彭潤杰

（華南理工大學，廣東 廣州 510641）

0 引言

珠江三角洲靠近南海的區(qū)域，廣泛分布著軟弱土層，在軟土地基上進行工程建設需要提前對其進行處理，才能保證各類結構物的安全。長期以來，在工程上人們往往是從軟土的宏觀力學參數去評估軟土的性質，比如彈性模量、孔隙比、含水率等，而較少從軟土的微觀結構去進行分析。軟土的宏觀力學性質是其微觀結構在宏觀上的表現，因此從軟土的微觀結構去認識軟土，才能從根本上掌握軟土的性質，從而提出更加合理高效的軟基處理方法。本文對軟土的微觀結構進行分析，并提出軟基處理方法。

1 軟土成因及礦物組成

1.1 軟土成因

軟土是在弱水動力條件下，水體中的細顆粒物質由于水流緩慢或者靜止，逐漸開始沉積，從而形成的飽和松軟土層。

河流以及海洋的紊流中攜帶著大量的土顆粒，流速越小，其搬運能力越低。在河口處，水面最寬廣，河流流速最慢，在此處沉積的都是粒徑非常小的顆粒。同樣的，海洋里的小顆粒在海侵和海退的反復過程中也在此沉積。因此，軟土地層中的土顆粒，其大部分為粒徑非常小的顆粒。

珠三角位于珠江入海口與南海的交界處，河流分布廣泛，并且處于海洋邊緣，因而是軟弱土層的良好發(fā)育區(qū)域。珠江三角洲軟土的形成與沉積環(huán)境的演變，主要受控于海平面的升降變化及其引起的海岸線變遷。歷史上兩次大規(guī)模的海侵和期間的一次海退，導致構成新老兩套三角洲沉積[1]。

當發(fā)生海侵時，海平面上升，使得河流出?？谕鶅汝懛较蛞苿?，河流搬運能力下降，水流攜帶的細顆粒在河口處大量沉積。與此同時海侵帶來海洋中的細顆粒物也在此沉積，形成軟土。此外，海侵還將魚類貝殼類尸體帶到河口并沉積在此處。往上游，河流回水形成沼澤，沼澤地區(qū)有大量的木根草根腐爛，因此在這樣的軟土層往往包含有一定比例的有機物。

當發(fā)生海退時，海平面下降，河流出海口往海洋方向擴展，引起河口三角洲的擴張。在河口三角洲擴張的同時，河流搬運的粗顆粒物在河口沉積，而往海洋方向，河流搬運的細顆粒物在進入大海后，因水的搬運能力下降而沉積于出海口，引起軟土的沉積和形成。

珠江三角洲經過兩次海侵和一次海退，形成了典型的從上往下分布的“淤泥土層—砂層—淤泥質土層”式的地層分布，且軟土厚度非常大，見圖1所示。

圖1 軟弱土層

1.2 軟土礦物組成

軟土的礦物成分復雜，在珠江三角洲地區(qū)的軟土，雖然各個組成部分的比例會有所不同，但是主要的黏土礦物成分基本相同，分別有蒙脫石、高嶺石、伊利石等。

蒙脫石。蒙脫石顆粒間連接的鍵力較弱，水分子容易進入，只能形成非常細的黏土顆粒。蒙脫石的比表面積非常大，巨大的比表面積使其具有非常強的親水性，因此其吸附的（弱）結合水膜厚度相當大。在法向壓力作用下顆粒相互之間靠強度較低的弱結合水膜連接，而不是由顆粒直接接觸相連接。這是該類礦物壓縮性大、抗剪強度低的重要原因之一。

高嶺石。高嶺石顆粒間連接的鍵力較強，水分子不易進入，能形成較粗的黏土顆粒。高嶺石的比表面積較小，親水性較差，不及蒙脫石那么高，因此其吸附的（弱）結合水膜厚度較薄，壓縮性低，抗剪強度較高。

伊利石。伊利石的性質介乎于蒙脫石和高嶺石之間。

除了以上幾種主要礦物，由海洋帶來的魚蝦貝類以及河流附近腐爛的雜草木根等在河口附近沉積，因此該部分軟土往往還夾雜著各類有機物質，從而進一步降低了軟土的強度、滲透性。

2 結合水膜對軟土顆粒的影響

土顆粒外部包含著結合水膜，結合水膜分為強結合水膜和弱結合水膜，見圖2所示。強結合水膜性質接近固體，可看作土顆粒的一部分。弱結合水膜位于強結合水膜外側，呈黏稠狀，不會由于自身重力流動，但受力時可以變形，從水膜較厚的地方流向水膜較薄的地方。這樣的性質產生了土的塑性，使土變得可塑[2]。即弱結合水膜形成土的塑性，水膜厚度越大，可塑性越強。

圖2 土顆粒與強、弱結合水膜

因此，當土顆粒具有很大的比表面積，擁有極強的親水性時，其吸附的弱結合水膜厚度是非常大的。這樣的土體含水量會非常高，在外力作用下顆粒間靠強度較低的弱結合水膜而不是顆粒間直接接觸相連接，壓縮性大，抗剪強度低。

對于土顆粒來說，其吸附水分形成的（弱）結合水膜是造成土體高壓縮性、抗剪強度低的重要原因之一，也是形成土塑性、影響土塑性指數的最重要原因之一。而軟土中如果含有較多親水性極強的蒙脫石，其弱結合水膜的厚度往往比較大，這樣的軟土往往會呈現高含水率、高壓縮性、低抗剪強度等性質。

部分軟土的主要成分也許不是蒙脫石，但是只要各類黏土礦物總含量達到一定的比例[3]，這類黏土礦物極強的親水性依然會使得該類土呈現上述性質。

3 軟土微觀結構的形成

小粒徑的顆粒往往是針片狀的，這是其重要的特征，也深刻影響著軟土的性質。這類土顆粒表面上分布著負電荷，而在邊角處常常又攜帶正電荷。因此土顆粒不僅僅受到重力作用，還會受到靜電力作用。此外土顆粒還會受到分子力作用。

靜電力和分子作用力的大小已經與土顆粒自身的重力相當，不可忽視。因此在水中沉積時，由于顆粒為針片狀，且顆粒極小，其自重并不是非常大。單個土顆粒在水中緩慢下沉，在重力、靜電力、分子作用力三種力的復雜作用下，如果碰到已經沉積的土顆粒，其分子作用力和靜電力大于自身的重力時，土顆粒將不再下沉，而是與已經沉積的土顆粒相連接，搭接成各類不同的結構，并不斷連接和延伸。

這種連接經常會形成封閉狀或者半封閉狀的圈，這種圈連接起來包圍著相當大的孔隙，孔隙中充滿了水分、空氣等復雜成分，其本質特征如圖3所示。這種結構的本質是：顆粒通過邊—邊、邊—面等邊緣相連接，顆粒間連接是比較脆弱的，顆粒連接后，顆粒之間形成了孔隙。不同的軟土搭接成的結構形式雖有所差別，但其在根本上是相同的。

圖3 微觀結構示意圖

由于顆粒連接方式的不同，其結構的強度以及包含的孔隙體積千差萬別，從而形成了軟土結構千變萬化的宏觀指標。

4 軟土宏觀性質的微觀解釋

從軟土的成因到微觀結構的構成，可以解釋軟土的宏觀力學性質：高壓縮性、高含水率、強度低、易擾動、低滲透性等。

高壓縮性。軟土顆粒連接起來的圈包含著相當大的孔隙，而這種孔隙的結構是非常脆弱的。因此當外力（如上部結構荷載）作用在軟土上時，會迫使孔隙間水的流出，圈內包含的孔隙被壓縮，孔隙體積縮小，土的連接加強，抗剪強度提高。由于顆粒間孔隙的體積比較大，因此孔隙體積減小量相比土的骨架體積是同一個量級的，在宏觀上就表現出土體的高壓縮性。

高含水率。軟土沉積時是河流及海洋的交界處，地點多為沼澤、河口三角洲等地，土體始終處于飽和的狀態(tài)，因此含水率非常高。土顆粒間包含的孔隙基本都被孔隙水占據，小部分可能含有空氣。因此，在宏觀上表現出高含水率。

強度低。軟土強度低主要有兩個方面的原因。一方面從骨架結構上看，由于土顆粒沉積時往往是以邊—邊、邊—面的連接方式結合，中間包含著體積較大的孔隙，并且土顆粒的連接主要靠靜電力和分子間作用力。這種連接方式決定了其顆粒間的結合是非常脆弱的，猶如積木的簡易松散搭接，其受力平衡非常容易被破壞。因此在宏觀上表現為強度低。另一方面從土顆粒的成分上看，軟土顆粒親水性極強，在飽和的環(huán)境下，它吸附的結合水膜厚度非常大，導致顆粒間的連接依靠強度較低的弱結合水膜，而不是強度更高的顆粒間直接接觸的咬合與摩擦。兩者共同作用導致了軟土較低的強度。

易擾動。軟土很容易受到擾動而強度降低。這點和土顆粒骨架的連接方式有關。軟土骨架以邊—邊、邊—面的連接方式結合，中間包含著大體積的孔隙，這種連接方式其受力平衡非常容易被外力所破壞，宏觀上則呈現出容易被擾動的特性。

低滲透性。軟土的低滲透性與滲透路徑、弱結合水膜厚度、溶液離子濃度、孔隙特征、有機物等因素相關。

（1）軟土的孔隙蜿蜒曲折，導致孔隙水滲流的路徑非常長，并且孔隙互相之間連通性不良，甚至部分孔隙是封閉的，孔隙水無法流動，因而導致水滲流的難度大。

（2）弱結合水膜厚度直接影響著有效滲流孔隙直徑的大小。結合水膜厚度大，則有效滲流孔隙直徑小，如果結合水膜厚度小，則有效滲流孔隙直徑增大[4]。軟土中溶液離子濃度能影響土顆粒外表面的電場分布，從而影響弱結合水膜厚度，改變滲流孔隙的有效滲流直徑。史恬[5]等人的研究表明，相同黏土礦物組成的軟土滲透系數隨孔隙液離子濃度增大而增大，原因在于結合水膜厚度隨著孔隙液離子濃度的增大而減小，增大了有效滲流孔隙直徑。軟土的孔隙直徑非常小，其直徑分布位于微米級以及微米級以下，并且部分孔隙甚至是封閉的，孔隙水流動困難，導致滲透系數非常小。

（3）沉積的軟土中往往存在魚蝦尸體、枯萎的草木等有機物，而有機物屬于疏水礦物，不利于水的流動。有機物的存在，往往會導致滲透性的降低。

5 軟基處理方法

5.1 處理思路

軟土高壓縮性、高含水率、強度低的性質決定了它不能直接作為工程建設的地基，因此要對其進行預處理。軟基處理的基本思路是：設法排出軟土中的孔隙水，增大土骨架的有效應力，從而提高強度并使其發(fā)生預沉降，以減小工后沉降并提高土體承載力。具體的思路如下：

（1）排出孔隙水。使用外力促使孔隙水排出，如夯擊動力排水、堆載預壓排水、真空預壓排水、真空預壓聯合堆載排水等。其目的就是通過外力促進孔隙水的流出，減小孔隙水壓力，增大有效應力，從而提高強度，并使其發(fā)生預沉降，以減小工后沉降。

（2）改善排水條件。軟土的滲透性非常小，土體中孔隙水排出的速度非常緩慢。因此僅僅施加外力迫使孔隙水排出，雖然可實現目標，但是工期會非常長，因此需要設法改善排水條件。在實際工程中，工程技術人員在堆載預壓或者真空預壓時，往往與排水系統搭配。排水系統分為水平排水系統和垂直排水系統。水平排水系統是在地基表面鋪設一層砂層以促進排水，垂直排水系統有打入砂井或者塑料排水板等方法，這兩種都是改善排水條件的有效手段。

（3）減小排水路徑。軟土固結速度還決定于排水路徑的長短。打入土體中的砂井或者塑料排水板的間隔越小，土體中孔隙水滲流的路徑越短，排出的速度越快，效果越好。垂直排水系統中塑料排水板間隔一般在1m左右，這樣可以大大縮短孔隙水的滲流路徑，加快排水速度和固結速度，有效減小工期。

5.2 主要的幾種軟基處理方法

根據上述軟基處理思路，主要有換填法、塑料板+動靜力排水固結法、堆載預壓法、真空預壓法和真空聯合堆載預壓法等幾種軟基處理方法。

（1）換填法。對于厚度薄、面積小的軟土，如果軟土的埋深比較淺，那么最有效的軟基處理辦法則是挖去該部分軟土，然后換填條件好的土層，從而實現永久地解決軟土地基問題。

（2）塑料板+動靜力排水固結法。一般做法是打入塑料排水板，然后用夯擊或靜力壓載的方式迫使孔隙水排出，見圖4。但是動力法容易產生擠土現象，且容易引起土的各向異性發(fā)展，因此適合厚度不大的軟土，且使用時應當十分小心。

圖4 塑料排水板固結法

（3）堆載預壓法。堆載預壓法是在軟土層上逐級施加大荷載，并打入排水板或砂井，利用外部荷載的壓力，使得土體中的孔隙水被擠壓排出，壓縮土體孔隙，從而控制土體的工后沉降，提高土體的承載力，見圖5。當施工工期比較長，時間允許，軟土厚度大、范圍廣的時候，堆載預壓法是一個比較適合的方法。

圖5 堆載預壓法

（4）真空預壓法。真空預壓法是往軟土中打入排水板，在地表覆蓋一層膜隔離大氣，然后利用泵機抽出空氣形成真空，利用大氣壓將軟土中的孔隙水排出的方法，見圖6。真空預壓法適用于工期短或者堆載材料不足、軟土厚度大的情況。通過顯微鏡觀察，經過真空預壓后的軟土試樣，孔隙體積明顯縮小，真空預壓處理的效果是非常明顯的。真空預壓法的處理深度一直沒有定論，普遍認為有效作用深度在15～20m左右，對于更深的軟土其處理效果一般。

（5）真空聯合堆載預壓法。在實際工程中，往往將多種方法綜合起來使用，從而達到更好的處理效果。將堆載法和真空預壓法兩者相結合，可以實現更好的軟基處理效果。

5.3 軟基處理新方法

隨著工藝的進步，越來越多的新方法被人們開發(fā)出來用以處理軟土地基。

（1）虹吸排水法。虹吸現象是一種利用液面高差產生的作用力推動液體流動的物理現象，由于液面存在著高差，液體在壓力差的作用下，從壓力大的一端流向壓力小的一端，直到容器的液面變成相同的高度。本質是液體分子間引力與位能差造成的。虹吸排水法是利用虹吸原理將軟土中的孔隙水在土體孔隙水壓力的推動下“自動”排出的方法。該方法具有免動力高效持續(xù)有效輸送水體、排水過程自動調整液面、虹吸流量隨坡體地下水位上升而增大等特點。缺點在于：由于是依靠孔隙水壓力推動排水，一方面需要場地有高低差，另一方面隨著孔隙水排出，壓力降低，排水速度迅速下降，效果隨之降低。

（2）電滲法。土體中的孔隙水本質上是一種離子溶液，其中的電場分布影響著水分子的排列，水分子在電場作用下會有特定的流動方式，因此在軟土中插入電極，產生特定的電場，可以使得孔隙水定向排出。但是電滲法耗能非常大，且電極損耗嚴重，成本高，此外由于水能導電，存在安全隱患，因此尚無法大規(guī)模推廣。

6 結束語

軟土的宏觀性質是軟土微觀結構的外在表現，因此要對軟土進行有效的處理，從而減小工后沉降，提高地基承載力，都需要加深對軟土結構的認識。

軟土顆粒沉積的過程中會以邊—邊、邊—面的形式進行連接，這種連接結構猶如搭積木一般，其力學結構非常脆弱。軟土顆粒比表面積越大，弱結合水膜的厚度越大，顆粒間連接則越依靠結合水膜的相互作用力。土體顆粒之間包含的孔隙體積非常大，但是孔隙直徑非常小，孔隙長度非常長，其中的孔隙水流動十分困難。這些因素使得軟土呈現出高壓縮性、高含水率、強度低、滲透性低等宏觀性質。

軟土的處理方法與其微觀結構是息息相關的。軟土的孔隙直徑小、蜿蜒曲折甚至是封閉的，這樣的微觀結構導致了孔隙水難以排出。因此需要提供外力迫使孔隙水流出。同時為了改善排水條件，減小滲流路徑，從而提高固結速度，需要往土體深部鋪設排水板，并適當減小排水板的間距。此外無論是堆載預壓、真空預壓等傳統方法，還是虹吸法、電滲法等新型方法，都是在這些方法的基礎上進行的。

在軟土的微觀結構中，弱結合水膜在軟土的各項性質中發(fā)揮著至關重要的作用。弱結合水膜對土顆粒本身的強度、土顆粒之間的連接強度、土體孔隙直徑、土體滲流水路徑等有著極大的影響，深刻改變著軟土的結構強度。