劉芙榮，胡劍峰

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 概述

我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，許多城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(如機(jī)場(chǎng)、碼頭、高層建筑)等如雨后春筍般快速發(fā)展。而沿海地區(qū)多涉及全新世海相沉積軟土層，厚度幾米至幾十米不等，因此了解和掌握軟土的工程特性，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。天津?yàn)I海新區(qū)是北方對(duì)外開放的門戶，地處華北平原東北部，屬海積沖積平原區(qū)。淺層海相軟土主要由淤泥和淤泥質(zhì)黏土組成，具有結(jié)構(gòu)疏松、孔隙比大、含水率高和強(qiáng)度低等特點(diǎn)，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)其工程性質(zhì)對(duì)工程建設(shè)至關(guān)重要，對(duì)其物理力學(xué)指標(biāo)的分析和比較更是每一個(gè)工程項(xiàng)目勘察和設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)。本文即以天津?yàn)I海新區(qū)的淺層海相軟土為研究對(duì)象，開展了物性試驗(yàn)以及直接剪切、單向壓縮、固結(jié)不排水(CU)剪切等力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)比分析了軟土物性指標(biāo)以及力學(xué)指標(biāo)，為軟土地基的設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)[1-5]。

2 成因類型

天津陸地經(jīng)歷過“滄海桑田”的變化，是在漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期海退陸進(jìn)逐步形成的。近代的六次海侵作用，使第四紀(jì)地層具有明顯的海陸交互相沉積特征，且全新世以來古黃河曾經(jīng)歷3次改道，致使軟土分布范圍廣、成因復(fù)雜，包括海相沉積、瀉湖相沉積、河流沖積、三角洲沉積等。其中，海相軟土相較于其他成因軟土，分布廣、厚度大，為濱海新區(qū)淺基礎(chǔ)的常見軟弱下臥層，也是導(dǎo)致工程事故多發(fā)的不良地質(zhì)要素之一。

濱海新區(qū)海相軟土形成于距今約8000年～4000年前的全新世中期最后一次海侵作用下，巖性主要由淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成。受海相沉積環(huán)境影響，海相軟土呈灰色，層理明顯，常呈千層餅狀，有機(jī)質(zhì)含量較高，富含貝殼碎屑，因粒間存在一定連結(jié)強(qiáng)度而具有顯著結(jié)構(gòu)性[6]。

3 物理力學(xué)性質(zhì)

3.1 物理力學(xué)指標(biāo)特征

本試驗(yàn)土樣取自天津?yàn)I海新區(qū)某工地，埋深10 m～15 m左右，層頂高程-7.00 m～-12.00 m。土樣呈灰色、軟塑～流塑狀，含貝殼、切面光滑、韌性高。主要試驗(yàn)指標(biāo)包括天然含水量w、土粒比重Gs、重度γ、干重度γd、飽和度Sr、孔隙比e、液限WL、塑限WP、壓縮系數(shù)α1-2、壓縮模量Es、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ等，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如表1所示。

表1 濱海新區(qū)海相軟土物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)以上物理指標(biāo)，可知濱海新區(qū)軟土具有以下物理性質(zhì)：

1)含水量高。軟土的天然含水量31.5%～56.8%，平均含水量43.2%，飽和度高，Sr平均值97.4%。這主要是由于海相軟土中淤泥質(zhì)黏土以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中黏粒含量較高，增加了保水性。

2)干密度小。軟土的干密度為1.08 g/cm3～1.44 g/cm3，平均值為1.24 g/cm3。意味著單位體積內(nèi)，土體顆粒較少，顆粒咬合不緊密，分子間作用力較弱。

3)孔隙比大?？紫侗绕骄?.223，這與海相軟土的沉積環(huán)境有關(guān)，在靜水或緩慢水流的作用下形成土體多具有疏松多孔狀結(jié)構(gòu)，孔隙比較大。

4)液性指數(shù)大。液限平均值42.8%，小于含水率，液性指數(shù)平均值1.10，土體多呈軟塑～流塑狀。

5)滲透性差。滲透系數(shù)為1.00E-08～2.52E-06，屬于微～極微透水。說明土的顆粒成分以細(xì)顆粒為主，礦物成分以親水礦物為主，擴(kuò)散層水膜厚，滲透系數(shù)小，所以軟土上建筑物的沉降過程緩慢，但總體沉降量較大。

土體的主要力學(xué)指標(biāo)見表2。

根據(jù)以上力學(xué)指標(biāo)，可知濱海新區(qū)軟土具有以下力學(xué)性質(zhì)：

1)壓縮性高。軟土的壓縮系數(shù)均值0.87 MPa-1，壓縮模量均值2.6 MPa，屬于高壓縮性軟土，受壓后沉降量較大。濱海新區(qū)海相軟土多屬于欠固結(jié)土，其高含水量及低滲透性特性說明土體不易壓密。2)抗剪強(qiáng)度低。黏聚力一般在6.8 kPa～25.0 kPa，摩擦角平均值2.0°。這主要與海相軟土的欠固結(jié)狀態(tài)及排水條件差有關(guān)，在外力作用下，孔隙水不能及時(shí)排出，導(dǎo)致孔隙水上升、有效應(yīng)力降低。這也是影響邊坡失穩(wěn)和地基承載力的主要原因。從變異系數(shù)判斷，物理指標(biāo)變異性多為小～很小，說明物理指標(biāo)離散型較小；相較之下，力學(xué)指標(biāo)如黏聚力和內(nèi)摩擦角，變異系數(shù)較大，數(shù)據(jù)離散性大，在工程中應(yīng)該根據(jù)勘察報(bào)告，充分考慮參數(shù)的變異特性進(jìn)行選取。

表2 濱海新區(qū)海相軟土力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3.2 物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)關(guān)系

在巖土工程理論研究和工程設(shè)計(jì)中，各物理力學(xué)指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性，并不相互獨(dú)立，深入研究和分析各參數(shù)的相互關(guān)系，并建立參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系式，建立工程區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)工程勘察和設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.2.1 天然含水量和孔隙比的關(guān)系

當(dāng)土體飽和時(shí)，軟土中孔隙基本被孔隙水充滿，因此孔隙比越大，含水量越大，飽和土體天然含水量和孔隙比應(yīng)具有線性關(guān)系。圖1為天津?yàn)I海軟土含水量與孔隙比的關(guān)系曲線。含水量與孔隙比線性擬合程度較高，線性關(guān)系式為e=0.028w+0.051，相關(guān)系數(shù)R2=0.956 5，說明相關(guān)性顯著。

3.2.2 密度和孔隙比的關(guān)系

孔隙比越大，密度越小。圖2為天津?yàn)I海軟土密度與孔隙比的關(guān)系曲線，擬合關(guān)系式為ρ=0.151 4e2-0.707e+2.41，相關(guān)系數(shù)R2=0.946 6，表明相關(guān)性顯著。

3.2.3 塑性指數(shù)和孔隙比的關(guān)系

塑性指數(shù)大的土含黏粒量高，保水性好，水膜比較厚，土顆粒較小。同時(shí)塑性指數(shù)大的土體形成絮狀結(jié)構(gòu)往往有較大孔隙比。圖3為塑性指數(shù)與孔隙比的關(guān)系。由圖3可知，塑性指數(shù)與孔隙比呈正相關(guān)，但線性擬合程度一般，線性關(guān)系式為IP=16.914e-0.158，相關(guān)系數(shù)R2=0.420 5。

3.2.4 壓縮系數(shù)和孔隙比的關(guān)系

壓縮系數(shù)是表征土體壓縮性的重要指標(biāo)之一。圖4表示壓縮系數(shù)與孔隙比的關(guān)系。從圖4中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以看出壓縮系數(shù)和孔隙比之間呈線性正相關(guān)，線性擬合程度較好，線性關(guān)系式為av1-2=1.058e-0.453，相關(guān)系數(shù)R2=0.803 8。

3.2.5 壓縮模量和孔隙比的關(guān)系

圖5表示壓縮模量與孔隙比的關(guān)系。壓縮模量與孔隙比相關(guān)性擬合關(guān)系式為ES1-2=3.111e-0.935，相關(guān)系數(shù)為R2=0.797 5，表明相關(guān)度較好。

上述成果中天然含水量、密度與孔隙比的相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)R2均在0.94以上。壓縮系數(shù)、壓縮模量與孔隙比的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R2在0.80左右。塑性指數(shù)和孔隙比的相關(guān)性一般，相關(guān)系數(shù)R2僅為0.420 5。

另外，含水量、密度、壓縮系數(shù)、壓縮模量與孔隙比的關(guān)系與郭林坪等[7]對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)黏性土物理力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性研究中的結(jié)論是較相近的(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、壓縮系數(shù)、壓縮模量與孔隙比的擬合關(guān)系式可考慮用在濱海新區(qū)軟土指標(biāo)的預(yù)測(cè)上，供工程應(yīng)用參考。

4 結(jié)語(yǔ)

1)天津市濱海新區(qū)淺層軟土分布范圍廣、厚度達(dá)，具有含水量高、干密度小、孔隙比大、液性指數(shù)小、滲透性差、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)。

2)天津市濱海新區(qū)淺層軟土的一些物理力學(xué)指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性，天然含水量、密度與孔隙比的相關(guān)性顯著。壓縮系數(shù)、壓縮模量與孔隙比的相關(guān)性較好。塑性指數(shù)和孔隙比的相關(guān)性一般。各參數(shù)之間的關(guān)系方程的建立，對(duì)計(jì)算中指標(biāo)的選取有一定的參考作用，亦可用在軟土指標(biāo)的預(yù)測(cè)上，供工程應(yīng)用參考。