武漢河漫灘相軟土工程特性試驗及對比研究

吳雪婷，陳斌，項偉，張美霞

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.杭州師范大學理學院，浙江 杭州 310036）

0 引言

我國在濱海平原、河口三角洲、內陸湖盆、山澗谷地及河流中下游兩岸漫灘、階地等均廣泛分布著大量的軟土。隨著城市建設的加快，許多工業及民用建筑、鐵路、港口、碼頭和水利工程均興建在軟土地基上[1]，在施工過程中暴露出諸多與軟土相關的復雜的環境巖土工程問題[2]，如：建筑物沉降過大、不均勻沉降、傾斜開裂、基坑邊坡失穩滑移或基坑隆起、樁位偏移以及斷樁縮頸等[3-4]。因此研究軟土的工程性質對軟土地基工程建設具有重要意義。

軟土的成因類型有濱海沉積型、湖相沉積型、河灘沉積型和沼澤沉積型等，軟土的工程性質表現出顯著的時空變異性和區域性。由于不同地域軟土的工程性質與其沉積環境密切相關，從宏觀及微觀上認識不同地域軟土的基本特性并分析其成因不僅具有重要的理論意義，對于工程設計施工也具有重要的參考價值，諸多專家學者對不同地域、不同類型的軟土開展了宏、微觀試驗及理論研究[5-9]。

武漢地處長江中游，區內有許多河流湖泊，在長江及漢江流域河漫灘相堆積以及牛軛湖相堆積中廣泛存在著軟土，其中以東西湖、后湖、武湖以及長江、漢江一、二級階地為最[10]。這些淤泥、淤泥質軟土層主要工程特性為含水率高、孔隙比高、壓縮性高、強度低，并具有結構靈敏性、觸變性、流變性。因此土結構一旦被破壞，土體強度會降低，導致建筑物沉降長時間不能穩定[11]。

目前有關武漢軟土的物理力學性質以及微觀結構的研究主要集中在指標之間的統計關系或某種成因類型軟土的工程性質研究等方面[12-13]，針對武漢長江沖積河漫灘相軟土的宏、微觀性質研究較少。

本文以武漢沖積河漫灘相軟土為研究對象，系統對其物理力學特征、物質成分和微觀結構等進行了研究；同時與參考文獻中他人研究的海相沉積的南海軟土[5]、海口軟土[6]和湖相沉積的北京翠湖濕地土[7-8]的試驗數據進行對比分析，以比較不同成因軟土工程性質的異同。

1 軟土的物理力學性質

1.1 取樣

研究所用土樣取自長江武漢段河漫灘相軟土，為第四系全新統沖積（）淤泥質土，土層分布較均勻。原狀土顏色為灰-灰褐色，流塑，高壓縮性，含腐植物、有機物及少量螺殼。

1.2 物理性質分析

所取武漢軟土土樣的物理性質試驗結果如表1所示。作為對比，海積軟土（南海軟土[5]、海口軟土[6]）和湖積軟土（北京翠湖濕地土[7]）的試驗數據也列在表中。4種軟土的顆粒分析累積曲線如圖1所示。

表1 軟土的物理性質指標對比Table 1 Comparison of physical properties of soft soils

圖1 軟土粒徑級配累積曲線Fig.1 Cumulative curve of size grading of soft soils

由表1和圖1的數據可知，4種軟土的天然含水率均大于液限，處于流塑狀態。武漢軟土和北京翠湖濕地土孔隙比都在1～1.5之間，屬于淤泥質土；南海和海口軟土的孔隙比約為2，屬于典型淤泥。4種軟土黏粒含量的大小為武漢軟土（47.2%）＞南海軟土（32.5%）＞海口軟土（28.0%）＞北京翠湖土（11.5%）；粉粒含量為海口軟土（62%）＞南海軟土（58.8%）＞武漢軟土（52.5%）＞北京翠湖土（47.4%）；除北京翠湖土以外，其他軟土的細粒含量都達到了90%以上。軟土的粒度特征對沉積物的成因、沉積環境、物源供應及自然地理條件等具有很大的指示作用[14]。武漢沖積軟土沉積物主要來源于長江，以化學風化產物為主，因此，沉積物中黏粒含量最高。所以武漢軟土是一種具有高含水率、高孔隙比和高黏粒含量的飽和軟土。

1.3 力學試驗分析

所取武漢軟土試樣的無側限壓縮試驗結果如圖2所示。由圖2分析可知，武漢軟土無側限抗壓強度為18.35 kPa，靈敏度為3.03，屬于中靈敏度土，軟土結構性較強。圖2中插圖所示為原狀試樣破壞形態，試樣破壞時可見較明顯的剪切面，試樣中部可略見鼓脹現象。

圖2 武漢軟土無側限壓縮試驗應力-應變曲線Fig.2 Unconfined compression test σ-ε curve of soft soil in Wuhan

圖3所示為不同圍壓下（50 kPa、100 kPa、150 kPa和 200 kPa圍壓） 主應力差（σ1-σ3）與軸向應變ε之間的關系曲線。在50 kPa、100 kPa和200 kPa圍壓下，應力應變曲線沒有出現明顯的峰值點，土體呈現應變硬化特性；僅在150 kPa圍壓下出現峰值強度，達到峰值點后，隨著應變的繼續增大，土體出現應變軟化現象。

圖3 武漢軟土三軸UU試驗主應力差-軸向應變曲線Fig.3Triaxial UU test（σ1-σ3）-ε curve of soft soil inWuhan

圖4所示為原狀土樣三軸UU抗剪強度包線，通過理論擬合計算可得武漢軟土三軸不固結不排水抗剪強度指標為cu=3.51 kPa，φu=3.71°。

圖4 武漢軟土三軸UU抗剪強度包線Fig.4 Triaxial UU shear strength envelope of soft soil in Wuhan

圖5為武漢軟土24 h壓縮試驗e-p及e-lg p曲線，其中南海軟土、海口軟土和北京翠湖濕地土的數據取自文獻[5-7]。由圖5可知，武漢軟土的壓縮系數a1-2為1.06 MPa-1，且4種軟土壓縮系數均大于0.5 MPa-1，故均為高壓縮性土，其中海口軟土的壓縮性＞南海軟土＞武漢軟土＞北京翠湖濕地土。

圖5 軟土e-p及e-lg p曲線對比圖Fig.5 Comparison of e-p and e-lg p curves of soft soils

由于壓縮系數a不是一個定值，從圖5可知，4種軟土的壓縮系數a均隨著壓力增大而減小。從圖5的e-lg p曲線可以看出，e-lg p曲線在較大的壓力范圍內表現出線性關系，即軟土的壓縮指數Cc比較穩定。由圖5計算可得，武漢軟土的壓縮指數Cc為0.36。Cc值越大，則土的壓縮性越高，4種軟土的壓縮指數表明，海相軟土的壓縮性＞河漫灘相軟土＞湖相軟土。

武漢軟土的24 h固結壓縮試驗、直剪試驗、無側限壓縮試驗和三軸UU試驗結果與3種對比軟土的力學指標匯總如表2所示。武漢河漫灘相淤泥質土和海相淤泥的抗剪強度較接近，翠湖濕地土的抗剪強度最小。結果表明，不同地域的不同成因軟土，其力學指標存在較大差異。

表2 軟土的力學性質指標對比Table 2 Comparison of mechanical properties of soft soils

2 軟土的微觀特性研究

2.1 微觀結構分析

土體的孔隙特征及排列分布是土體產生壓縮變形的內因，武漢軟土的微觀結構試驗所用儀器是荷蘭FEI有限公司生產的型號Quanta200的環境掃描電子顯微鏡（ESEM），為防止拍攝過程中由于樣品受到電子束的轟擊而產生放電現象，采用液氮冷凍真空升華干燥法制備樣品，并對樣品進行鍍金處理。為了清楚研究樣品的微觀結構和孔隙特征，對樣品進行了6個放大倍數的電鏡掃描，其放大倍數分別為×300倍、×500倍、×800倍、×1 000倍、×2 000倍和×3 000倍。武漢軟土的部分電鏡結果如圖6所示。從圖6可知，武漢軟土中大部分顆粒呈片狀，顆粒與顆粒多以邊-邊、面-面方式連接，相互嵌固，多以黏土片構成的聚合體、疊聚體形式存在，其微觀結構類型主要以團聚體或堆疊結構為主，伴隨有架空結構，但很少見到紊流結構和絮凝結構，結構單元體的表面出現了膠結物膠結特征，但不甚明顯。孔隙較發育、分布多。

圖6 武漢軟土電鏡掃描圖Fig.6 SEM photos of soft soil in Wuhan

4種軟土的電鏡掃描結果匯總在表3中。可以看出，武漢軟土的微觀結構特征與海相淤泥（南海、海口）的絮凝結構明顯不同，與湖相沉積的北京翠湖濕地土的不規則狀礦物顆粒和黏粒微集聚體也存在一定差異。軟土的微觀結構與其物理力學性質密切相關，正是由于這些不同成因的軟土的微觀結構形態上的差異影響和決定了4種軟土不同的宏觀物理力學性質。

表3 軟土微觀結構對比Table 3 Comparison of microstructure of soft soils

2.2 元素和成分分析

利用帶有能譜儀（EDS）的ESEM對武漢淤泥質軟土進行微區化學成分分析，代表性結果如圖7所示。土樣中含有O、Na、Mg、Al、Si、K、Fe等元素，其中主要含有O、Si、Al、Fe 4種元素，特別是Si元素質量百分含量最高，接近50%。

圖7 武漢軟土EDS能譜圖Fig.7 EDS energy spectrum of soft soil in Wuhan

礦物成分半定量分析采用了荷蘭新加坡思百吉公司生產的X-Pert PRO（粉晶X射線衍射儀）。圖8是武漢淤泥質土樣的X射線衍射試驗結果，4種軟土的礦物成分對比列于表4中。由表4中的數據對比分析可知，武漢河漫灘相軟土的原生礦物含量占42%，主要為石英、長石，含少量方解石；次生黏土礦物含量高達58%，主要為綠泥石和伊利石。南海海相淤泥中的黏土礦物主要為伊利石和蒙脫石，其次是綠泥石和高嶺石。武漢軟土和海口海相淤泥中則不含蒙脫石。原生礦物如石英一般是粉粒組的主要成分；黏土礦物則是黏粒組的主要礦物成分，黏土礦物具有比表面積大、孔隙多以及極性強等特征，特殊的晶體結構賦予黏土礦物許多特性，例如較強的吸附性、脫水-復水性能、膨脹-收縮性能，可塑性能和離子交換性能等[15]。

同時淤泥及淤泥質土中的黏土礦物組合以伊利石-綠泥石為特征，部分含有高嶺石、蒙脫石，黏土礦物含量及其組合能夠反映沉積過程中氣候環境的變化。黏土礦物在沉積和埋藏作用過程中可發生轉變，它的形成和轉化與其所處的環境有密切關系，深入研究黏土礦物的組合與含量的變化、結構特點與轉化規律以及粒度分布等特征，可以推測其形成區和來源區的風化作用類型和氣候演變規律[15]。

圖8 武漢軟土X射線衍射圖Fig.8 X-ray diffraction curves of soft soil in Wuhan

表4 軟土礦物成分對比Table 4 Comparison of mineral composition of soft soils

需要注意的是有機質是土中的有害成分，對土的工程性質影響很大，對軟土固化及軟基處理的方法和效果都會產生不利影響。武漢淤泥質土的常規化學全量分析結果如表5所示。燒失量與有機質、結晶水、分解出的CO2含量等密切相關，武漢軟土的燒失量為13.30%，其有機質平均含量約為6.5%，為有機質土。

表5 武漢軟土全量化學分析結果Table 5 Results of total chemical analysis of soft soil in Wuhan

3 結語

本文通過基本物化試驗、24 h固結壓縮試驗、直剪試驗、無側限壓縮試驗、三軸UU試驗、電鏡掃描和X-射線衍射試驗等一系列宏觀和微觀測試，探究了武漢沖積河漫灘相淤泥質軟土的原狀土基本物理化學性質、壓縮特性、剪切特性及微觀特征。并將所得實驗數據與海相沉積軟土（南海淤泥、海口淤泥）、湖相沉積軟土（北京翠湖濕地土）進行了對比分析。

研究表明，武漢河漫灘相軟土是一種具有高含水率、高孔隙比和高黏粒含量的飽和軟土。武漢河漫灘相軟土的微觀結構類型主要以團聚體或堆疊結構為主，伴隨有架空結構；海相淤泥則主要為絮凝結構；湖相軟土則為不規則狀礦物顆粒和黏粒集聚體。軟土的微觀結構類型與其形成條件密切相關，同時，微觀結構也影響和決定了軟土的物理力學性質。力學測試得到，海相軟土的壓縮性＞河漫灘相軟土＞湖相軟土，與其微觀結構相對應。進一步研究不同成因土體微觀結構參數的變化，建立其與地基土在荷載作用下的變形和強度參數之間的關系，可以解釋不同土體的宏觀工程現象。