林晗平

(福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福州，350011)

我國(guó)近海海灣地區(qū)由于陸地河流和陸源侵蝕對(duì)泥沙的動(dòng)力作用較弱，常年接收到來自陸地河流和陸源侵蝕的運(yùn)輸泥沙，往往在其中沉積了深厚的軟土層，主要為淤泥和淤泥質(zhì)土。這些軟土層往往具備許多不良的建筑工程屬性，如含水量高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低等，具有較強(qiáng)的觸變性和流動(dòng)性，這給工程建設(shè)帶來許多不利因素。在勘察工作中，淤泥取樣較為困難，一些力學(xué)指標(biāo)受取樣和實(shí)驗(yàn)室制樣的擾動(dòng)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的離散型[1]。為了降低淤泥工程屬性的不確定性，減少人為擾動(dòng)的影響，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，對(duì)某一區(qū)域淤泥工程屬性的情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和研究，這將更加有利于沿海地區(qū)的軟土工程建設(shè)。根據(jù)地質(zhì)學(xué)成因論的基礎(chǔ)原理，把某特定的地質(zhì)過程和時(shí)期相同的沉積土體環(huán)境下所形成的、在其工程屬性上與土體之間存在一定的內(nèi)部聯(lián)系的、與其特性相近的土體分類為一個(gè)獨(dú)立的工程地質(zhì)單位，從而可以形成一個(gè)獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)地質(zhì)單位體[2]，因此對(duì)于某一海灣地區(qū)的軟土，是一個(gè)獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)地質(zhì)單位體。

研究地基土性指標(biāo)的特點(diǎn)是進(jìn)行巖土結(jié)構(gòu)工程中各種參數(shù)的提取值及其可靠性分析的理論依據(jù)，也是建筑工程中確定巖土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中各種分項(xiàng)系數(shù)的主要技術(shù)參數(shù)之一[3,4]。為了能夠準(zhǔn)確確定海灣軟土所用的工程屬性，筆者選取以福建羅源灣(源鑫碼頭)9#～11#泊位及倉(cāng)儲(chǔ)工程土樣作為研究對(duì)象，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為該地區(qū)軟土性質(zhì)準(zhǔn)確把握提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

羅源灣位于福建省東北部，水域總面積為188.6 km2，內(nèi)灣口寬僅950 m，通往灣口的可門水道寬約1.8 km、長(zhǎng)為7.2 km，是一個(gè)典型的口小腹大的港灣[5]。據(jù)羅源灣潮水位觀測(cè)資料，最高潮水位為4.54 m，最低潮水位為-4.21 m，最大漲潮潮差為8.07 m，最大落潮潮差7.83 m，多年平均潮差5.12 m，歷史最高潮水位5.30 m。據(jù)資料表明，羅源灣水深較大的海域潮流較強(qiáng)，可門水道流速較大，大潮最大潮流流速可達(dá)130 cm/s，岡嶼附近海域及西北部海域(因存在深水槽)也是強(qiáng)潮流區(qū)，如岡嶼附近海域中層的大潮最大潮流流速約為115 cm/s，該灣的南部海域、近岸淺水海域潮流流速相對(duì)較小，大潮最大潮流流速一般僅為30～70 cm/s。

建設(shè)場(chǎng)地處于濱海淺灘區(qū)，屬于濱海相潮間帶灘涂地質(zhì)單元，地勢(shì)總體上北高南低，從淺灘向海域緩傾，海岸線曲折。場(chǎng)地內(nèi)主要地層有第四系人工填土層、第四系沖海積層，沖洪積層、殘積土層及侏羅系上統(tǒng)南園組，并見少量輝綠巖脈。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料[6]，區(qū)域上有詔安—長(zhǎng)樂大斷裂帶通過，并受此斷裂帶影響，區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要受北東向福安—南靖斷裂和北西向松溪—寧德斷裂控制，以北東、北西向次級(jí)斷裂為主，構(gòu)成該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及地形(地貌)的基本格局。

根據(jù)此次場(chǎng)地工程現(xiàn)場(chǎng)勘察及施工的73個(gè)鉆孔的資料分析研究，在區(qū)內(nèi)的陸域巖石中發(fā)育的裂隙主要表現(xiàn)有2組，一組走向北東，傾向南東；另一組走向北西，傾向南西，該組裂隙走向與海岸線基本平行，并基本上控制海岸走向。區(qū)內(nèi)無明顯斷裂及破碎帶通過，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層相對(duì)穩(wěn)定(1)福建省現(xiàn)代工程勘察院，福州羅源灣港區(qū)碼頭作業(yè)區(qū)9#～11#泊位及倉(cāng)儲(chǔ)工程(源鑫碼頭)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，2014。。

根據(jù)此次勘察各巖土層特征自上而下分述如下。

(1)第四系人工填土層(Qml)，素填土：呈灰黃色，松散，稍濕，成分以砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖為主，局部含有碎石，含量約占15%，為近期人工回填土，層厚為12.50 m。

(2)第四系沖海積層(Qal-m)，①淤泥：呈深灰色、灰色，流塑，飽和，黏性強(qiáng)，切面光滑，手捏具有滑膩感，局部夾少量貝殼碎屑，味微臭，以淤泥為主，局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)黏土，部分地段頂部為流泥。此層在淺灘區(qū)內(nèi)均有分布，一般層厚為2.80～33.10 m，平均厚度為21.77 m。②中砂:呈淺灰色、灰黃色，稍-中密，飽和，成分以石英顆粒為主，粒徑大于0.25 mm的顆粒約占比70%，局部分布。③粉質(zhì)黏土：呈灰黃色、淺灰色，可-硬塑，稍濕，以粘、粉粒為主，切面較光滑，干強(qiáng)度韌性中等，無搖振反應(yīng)，一般分布層厚為0.60～18.00 m，平均厚度為7.10 m。④淤泥質(zhì)黏土：深灰色，軟塑，飽和，成份以黏、粉粒為主，切面光滑，黏性強(qiáng)，含少量腐植質(zhì)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，無搖振反應(yīng)。一般層厚為0.60～11.50 m，平均厚度為5.40 m。

以下地層分別為卵石層、第四系沖洪積層、第四系殘積土層以及各種風(fēng)化程度的凝灰熔巖，不詳細(xì)展開描述。

2 樣品采集及試驗(yàn)方法

為了查明建設(shè)場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)特性，提供施工所需要巖土體參數(shù)，場(chǎng)地內(nèi)共采集167個(gè)淤泥樣和39個(gè)淤泥質(zhì)黏土樣品，嚴(yán)格按照“港口巖土工程勘察規(guī)范”標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[7]，所采集樣品具有代表性和可靠性，采集深度為0～44.80 m，滿足室內(nèi)土工試驗(yàn)要求。分析167個(gè)淤泥和39個(gè)淤泥質(zhì)土原狀軟土的土工室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，以及若干現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果，其中，天然含水量采用烘干法、天然密度采用環(huán)刀法、液限和塑限采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀、黏粒含量采用比重瓶法、含砂量采用篩分法、有機(jī)質(zhì)含量采用灼燒法、粘聚力和內(nèi)摩擦角采用直剪試驗(yàn)、壓縮系數(shù)和壓縮模量采用壓縮固結(jié)試驗(yàn)測(cè)得，各種試驗(yàn)方法嚴(yán)格按照“土工試驗(yàn)規(guī)程及土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”[8-9]中的規(guī)定進(jìn)行。室內(nèi)土工試驗(yàn)在福建省現(xiàn)代工程勘察院實(shí)驗(yàn)室完成。

3 港區(qū)軟土特性與分析

羅源灣建設(shè)港區(qū)沉積一套第四系深厚海相淤泥類型沉積物，此次勘察工作對(duì)淤泥各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行較系統(tǒng)的測(cè)定，再經(jīng)過對(duì)軟土物理力學(xué)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域軟土具有典型的“三高三低”特性，即高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低密度、低強(qiáng)度和低滲透性。其物理和力學(xué)特性的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(表1，2)。

表1 港區(qū)淤泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)特征

表2 港區(qū)淤泥質(zhì)土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)特征

3.1 天然含水量、飽和度、液限指數(shù)特征

天然含水率越高，液限指數(shù)越大，土體越軟，液限指數(shù)是判斷軟土與含水量的關(guān)系的指標(biāo)。飽和度是軟土中水的體積與空隙體積之比，飽和度越大，孔隙間越小。含水率、飽和度、液限指數(shù)三者有較強(qiáng)的相關(guān)性。該海灣淤泥大都處于飽和狀態(tài)，孔隙比大，天然含水量高，含水量會(huì)因?yàn)檐浲恋囊合薏粩喟l(fā)生變化而逐步發(fā)生變化。該海灣淤泥和淤泥質(zhì)土的天然含水量分別為48.3%～76.9%、37.5%～53.7%，平均值分別為64.3%和43.6%。對(duì)于淤泥，其液限指數(shù)一般為45.2%～60.4%，其中淤泥的含水量超過液限指數(shù)，表現(xiàn)出流動(dòng)的狀態(tài)；淤泥質(zhì)土的液限指數(shù)一般為37.0%～49.8%，含水量一般略高于液限指數(shù)，屬于流-軟塑狀態(tài)。

3.2 壓縮性特征

正確認(rèn)識(shí)和確定軟土的壓縮性指標(biāo)，是港區(qū)軟土地基處理及建筑成敗的關(guān)鍵因素之一，土體在受壓時(shí)，孔隙比顯著減小，變形沉降量大。該海灣淤泥和淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)分別為0.86～2.42 MPa-1、0.52～0.97 MPa-1，平均值分別為1.65 MPa-1和0.76 MPa-1，均大于0.5 MPa-1，均屬于高壓縮性土。其中的壓縮系數(shù)較大主要原因之一是由于地下淤泥層的含水量相對(duì)較高、孔隙比較大和淤泥處于欠固結(jié)狀態(tài)。在受到壓力時(shí)，孔隙水緩慢擠出，孔隙比減小，淤泥體積減小程度較大。

3.3 天然密度、干密度、孔隙比特征

天然密度取決于軟土中孔隙的大小，孔隙中的水的質(zhì)量及軟土的密度能夠綜合反映軟土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征。干密度是軟土中固體顆粒與總體積的比值，是評(píng)價(jià)土體緊密程度標(biāo)準(zhǔn)，可反映軟土中的孔隙比的大小。三者之間有較強(qiáng)相關(guān)性，該海灣地區(qū)淤泥和淤泥質(zhì)土的天然密度變化分別為1.60～1.79 g/cm3、1.70～1.86 g/cm3，平均值分別為1.67g/cm3、1.81 g/cm3；淤泥和淤泥質(zhì)土的干密度變化分別為0.92～1.21 g/cm3、1.11～1.35 g/cm3，平均值分別為1.02 g/cm3、1.26 g/cm3。淤泥和淤泥質(zhì)土的孔隙比變化范圍分別為1.25～1.99、1.01～1.45，淤泥最大孔隙比為1.99，淤泥質(zhì)土最大孔隙比為1.45。淤泥天然顆粒的密度低、孔隙比大，二者之間是相互對(duì)應(yīng)的，由于土體中淤泥顆粒比重通常大于1.0，所以孔隙比越大，孔隙所占的比例越大，其密度和干密度必然要低。

3.4 結(jié)構(gòu)性特征

軟土往往都具有顯著的物理和結(jié)構(gòu)特征，一旦淤泥受到外力擾動(dòng)，其中的絮凝態(tài)和結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，土的力學(xué)強(qiáng)度也會(huì)明顯減弱。根據(jù)該區(qū)域原狀土和重塑土的十字板不排水抗剪強(qiáng)度比值，計(jì)算軟土的靈敏度。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，淤泥靈敏度范圍為3.98～6.81，淤泥質(zhì)土靈敏度范圍為2.20～2.67。該地區(qū)淤泥基本屬于高靈敏度土(St>4)，淤泥質(zhì)土基本屬于中靈敏度土(2

3.5 滲透性、固結(jié)性特征

該海灣淤泥滲透系數(shù)大部分為2.41×10-7～7.45×10-7m/s，淤泥質(zhì)土滲透系數(shù)為2.11×10-7～6.12×10-7m/s，所以該地區(qū)軟土在荷載的作用下固結(jié)很慢。當(dāng)荷載為50 kPa時(shí)，淤泥固結(jié)系數(shù)為7.16×10-4～14.10×10-4cm2/s，淤泥質(zhì)土的固結(jié)系數(shù)為9.86×10-4～22.00×10-4cm2/s，平均值分別為9.61×10-4cm2/s、13.30×10-4cm2/s。隨著荷載的增加，軟土的固結(jié)系數(shù)越小，固結(jié)越慢。軟土滲透性差主要是因?yàn)槠漕w粒尺寸較小，多數(shù)屬于黏粒(粒徑小于0.005 mm)；另一方面，顆粒具有較強(qiáng)的親水性，外側(cè)能夠黏貼一層較厚的水膜。所以軟土建筑工程上往往需要在整個(gè)土體中打設(shè)不同形式的排水系統(tǒng)，加快土體排水和固結(jié)，加速工程進(jìn)度。另外，若土中有機(jī)物含量較多時(shí)，滲透性更低。

3.6 抗剪強(qiáng)度特征

在直剪實(shí)驗(yàn)中，淤泥粘聚力變化大部分為3.8～9.7 kPa，內(nèi)摩擦角大部分為0.6°～2.1°；淤泥質(zhì)土內(nèi)聚力為16.9～20.4 kPa，內(nèi)摩擦角為6.7°～9.5°。通過樣品數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)軟土抗剪強(qiáng)度較低?？辜魪?qiáng)度低主要是因?yàn)槠浜扛?、孔隙比大等原因?/p>

4 軟土物理力學(xué)指標(biāo)關(guān)聯(lián)性

4.1 室內(nèi)物理指標(biāo)關(guān)系

對(duì)該區(qū)域內(nèi)土樣的各個(gè)參數(shù)可以進(jìn)行相關(guān)性的分析，來解釋不同參數(shù)之間的相關(guān)性，對(duì)于某一個(gè)參數(shù)相關(guān)性要求更高，進(jìn)而可以利用這一個(gè)參數(shù)確定另一個(gè)參數(shù)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法擬合出參數(shù)之間的相關(guān)公式。由于土樣的含水量試驗(yàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且結(jié)果較為可靠。因此，可以考慮利用土樣的含水量作為一個(gè)自變量，分析其它物理學(xué)指標(biāo)和含水量之間的關(guān)系，對(duì)于淤泥試驗(yàn)結(jié)果擬合關(guān)系(表3)。對(duì)于淤泥質(zhì)土，樣品數(shù)量相對(duì)較少，擬合關(guān)系式可信度相對(duì)較低，不予以討論?？梢钥闯?，含水量與孔隙比、天然重度、干重度之間都具有較強(qiáng)的相關(guān)性，二者之間基本呈線性關(guān)系；含水量與壓縮系數(shù)和壓縮模量之間也是具有很強(qiáng)的相關(guān)性，二者之間基本上是呈冪函數(shù)的關(guān)系，含水量與液塑限、塑性指數(shù)之間的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)R2都控制在0.70以下。軟土中的含水量越高，顆粒之間的孔隙度就越高。孔隙比越大，土就越疏松，其壓縮性也就越高，土就越容易被壓縮、變形。

表3 淤泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)關(guān)系

根據(jù)各個(gè)物理力學(xué)指標(biāo)間的相互關(guān)系，得出淤泥質(zhì)的含水量和孔隙比之間相關(guān)性的曲線(圖1)和含水量與壓縮系數(shù)之間的相互關(guān)系曲線(圖2)。淤泥含水量和孔隙比之間的線性關(guān)系相對(duì)較好，而含水量與壓縮系數(shù)之間可以用冪函數(shù)關(guān)系曲線來表示，在實(shí)際勘察設(shè)計(jì)工程中，根據(jù)軟土含水量來推算其孔隙比和壓縮系數(shù)，求得壓縮系數(shù)后，進(jìn)一步結(jié)合孔隙比求得壓縮模量，其他的各項(xiàng)參數(shù)亦可根據(jù)回歸式方程法確定。具體按照實(shí)際情況計(jì)算。

圖1 淤泥含水量與孔隙比的關(guān)系圖 Fig.1 Relationship diagram of the ratio of the silt water content and the pore

圖2 淤泥含水量與壓縮系數(shù)的關(guān)系圖Fig.2 Relationship diagram of silt water content and compression coefficient

4.2 室內(nèi)指標(biāo)與原位指標(biāo)關(guān)系

除了現(xiàn)場(chǎng)取土在室內(nèi)測(cè)試其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)外，在現(xiàn)場(chǎng)選取了20個(gè)典型孔，采用原位十字板剪切測(cè)試了其不排水抗剪強(qiáng)度。在豎向上每隔1.0 m測(cè)試一組不排水的抗剪能力，分為原狀土和重塑土的抗剪能力，然后再準(zhǔn)確地計(jì)算其靈敏度。根據(jù)測(cè)試深度處十字板剪切強(qiáng)度與其附近深度處的室內(nèi)物理指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)二者之間的關(guān)系，推斷出淤泥原狀土含水量與不排水抗剪強(qiáng)度關(guān)系、重塑土含水量與不排水抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系(圖3)。

可以清楚地看出，隨著淤泥中含水量的增加，原狀土和重塑土的不排水耐受性和抗剪能力的強(qiáng)度均會(huì)有所下降，主要原因是由于淤泥中含水量越高，其孔隙比越大，單位體積內(nèi)土體顆粒含量越少，抵抗外界荷載的能力越弱。原狀土含水量與不排水抗剪強(qiáng)度基本符合線性關(guān)系，而重塑土含水量與不排水抗剪強(qiáng)度大體上符合冪函數(shù)，但二者之間的相關(guān)性較差。

圖3 淤泥含水量與不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship diagram of silt water content and undrained shear strength

5 結(jié)語(yǔ)

此次勘察在充分收集已有資料及建設(shè)羅源灣港區(qū)前期可研勘察資料的基礎(chǔ)上，綜合此次港區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)勘察資料及室內(nèi)土工測(cè)試結(jié)果，對(duì)主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)羅源灣港區(qū)軟土的含水量、天然密度、干密度、孔隙比、飽和度、液限、液性指數(shù)的變異系數(shù)都較小，大多數(shù)小于0.08；粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)和壓縮模量的變異系數(shù)相對(duì)較大，大多數(shù)大于0.1。這主要是因?yàn)槲锢碇笜?biāo)不會(huì)或不易受土樣擾動(dòng)的影響，相對(duì)比較穩(wěn)定；由于軟土樣品在取樣、搬運(yùn)及制樣等工作過程中容易受到各種不同范圍的擾動(dòng)，對(duì)于力學(xué)性能指標(biāo)和壓縮特性指標(biāo)，容易受到各種擾動(dòng)影響而產(chǎn)生變異。

(2)根據(jù)羅源灣港區(qū)軟土的167個(gè)淤泥和39個(gè)淤泥質(zhì)土的土工試驗(yàn)結(jié)果，研究軟土的物理力學(xué)指標(biāo)變化幅度、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及其變異系數(shù)等內(nèi)容，得到了以含水量為自變量，其他指標(biāo)作為因變量的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，以此估算羅源灣港區(qū)軟土物理力學(xué)上的特性，為軟土建設(shè)項(xiàng)目順利實(shí)施提供一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。