陶旭光 ，吳迪

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

我國(guó)沿海軟土分布廣泛，在近海工程勘察工作中經(jīng)常遇到，如連云港、洋山港、舟山、溫州、福建沿海、珠江三角洲、廣州、湛江、欽州等地區(qū)。對(duì)于海洋軟土的基本工程性質(zhì)，國(guó)家?guī)r土勘察標(biāo)準(zhǔn)和水利、鐵路、港口等行業(yè)規(guī)范以及地方勘察標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)天然含水率和天然孔隙比這兩個(gè)特征指標(biāo)對(duì)軟土均有詳細(xì)成熟的定義，地方標(biāo)準(zhǔn)如上海市、福建省、浙江省等也附有當(dāng)?shù)剀浲翆游锢砹W(xué)參數(shù)范圍值表供參考。近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者從有機(jī)質(zhì)含量、礦物成分、物化特性、孔隙結(jié)構(gòu)和固結(jié)蠕變特性等方面分析軟土的工程特性及其微觀機(jī)制[1-5]，研究表明不同的地質(zhì)成因、物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)性造成了軟土工程性質(zhì)的差別，從而影響地基處理方案的不同[6]。

澳門(mén)新城填海區(qū)位于珠江三角洲的西岸，根據(jù)掌握的勘察資料統(tǒng)計(jì)，全新世海積軟土層厚一般在5.0～15.0 m之間，主要為流塑狀灰黃～灰色淤泥，局部表層為流動(dòng)狀流泥，底部近淤泥質(zhì)黏土。與國(guó)內(nèi)其它三角洲相軟土相比，珠江三角洲因其復(fù)雜的江水和海潮交替地質(zhì)成因，以及盆地地貌控制的三角洲模式形成了特有的區(qū)域性軟土，成為國(guó)內(nèi)工程報(bào)道過(guò)的最軟軟土，很多巖土工作者進(jìn)行了區(qū)域性總結(jié)，取得了一些成果[7-10]，另有工程技術(shù)人員提出了適于該地區(qū)的軟土強(qiáng)度計(jì)算方法和軟基加固處理方法[11-12]。

本文以澳門(mén)新城填海區(qū)30多個(gè)巖土勘察項(xiàng)目的大量室內(nèi)土工試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析該區(qū)域全新世海積軟土的物理性質(zhì)和固結(jié)、剪切等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，建立了各相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并與洋山港、溫州等地區(qū)的軟土進(jìn)行差異性比對(duì)，研究成果對(duì)于澳門(mén)填海造陸工程具有重要意義，同時(shí)也可為其它區(qū)域軟土工程特性分析與工程建設(shè)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 研究區(qū)域土層發(fā)育特征

澳門(mén)新城填海區(qū)位于澳門(mén)本島的東、南側(cè)海域及氹仔島北側(cè)海域，分A、B、C、D、E填海分區(qū)（填海區(qū)規(guī)劃見(jiàn)圖1），面積不大，涉及的海岸線卻很長(zhǎng)，處于復(fù)雜的海岸侵蝕地貌與堆積地貌環(huán)境。第四紀(jì)沉積地層形成年代至今不過(guò)4萬(wàn)a，自下而上分為更新世和全新世兩套沉積層序[13]，兩期沉積地層中間存在一個(gè)曾經(jīng)暴露的風(fēng)化侵蝕面（風(fēng)化花斑黏土），形成年代距今2.2萬(wàn)～1.3萬(wàn)a[14]。全新世海積軟土覆蓋在風(fēng)化侵蝕面與底礫層之上，分布穩(wěn)定。

圖1 澳門(mén)新城填海區(qū)規(guī)劃示意圖Fig.1 Sketch map of Macao New City reclamation area planning

根據(jù)搜集到的澳門(mén)新城填海區(qū)勘察資料，該區(qū)域揭露的第四紀(jì)松散層厚度為13.0～56.0 m，下部基巖為燕山期花崗巖。第四紀(jì)松散層淺表部依次分布：全新世海相沉積淤泥層，厚度在5.0～15.0 m之間；可塑狀黏性土層，厚度在4.0～15.0 m之間，該層下部分布1～2層軟塑狀灰色黏土，含泥質(zhì)結(jié)核和朽木，厚薄不均，一般在1.5～8.0 m之間，存在尖沒(méi)再現(xiàn)現(xiàn)象，2層軟塑狀灰色黏土之間和下部存在的可塑狀黏性土或中、粗砂層，是海退時(shí)期原沉積物受風(fēng)化而在原有母質(zhì)基礎(chǔ)上發(fā)育成的“花斑黏土”或河流相沉積物[14]。圖2是澳門(mén)新城填海區(qū)附近某跨海大橋工程地質(zhì)剖面圖，具有典型的澳門(mén)濱海相軟土沉積發(fā)育規(guī)律。

圖2 澳門(mén)某跨海大橋工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological section of a cross-sea bridge in Macao

2 工程性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和特性分析

本文研究數(shù)據(jù)來(lái)自澳門(mén)新城區(qū)的填海及堤堰建造工程、通道工程、跨海大橋等30多個(gè)項(xiàng)目的勘察資料和土工試驗(yàn)成果。測(cè)試方法采用GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]。為了得到天然狀態(tài)下淤泥層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)樣品為未加固處理區(qū)域的土樣，共957個(gè)，統(tǒng)計(jì)時(shí)按平均值2倍的均方差對(duì)異常數(shù)據(jù)做了取舍。

2.1 物理性質(zhì)指標(biāo)

從表1統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)看，澳門(mén)新城填海區(qū)軟土主要為淤泥，天然含水率平均值為66.0%，最大值102.8%，一般呈流塑狀態(tài)；孔隙比平均值為1.868；天然密度平均值1.59 g/cm3，是典型的高含水率、高孔隙比、低密度、欠固結(jié)淤泥類(lèi)軟土。

表1 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土層物理性指標(biāo)Table 1 Physical index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

從顆粒組成看，該軟土層以粉粒、黏粒為主，黏粒平均含量在47.3%左右，塑性指數(shù)高。同時(shí)該軟土層透水性極弱，滲透系數(shù)在10-7～10-8cm/s之間。局部夾砂層，水平向滲透性較垂直向滲透性稍大。

從天然含水率、孔隙比和密度隨埋深的變化趨勢(shì)看，淤泥層的含水率、孔隙比呈現(xiàn)出隨深度增加逐漸變小的規(guī)律，密度增大趨勢(shì)不明顯。

2.2 固結(jié)特性

從表2統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)看，澳門(mén)新城填海區(qū)軟土的壓縮系數(shù)平均值為1.77 MPa-1，固結(jié)系數(shù)一般在0.5×10-3～0.8×10-3cm2/s之間。

表2 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土層固結(jié)指標(biāo)Table 2 Consolidation index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

由于含大量親水性黏土礦物、有機(jī)質(zhì)和少量的水溶鹽分，這些物質(zhì)起到一定的暫時(shí)膠結(jié)作用，取土質(zhì)量Ⅰ級(jí)的土樣具有一定的結(jié)構(gòu)。但制樣、裝樣時(shí)易擾動(dòng)，擾動(dòng)后原土體結(jié)構(gòu)破壞，土體處于流動(dòng)狀態(tài)，因此軟土力學(xué)指標(biāo)的獲得尤為困難。

室內(nèi)土工采用土的壓縮曲線以孔隙比e為縱坐標(biāo)，單位壓力p為橫坐標(biāo)，運(yùn)用傳統(tǒng)的Casagrand法在e-lg p曲線上得到前期固結(jié)壓力值pc。圖3為典型的澳門(mén)新城填海區(qū)軟土e-p關(guān)系曲線，由曲線可見(jiàn)澳門(mén)新城填海區(qū)軟土在垂直荷載作用下具有陡降式變形特征，總變形量大，回彈指數(shù)一般為0.047 8～0.102 8，與壓縮指數(shù)Cc具有良好的線性關(guān)系，經(jīng)回歸統(tǒng)計(jì)后的線性關(guān)系式可表示為Cs=0.098 2Cc+0.012 1（見(jiàn)圖4）。圖5為典型的澳門(mén)新城填海區(qū)軟土e-lg p曲線，由圖可見(jiàn)，曲線前段較短且平緩，隨后由轉(zhuǎn)折點(diǎn)呈陡降趨勢(shì)，后期陡度逐級(jí)變緩，出現(xiàn)“反彎點(diǎn)”，這是典型低強(qiáng)度欠固結(jié)軟土的特征，需選取中間直線段來(lái)求取pc值。

圖3 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土層e-p曲線Fig.3 Soft soil layer e-p curve in Macao New City reclamation area

圖4 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土層Cs-Cc關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between Csand Ccof soft soil layer in Macao New City reclamation area

圖5 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土e-lg p曲線求pc示意圖Fig.5 Schematic diagram of calculating pcthrough e-lg p curve of soft soil in Macao New City reclamation area

根據(jù)太沙基一維滲透固結(jié)理論，固結(jié)系數(shù)的大小反映了軟土的主固結(jié)過(guò)程的快慢。表2中的固結(jié)系數(shù)是采用現(xiàn)行《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]中的時(shí)間平方根法求得，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：水平向固結(jié)系數(shù)均呈隨荷載增大而減小的趨勢(shì)，由于夾砂薄層、土層層理等因素水平方向的固結(jié)系數(shù)較垂直方向稍大，但總體數(shù)值都較小。

2.3 剪切強(qiáng)度特性

表3是澳門(mén)新城填海區(qū)軟土層剪切強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表。從數(shù)值可以看出：澳門(mén)新城填海區(qū)軟土層抗剪強(qiáng)度很低，直剪固快黏聚力c值在8.0～12.0 kPa之間，內(nèi)摩擦角φ值在6.0°～17.0°之間；直剪快剪黏聚力c值在4.0～14.0 kPa之間，內(nèi)摩擦角φ值在1.0°～9.0°之間，均小于直剪固快試驗(yàn)下的參數(shù)值；三軸不固結(jié)不排水剪φuu值接近于0°，cuu值在4.0～17.0 kPa之間，平均值為10.8 kPa；三軸固結(jié)不排水剪 φcu值在 11.0°～17.0°之間，ccu值一般為6.0～12.0 kPa；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu值一般為12.0～30.3 kPa，平均值為21.7 kPa，靈敏度隨深度變大，一般為1.5～4.5，屬中～高靈敏性土。

軟土的室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與三軸不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度值有較好的線性關(guān)系，qu/cuu值在2.0左右。

典型的澳門(mén)新城填海區(qū)軟土固結(jié)不排水剪的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖6，曲線特征反映了土的壓硬性，剪切過(guò)程中土顆粒重新排列，土體結(jié)構(gòu)變得緊密，表現(xiàn)為剪縮性。根據(jù)臨界狀態(tài)原理，該區(qū)軟土的有效應(yīng)力路徑變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖7）與一般正常固結(jié)軟黏性土一致，其不排水剪切屈服面是羅斯科面，在達(dá)到臨界狀態(tài)后沿臨界線下降。

表3 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土層剪切強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Shear strength index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

圖6 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of soft soil in Macao New City reclamation area

圖8 是澳門(mén)新城填海區(qū)軟土在不同圍壓組下繪制的三軸固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線，呈折線型，隨著圍壓的增大土體強(qiáng)度提高，黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小，說(shuō)明在不同的固結(jié)壓力范圍下取得的強(qiáng)度指標(biāo)是有差異的。

圖7 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土應(yīng)力路徑曲線Fig.7 Stress path curve of soft soil in Macao New City reclamation area

圖8 澳門(mén)新城填海區(qū)軟土在不同圍壓組下固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線Fig.8 Consolidated undrained shear strength envelope of soft soil in Macao New City reclamation area under different confining pressure groups

3 不同地區(qū)海積軟土工程地質(zhì)指標(biāo)比較

洋山港與澳門(mén)新城填海區(qū)軟土同為三角洲相沉積的淤泥類(lèi)土，軟土層也分布廣泛，但厚度較穩(wěn)定、土質(zhì)較均勻，為典型的淤泥或淤泥質(zhì)土。澳門(mén)新城填海區(qū)軟土層的含水率、孔隙比更大，壓縮性更高、強(qiáng)度更低，分布主要為淤泥，僅局部為淤泥質(zhì)土。表4是我國(guó)東部沿海地區(qū)主要4種類(lèi)型的淤泥類(lèi)軟土指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況。

表4 不同地區(qū)海積軟土工程地質(zhì)指標(biāo)比較Table 4 Comparison of engineering geological indicators of marine soft soil in different regions

連云港濱海相沉積的淤泥，與澳門(mén)新城填海區(qū)淤泥相比，物理力學(xué)指標(biāo)范圍較小，工程性質(zhì)總體上相對(duì)較好，且土性更均勻。

浙江溫州沉積的軟土，是典型的瀉湖相軟土，靈敏度一般在5.4～8.7之間，明顯高于包括澳門(mén)新城填海區(qū)在內(nèi)的其它地區(qū)軟土。

福建寧德溺谷相沉積的淤泥，具多種顏色，有機(jī)質(zhì)含量高，工程地質(zhì)性質(zhì)與澳門(mén)新城填海區(qū)淤泥層更接近，且性質(zhì)不均勻，與澳門(mén)新城填海區(qū)淤泥層相比，工程地質(zhì)性質(zhì)總體上稍好于后者，但局部略差。

4 結(jié)語(yǔ)

澳門(mén)新城填海區(qū)濱海相沉積淤泥層除具有一般淤泥的特性以外，還具有其特殊的性質(zhì)，且在分布深度內(nèi)仍具有一定的差異性。

1）澳門(mén)新城填海區(qū)軟土含水率更高、孔隙比更大，該軟土層黏粒含量較多，透水性極弱。

2）澳門(mén)新城填海區(qū)軟土的e-p壓縮曲線具有陡降式變形特征，且總變形量較大。e-lg p曲線的特征是曲線前段較短且平緩，隨后由轉(zhuǎn)折點(diǎn)呈陡降趨勢(shì)，后期陡度逐級(jí)變緩，出現(xiàn)“反彎點(diǎn)”，呈現(xiàn)明顯的低強(qiáng)度欠固結(jié)軟土的特征。

3）澳門(mén)新城填海區(qū)軟土的抗剪強(qiáng)度很低。從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果看，澳門(mén)軟土層強(qiáng)度隨著深度逐漸增大，屬中高靈敏性土。室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與三軸不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度值比在2.0倍左右。

4）澳門(mén)新城填海區(qū)淤泥層與洋山港、連云港、溫州地區(qū)軟土層相比，其工程地質(zhì)性質(zhì)更差，與福建寧德工程地質(zhì)性質(zhì)最接近，溫州地區(qū)軟土靈敏度遠(yuǎn)高于包含澳門(mén)新城填海區(qū)的其它對(duì)比地區(qū)的軟土。