉積物則是2 500年以來(lái)沉積而成。軟土在平面方向的分布特點(diǎn)：水域側(cè)裸露地表，島陸內(nèi)被表層填土覆蓋，呈單層或多層的沉積結(jié)構(gòu)。

環(huán)島西堤全長(zhǎng)約7 km，沿線軟土的地質(zhì)描述：水域范圍表層軟土為流塑狀浮泥，隨埋深增加則是灰黑色淤泥、淤泥質(zhì)土，流塑—軟塑狀過(guò)渡，偶見(jiàn)夾薄層狀淤泥質(zhì)粉砂，味臭。揭露層厚1～40余米，在近山處層薄，一般<5 m，下伏硬土層起伏大，以花崗巖風(fēng)化土或基巖為主；其余區(qū)段以層厚>20 m為主，下伏硬土層起伏平緩，以黃褐色黏土、泥質(zhì)砂礫等為主。本文選取102組軟土原狀樣,分析其顆粒組成(圖1),發(fā)現(xiàn)軟土顆粒以膠粒和黏粒(約占55%)為主，其次是直徑為0.005～0.05 mm的粉粒(約占44%)，基本不含砂粒;其微觀結(jié)構(gòu)主要為蜂窩狀結(jié)構(gòu)、海綿狀結(jié)構(gòu)及凝塊狀結(jié)構(gòu)三種類型[6-7]。

2 基本物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)沉積規(guī)律，同一場(chǎng)區(qū)、同一沉積時(shí)期的沉積物，其沉積層理、物質(zhì)組成相近，在水平方向上同一沉積層序的地層應(yīng)具備相似的工程特性；但因原始地貌起伏，使得沉積厚度、埋藏深度、有機(jī)物含量等在垂直方向上存在較大差異，不同埋深的地層所具備不同的工程特性。本文參照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[8]的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)環(huán)島西堤軟土層各基本物理力學(xué)指標(biāo)隨埋深不同的變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)值有效性判別依據(jù)式(1)進(jìn)行，若不滿足式(1)則判別為異常值，不參與統(tǒng)計(jì)分析。

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(1)

圖1 顆粒篩分曲線圖Fig.1 The particle sieving curve diagram

2.1 天然含水率(w)、天然孔隙比(e)

樣本總數(shù)為102組，天然含水率取值范圍為36.7%～92.4%。圖2為天然含水率隨埋深變化的曲線圖，從圖可知在0～17 m埋深的軟土含水率最高，平均值59.1%～64.5%；>17 m埋深的含水率值逐漸降低。天然含水率隨埋深變化的特征表現(xiàn)為：<10 m埋深的軟土含水率起伏變化;10～17 m埋深的軟土含水率值穩(wěn)定，較表層軟土有升高，值最大；>17 m埋深的軟土含水率逐步降低。

圖2 天然含水率隨深度變化曲線圖Fig.2 The natural water content with depth curve

與含水率相同統(tǒng)計(jì)樣本，天然孔隙比取值范圍為1.043～2.471。圖3為天然孔隙比隨埋深不同的曲線圖，從圖可知深度在0～17 m范圍內(nèi)孔隙比較大，平均取值范圍在1.65～1.793。因天然孔隙比與天然含水率具有線性相關(guān)性[9]，隨埋深不同表現(xiàn)出與天然含水率相似的變化特征。天然含水率和孔隙比隨深度變化的規(guī)律，可由軟土的壓密特性分析得出[10]：隨埋深增加，上覆土壓力增大，使得土孔隙比降低，孔隙水排出，天然含水率降低。

圖3 天然孔隙比隨深度變化曲線圖Fig.3 The natural pore ratio varies with depth curve

依據(jù)國(guó)標(biāo)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[11]中規(guī)定，將w>wL，e>1.5的土稱為淤泥；w>wL，1.025 m的軟土以淤泥質(zhì)土為主。另外統(tǒng)計(jì)了67組原狀土樣所得有機(jī)質(zhì)測(cè)試成果，有機(jī)質(zhì)含量<5%，沿線軟土以無(wú)機(jī)土為主。

2.2 壓縮特性

壓縮性指標(biāo)是建筑物地基沉降計(jì)算的重要參數(shù)。根據(jù)天然含水率、天然孔隙比隨深度變化的特征，及有機(jī)質(zhì)測(cè)定成果，首先將本區(qū)深厚軟土劃分為兩大類：埋深<25 m的淤泥，埋深>25 m的淤泥質(zhì)土。將102組原狀樣的壓縮試驗(yàn)成果，繪制不同埋深的e-p曲線(圖4)、壓縮系數(shù)(αv)隨深度變化曲線(圖5)。

圖4 不同深度土樣e-p曲線圖Fig.4 The different depths of soil sample e-p curve

圖5 不同深度土樣αv-p曲線圖Fig.5 The different depths of soil sample αv-p curve

對(duì)所有樣本的壓縮系數(shù)值α1-2統(tǒng)計(jì)，取值范圍為0.8～2.3，樣本均屬高壓縮性土。孔隙比隨固結(jié)壓力增加而減小，在0～200 kPa的范圍內(nèi)，曲線斜率較大，之后較緩(圖4-圖5)。在埋深<25 m的淤泥曲線斜率大，埋深>30 m的曲線斜最小，埋深介于25～30 m的曲線斜率中等(圖4)。壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力增加而減小，在<25 m的淤泥曲線斜率大，埋深>30 m的曲線斜率最小，埋深介于25～30 m的曲線斜率中等(圖5)。

2.3 軟土的固結(jié)特性

固結(jié)系數(shù)(Cv)是表征土固結(jié)快慢的一個(gè)重要參數(shù)，值越大則沉降速度越大，固結(jié)完成所需的時(shí)間越短。固結(jié)系數(shù)受到固結(jié)狀態(tài)、固結(jié)壓力影響，在微觀上反映的是孔隙中水的排出速度以及孔隙的壓縮過(guò)程，宏觀上則反映土的沉降速度。圖6、圖7為同一固結(jié)壓力下垂直、水平固結(jié)系數(shù)(時(shí)間平方根法)隨深度變化特征圖，其具有如下特征：同等應(yīng)力下，水平向固結(jié)系數(shù)一般較垂直向固結(jié)系數(shù)大；埋深<11 m的土，表現(xiàn)出同一埋深垂直、水平固結(jié)系數(shù)隨壓力增加值變大的趨勢(shì)；P>100 kPa固結(jié)系數(shù)隨著壓力增加，變幅??；P≤100 kPa固結(jié)系數(shù)隨著壓力增加，變幅大，最終隨埋深增加趨于穩(wěn)定；埋深在15～18 m、22～25 m的軟土，其垂直、水平固結(jié)系數(shù)出現(xiàn)兩個(gè)峰值區(qū)間。

圖6 各級(jí)壓力下垂直向固結(jié)系數(shù)隨深度變化曲線Fig.6 Variation depth curves of vertical consolidation coefficient under pressure

圖7 各級(jí)壓力下水平向固結(jié)系數(shù)隨深度變化曲線Fig.7 Variation depth curves of horizontal consolidation coefficient under pressure

由軟土的沉積成因及顆粒組成可解釋以上特點(diǎn)：因軟土沉積的層序性，使得水平向透水比垂直向透水較大，固結(jié)較快。埋深較淺的土，多屬于欠固結(jié)土，當(dāng)固結(jié)壓力大于先期固結(jié)應(yīng)力時(shí)，軟土固結(jié)不僅是孔隙壓縮、孔隙水排出，同時(shí)伴隨有結(jié)構(gòu)重新排列以及結(jié)合水的析出;當(dāng)固結(jié)壓力小于先期固結(jié)應(yīng)力的固結(jié)初始階段時(shí)，軟土固結(jié)主要為孔隙水及空氣排出，且隨著壓力增加，孔隙水及空氣排出越快，固結(jié)最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 原位十字板剪切試驗(yàn)成果

在沿線范圍內(nèi)均勻布置9個(gè)原位十字板剪切試驗(yàn)孔，測(cè)試點(diǎn)間距1 m。圖8-圖10為軟土的不排水抗剪峰值強(qiáng)度(Cu)、重塑土強(qiáng)度(Cu′)和靈敏度(St)隨埋深的變化曲線。由圖8、圖9知：在深度<10 m的范圍內(nèi)，峰值強(qiáng)度、重塑土強(qiáng)度最低，且強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，按照Daccal 方法進(jìn)行修正后的長(zhǎng)期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為8.9 kPa；在深度10～20 m范圍內(nèi)，強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，按照Daccal 方法進(jìn)行修正后的長(zhǎng)期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為15.3 kPa；在深度>20 m范圍內(nèi)，強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，按照Daccal 方法進(jìn)行修正后的長(zhǎng)期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為22.3 kPa。由圖10可知：場(chǎng)區(qū)軟土以低靈敏土為主，結(jié)構(gòu)性不強(qiáng)。

圖8 十字板剪切峰值強(qiáng)度隨深度的變化曲線Fig.8 The depth curve of cross plate shear peak strength

圖9 十字板剪切重塑土強(qiáng)度隨深度的變化曲線Fig.9 The depth curve of cross plate shear remoulded soil strength

原位十字板試驗(yàn)結(jié)果隨深度變化的特征，可由土壓密理論及沉積規(guī)律解釋：隨軟土埋深增加，孔隙比降低，天然含水率降低[12]，下部土體固結(jié)較上部土體更充分，其天然抗剪強(qiáng)度有所增加。

2.5 飽和快剪試驗(yàn)成果

飽和快剪試驗(yàn)是當(dāng)前室內(nèi)快捷測(cè)定原狀土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的一種試驗(yàn)方法。其測(cè)定的原狀土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(cQ、ΦQ)，可較為直觀地反映出土的力學(xué)強(qiáng)度特性。圖11、圖12分別是本文選取4個(gè)具有代表性的鉆孔中不同埋深軟土層的原狀樣飽和快剪指標(biāo)隨埋深的變化曲線。

圖10 靈敏度隨深度的變化曲線Fig.10 The sensitivity with depth curve

圖11 飽和快剪強(qiáng)度cQ隨埋深變化曲線Fig.11 Saturation and fast shear strength cQ with buried depth curve

圖12 飽和快剪強(qiáng)度ΦQ隨埋深變化曲線Fig.12 Saturation and fast shear strength ΦQ with buried depth curve

由圖11、圖12知，飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨埋深變化的規(guī)律不明顯,這與現(xiàn)場(chǎng)原位十字板試驗(yàn)表現(xiàn)出的變化規(guī)律不一致。原因可能為：軟土層的含水量高、孔隙比大，即使嚴(yán)格按照取樣規(guī)程取樣，在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中做足了防護(hù)措施，也難免使得原狀軟土在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)已成為了擾動(dòng)土，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)已不能準(zhǔn)確代表原位土的物理力學(xué)特性。

3 分層及物理力學(xué)參數(shù)選取

環(huán)島西堤為堤防工程，堤身由砂土料填筑，可自由適應(yīng)堤基土變形,堤身填筑期以堤基土不發(fā)生失穩(wěn)破壞為控制標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)堤防工程的特點(diǎn)及軟土物理力學(xué)特性，并綜合考慮水工設(shè)計(jì)計(jì)算的實(shí)用性，將環(huán)島西堤堤基深厚軟土層進(jìn)行分層，各層次劃分如下：

(1) 2-1層埋深0～4 m，以表層浮泥為主，主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探取芯特征及地表測(cè)繪得出。

(2) 2-2層埋深4～11 m，為淤泥，其物理指標(biāo)值在一定區(qū)間變動(dòng),原位十字板剪切試驗(yàn)測(cè)得其天然土體抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。

(3) 2-3層埋深11～17 m，為淤泥，其物理指標(biāo)離散性小,原位十字板剪切試驗(yàn)測(cè)得其天然土體抗剪強(qiáng)度呈振蕩型快速增長(zhǎng)。

(4) 2-4層埋深17～25 m，為淤泥，其天然含水率、天然孔隙比隨埋深有所降低,原位十字板剪切試驗(yàn)測(cè)得其天然土體抗剪強(qiáng)度呈振蕩型緩慢增長(zhǎng)。

(5) 2-5層埋深>25 m，為淤泥質(zhì)黏土，對(duì)該工程的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算影響不大。

綜上所述，對(duì)深厚軟土層進(jìn)行工程地質(zhì)分層，分層統(tǒng)計(jì)提出主要物理力學(xué)建議值見(jiàn)表1[13-14]。對(duì)比表1的分層統(tǒng)計(jì)值與102組原狀樣的試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)值，分層統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值離散性小，符合土層沉積規(guī)律特征;同時(shí)也反映出巖土材料的多樣性特征，便于設(shè)計(jì)計(jì)算，指標(biāo)選取更符合實(shí)際。

表1 珠海橫琴環(huán)島西堤軟土層主要物理力學(xué)指標(biāo)分層建議值表Table 1 The main physical and mechanical indicators of soft soil layered recommended table of West Bund around Hengqin Island in Zhuhai

說(shuō)明：表1中物理指標(biāo)提出為分層的平均值，力學(xué)指標(biāo)為分層的標(biāo)準(zhǔn)值；2-1層所取原狀樣的室內(nèi)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性大，無(wú)法常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析。

4 結(jié)論

(1) 沿環(huán)島西堤線路除山體區(qū)域外，軟土皆有分布，層厚5～40余米。軟土顆粒組成以膠粒和黏粒(約占55%)為主，其次是顆粒直徑0.005～0.05 mm的粉粒(約占44%)，基本不含砂粒。整體沉積過(guò)程，處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

(2) 沿線軟土天然含水率、天然孔隙比隨埋深增大，值變小。不同埋深的軟土層壓縮曲線特征不同，埋深10～25 m的軟土壓縮曲線斜率最大。水平向固結(jié)系數(shù)一般較垂直向大,埋深較淺的土，固結(jié)過(guò)程不僅是孔隙壓縮、孔隙水排出，還伴隨有結(jié)構(gòu)重新排列以及結(jié)合水的析出。

(3) 對(duì)環(huán)島西堤軟土層的一些基本物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：對(duì)區(qū)內(nèi)建筑物進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)針對(duì)工程特點(diǎn)，在充分分析軟土層各物理力學(xué)參數(shù)隨埋深的不同而發(fā)生變化，對(duì)深厚土層分層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使選取的物理力學(xué)參數(shù)更為可靠、合理。因軟土樣在取樣、運(yùn)輸保存及制樣時(shí)擾動(dòng)的可能性較大，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選用以原位十字板剪切試驗(yàn)的成果更為合適。

[1] 林奕禧,艾康洪,黃良機(jī).珠海地區(qū)軟土的工程特性及工程建設(shè)問(wèn)題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(z2):3373-3376.

[2] 顧寶和.關(guān)于《巖土工程勘察規(guī)范》的幾個(gè)問(wèn)題[J].工程勘察,1995(5):1-4.

[3] 陳曉平,黃國(guó)怡,梁志松.珠江三角洲軟土特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003，22(1):137-141.

[4] 彭衛(wèi)平.巖土工程參數(shù)分析評(píng)價(jià)[J].技術(shù)交流,2005(4):38-40.

[5] 黃振國(guó).珠江三角洲形成發(fā)育演變[M].廣州:科學(xué)普及出版社廣州分社，1982.

[6] 房后國(guó),劉聘會(huì),袁志剛.海積軟土固結(jié)過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化特征分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2007(2):49-56.

[7] 王婧.珠海軟土固結(jié)性質(zhì)的宏微觀試驗(yàn)及機(jī)理分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

[8] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.巖土工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB 50021—2001(2009版)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[9] 李小勇，謝康和，虞顏.土性指標(biāo)相關(guān)距離形狀的研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003，36(8)：91-108.

[10] B.A.弗洛林.土力學(xué)原理[M].北京:中國(guó)工業(yè)出版社，1973.

[11] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50007—2011[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[12] 彭立才，溫勇，楊光華,等.珠海橫琴新區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析[J].廣東水利水電,2016(4)：29-32.

[13] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程:JGJ 83—2011[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[14] 廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范:DBJ 15-31-2016[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

(責(zé)任編輯：費(fèi)雯麗)

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

朱事業(yè)(1987-)，男，工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，從事水利水電工程地質(zhì)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

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170731.1703.002.html 數(shù)字出版日期:2017-07-31 17:03