天津濱海海相軟土成因及物理力學指標分析

劉芙榮，胡劍峰

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 概述

我國沿海地區經濟發展迅速，許多城市基礎設施建設(如機場、碼頭、高層建筑)等如雨后春筍般快速發展。而沿海地區多涉及全新世海相沉積軟土層，厚度幾米至幾十米不等，因此了解和掌握軟土的工程特性，具有重要的理論意義和工程實用價值。天津濱海新區是北方對外開放的門戶，地處華北平原東北部，屬海積沖積平原區。淺層海相軟土主要由淤泥和淤泥質黏土組成，具有結構疏松、孔隙比大、含水率高和強度低等特點，準確認識其工程性質對工程建設至關重要，對其物理力學指標的分析和比較更是每一個工程項目勘察和設計中必不可少的環節。本文即以天津濱海新區的淺層海相軟土為研究對象，開展了物性試驗以及直接剪切、單向壓縮、固結不排水(CU)剪切等力學試驗，對比分析了軟土物性指標以及力學指標，為軟土地基的設計計算提供依據[1-5]。

2 成因類型

天津陸地經歷過“滄海桑田”的變化，是在漫長的歷史時期海退陸進逐步形成的。近代的六次海侵作用，使第四紀地層具有明顯的海陸交互相沉積特征，且全新世以來古黃河曾經歷3次改道，致使軟土分布范圍廣、成因復雜，包括海相沉積、瀉湖相沉積、河流沖積、三角洲沉積等。其中，海相軟土相較于其他成因軟土，分布廣、厚度大，為濱海新區淺基礎的常見軟弱下臥層，也是導致工程事故多發的不良地質要素之一。

濱海新區海相軟土形成于距今約8000年～4000年前的全新世中期最后一次海侵作用下，巖性主要由淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土組成。受海相沉積環境影響，海相軟土呈灰色，層理明顯，常呈千層餅狀，有機質含量較高，富含貝殼碎屑，因粒間存在一定連結強度而具有顯著結構性[6]。

3 物理力學性質

3.1 物理力學指標特征

本試驗土樣取自天津濱海新區某工地，埋深10 m～15 m左右，層頂高程-7.00 m～-12.00 m。土樣呈灰色、軟塑～流塑狀，含貝殼、切面光滑、韌性高。主要試驗指標包括天然含水量w、土粒比重Gs、重度γ、干重度γd、飽和度Sr、孔隙比e、液限WL、塑限WP、壓縮系數α1-2、壓縮模量Es、黏聚力c、內摩擦角φ等，并進行統計分析，其結果如表1所示。

表1 濱海新區海相軟土物理指標統計表

根據以上物理指標，可知濱海新區軟土具有以下物理性質：

1)含水量高。軟土的天然含水量31.5%～56.8%，平均含水量43.2%，飽和度高，Sr平均值97.4%。這主要是由于海相軟土中淤泥質黏土以及淤泥質粉質黏土中黏粒含量較高，增加了保水性。

2)干密度小。軟土的干密度為1.08 g/cm3～1.44 g/cm3，平均值為1.24 g/cm3。意味著單位體積內，土體顆粒較少，顆粒咬合不緊密，分子間作用力較弱。

3)孔隙比大?？紫侗绕骄?.223，這與海相軟土的沉積環境有關，在靜水或緩慢水流的作用下形成土體多具有疏松多孔狀結構，孔隙比較大。

4)液性指數大。液限平均值42.8%，小于含水率，液性指數平均值1.10，土體多呈軟塑～流塑狀。

5)滲透性差。滲透系數為1.00E-08～2.52E-06，屬于微～極微透水。說明土的顆粒成分以細顆粒為主，礦物成分以親水礦物為主，擴散層水膜厚，滲透系數小，所以軟土上建筑物的沉降過程緩慢，但總體沉降量較大。

土體的主要力學指標見表2。

根據以上力學指標，可知濱海新區軟土具有以下力學性質：

1)壓縮性高。軟土的壓縮系數均值0.87 MPa-1，壓縮模量均值2.6 MPa，屬于高壓縮性軟土，受壓后沉降量較大。濱海新區海相軟土多屬于欠固結土，其高含水量及低滲透性特性說明土體不易壓密。2)抗剪強度低。黏聚力一般在6.8 kPa～25.0 kPa，摩擦角平均值2.0°。這主要與海相軟土的欠固結狀態及排水條件差有關，在外力作用下，孔隙水不能及時排出，導致孔隙水上升、有效應力降低。這也是影響邊坡失穩和地基承載力的主要原因。從變異系數判斷，物理指標變異性多為小～很小，說明物理指標離散型較小；相較之下，力學指標如黏聚力和內摩擦角，變異系數較大，數據離散性大，在工程中應該根據勘察報告，充分考慮參數的變異特性進行選取。

表2 濱海新區海相軟土力學指標統計表

3.2 物理力學指標統計關系

在巖土工程理論研究和工程設計中，各物理力學指標間存在一定的相關性，并不相互獨立，深入研究和分析各參數的相互關系，并建立參數間的相關關系式，建立工程區的經驗公式，對工程勘察和設計具有實際應用價值。

3.2.1 天然含水量和孔隙比的關系

當土體飽和時，軟土中孔隙基本被孔隙水充滿，因此孔隙比越大，含水量越大，飽和土體天然含水量和孔隙比應具有線性關系。圖1為天津濱海軟土含水量與孔隙比的關系曲線。含水量與孔隙比線性擬合程度較高，線性關系式為e=0.028w+0.051，相關系數R2=0.956 5，說明相關性顯著。

3.2.2 密度和孔隙比的關系

孔隙比越大，密度越小。圖2為天津濱海軟土密度與孔隙比的關系曲線，擬合關系式為ρ=0.151 4e2-0.707e+2.41，相關系數R2=0.946 6，表明相關性顯著。

3.2.3 塑性指數和孔隙比的關系

塑性指數大的土含黏粒量高，保水性好，水膜比較厚，土顆粒較小。同時塑性指數大的土體形成絮狀結構往往有較大孔隙比。圖3為塑性指數與孔隙比的關系。由圖3可知，塑性指數與孔隙比呈正相關，但線性擬合程度一般，線性關系式為IP=16.914e-0.158，相關系數R2=0.420 5。

3.2.4 壓縮系數和孔隙比的關系

壓縮系數是表征土體壓縮性的重要指標之一。圖4表示壓縮系數與孔隙比的關系。從圖4中實測數據點可以看出壓縮系數和孔隙比之間呈線性正相關，線性擬合程度較好，線性關系式為av1-2=1.058e-0.453，相關系數R2=0.803 8。

3.2.5 壓縮模量和孔隙比的關系

圖5表示壓縮模量與孔隙比的關系。壓縮模量與孔隙比相關性擬合關系式為ES1-2=3.111e-0.935，相關系數為R2=0.797 5，表明相關度較好。

上述成果中天然含水量、密度與孔隙比的相關性顯著，相關系數R2均在0.94以上。壓縮系數、壓縮模量與孔隙比的相關性較好，相關系數R2在0.80左右。塑性指數和孔隙比的相關性一般，相關系數R2僅為0.420 5。

另外，含水量、密度、壓縮系數、壓縮模量與孔隙比的關系與郭林坪等[7]對天津濱海新區黏性土物理力學指標的相關性研究中的結論是較相近的(w=38.172e-3.353，ρ=0.146e2-0.686e+2.378，av1-2=1.119e-0.494，ES1-2=3.514e-1.242)。因此本文中含水量、密度、壓縮系數、壓縮模量與孔隙比的擬合關系式可考慮用在濱海新區軟土指標的預測上，供工程應用參考。

4 結語

1)天津市濱海新區淺層軟土分布范圍廣、厚度達，具有含水量高、干密度小、孔隙比大、液性指數小、滲透性差、壓縮性高、抗剪強度低的特點。

2)天津市濱海新區淺層軟土的一些物理力學指標間存在一定的相關性，天然含水量、密度與孔隙比的相關性顯著。壓縮系數、壓縮模量與孔隙比的相關性較好。塑性指數和孔隙比的相關性一般。各參數之間的關系方程的建立，對計算中指標的選取有一定的參考作用，亦可用在軟土指標的預測上，供工程應用參考。