賀金明 羅飛 楊火平 於智

收稿日期：

2023-09-07

作者簡(jiǎn)介：

賀金明，男，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail：602604595@qq.com

引用格式：

賀金明，羅飛，楊火平，等.鄂州市花馬湖流域軟土物理力學(xué)性質(zhì)研究

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（1）：70-74.

摘要：

為更好掌握花馬湖流域軟土的物理力學(xué)特性，通過掃描電鏡觀察、室內(nèi)土工試驗(yàn)等方式，對(duì)該流域軟土的礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及各指標(biāo)間的相互關(guān)系進(jìn)行綜合研究。結(jié)果表明：花馬湖流域軟土主要由伊利石、綠泥石等黏土礦物組成，呈致密塊狀結(jié)構(gòu)，具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)；其孔隙比和含水量與其他物理力學(xué)指標(biāo)間具有很好的相關(guān)性。研究成果可為花馬湖流域地區(qū)工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

關(guān)鍵詞：

軟土； 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)； 花馬湖流域； 鄂州市

中圖法分類號(hào)：TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.012

文章編號(hào)：1006-0081（2024）01-0070-05

0? 引? 言

目前，沿海發(fā)達(dá)地區(qū)及內(nèi)陸大型城市對(duì)軟土的特征研究較多，如劉勇健等［1］對(duì)珠江三角洲軟土的物理力學(xué)性質(zhì)及相間關(guān)系進(jìn)行了分析；蘇衛(wèi)衛(wèi)等［2］對(duì)上海地區(qū)軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了研究；吳長(zhǎng)富等［3］對(duì)杭州地區(qū)典型土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變異性進(jìn)行了研究；屈若楓、陳志浩等［4-5］對(duì)武漢地區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系及特性進(jìn)行了研究；第五版《工程地質(zhì)手冊(cè)》［6］總結(jié)了國內(nèi)主要軟土地區(qū)的成因類型并對(duì)比了軟土物理力學(xué)指標(biāo)。軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是軟土邊坡穩(wěn)定計(jì)算、軟土地基沉降計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，中小型工程的軟土參數(shù)主要由有經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)工程師通過相關(guān)試驗(yàn)成果分析，結(jié)合有關(guān)規(guī)程規(guī)范，綜合取值。但是，往往試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，離散性較大，不能客觀反映軟土的物理力學(xué)性質(zhì)。

花馬湖流域?qū)賰?nèi)陸平原河湖區(qū)，位于中國軟土分布中部地區(qū)（Ⅱ）［7］，而湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 42/242-2014《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》［8］、DB 42/T 159-2012《基坑工程技術(shù)規(guī)程》［9］等相關(guān)規(guī)范并沒有對(duì)花馬湖流域軟土的特性及各指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究。

為更好地研究花馬湖區(qū)域內(nèi)軟土的分布、成因、性質(zhì)及各指標(biāo)間的相關(guān)性，本文圍繞區(qū)域內(nèi)軟土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，如含水率、密度、孔隙比、液限、壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等進(jìn)行研究，并對(duì)各指標(biāo)相互關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1? 軟土分布特征

花馬湖流域位于鄂州市東南部，長(zhǎng)江中游南岸，為河流遺跡湖，主要由走馬湖、黃山湖、花家湖組成，呈碟碗狀分布，流域面積294 km2。湖區(qū)及鄰近區(qū)域?yàn)闆_湖積平原地貌特征，東側(cè)沿江一帶為長(zhǎng)江一級(jí)階地，南側(cè)及西側(cè)主要為丘陵地貌特征；燕磯-沙窩-新廟-碧石渡一線往西主要為崗狀平原地貌特征。

區(qū)內(nèi)軟土主要分布于沖湖積平原區(qū)，為湖澤相沉積，主要表現(xiàn)為灰黑色淤泥、灰褐色或灰綠色淤泥質(zhì)黏土。淤泥多分布于河、湖底部，層厚一般為1～2 m，淤泥質(zhì)黏土多分布于黃褐色黏性土的硬殼層以下。其中，沖湖積平原區(qū)淤泥質(zhì)黏土分布較連續(xù)、層厚較均一、土質(zhì)較均勻，花家湖東側(cè)、黃山湖東側(cè)及南側(cè)淤泥質(zhì)黏土層一般厚8～10 m，局部達(dá)15 m，尤其花馬湖出水港沿線及東側(cè)長(zhǎng)江一級(jí)階地分布明顯；西北崗狀平原區(qū)淤泥質(zhì)黏土平面分布不規(guī)則，呈零星分布，主要分布在河、塘附近，走向和厚度變化大，多呈帶狀或透鏡體狀，層厚一般為3～5 m。

2? 軟土礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)特征

2.1? 礦物成分

對(duì)金雞橋港、楊家湖港取2組軟土試樣，取樣深度一般為2～3 m。X射線物相分析結(jié)果表明：花馬湖流域軟土的主要礦物為伊利石、綠泥石、石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石等，如表1所示。

軟土中，原生礦物含量為40%～50%，主要來源于花馬湖周邊，受進(jìn)一步風(fēng)蝕作用，形成次生黏土礦物，經(jīng)湖水漲落、水流搬運(yùn)，就近沉積；有機(jī)質(zhì)含量為3.82%～6.96%，多為湖沼相沉積；次生黏土礦物含量為50%～60%，遇水膨脹，堵塞軟土孔隙，使其滲透性降低，失水收縮，在外界荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形。因其有機(jī)質(zhì)含量較高，活性較強(qiáng)，吸附能力強(qiáng)，易改變軟土的礦物成分，降低軟土的強(qiáng)度。

2.2? 微觀結(jié)構(gòu)特征

采用日立SU8010型掃描電鏡對(duì)花馬湖流域軟土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，放大2 000倍，其微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像如圖1所示。

從圖1可以看出，軟土由大塊體礦物組成，呈致密塊狀結(jié)構(gòu)，片層狀發(fā)育不明顯，表面有碎屑物附著，孔隙發(fā)育明顯，黏粒含量較高，主要由黏粒組成的微集合體形成團(tuán)塊，顆粒間主要以面-面及邊-邊接觸為主，團(tuán)塊間有非定向裂隙發(fā)育，粉粒含量較少，主要散布于團(tuán)塊表面或之間，起連接作用，結(jié)構(gòu)體單元穩(wěn)定性較差，易受擾動(dòng)破壞，抗剪強(qiáng)度低。因此，在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軟土的保護(hù)，避免過度擾動(dòng)。

3? 軟土物理力學(xué)指標(biāo)

通過現(xiàn)場(chǎng)采集97組軟土試樣，采用室內(nèi)土工試驗(yàn)方法研究花馬湖流域軟土的物理力學(xué)性質(zhì)，包括軟土的含水率、密度、孔隙比、飽和度、液限、塑限、壓縮系數(shù)、壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等。對(duì)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示［10］。表3～5為花馬湖流域軟土在不同試驗(yàn)條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

由試驗(yàn)成果分析可知，花馬湖流域軟土主要具有如下特點(diǎn)。

（1） 天然含水量、液限高。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)，天然含水量主要集中在35.0%～76.8%區(qū)間，平均值為47.56%；液限值主要集中在36.4%～66.7%，平均值為50.13%；塑限值集中在17.9%～34.5%，平均值為25.0%?？傮w上天然含水量與液限值高，兩值較接近，區(qū)間值分布較集中，而遠(yuǎn)大于塑限值，塑性指數(shù)區(qū)間15.0～35.6，平均值25.23。黏粒含量高，親水礦物質(zhì)多，吸水能力強(qiáng)，這與前述軟土礦物成分試驗(yàn)結(jié)果相印證。

（2） 孔隙比大、壓縮性高。軟土孔隙比0.96～1.72，平均值1.26＞1，孔隙比大；壓縮系數(shù)0.52～1.30 MPa-1，均值0.82 MPa-1＞0.5 MPa-1，壓縮模量1.87～4.32 MPa，均值2.96 MPa＜4 MPa，具有高壓縮性。土體顆粒間孔隙越大，含水量越高，在自重壓力及外部荷載作用下，土體孔隙中的水分向四周擴(kuò)散，易發(fā)生壓縮變形，引起地基不均勻沉降變形［11］。該區(qū)域的工程施工應(yīng)合理進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，避免重載車輛、重型機(jī)械設(shè)備等在軟土區(qū)范圍的通行，防止引起軟土邊坡、軟土地基的變形。

（3） 強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)。由軟土微觀結(jié)構(gòu)分析，其為致密塊狀結(jié)構(gòu)，孔隙發(fā)育明顯，顆粒間主要以面-面及邊-邊接觸形成團(tuán)塊，團(tuán)塊間發(fā)育非定向性裂隙，團(tuán)塊主要依靠少量粉粒起連接作用，結(jié)構(gòu)單元體穩(wěn)定性較差，靈敏度一般為3～8，受擾動(dòng)后，結(jié)構(gòu)易破壞，強(qiáng)度降低明顯。

軟土室內(nèi)直剪快剪（Q）試驗(yàn)cq值為8～15 kPa，均值12.04 kPa，φq值為2.3°～7.6°，平均值為4.67°，三軸UU試驗(yàn)cuu值為7.8～34.4 kPa，均值為19.84 kPa，φuu值為3.5°～10.1°，平均值為6.37°，表明天然狀態(tài)下軟土的強(qiáng)度整體低，尤其φq值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般黏性土；而固結(jié)快剪（CQ）試驗(yàn)中，ccq值為8～19 kPa，均值為12.66 kPa，φcq值為9.5°～16.8°，平均值為13.24°，表明軟土固結(jié)后，其強(qiáng)度整體得到提高，尤其內(nèi)摩擦角較未固結(jié)狀態(tài)有顯著提升。

工程建設(shè)過程中，通常依靠軟土自重固結(jié)來提高其強(qiáng)度，過程漫長(zhǎng)，不滿足工程建設(shè)周期要求，而通過攪拌樁加固、高壓旋噴樁加固等措施來提高軟土的整體強(qiáng)度快速有效，也是目前常見的工程處理措施。

4? 軟土物理力學(xué)指標(biāo)相互關(guān)系研究

4.1? 指標(biāo)統(tǒng)計(jì)關(guān)系

根據(jù)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和軟土研究，普遍認(rèn)為影響軟土性狀的主要指標(biāo)是孔隙比、含水率、壓縮模量、內(nèi)摩擦角等，且各指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性。因此，為了全面認(rèn)識(shí)花馬湖流域軟土的工程特性，研究軟土參數(shù)間的相互關(guān)系，合理選擇軟土參數(shù)提供依據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中線性、非線性回歸方法（包括一元線性回歸、多項(xiàng)式、指數(shù)、冪非線性回歸），按最小二乘法擬合最佳曲線，形成回歸關(guān)系式，得到各指標(biāo)間的最佳關(guān)系曲線見圖2，回歸方程匯總見表6。

通過圖2和表6可以看出，e和ω作為自變量，與因變量之間相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)|R|≥0.5，具有中度至顯著相關(guān)性。物理指標(biāo)中，e與ω顯著正相關(guān)，e越大，ω越高；ρ與e，ω顯著負(fù)相關(guān)，隨著自變量的增大而減小。力學(xué)指標(biāo)中，a1－2與e，ω正相關(guān)，隨著自變量的增大而增大，相關(guān)程度中等；Es與e，ω呈負(fù)相關(guān)性，隨著自變量的增大而減小，相關(guān)程度中等；φ與e，ω呈中等負(fù)相關(guān)性。

4.2? 指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律

基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析建立回歸方程，往往要檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)總體是否服從正態(tài)分布，檢驗(yàn)方法較多。目前，偏度-峰度檢驗(yàn)法是常用的一種，較為有效。當(dāng)偏度和峰度接近0，則認(rèn)為總體樣本數(shù)據(jù)為正態(tài)分布；若峰度為正值，則表示相對(duì)正態(tài)分布陡峭；峰度為負(fù)值，則表示相對(duì)正態(tài)分布平緩。

首先，假設(shè)總體樣本數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，取雙側(cè)檢驗(yàn)顯著性水平a=0.05，則查t分布臨界值表Z（a）=1.96。當(dāng)峰度系數(shù)和峰度系數(shù)絕對(duì)值均大于臨界值時(shí)，則認(rèn)為拒絕接受正態(tài)分布，反之，接受正態(tài)分布。通過該方法，對(duì)花馬湖流域軟土物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可知，花馬湖流域軟土的天然密度、干密度、孔隙比、液限、液塑限指數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)等物理力學(xué)指標(biāo)服從正態(tài)分布，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較理想；含水率、飽和度、土粒比重、塑限服從非正態(tài)分布，即試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值不夠理想，可對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析篩選。對(duì)前述94組含水率試驗(yàn)值進(jìn)一步篩選后的83組數(shù)據(jù)再次分析，其峰度系數(shù)為-1.215，偏度系數(shù)為1.958，滿足正態(tài)分布，含水

率平均值46.5%，標(biāo)準(zhǔn)差7.29，變異系數(shù)0.16，修正系數(shù)0.97，與表2中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，含水率統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)明顯降低，表明統(tǒng)計(jì)值差異性更小、更合理。因此，通過對(duì)軟土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，對(duì)滿足正態(tài)分布檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于花馬湖流域軟土物理力學(xué)指標(biāo)的選取有實(shí)際參考意義。

5? 結(jié)? 論

（1） 黃山湖、花家湖東側(cè)沖湖積平原區(qū)軟土分布較連續(xù)、均勻，埋深淺，層厚大，其他地貌單元軟土呈零星分布，走向和層厚變化大。

（2） 研究區(qū)軟土具有天然含水率高、壓縮性高、天然密度低、抗剪強(qiáng)度低、孔隙比大、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（3） 研究區(qū)內(nèi)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性，不同指標(biāo)的相關(guān)性程度有一定的變化，不同統(tǒng)計(jì)方法得到的相關(guān)性程度也存在一定差異。

（4） 軟土物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，天然密度、孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量、直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)等服從正態(tài)分布，含水率服從非正態(tài)分布。軟土物理力學(xué)指標(biāo)的正態(tài)分布檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)判斷軟土的總體性狀、提出相對(duì)可信的參數(shù)值具有參考意義。

（5） 在不同的試驗(yàn)條件下，軟土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化較大。因此，工程建設(shè)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要，采用最接近工程狀態(tài)的試驗(yàn)條件，進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)取值。

本文對(duì)花馬湖流域軟土的分布、礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)指標(biāo)等進(jìn)行研究，總體反映了花馬湖流域軟土的特性。研究成果可為區(qū)內(nèi)工程建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)和參考，也對(duì)后續(xù)進(jìn)一步的研究具有參考意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 劉勇健，劉湘秋，劉雅恒，等.珠江三角洲軟土物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比分析［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（3）：30-36.

［2］? 蘇衛(wèi)衛(wèi)，黃宏偉，張潔.上海軟粘土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)概率分布類型研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8（2）：1695-1699.

［3］? 吳長(zhǎng)富，朱向榮，劉雪梅.杭州地區(qū)典型土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變異性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（1）：94-99.

［4］? 屈若楓，徐光黎，王金峰，等.武漢地區(qū)典型軟土物理力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（2）：113-119.

［5］? 陳志浩，陳少平，吳禮生.武漢地區(qū)軟土特征的實(shí)驗(yàn)分析［J］.資源環(huán)境與工程，2015，29（6）：974-977.

［6］? 化建新，鄭建國，王篤禮，等.工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.第五版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

［7］? 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程：JGJ 83—2011［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［8］? 湖北省建設(shè)廳，湖北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范：DB42 /242—2014［S］.武漢：湖北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，2014.

［9］? 湖北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，湖北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.基坑工程技術(shù)規(guī)程：DB42 /T 159—2012［S］.武漢：湖北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，2013.

［10］? 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.湖北國際物流核心樞紐花馬湖水系綜合治理二期工程（一標(biāo)）地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2021.

［11］? 高軍軍，湯蕾，陸俊，等.長(zhǎng)江口地區(qū)軟基水閘異常變形原因綜合分析［J］.水利水電快報(bào)，2023，44（7）：39-44.

（編輯：江? 燾，高小雲(yún)）

Research on physical and mechanical properties of soft soil in Huama Lake Basin，Ezhou City

HE Jinming，LUO Fei，YANG Huoping，YU Zhi

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430074，China）

Abstract：

In order to better grasp the physical and mechanical properties of soft soil in the Huama Lake Basin，a comprehensive study was conducted on the mineral composition，microstructure，physical and mechanical properties indicators，and the interrelationships among diverse indicators of soft soil in the Huama Lake Basin through scanning electron microscopy observation，indoor soil tests and other methods.The research results indicated that the soft soil in the Huama Lake Basin was mainly composed of clay minerals such as illite and chlorite，with a dense block structure characteristics，high water content，large pore ratio，high compressibility，low strength，and strong structural characteristics.There was a good correlation between its pore ratio and water content with other physical and mechanical indicators.The research results can provide a reference for the design and construction of projects in Huama Lake Basin．

Key words：

soft soil； physical and mechanical property indicators； Huama Lake Basin； Ezhou city