某大型石化廠區軟黏土的工程地質特性研究

錢 明，盛連成，張志豪

方浩亮，賈貴智 （中國石油天然氣華東勘察設計研究院巖土工程處，山東 青島266071）

某大型石化項目選址在廣東揭陽 （惠來）大南海國際石化綜合工業園區內；項目總規劃建設煉油4000萬噸／年，配套百萬噸級乙烯的世界級超大型石化基地，規劃面積約6km2；擬建廠址位于惠來縣隆江河下游河口地帶，南鄰南海；地層屬第四系三角洲沉積物，三角洲相沉積主要有粉細砂、有機質黏土夾薄層粉砂、淤泥、粉質黏土、黏土、中細砂、粗礫砂、含黏性土礫砂等組成，常夾有半咸水生物貝殼碎屑。

擬建場地范圍內，地表以下6～40m深度范圍內 （與基巖起伏面一致）存在以有機質黏土、淤泥質黏性土、淤泥為主的灰黑色軟黏土，具有天然含水率高，孔隙比大，壓縮性大，滲透性低，承載力低等特點。依據其深度方向的組合關系，該灰色軟黏土可分為單層、雙層、三層結構。

灰黑色軟黏土除具有一般軟土的特性之外，還具有一系列不利的工程特性，因此正確認識灰黑軟黏土的工程地質特性，并處理好軟土地基具有十分重要的意義。

1 地層特征

擬建場地普遍存在軟黏土層，且自北向南 （海邊）厚度增大，由單層變雙層甚至三層結構，每層結構軟土上覆一薄層黃褐色可塑～硬塑狀黏土，應是長期出露于水面，經蒸發干燥而形成的硬殼 （標志層）。軟黏土以淤泥質黏土、有機質黏土為主，灰黑～黑色，土性不均勻，相變頻繁。該層夾薄層粉細砂，含少量的貝殼碎片、腐殖質等，鉆探過程可見有未腐爛完全的植物根莖，表明該土層是在靜水、缺氧環境條件下形成；有光澤，韌性中等，干強度高；該層屬正常固結、高壓縮性土，有機質含量一般為3.3%～5.1%，最高達12%???錢明，王良 .中委廣東石化2000萬噸／年重油加工工程及附屬設施巖土工程初步勘察報告 .中國石油工程建設公司，2010.?錢明，劉大偉.中委合資廣東石化2000萬噸／年重油加工工程儲罐區、預留區巖土工程詳細勘察報告.中國石油工程建設公司，2012.。

根據場地240多個代表性土樣的試驗結果統計，灰色軟黏土的物理力學性質指標如表1所示。淤泥質黏土主要物理力學指標垂向變化有如下特征：各結構層的淤泥質土，天然含水率、孔隙比、塑性指數、液性指數隨埋深增大而遞減，重度、壓縮模量隨埋深增大而增加。壓縮模量受土層天然含水量及孔隙比影響，與之呈反比的關系。

2 礦物成分與化學成分

采用X射線衍射儀進行光譜分析，分析數據表明黏土礦物成分以水云母為主，次之為蒙脫石、綠泥石。水云母礦物成分占總量的20%～25%，蒙脫石占總量5%～10%，綠泥石占總量5%～10%；非黏土礦物成分石英占總量40%～50%，其他為長石、凹凸棒石、黃鐵礦。代表性土樣X射線衍射分析曲線 （見圖1）。

表1 軟黏土的物理力學指標

依據土化學分析結果，軟黏土呈偏弱酸性 （pH值5.2～6.4），硫酸鹽含量及氯鹽含量極少。

圖1 土樣X射線衍射光譜分析曲線

3 物理力學性質指標及相關研究

軟黏土的主要物理力學性質如表1所示，依據勘察成果，該層土具有如下特性：

（1）比重比一般黏性土小，不符黏性土與塑性指數的經驗關系。一般黏性土比重值2.71～2.74，軟黏土比重值2.66～2.68［5］。

（2）天然含水率高，通常大于40%，最高達80%。場地淤泥質土、淤泥、有機質性黏土處于飽和狀態，孔隙比與含水率具有很好的線性相關關系 （見表2）。

（3）軟黏土的液限指標變化范圍較大，主要與土的成分、膠體礦物成分及顆粒組成有較大關系。液限與含水率基本成正比關系。液限（wL）與塑性指數（Ip）存在線性相關關系 （見表3）。

表2 軟黏土的e～w線性相關關系

表3 軟黏土的Ip～wL線性相關關系

（4）用液性指數［2］判定土的狀態與天然狀態不符。土工試驗結果液性指數大于1.0，最高達3.6，表明土處于流塑狀態，與野外判定結果不相符合，天然狀態一般要高于液塑限試驗結果一個級別，處于軟可塑狀態。

（5）孔隙比大，其平均值1.0～1.5，最大為2.15。

（6）壓縮系數明顯大于0.5，壓縮模量平均值小于5MPa，屬于高壓縮性土。

（7）無側限抗壓強度明顯大于不排水抗剪強度值。三軸不排水抗剪強度Cu值1.0～9.2kPa，平均為3.6kPa；無側限抗壓強度值40～80kPa，其試樣土樣液性指數大多為流塑狀態，與一般經驗關系不符；液塑限試驗結果與土的天然狀態不符合。

（8）場地軟黏土經固結試驗可定為具有一定結構強度的正常固結土 （局部欠固結），其先期固結壓力Pc大致為150～200kPa。

4 軟黏土的工程特性

1）可塑性 灰黑軟黏土的狀態是軟可塑，局部流塑。而用液性指數判定軟黏土的塑性與軟黏土的天然狀態 （手感判定或微型貫入判定）不符，天然狀態是可塑、軟塑，用液性指數判定狀態是軟塑、流塑。分析原因是按土工試驗方法 （GB／T50123－1999）［4］液塑限試驗得到的液性指數指標，是反映軟黏土樣充分擾動的狀態，而軟黏土天然狀態 （手感判定）是保持土的結構性不變時測定的，反映其不受擾動的塑性狀態。在室內試驗可以通過測定錐沉量h確定黏性土的天然狀態，具體判定指標參考《港口工程地基規范》（JTS147－1－2010）［1］。

2）結構性 軟黏土具有觸變特征，當原狀土受到振動后，破壞了結構連接，降低了土體強度，以至使土變成稀軟狀態。結構性的大小，常用靈敏度St來評價。依據土樣無側限抗壓強度試驗結果，軟黏土的靈敏度與土的狀態 （按液性指數判定）相關［2］，如軟黏土處于流塑狀態，靈敏度St一般在2～4之間，當處于軟塑狀態，靈敏度St一般在6～12之間，這說明土的結構強度越高，受擾動后，其強度降低越多。由此當軟黏土地基受振動荷載后，易產生側向活動、沉降等不良地質作用。

3）高壓縮性 由于軟黏土的成分復雜、不均勻，且局部貝殼碎片、腐殖質和粉砂含量較多，使土層的壓縮性差異較大。壓縮系數統計平均值大于0.5［3］，壓縮模量統計平均值小于5MPa，表明場地軟黏土屬于高壓縮性土。軟黏土屬于正常固結土，其上覆有效自重應力約等于先期固結壓力，當附加應力作用軟黏土結構層時，則會破壞土的結構，產生土粒間的滑移，此時產生的沉降較大。

4）軟黏土的抗剪強度 由于場地軟黏土成分復雜不均勻，并且在鉆探、取樣、運輸過程易受擾動，是直剪試驗指標離散性較大，其c、φ值均很分散，而且與土的其他物理力學指標相關關系不明顯。為此，應配合采用適量三軸壓縮試驗和原位測試手段進行驗證。

5）靜力觸探曲線特征 在場地所做的靜力觸探試驗結果表明，不同土層的錐頭阻力與摩阻比存在明顯差異，同時各土層的曲線特征也各不相同，具體如表4所示。

表4 軟黏土的靜力觸探指標特征

6）軟黏土的旁壓試驗指標 在場地進行預鉆孔旁壓試驗，共實施29孔的旁壓試驗。得到的試驗結果如表5所示。旁壓試驗是一種原位測試手段，其測試結果間接得到的力學性質指標高于土工試驗成果。因此為了準確評價土的力學指標，在野外鉆探、取樣、室內試驗中，必須保持土的原狀結構，盡量避免原狀樣被擾動。

表5 旁壓試驗成果指標特征

7）低透水性 軟黏土滲透性弱，一般垂向滲透系數（3～7）×10－8cm／s，水平滲透系數（3～8）×10－7cm／s。對地基排水不利，反映其固結沉降將是一個長期過程。

8）不均勻性 灰黑軟黏土屬濱海三角洲相沉積地層，間夾薄層粉細砂、粉土等，含有機質及腐木、云母碎屑等，在水平和垂向分布上力學性質有所差異，作為地基和軟弱下臥層時則產生不均勻沉降。

5 軟黏土的巖土工程問題

惠來縣沿海地段軟黏土分布較廣泛，厚度大，結構較復雜，當作為建筑物地基時一般需要地基處理。經查有關資料，潮汕地區的公路、碼頭等建設中軟土最常見的地基處理方式是袋裝砂井、塑料排水板及砂樁三類。由于軟黏土屬于結構性土，具有觸變性和靈敏度高的特點，因此在地基基礎施工時，無論作為淺基礎／基坑持力層或者下伏軟弱層時，應注意保持軟黏土的天然結構，規范施工，切忌土體擾動，使之強度降低，產生不均勻沉降。

如選用樁基礎時，在選擇灰黑軟黏土的樁周側摩阻力時，如果使用土工試驗報告中的液性指數確定側摩阻力，其數值顯然偏小。可使用錐沉量試驗結果確定的黏性土狀態并結合靜力觸探成果計算樁基承載力，來綜合確定單樁承載力，以期節約工程成本費用。成樁工藝盡量不選用振動沉樁工藝，以期保護灰黑軟黏土在施工中不受擾動，充分利用軟黏土較好的力學性能。

6 結 論

（1）灰黑軟黏土屬全新世濱海相沉積地層，具有軟土的特性，可分為裸露型和埋藏型，以埋藏型為主。依據其深度方向的組合關系，該灰色淤泥質黏性土可分為單層、雙層、三層結構。埋藏型每層結構軟黏土上部覆蓋黏土硬殼層 （標志層）。

（2）軟黏土呈弱酸性，其黏土礦物成分以水云母為主，次之蒙脫石、水泥石等，石英占有較大比例。其礦物成分對工程特性的作用需進一步研究。

（3）軟黏土的物理力學性質與天然含水率相關，孔隙比、液限、壓縮指標與之成正比，因此采取原狀樣時確保含水不受損失，才能精確反映軟黏土的狀態和力學性質。

（4）軟黏土屬于結構性土，具有觸變性和靈敏度高等點，而采用液塑限試驗得到液性指數不能反映該軟黏土的天然狀態，建議采用錐沉量試驗來確定土的軟硬狀態。

（5）場地軟黏土經固結試驗可定為具有一定結構強度的正常固結土 （局部欠固結），其先期固結壓力Pc大致為150～200kPa。這與濱海相軟黏土一般處于欠固結狀態不相符。

（6）土工試驗所采取原狀樣極易被擾動，由此得到物理力學指標相應小于原位測試成果，為此應適當采用靜力觸探、十字板、旁壓試驗等原位測試手段，這樣更準確反映出土層的變化情況及其物理力學指標。

（7）地基基礎施工時應注意保持灰黑軟黏土的天然結構；在確定樁側摩阻力時，可使用錐沉量試驗結果確定的黏性土狀態并結合靜力觸探成果計算樁基承載力，來綜合確定單樁承載力，以期節約工程成本費用。

［1］JTS147－1－2010，港口工程地基規范 ［S］.

［2］GB50021－2001，巖土工程勘察規范 ［S］.

［3］GB50007－2011，建筑地基基礎設計規范 ［S］.

［4］GB／T50123－1999，土工試驗方法 ［S］.

［5］《工程地質手冊》編委會 .工程地質手冊 ［M］.第4版 .北京：中國建筑工業出版社，2007.