澳門新城填海區海積軟土工程特性研究

陶旭光 ，吳迪

（1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

我國沿海軟土分布廣泛，在近海工程勘察工作中經常遇到，如連云港、洋山港、舟山、溫州、福建沿海、珠江三角洲、廣州、湛江、欽州等地區。對于海洋軟土的基本工程性質，國家巖土勘察標準和水利、鐵路、港口等行業規范以及地方勘察標準根據天然含水率和天然孔隙比這兩個特征指標對軟土均有詳細成熟的定義，地方標準如上海市、福建省、浙江省等也附有當地軟土層物理力學參數范圍值表供參考。近年來越來越多的學者從有機質含量、礦物成分、物化特性、孔隙結構和固結蠕變特性等方面分析軟土的工程特性及其微觀機制[1-5]，研究表明不同的地質成因、物質組成和結構性造成了軟土工程性質的差別，從而影響地基處理方案的不同[6]。

澳門新城填海區位于珠江三角洲的西岸，根據掌握的勘察資料統計，全新世海積軟土層厚一般在5.0～15.0 m之間，主要為流塑狀灰黃～灰色淤泥，局部表層為流動狀流泥，底部近淤泥質黏土。與國內其它三角洲相軟土相比，珠江三角洲因其復雜的江水和海潮交替地質成因，以及盆地地貌控制的三角洲模式形成了特有的區域性軟土，成為國內工程報道過的最軟軟土，很多巖土工作者進行了區域性總結，取得了一些成果[7-10]，另有工程技術人員提出了適于該地區的軟土強度計算方法和軟基加固處理方法[11-12]。

本文以澳門新城填海區30多個巖土勘察項目的大量室內土工試驗成果為基礎，采用數理統計方法分析該區域全新世海積軟土的物理性質和固結、剪切等力學性質指標，建立了各相關參數的經驗關系，并與洋山港、溫州等地區的軟土進行差異性比對，研究成果對于澳門填海造陸工程具有重要意義，同時也可為其它區域軟土工程特性分析與工程建設提供參考經驗。

1 研究區域土層發育特征

澳門新城填海區位于澳門本島的東、南側海域及氹仔島北側海域，分A、B、C、D、E填海分區（填海區規劃見圖1），面積不大，涉及的海岸線卻很長，處于復雜的海岸侵蝕地貌與堆積地貌環境。第四紀沉積地層形成年代至今不過4萬a，自下而上分為更新世和全新世兩套沉積層序[13]，兩期沉積地層中間存在一個曾經暴露的風化侵蝕面（風化花斑黏土），形成年代距今2.2萬～1.3萬a[14]。全新世海積軟土覆蓋在風化侵蝕面與底礫層之上，分布穩定。

圖1 澳門新城填海區規劃示意圖Fig.1 Sketch map of Macao New City reclamation area planning

根據搜集到的澳門新城填海區勘察資料，該區域揭露的第四紀松散層厚度為13.0～56.0 m，下部基巖為燕山期花崗巖。第四紀松散層淺表部依次分布：全新世海相沉積淤泥層，厚度在5.0～15.0 m之間；可塑狀黏性土層，厚度在4.0～15.0 m之間，該層下部分布1～2層軟塑狀灰色黏土，含泥質結核和朽木，厚薄不均，一般在1.5～8.0 m之間，存在尖沒再現現象，2層軟塑狀灰色黏土之間和下部存在的可塑狀黏性土或中、粗砂層，是海退時期原沉積物受風化而在原有母質基礎上發育成的“花斑黏土”或河流相沉積物[14]。圖2是澳門新城填海區附近某跨海大橋工程地質剖面圖，具有典型的澳門濱海相軟土沉積發育規律。

圖2 澳門某跨海大橋工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological section of a cross-sea bridge in Macao

2 工程性質指標統計和特性分析

本文研究數據來自澳門新城區的填海及堤堰建造工程、通道工程、跨海大橋等30多個項目的勘察資料和土工試驗成果。測試方法采用GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》[15]。為了得到天然狀態下淤泥層物理力學性質指標，統計樣品為未加固處理區域的土樣，共957個，統計時按平均值2倍的均方差對異常數據做了取舍。

2.1 物理性質指標

從表1統計的數據看，澳門新城填海區軟土主要為淤泥，天然含水率平均值為66.0%，最大值102.8%，一般呈流塑狀態；孔隙比平均值為1.868；天然密度平均值1.59 g/cm3，是典型的高含水率、高孔隙比、低密度、欠固結淤泥類軟土。

表1 澳門新城填海區軟土層物理性指標Table 1 Physical index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

從顆粒組成看，該軟土層以粉粒、黏粒為主，黏粒平均含量在47.3%左右，塑性指數高。同時該軟土層透水性極弱，滲透系數在10-7～10-8cm/s之間。局部夾砂層，水平向滲透性較垂直向滲透性稍大。

從天然含水率、孔隙比和密度隨埋深的變化趨勢看，淤泥層的含水率、孔隙比呈現出隨深度增加逐漸變小的規律，密度增大趨勢不明顯。

2.2 固結特性

從表2統計的數據看，澳門新城填海區軟土的壓縮系數平均值為1.77 MPa-1，固結系數一般在0.5×10-3～0.8×10-3cm2/s之間。

表2 澳門新城填海區軟土層固結指標Table 2 Consolidation index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

由于含大量親水性黏土礦物、有機質和少量的水溶鹽分，這些物質起到一定的暫時膠結作用，取土質量Ⅰ級的土樣具有一定的結構。但制樣、裝樣時易擾動，擾動后原土體結構破壞，土體處于流動狀態，因此軟土力學指標的獲得尤為困難。

室內土工采用土的壓縮曲線以孔隙比e為縱坐標，單位壓力p為橫坐標，運用傳統的Casagrand法在e-lg p曲線上得到前期固結壓力值pc。圖3為典型的澳門新城填海區軟土e-p關系曲線，由曲線可見澳門新城填海區軟土在垂直荷載作用下具有陡降式變形特征，總變形量大，回彈指數一般為0.047 8～0.102 8，與壓縮指數Cc具有良好的線性關系，經回歸統計后的線性關系式可表示為Cs=0.098 2Cc+0.012 1（見圖4）。圖5為典型的澳門新城填海區軟土e-lg p曲線，由圖可見，曲線前段較短且平緩，隨后由轉折點呈陡降趨勢，后期陡度逐級變緩，出現“反彎點”，這是典型低強度欠固結軟土的特征，需選取中間直線段來求取pc值。

圖3 澳門新城填海區軟土層e-p曲線Fig.3 Soft soil layer e-p curve in Macao New City reclamation area

圖4 澳門新城填海區軟土層Cs-Cc關系曲線Fig.4 Relationship curve between Csand Ccof soft soil layer in Macao New City reclamation area

圖5 澳門新城填海區軟土e-lg p曲線求pc示意圖Fig.5 Schematic diagram of calculating pcthrough e-lg p curve of soft soil in Macao New City reclamation area

根據太沙基一維滲透固結理論，固結系數的大小反映了軟土的主固結過程的快慢。表2中的固結系數是采用現行《土工試驗方法標準》[15]中的時間平方根法求得，統計結果表明：水平向固結系數均呈隨荷載增大而減小的趨勢，由于夾砂薄層、土層層理等因素水平方向的固結系數較垂直方向稍大，但總體數值都較小。

2.3 剪切強度特性

表3是澳門新城填海區軟土層剪切強度指標統計表。從數值可以看出：澳門新城填海區軟土層抗剪強度很低，直剪固快黏聚力c值在8.0～12.0 kPa之間，內摩擦角φ值在6.0°～17.0°之間；直剪快剪黏聚力c值在4.0～14.0 kPa之間，內摩擦角φ值在1.0°～9.0°之間，均小于直剪固快試驗下的參數值；三軸不固結不排水剪φuu值接近于0°，cuu值在4.0～17.0 kPa之間，平均值為10.8 kPa；三軸固結不排水剪 φcu值在 11.0°～17.0°之間，ccu值一般為6.0～12.0 kPa；無側限抗壓強度qu值一般為12.0～30.3 kPa，平均值為21.7 kPa，靈敏度隨深度變大，一般為1.5～4.5，屬中～高靈敏性土。

軟土的室內無側限抗壓強度值與三軸不固結不排水剪強度值有較好的線性關系，qu/cuu值在2.0左右。

典型的澳門新城填海區軟土固結不排水剪的應力-應變關系見圖6，曲線特征反映了土的壓硬性，剪切過程中土顆粒重新排列，土體結構變得緊密，表現為剪縮性。根據臨界狀態原理，該區軟土的有效應力路徑變化趨勢（見圖7）與一般正常固結軟黏性土一致，其不排水剪切屈服面是羅斯科面，在達到臨界狀態后沿臨界線下降。

表3 澳門新城填海區軟土層剪切強度指標Table 3 Shear strength index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

圖6 澳門新城填海區軟土應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curve of soft soil in Macao New City reclamation area

圖8 是澳門新城填海區軟土在不同圍壓組下繪制的三軸固結不排水剪強度包線，呈折線型，隨著圍壓的增大土體強度提高，黏聚力增大，內摩擦角減小，說明在不同的固結壓力范圍下取得的強度指標是有差異的。

圖7 澳門新城填海區軟土應力路徑曲線Fig.7 Stress path curve of soft soil in Macao New City reclamation area

圖8 澳門新城填海區軟土在不同圍壓組下固結不排水剪強度包線Fig.8 Consolidated undrained shear strength envelope of soft soil in Macao New City reclamation area under different confining pressure groups

3 不同地區海積軟土工程地質指標比較

洋山港與澳門新城填海區軟土同為三角洲相沉積的淤泥類土，軟土層也分布廣泛，但厚度較穩定、土質較均勻，為典型的淤泥或淤泥質土。澳門新城填海區軟土層的含水率、孔隙比更大，壓縮性更高、強度更低，分布主要為淤泥，僅局部為淤泥質土。表4是我國東部沿海地區主要4種類型的淤泥類軟土指標統計情況。

表4 不同地區海積軟土工程地質指標比較Table 4 Comparison of engineering geological indicators of marine soft soil in different regions

連云港濱海相沉積的淤泥，與澳門新城填海區淤泥相比，物理力學指標范圍較小，工程性質總體上相對較好，且土性更均勻。

浙江溫州沉積的軟土，是典型的瀉湖相軟土，靈敏度一般在5.4～8.7之間，明顯高于包括澳門新城填海區在內的其它地區軟土。

福建寧德溺谷相沉積的淤泥，具多種顏色，有機質含量高，工程地質性質與澳門新城填海區淤泥層更接近，且性質不均勻，與澳門新城填海區淤泥層相比，工程地質性質總體上稍好于后者，但局部略差。

4 結語

澳門新城填海區濱海相沉積淤泥層除具有一般淤泥的特性以外，還具有其特殊的性質，且在分布深度內仍具有一定的差異性。

1）澳門新城填海區軟土含水率更高、孔隙比更大，該軟土層黏粒含量較多，透水性極弱。

2）澳門新城填海區軟土的e-p壓縮曲線具有陡降式變形特征，且總變形量較大。e-lg p曲線的特征是曲線前段較短且平緩，隨后由轉折點呈陡降趨勢，后期陡度逐級變緩，出現“反彎點”，呈現明顯的低強度欠固結軟土的特征。

3）澳門新城填海區軟土的抗剪強度很低。從無側限抗壓強度試驗結果看，澳門軟土層強度隨著深度逐漸增大，屬中高靈敏性土。室內無側限抗壓強度值與三軸不固結不排水剪強度值比在2.0倍左右。

4）澳門新城填海區淤泥層與洋山港、連云港、溫州地區軟土層相比，其工程地質性質更差，與福建寧德工程地質性質最接近，溫州地區軟土靈敏度遠高于包含澳門新城填海區的其它對比地區的軟土。