王 雙，嚴(yán)學(xué)新，揭 江，羅煒宇，王紅珊，楊天亮，吳建中

（1. 廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)，廣東·湛江 524033；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072；3. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

珠江三角洲平原區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，既是人口密度較高的區(qū)域，也是中國南部的經(jīng)濟(jì)和金融中心。改革開放以來，充分發(fā)揮毗鄰港澳的獨(dú)特區(qū)位優(yōu)勢(shì)、信息優(yōu)勢(shì)以及華僑眾多的人文優(yōu)勢(shì)，工業(yè)及城市化發(fā)展迅速，人類經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)對(duì)環(huán)境地質(zhì)的作用和相互影響越來越大，其中地面沉降是區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)災(zāi)害之一。地面沉降具有多種起因[1]，在不同地區(qū)其主導(dǎo)因素不同。珠江三角洲平原為松散沉積物堆積平原，受人類工程活動(dòng)及天然固結(jié)等作用的影響，部分地區(qū)已出現(xiàn)了嚴(yán)重地面沉降，導(dǎo)致房屋、公路、橋梁、水利設(shè)施、堤圍、地下管網(wǎng)設(shè)施等不同程度的破壞，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。我國珠三角平原區(qū)分布有大面積的軟土，且分布厚度相對(duì)較大[2]。其軟土以海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土為主，其次為泥炭土、淤泥質(zhì)砂、含炭化植物碎屑和貝殼碎片等。軟土的低強(qiáng)度高壓縮性特點(diǎn)使軟土地基在各種荷載作用下特別容易發(fā)生沉降變形，給工程建設(shè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于軟土沉降的研究越來越受到重視[3]。以往工作中，未對(duì)軟土與沉降速率的關(guān)系進(jìn)行定量分析，本文據(jù)此作相關(guān)研究。

1 珠三角平原區(qū)軟土基本特征

1.1 軟土分布特點(diǎn)

在軟弱類土中，由淤泥、淤泥質(zhì)土組成的軟土在珠三角平原區(qū)內(nèi)相對(duì)分布最廣、厚度最大，且根據(jù)不同時(shí)代劃分為第一、二、三軟土層，軟土大面積分布于廣州市以南的廣大平原區(qū)，總面積約5 969 km2，占全區(qū)（面積11 681 km2）陸地總面積的51.1%[4]。在珠海、中山、廣州南沙一帶重點(diǎn)沉降區(qū)內(nèi)，軟土的總厚度一般在5.00~35.00 m之間，最厚達(dá)47.20 m，層底埋深5.00~41.70m，標(biāo)高一般-43.80~5.40m。區(qū)內(nèi)軟土厚度以18.50~35.50m為主，8.50~18.50m次之，再次分別為3.50~8.50m、小于1.50m、1.50~3.50m，厚度大于35.50m范圍最?。ū?、圖1）。

表1 珠三角平原區(qū)軟土厚度分布情況Table 1 The distribution of soft soil thickness in the Pearl River delta plain

三角洲頂端和中部以第一層和第二層軟土為主，三角洲前緣局部地段三層軟土均有分布，濱海平原區(qū)則以第一層、第二層軟土為主；總體上來說，第一層、第二層軟土在三角洲區(qū)分布廣泛，第三層分布不連續(xù)，僅局部揭露。在垂直方向上，軟土厚度分布情況為越靠近丘陵臺(tái)地其厚度越小，越靠近河流、海濱，其厚度越大；軟土厚度變化總體由前期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的基底控制；第一軟土層分布最廣、厚度最大，第二軟土層次之，第三軟土層最?。▓D2）。其中：第一軟土層，頂板埋深0~11.40m，底板埋深5.00~38.00m，底板標(biāo)高-35.00~5.40m，厚度一般2.00~36.00m，最厚達(dá)47.20m（珠海金灣高爾夫球場(chǎng)）；第二軟土層，頂板埋深4.60~38.08m，底板埋深9.00~41.70m，厚度一般1.10~21.10m，最厚達(dá)34.60m；第三軟土層，頂板埋深38.00~60.10m，沉積底板埋深45.90~62.80m，厚度一般2.70~4.50m，最厚達(dá)20.40m，僅在中山市三角鎮(zhèn)結(jié)民圩、建軍圍、金灣高爾夫球場(chǎng)等局部地段揭露。區(qū)內(nèi)軟土形成較晚，厚度大，多為現(xiàn)代沉積物。第三軟土層與第二軟土層分層界線清晰明顯，第二軟土層與第一軟土層界線則不甚明顯，局部相連。據(jù)調(diào)查資料分析，區(qū)內(nèi)北部以雙層軟土為主，南部則以單層為主。第二軟土層在北部以淺埋為主，中南部以中深埋為主，南部以深埋為主。

圖1 珠三角主要沉降區(qū)軟土厚度分布圖Fig.1 Distribution of soft soil thickness in the main settlement area of the Pear River Delta

1.2 軟土多層分布的成因

珠三角平原區(qū)的軟土在垂直方向、水平方向上的分布規(guī)律皆與三角洲海侵次數(shù)、范圍與延續(xù)時(shí)間密切相關(guān)，其分布范圍與各時(shí)期海侵也基本一致，厚度變化大，不少地方缺失，頂板埋深差別大，厚度變化自老至新表現(xiàn)為不穩(wěn)定至穩(wěn)定。全新世時(shí)期，珠江三角洲地區(qū)經(jīng)歷二次較大的海侵，這兩次海侵范圍遍布全區(qū)，因而在全區(qū)范圍內(nèi)沉積了較厚和較穩(wěn)定的淤泥層；因近代海侵后海水并未全部退出全區(qū)或海退歷時(shí)較短，緊接又進(jìn)行了第三次海侵，使得這二層淤泥在三角洲前緣常為連續(xù)沉積，彼此沒有明顯的分層標(biāo)志。在現(xiàn)代期，三角洲前半部可能還有數(shù)次規(guī)模較小、歷時(shí)短的海侵與海退，因而在第一層淤泥中還常常夾薄層的雜色黏土。

圖2 珠三角典型軟土剖面圖Fig.2 Section of typical soft soil in Pearl River Delta

1.3 軟土物理力學(xué)性質(zhì)

區(qū)內(nèi)軟土的形成時(shí)代只有40000a左右[5]，三層軟土的成分下雜上純且較穩(wěn)定，力學(xué)強(qiáng)度隨深度增加而提高。由于沉積年代新、質(zhì)純且夾層少、孔隙比大、含水量高、壓縮系數(shù)大的軟土層，孔隙水壓力易于降低和易產(chǎn)生壓縮，因此其力學(xué)強(qiáng)度低。據(jù)金灣高爾夫球場(chǎng)別墅區(qū)鉆探、測(cè)年及原位測(cè)試資料，軟土隨深度增大年齡和強(qiáng)度愈大，且呈線性關(guān)系[6]。

從軟土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值（表2）可知，第一軟土層巖性較第二、三軟土層復(fù)雜。

比較第一、二、三軟土層指標(biāo)平均值可知：軟土層液限、液性指數(shù)、天然含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)等指標(biāo)值自上而下總體上由大變小，而壓縮模量、黏聚力、標(biāo)貫則由小變大。

顯然，區(qū)內(nèi)軟土一般具有下列特性：（1）高含水率和高孔隙性。天然含水率一般為45%~70%，最大值96.9%；液限一般為40%~60%，天然含水率隨液限的增大成正比增加；天然孔隙比在1~2之間，飽和度一般大于95%，因而天然含水率與其天然孔隙比呈直線變化關(guān)系。高含水率和高孔隙性特征是軟土高壓縮性和低抗剪強(qiáng)度的重要決定因素。（2）高壓縮性。壓縮系數(shù)a1-2一般為0.70~1.50 MPa-1，最大達(dá)4.28 MPa-1，隨液限和天然含水率增大而增高。在上部荷載作用下的軟土變形特征一是變形大而不均勻、二是變形穩(wěn)定歷時(shí)長(zhǎng)。（3）抗剪強(qiáng)度低。不排水三軸快剪所得黏聚力一般為2.0~7.0 kPa，最小為1.0 kPa；十字板剪切試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度一般在5.3~31.9 kPa，最小為0.3 kPa，其靈敏度一般在2.1~20.0之間。總的來說，軟土抗剪強(qiáng)度值很小，且與其側(cè)壓力大小無關(guān)；排水條件下的抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)程度的增加而增大。（4）承載力極低。大部分標(biāo)貫試驗(yàn)為自落，修正后N63.5一般為0.6~1.6擊，承載能力很差，一旦受到上部荷載作用即產(chǎn)生較大幅度的壓縮變形。（5）較顯著的觸變性和蠕變形。由于軟土的組成成分細(xì)小，且含水率高，抗剪強(qiáng)度低，在重力作用和較小外部作用力下發(fā)生緩慢的蠕動(dòng)變形；而較大外部荷載作用力下軟土極易發(fā)生快速的觸動(dòng)變形，軟土雜質(zhì)越少、外部瞬間作用力越大，則其變形速率越快、變形幅度越大。（6）滲透性弱。滲透系數(shù)一般在10-4~10-5cm/s之間，而大部分濱海相和三角洲相軟土地區(qū)，由于軟土層中夾有數(shù)量不等的薄層或極薄層粉、細(xì)砂、粉土等，故在水平方向的滲透性較垂直方向要大得多。由于軟土滲透系數(shù)小、含水量大且飽和狀態(tài)，這不但延緩其土體的固結(jié)過程，而且在加荷初期，常易出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，對(duì)地基強(qiáng)度有顯著影響。

軟土在普遍具有上述特性的同時(shí)，由于其組成成分及其含量的不同，其性質(zhì)相應(yīng)隨之變化?？傮w上，由淤泥質(zhì)黏性土至淤泥，其液限、含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)均逐漸增大，壓縮模量、黏聚力則逐漸減小。

表2 軟土層主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Statistical tables of main physical and mechanical indexes of the soft soil layers

2 軟土厚度與地面沉降相關(guān)性分析

2.1 定性分析

圖3 珠三角軟土厚度與地面沉降速率關(guān)系對(duì)比圖Fig.3 Comparison of the relationship between the soft soil thickness of the Pearl River Delta and the land subsidence rate

把區(qū)內(nèi)已有年沉降量等值線和軟土分布情況進(jìn)行對(duì)比（圖3），年沉降量大于35mm分布范圍與軟土厚度大于15m區(qū)域分布范圍基本一致，僅在中山市小欖水道、雞鴨水道和橫門水道交匯帶、中山市坦洲鎮(zhèn)、珠海市白蕉鎮(zhèn)、平沙鎮(zhèn)東南部和斗門富山工業(yè)園區(qū)略有出入。在珠海紅旗鎮(zhèn)紅燈村一帶軟土厚度增大，沉降量略有增加。

由圖3可明顯看出，中山塊段和珠海塊段河流平原區(qū)沉降量等值線的分布和展布趨勢(shì)與軟弱類土厚度分布情況總體趨勢(shì)是一致的，說明區(qū)內(nèi)軟土是地面沉降產(chǎn)生的主要影響因素，并且其厚度是影響地面沉降速率的關(guān)鍵因子。

2.2 定量分析

為使統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有代表性，在收集統(tǒng)計(jì)資料時(shí)注意了以下幾方面：一是勘察面比較廣，包括了珠海市、中山市、江門市、廣州南沙區(qū)等地，基本覆蓋了珠三角第四系松散沉積層分布區(qū)；二是資料的可靠程度較高，所收集的資料由廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)、珠海工程地質(zhì)勘察院、廣東省地質(zhì)局第十地質(zhì)大隊(duì)、廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)等單位編制，測(cè)量結(jié)果由廣東省地質(zhì)測(cè)繪院提供[4]，符合數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)樣本數(shù)的要求，收集數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 軟土總厚度及沉降速率一覽表Table 3 Table of total thickness and settlement rate of soft soil

通過非線性關(guān)系、線性關(guān)系計(jì)算對(duì)比（見表4），發(fā)現(xiàn)S-H關(guān)系曲線以冪函數(shù)型緊密程度最高（見圖4）。

表4 軟土總厚度及沉降速率相關(guān)性分析成果表Table 4 Table of correlation analysis results of total thickness and settlement rate of soft soil

圖4 軟土總厚度與沉降速率相關(guān)關(guān)系圖Fig.4 Correlation diagram of total thickness of soft soil and settlement rate

因此，假設(shè)S—H為冪函數(shù)關(guān)系，則有：

式中：S—沉降速率；H—軟弱類土厚度；a、b—常數(shù)。

由最小二乘法原理求出：a=5.37，b=0.36，代入(1)式得

對(duì)其分別作F檢驗(yàn)法與r檢驗(yàn)法的回歸效果顯著性檢驗(yàn)。

F檢驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果的F值為27.96，查F分布表：因?yàn)樗曰貧w方程顯著程度高。

r檢驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果的r值為0.453，查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表：因?yàn)樗曰貧w方程顯著程度高。

通過F檢驗(yàn)法和r檢驗(yàn)法驗(yàn)算表明，軟土總厚度與地面沉降速率冪函數(shù)型非線性關(guān)系的顯著度高。

3 結(jié)論

綜上所述，珠三角平原區(qū)軟土總厚度與地面沉降速率相關(guān)性較好，說明該區(qū)地面沉降與軟土密切相關(guān)，且軟土厚度與沉降速率呈正相關(guān)關(guān)系。

從軟土總厚度與地面沉降速率的冪函數(shù)型非線性關(guān)系可知，隨著軟土厚度不斷增大，地面沉降的年沉降量增速趨緩。

本文確定的珠三角地區(qū)軟土與地面沉降速率的定量關(guān)系，可為工程建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)、圍海造地前期軟土預(yù)處理等提供技術(shù)參考。