張卓，徐建國，徐華，朱恒華，張濤，劉春華，劉中業(yè)，紀汶龍

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟南 250013)

我國東部沿海古河谷區(qū)以外沉降海岸普遍發(fā)育全新世早—中期軟土沉積[1]。已有的年齡數(shù)據(jù)表明，其頂板年齡最小(3210±190)a B.P.，底板年齡一般為7000～8000a B.P.,最大可達(11800±160) a B.P.[2]。由于軟土具有含水量大、壓縮性高、強度低特點，國內(nèi)關(guān)于軟土研究成果很多[3]，但從古地理與工程特征系統(tǒng)開展軟土特性的研究則很少。作者在萊州灣地區(qū)開展1∶5萬第四紀地質(zhì)、工程地質(zhì)調(diào)查過程中，查明該區(qū)全新世早期發(fā)育一套層位穩(wěn)定暗色調(diào)沉積層，其形成時代、巖相與我國東部沿海的全新世早—中期的軟土層相當(dāng)[4]。系統(tǒng)研究該軟土的成因、巖相特征、及工程地質(zhì)特征，對工程建設(shè)活動具有指導(dǎo)和借鑒作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地層

工程地質(zhì)區(qū)位于萊州灣南岸，屬于華北平原地層分區(qū)和魯西地層分區(qū)，南部屬魯西地層分區(qū)濰坊-郯城小區(qū)，北部屬華北平原地層分區(qū)濱州-東營小區(qū)，出露地層主要為第四系頂部地層。新生界厚度數(shù)百米至兩千米以上，由南向北厚度增大。

1.2 構(gòu)造

區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造分區(qū)以鄌郚-葛溝斷裂為界，分屬2個Ⅲ級大地構(gòu)造單元，斷裂以西為濟陽坳陷，以東為沂沭斷裂帶，濟陽坳陷和沂沭斷裂帶的交會處也稱昌濰坳陷。區(qū)域地質(zhì)背景十分復(fù)雜。

1.3 地形地貌

萊州灣南岸平原區(qū)位于泰沂山地丘陵北麓山前傾斜平原東段，北部與渤海相連，地勢自南向北傾斜，平均坡降0.47×10-3(圖1)。自南向北依次為山前沖洪積平原(海拔10～60m)、沿海低平原(包括河海積平原和海積平原，海拔10m以下)和現(xiàn)代潮灘。濱海區(qū)潮溝系統(tǒng)發(fā)育，為粉砂質(zhì)、泥質(zhì)海岸帶。

圖1 研究區(qū)位置及地貌高程圖

2 巖相古地理

2.1 古地理環(huán)境

在萊州灣巖心中采集古生物樣本，層位為全新世軟土，鑒定單位為山東科技大學(xué)及南京古地理研究所。結(jié)果表明，廣鹽類有孔蟲、淡水介形類均有發(fā)現(xiàn)(圖2)，微體古生物有孔蟲為半咸水、咸水種，發(fā)育在下三角洲及潮平相，主要種屬畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammoniabeccarii、清晰希望蟲ElphidiumlimpidumHo, Hu et Wang[5]、介形類中華美花介Sinocytherideaimpreessa則出現(xiàn)在潮平相，指示湖沼沉積的純凈小玻璃介Candoniellaalbicans[6]，另外，樣品中發(fā)現(xiàn)蘿卜螺和白小旋螺，均指示淡水湖泊環(huán)境，說明研究區(qū)古地理環(huán)境存在湖泊，其形成時期與暖氣候一致，由于氣候變化，河流變遷及人類活動影響，導(dǎo)致古湖泊的消亡[7]。

1—畢克卷轉(zhuǎn)蟲(Ammonia beccarii)；1a—背視；1b—腹視；2—清晰希望蟲(Elphidium limpidum Ho, Hu et Wang)；2a—背視；2b—腹視；3—介形類中華美花介(Sinocytheridea impreessa)；4—純凈小玻璃介(Candoniella albicans)；5—蘿卜螺(Radix sp.)；6—白小旋螺(Gyraulus albus)圖2 萊州灣全新世軟土古生物屬種

2.2 軟土成因

軟土14C測年結(jié)果為10-6ka，沉積始于全新世MIS1初期階段[8]，為早全新世。該時期為末次盛冰期后氣候明顯轉(zhuǎn)暖的時間[9]，伴隨著潮汐作用，地下水位逐漸抬升，降水增加，在盛冰期沉積之上出現(xiàn)積水洼地，沉積灰色濱海相、湖沼相地層，其上為全新世海侵沉積[10]。靜力觸探錐尖與側(cè)壁摩阻力呈現(xiàn)明顯低值區(qū)，錐尖阻力為0.2～0.6MPa，側(cè)壁摩擦阻力為4.2～21.9kPa，厚度為0.50～4.80m。水平方向分布受入海河流與海侵交互影響，在影響范圍內(nèi)呈面狀連續(xù)分布，層位穩(wěn)定，其邊界線與全新世早期最大海侵線基本吻合。

3 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)特征

3.1 基本物理力學(xué)指標(biāo)

萊州灣南岸軟土形成的水文因素、海侵特征，地質(zhì)構(gòu)造共同決定了該區(qū)軟土工程地質(zhì)性質(zhì)[11]。土工試驗統(tǒng)計結(jié)果表明(表1)，軟土高含水量、高孔隙比、高塑限、低內(nèi)摩擦角，低強度特征顯著。潮平相軟土含水量(W)39.7%，孔隙比(e)1.1，為最高，具代表性[12]，湖沼相軟土黏聚力(c)20kPa，相對較高，三角洲相軟土塑性指數(shù)(IP)19，相對偏低(表2)，沉積環(huán)境的差異性體現(xiàn)了其物理力學(xué)指標(biāo)的規(guī)律性。

表1 萊州灣南岸濱海地區(qū)軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 萊州灣南岸軟土沉積類別物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.2 粒度級配

軟土樣品中主要含黏粒(d<0．005mm)和粉粒(0.005

圖3 萊州灣南岸典型軟土的粒徑級配

3.3 抗剪強度特征

十字板剪切試驗測定未擾動土剪損時最大應(yīng)變值、重塑土剪損時最大應(yīng)變值，進而得出軟土不排水抗剪強度和靈敏度。原位測試與樣品測試存在個別靈敏度偏高及抗剪強度偏大問題[14]，樣品受砂斑及粉土充填動物潛穴影響，以致數(shù)值偏差，在分析樣品數(shù)據(jù)過程中已加以注意，測試結(jié)果及計算值見表3。未擾動土剪損時最大微應(yīng)變值與重塑土剪損時最大微應(yīng)變值相差較大，屬于高靈敏度軟土。

3.4 固結(jié)強度特征

該區(qū)不同沉積軟土壓縮模量Es隨應(yīng)變力的增大而增大，且由中高壓縮性變?yōu)榈蛪嚎s性。下三角洲沉積軟土隨應(yīng)變力增加Es值較高，進而保持較低壓縮性，而在低壓縮性水平下潮平及湖沼沉積軟土Es較近似[15]。從圖4中還可以看出，曲線趨勢具有明顯趨同性，表明其變形特性具有一定的相似性質(zhì)[16]，這與區(qū)域沉積特征相符合。

表3 十字板剪切試驗結(jié)果

圖4 區(qū)內(nèi)代表性軟土Es與P關(guān)系

3.5 塑性分析

液限(WL)和塑限(WP)是反映黏性土工程性質(zhì)的兩個重要指標(biāo),幾乎在所有的工程地質(zhì)勘察中都要進行土的WL和WP試驗,以對黏性土進行工程分類與評價。將該區(qū)典型樣品的WL和WP數(shù)據(jù)繪制在塑性圖上[17]，發(fā)現(xiàn)所有點均在A線上方，且趨勢相同，說明與我國大部分軟土塑性指標(biāo)具有一致性。其中85%位于CL區(qū)，15%位于CH區(qū)，因此，按照塑性圖(圖5)來分類，萊州灣南岸軟土屬于中—高塑性無機黏土，對外力引起的變化或破壞的抵抗能力較差。從分布上看，萊州灣南岸西部潮平相比下三角洲及湖沼相具有較高塑性。

圖5 塑性圖(IP與WL)

4 沉積環(huán)境分析

為了進一步探討工程地質(zhì)特征與沉積相之間的關(guān)系，選取大家洼-道口地區(qū)工程地質(zhì)鉆孔的早全新世軟土標(biāo)準(zhǔn)樣品[18]，進行Q型聚類分析(圖6)，研究結(jié)果表明，樣品可以分為Ⅰ巖土組合，Ⅱ巖土組合、Ⅲ巖土組合。再取用多元相依變量統(tǒng)計分析方法，進行R-Q型因子分析(圖7)。

圖6 Q型聚類系統(tǒng)樹圖

Ⅰ巖土組合中軟土天然含水量(W)為35%～42%，孔隙比(e)0.9～1.2，整體相比較高，吸水性好，土體幾乎完全飽和(飽和度大于97%)，W>WL，塑性指數(shù)(IP)高達22.4，為高塑性無機黏土[19-20]，該組合黏性土與粉土交互沉積[21]，呈淺灰色，微體化石可見介形類中華美花介Sinocytherideaimpreessa[22]，為潮平相沉積環(huán)境。

Ⅱ巖土組合中軟土天然含水量(W)為24%～33%、孔隙比(e)0.6～1.0，黏粒含量較高，吸水性較好，近乎飽和(飽和度大于91%)，塑性指數(shù)(IP)高達12.3，為中塑性無機黏土，該組合黏性土沉積為主，呈灰色暗[23]，黏粒含量偏高，微體化石可見湖沼沉積的純凈小玻璃介Candoniellaalbicans生存在純淡水環(huán)境。另外發(fā)現(xiàn)蘿卜螺和白小旋螺化石，為湖沼相沉積環(huán)境。

Ⅲ巖土組合中軟土天然含水量(W)為18%～28%、孔隙比(e)0.5～0.7，黏粒含量相比較低，吸水性較差，欠飽和(飽和度大于81%)，塑性指數(shù)(IP)10.8[24]，為中塑性無機黏土，該組合黏性土與粉土交互沉積，呈灰褐色暗調(diào)[25-26]，粉粒含量偏高，微體化石可見畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammoniabeccarii，清晰希望蟲ElphidiumlimpidumHo, Hu et Wang，為下三角洲沉積環(huán)境。

a—主成分1和主成分2分析圖；b—主成分1和主成分3分析圖圖7 多元相依變量統(tǒng)計分析圖

5 結(jié)論

(1)依據(jù)軟土地層中微體古生物化石及螺殼化石，萊州灣南岸軟土中識別出下三角洲相、潮平相及湖沼相三種古地理沉積環(huán)境。14C測年結(jié)果表明沉積始于早全新世，為MIS1初期階段。

(2)根據(jù)樣品實驗分析，早全新世軟土屬于高黏粒軟土。其特點由濱海向陸沉積黏粒含量逐漸增高，粉粒含量逐漸降低，這與全新世早期沉積過程水動力條件相符。濱海沉積軟土隨應(yīng)力增加Es值較高，進而保持較低壓縮性，而在低壓縮性水平下潮平及湖沼沉積軟土Es較近似,工程地質(zhì)特性相對于濱海相沉積軟土較差。

(3)土工試驗分析過程中，對潮平及下三角洲相軟土，進行剪切試驗時應(yīng)注意砂斑影響測試結(jié)果，避免測得數(shù)值偏大。依據(jù)塑性圖判斷萊州灣南岸軟土屬于中塑性無機黏土。該區(qū)西部潮平相比下三角洲及湖沼相具有較高塑性。

(4)通過Q型聚類分析及多元相依變量統(tǒng)計分析，萊州灣南岸軟土可分為三類，分別為下三角洲相沉積軟土、湖沼相沉積軟土及潮平相沉積軟土，工程地質(zhì)特征與巖相古地理具有明顯規(guī)律性。通過從沉積學(xué)的視角去解讀工程地質(zhì)特征及其差異性，為工程地質(zhì)參數(shù)選取提供沉積學(xué)依據(jù)。