珠海橫琴島環島西堤軟土工程特性分析

朱事業

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

珠海橫琴島環島西堤軟土工程特性分析

朱事業

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

在珠海市橫琴新區環島西堤工程地質勘察資料收集整理基礎上，對沿線軟土分布、成因及物質組成進行說明,對沿線102組原狀土樣的基本物理力學指標，及原位十字板剪切試驗成果進行統計整理，分析各基本物理力學指標隨埋深不同的變化特征,提出對區內建筑物進行地基基礎設計計算時，應針對工程特點將深厚軟土層按其所表現的工程特性進行分層處理;同時選取軟土物理力學參數應分層對待，才更為可靠、合理。

軟土;沉積分布;基本物理力學指標;工程特性;工程地質分層

橫琴島位于珠海市陸域東南部，毗鄰港澳。從地貌形態可分北部小橫琴山(山頂高程194 m)北丘陵區及填海地、圍墾地；中部大、小橫琴山之間區域，即中心溝圍墾區及填海地、灘涂；南部大橫琴山(山頂高程457.7 m)以南丘陵區、平地、灘涂河水域。山體巖性為燕山期(γ)花崗巖。填海地、圍墾地及灘涂地地層則廣泛分布著濱海相沉積(Qmc)的軟土地層[1]。橫琴島是繼上海浦東新區、天津濱海新區之后，第三個由國務院批準的國家級新區。因橫琴新區四周皆有水道，防洪海堤則是橫琴新區建設發展的重要屏障。環島西堤是橫琴新區環島海堤的重要組成部分，主要任務是擋潮、排水，兼顧市政交通、改善水環境和生態景觀。

據勘察資料，擬建的環島西堤沿線堤基巖土層以深厚淤泥、淤泥質土為主。巖土有地域性的特點，其性質隨位置而改變。不僅不同場地巖土性能不同，即使同一場和同一層土，其性質也不相同[2]。因此，為解決巖土工程設計的任務，不得不通過一些數理統計的手段，對巖土體進行工程地質分層[3-4]。

1 分布及物質組成

橫琴島位于磨刀門出海口的東北側，為淺海環境下的古海灣，孤立海島分布其間，隨著時間的推移，大量泥沙不斷淤積，淺灘逐漸升高，岸線向南推進，孤島與平原相連，形成現今軟土淤積平原與低山丘陵相間分布的地貌形態。據黃鎮國等人所著《珠江三角洲形成發育演變》[5]中記錄：該區軟土沉積屬新三角洲相，主要沉積物由距今五六千年以來的第四系物質組成；而表層3～5 m的沉積物則是2 500年以來沉積而成。軟土在平面方向的分布特點：水域側裸露地表，島陸內被表層填土覆蓋，呈單層或多層的沉積結構。

環島西堤全長約7 km，沿線軟土的地質描述：水域范圍表層軟土為流塑狀浮泥，隨埋深增加則是灰黑色淤泥、淤泥質土，流塑—軟塑狀過渡，偶見夾薄層狀淤泥質粉砂，味臭。揭露層厚1～40余米，在近山處層薄，一般<5 m，下伏硬土層起伏大，以花崗巖風化土或基巖為主；其余區段以層厚>20 m為主，下伏硬土層起伏平緩，以黃褐色黏土、泥質砂礫等為主。本文選取102組軟土原狀樣,分析其顆粒組成(圖1),發現軟土顆粒以膠粒和黏粒(約占55%)為主，其次是直徑為0.005～0.05 mm的粉粒(約占44%)，基本不含砂粒;其微觀結構主要為蜂窩狀結構、海綿狀結構及凝塊狀結構三種類型[6-7]。

2 基本物理力學指標

根據沉積規律，同一場區、同一沉積時期的沉積物，其沉積層理、物質組成相近，在水平方向上同一沉積層序的地層應具備相似的工程特性；但因原始地貌起伏，使得沉積厚度、埋藏深度、有機物含量等在垂直方向上存在較大差異，不同埋深的地層所具備不同的工程特性。本文參照《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)[8]的數理統計方法，對環島西堤軟土層各基本物理力學指標隨埋深不同的變化特征進行統計分析。數值有效性判別依據式(1)進行，若不滿足式(1)則判別為異常值，不參與統計分析。

|d|

(1)

圖1 顆粒篩分曲線圖Fig.1 The particle sieving curve diagram

2.1 天然含水率(w)、天然孔隙比(e)

樣本總數為102組，天然含水率取值范圍為36.7%～92.4%。圖2為天然含水率隨埋深變化的曲線圖，從圖可知在0～17 m埋深的軟土含水率最高，平均值59.1%～64.5%；>17 m埋深的含水率值逐漸降低。天然含水率隨埋深變化的特征表現為：<10 m埋深的軟土含水率起伏變化;10～17 m埋深的軟土含水率值穩定，較表層軟土有升高，值最大；>17 m埋深的軟土含水率逐步降低。

圖2 天然含水率隨深度變化曲線圖Fig.2 The natural water content with depth curve

與含水率相同統計樣本，天然孔隙比取值范圍為1.043～2.471。圖3為天然孔隙比隨埋深不同的曲線圖，從圖可知深度在0～17 m范圍內孔隙比較大，平均取值范圍在1.65～1.793。因天然孔隙比與天然含水率具有線性相關性[9]，隨埋深不同表現出與天然含水率相似的變化特征。天然含水率和孔隙比隨深度變化的規律，可由軟土的壓密特性分析得出[10]：隨埋深增加，上覆土壓力增大，使得土孔隙比降低，孔隙水排出，天然含水率降低。

圖3 天然孔隙比隨深度變化曲線圖Fig.3 The natural pore ratio varies with depth curve

依據國標《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[11]中規定，將w>wL，e>1.5的土稱為淤泥；w>wL，1.025 m的軟土以淤泥質土為主。另外統計了67組原狀土樣所得有機質測試成果，有機質含量<5%，沿線軟土以無機土為主。

2.2 壓縮特性

壓縮性指標是建筑物地基沉降計算的重要參數。根據天然含水率、天然孔隙比隨深度變化的特征，及有機質測定成果，首先將本區深厚軟土劃分為兩大類：埋深<25 m的淤泥，埋深>25 m的淤泥質土。將102組原狀樣的壓縮試驗成果，繪制不同埋深的e-p曲線(圖4)、壓縮系數(αv)隨深度變化曲線(圖5)。

圖4 不同深度土樣e-p曲線圖Fig.4 The different depths of soil sample e-p curve

圖5 不同深度土樣αv-p曲線圖Fig.5 The different depths of soil sample αv-p curve

對所有樣本的壓縮系數值α1-2統計，取值范圍為0.8～2.3，樣本均屬高壓縮性土?？紫侗入S固結壓力增加而減小，在0～200 kPa的范圍內，曲線斜率較大，之后較緩(圖4-圖5)。在埋深<25 m的淤泥曲線斜率大，埋深>30 m的曲線斜最小，埋深介于25～30 m的曲線斜率中等(圖4)。壓縮系數隨固結壓力增加而減小，在<25 m的淤泥曲線斜率大，埋深>30 m的曲線斜率最小，埋深介于25～30 m的曲線斜率中等(圖5)。

2.3 軟土的固結特性

固結系數(Cv)是表征土固結快慢的一個重要參數，值越大則沉降速度越大，固結完成所需的時間越短。固結系數受到固結狀態、固結壓力影響，在微觀上反映的是孔隙中水的排出速度以及孔隙的壓縮過程，宏觀上則反映土的沉降速度。圖6、圖7為同一固結壓力下垂直、水平固結系數(時間平方根法)隨深度變化特征圖，其具有如下特征：同等應力下，水平向固結系數一般較垂直向固結系數大；埋深<11 m的土，表現出同一埋深垂直、水平固結系數隨壓力增加值變大的趨勢；P>100 kPa固結系數隨著壓力增加，變幅??；P≤100 kPa固結系數隨著壓力增加，變幅大，最終隨埋深增加趨于穩定；埋深在15～18 m、22～25 m的軟土，其垂直、水平固結系數出現兩個峰值區間。

圖6 各級壓力下垂直向固結系數隨深度變化曲線Fig.6 Variation depth curves of vertical consolidation coefficient under pressure

圖7 各級壓力下水平向固結系數隨深度變化曲線Fig.7 Variation depth curves of horizontal consolidation coefficient under pressure

由軟土的沉積成因及顆粒組成可解釋以上特點：因軟土沉積的層序性，使得水平向透水比垂直向透水較大，固結較快。埋深較淺的土，多屬于欠固結土，當固結壓力大于先期固結應力時，軟土固結不僅是孔隙壓縮、孔隙水排出，同時伴隨有結構重新排列以及結合水的析出;當固結壓力小于先期固結應力的固結初始階段時，軟土固結主要為孔隙水及空氣排出，且隨著壓力增加，孔隙水及空氣排出越快，固結最終趨于穩定狀態。

2.4 原位十字板剪切試驗成果

在沿線范圍內均勻布置9個原位十字板剪切試驗孔，測試點間距1 m。圖8-圖10為軟土的不排水抗剪峰值強度(Cu)、重塑土強度(Cu′)和靈敏度(St)隨埋深的變化曲線。由圖8、圖9知：在深度<10 m的范圍內，峰值強度、重塑土強度最低，且強度增長緩慢，按照Daccal 方法進行修正后的長期強度標準值為8.9 kPa；在深度10～20 m范圍內，強度增長較快，按照Daccal 方法進行修正后的長期強度標準值為15.3 kPa；在深度>20 m范圍內，強度增長最快，按照Daccal 方法進行修正后的長期強度標準值為22.3 kPa。由圖10可知：場區軟土以低靈敏土為主，結構性不強。

圖8 十字板剪切峰值強度隨深度的變化曲線Fig.8 The depth curve of cross plate shear peak strength

圖9 十字板剪切重塑土強度隨深度的變化曲線Fig.9 The depth curve of cross plate shear remoulded soil strength

原位十字板試驗結果隨深度變化的特征，可由土壓密理論及沉積規律解釋：隨軟土埋深增加，孔隙比降低，天然含水率降低[12]，下部土體固結較上部土體更充分，其天然抗剪強度有所增加。

2.5 飽和快剪試驗成果

飽和快剪試驗是當前室內快捷測定原狀土抗剪強度指標的一種試驗方法。其測定的原狀土抗剪強度指標(cQ、ΦQ)，可較為直觀地反映出土的力學強度特性。圖11、圖12分別是本文選取4個具有代表性的鉆孔中不同埋深軟土層的原狀樣飽和快剪指標隨埋深的變化曲線。

圖10 靈敏度隨深度的變化曲線Fig.10 The sensitivity with depth curve

圖11 飽和快剪強度cQ隨埋深變化曲線Fig.11 Saturation and fast shear strength cQ with buried depth curve

圖12 飽和快剪強度ΦQ隨埋深變化曲線Fig.12 Saturation and fast shear strength ΦQ with buried depth curve

由圖11、圖12知，飽和抗剪強度指標隨埋深變化的規律不明顯,這與現場原位十字板試驗表現出的變化規律不一致。原因可能為：軟土層的含水量高、孔隙比大，即使嚴格按照取樣規程取樣，在運輸和儲存過程中做足了防護措施，也難免使得原狀軟土在進行室內試驗時已成為了擾動土，其試驗數據已不能準確代表原位土的物理力學特性。

3 分層及物理力學參數選取

環島西堤為堤防工程，堤身由砂土料填筑，可自由適應堤基土變形,堤身填筑期以堤基土不發生失穩破壞為控制標準。依據堤防工程的特點及軟土物理力學特性，并綜合考慮水工設計計算的實用性，將環島西堤堤基深厚軟土層進行分層，各層次劃分如下：

(1) 2-1層埋深0～4 m，以表層浮泥為主，主要依據現場鉆探取芯特征及地表測繪得出。

(2) 2-2層埋深4～11 m，為淤泥，其物理指標值在一定區間變動,原位十字板剪切試驗測得其天然土體抗剪強度增長緩慢。

(3) 2-3層埋深11～17 m，為淤泥，其物理指標離散性小,原位十字板剪切試驗測得其天然土體抗剪強度呈振蕩型快速增長。

(4) 2-4層埋深17～25 m，為淤泥，其天然含水率、天然孔隙比隨埋深有所降低,原位十字板剪切試驗測得其天然土體抗剪強度呈振蕩型緩慢增長。

(5) 2-5層埋深>25 m，為淤泥質黏土，對該工程的地基基礎設計計算影響不大。

綜上所述，對深厚軟土層進行工程地質分層，分層統計提出主要物理力學建議值見表1[13-14]。對比表1的分層統計值與102組原狀樣的試驗成果統計值，分層統計指標值離散性小，符合土層沉積規律特征;同時也反映出巖土材料的多樣性特征，便于設計計算，指標選取更符合實際。

表1 珠海橫琴環島西堤軟土層主要物理力學指標分層建議值表Table 1 The main physical and mechanical indicators of soft soil layered recommended table of West Bund around Hengqin Island in Zhuhai

說明：表1中物理指標提出為分層的平均值，力學指標為分層的標準值；2-1層所取原狀樣的室內剪切試驗數據離散性大，無法常規統計分析。

4 結論

(1) 沿環島西堤線路除山體區域外，軟土皆有分布，層厚5～40余米。軟土顆粒組成以膠粒和黏粒(約占55%)為主，其次是顆粒直徑0.005～0.05 mm的粉粒(約占44%)，基本不含砂粒。整體沉積過程，處于一個相對穩定的狀態。

(2) 沿線軟土天然含水率、天然孔隙比隨埋深增大，值變小。不同埋深的軟土層壓縮曲線特征不同，埋深10～25 m的軟土壓縮曲線斜率最大。水平向固結系數一般較垂直向大,埋深較淺的土，固結過程不僅是孔隙壓縮、孔隙水排出，還伴隨有結構重新排列以及結合水的析出。

(3) 對環島西堤軟土層的一些基本物理力學指標進行統計分析，結果表明：對區內建筑物進行地基基礎設計計算時，應針對工程特點，在充分分析軟土層各物理力學參數隨埋深的不同而發生變化，對深厚土層分層進行統計，使選取的物理力學參數更為可靠、合理。因軟土樣在取樣、運輸保存及制樣時擾動的可能性較大，其抗剪強度指標的選用以原位十字板剪切試驗的成果更為合適。

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(責任編輯：費雯麗)

Analysis on Soft Soil Engineering Characteristics ofWest Bund around Hengqin Island in Zhuhai

ZHU Shiye

(GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou,Guangdong510635)

Based on the collection of engineering geological survey data of West Bund around Hengqin Island in Zhuhai,the distribution,origin and material composition of soft soil along the line are described.The basic physical and mechanical indicators and in situ cross plate shear test results of 102 groups undisturbed soil samples along the line were analyzed,and the variation characteristics of the basic physical mechanical indicators with different depth were analyzed.In this paper,the foundation design of the buildings is calculated,and the deep soft soil layer should be stratified according to the engineering characteristics.The selection of soft soil physical mechanical parameters should be treated in layers so that the values are more reliable and reasonable.

soft soil; sediment distributing; basic physical and mechanical indicators; engineering characteristic; engineering geology division

2017-07-12;改回日期:2017-07-21

朱事業(1987-)，男，工程師，地質工程專業，從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:542403958@qq.com

P642.13+3; TV447

A

1671-1211(2017)04-0470-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.025

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170731.1703.002.html 數字出版日期:2017-07-31 17:03