鄂州市花馬湖流域軟土物理力學性質研究

賀金明 羅飛 楊火平 於智

收稿日期：

2023-09-07

作者簡介：

賀金明，男，高級工程師，主要從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail：602604595@qq.com

引用格式：

賀金明，羅飛，楊火平，等.鄂州市花馬湖流域軟土物理力學性質研究

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：70-74.

摘要：

為更好掌握花馬湖流域軟土的物理力學特性，通過掃描電鏡觀察、室內土工試驗等方式，對該流域軟土的礦物成分、微觀結構、物理力學性質指標及各指標間的相互關系進行綜合研究。結果表明：花馬湖流域軟土主要由伊利石、綠泥石等黏土礦物組成，呈致密塊狀結構，具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性、強度低、結構性強等特點；其孔隙比和含水量與其他物理力學指標間具有很好的相關性。研究成果可為花馬湖流域地區工程的設計與施工提供參考。

關鍵詞：

軟土； 物理力學性質指標； 花馬湖流域； 鄂州市

中圖法分類號：TV221.2

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.012

文章編號：1006-0081（2024）01-0070-05

0? 引? 言

目前，沿海發達地區及內陸大型城市對軟土的特征研究較多，如劉勇健等［1］對珠江三角洲軟土的物理力學性質及相間關系進行了分析；蘇衛衛等［2］對上海地區軟土抗剪強度指標進行了研究；吳長富等［3］對杭州地區典型土的抗剪強度指標變異性進行了研究；屈若楓、陳志浩等［4-5］對武漢地區軟土物理力學指標間的關系及特性進行了研究；第五版《工程地質手冊》［6］總結了國內主要軟土地區的成因類型并對比了軟土物理力學指標。軟土的物理力學性質指標是軟土邊坡穩定計算、軟土地基沉降計算的關鍵參數，中小型工程的軟土參數主要由有經驗的地質工程師通過相關試驗成果分析，結合有關規程規范，綜合取值。但是，往往試驗數據有限，離散性較大，不能客觀反映軟土的物理力學性質。

花馬湖流域屬內陸平原河湖區，位于中國軟土分布中部地區（Ⅱ）［7］，而湖北省地方標準DB 42/242-2014《建筑地基基礎技術規范》［8］、DB 42/T 159-2012《基坑工程技術規程》［9］等相關規范并沒有對花馬湖流域軟土的特性及各指標間的關系進行系統、深入的研究。

為更好地研究花馬湖區域內軟土的分布、成因、性質及各指標間的相關性，本文圍繞區域內軟土的主要物理力學性質指標，如含水率、密度、孔隙比、液限、壓縮模量、黏聚力、內摩擦角等進行研究，并對各指標相互關系進行統計分析。

1? 軟土分布特征

花馬湖流域位于鄂州市東南部，長江中游南岸，為河流遺跡湖，主要由走馬湖、黃山湖、花家湖組成，呈碟碗狀分布，流域面積294 km2。湖區及鄰近區域為沖湖積平原地貌特征，東側沿江一帶為長江一級階地，南側及西側主要為丘陵地貌特征；燕磯-沙窩-新廟-碧石渡一線往西主要為崗狀平原地貌特征。

區內軟土主要分布于沖湖積平原區，為湖澤相沉積，主要表現為灰黑色淤泥、灰褐色或灰綠色淤泥質黏土。淤泥多分布于河、湖底部，層厚一般為1～2 m，淤泥質黏土多分布于黃褐色黏性土的硬殼層以下。其中，沖湖積平原區淤泥質黏土分布較連續、層厚較均一、土質較均勻，花家湖東側、黃山湖東側及南側淤泥質黏土層一般厚8～10 m，局部達15 m，尤其花馬湖出水港沿線及東側長江一級階地分布明顯；西北崗狀平原區淤泥質黏土平面分布不規則，呈零星分布，主要分布在河、塘附近，走向和厚度變化大，多呈帶狀或透鏡體狀，層厚一般為3～5 m。

2? 軟土礦物成分及微觀結構特征

2.1? 礦物成分

對金雞橋港、楊家湖港取2組軟土試樣，取樣深度一般為2～3 m。X射線物相分析結果表明：花馬湖流域軟土的主要礦物為伊利石、綠泥石、石英、鉀長石、鈉長石等，如表1所示。

軟土中，原生礦物含量為40%～50%，主要來源于花馬湖周邊，受進一步風蝕作用，形成次生黏土礦物，經湖水漲落、水流搬運，就近沉積；有機質含量為3.82%～6.96%，多為湖沼相沉積；次生黏土礦物含量為50%～60%，遇水膨脹，堵塞軟土孔隙，使其滲透性降低，失水收縮，在外界荷載作用下，會產生較大的沉降變形。因其有機質含量較高，活性較強，吸附能力強，易改變軟土的礦物成分，降低軟土的強度。

2.2? 微觀結構特征

采用日立SU8010型掃描電鏡對花馬湖流域軟土的微觀結構進行觀測，放大2 000倍，其微觀結構SEM圖像如圖1所示。

從圖1可以看出，軟土由大塊體礦物組成，呈致密塊狀結構，片層狀發育不明顯，表面有碎屑物附著，孔隙發育明顯，黏粒含量較高，主要由黏粒組成的微集合體形成團塊，顆粒間主要以面-面及邊-邊接觸為主，團塊間有非定向裂隙發育，粉粒含量較少，主要散布于團塊表面或之間，起連接作用，結構體單元穩定性較差，易受擾動破壞，抗剪強度低。因此，在施工過程中，應加強對軟土的保護，避免過度擾動。

3? 軟土物理力學指標

通過現場采集97組軟土試樣，采用室內土工試驗方法研究花馬湖流域軟土的物理力學性質，包括軟土的含水率、密度、孔隙比、飽和度、液限、塑限、壓縮系數、壓縮模量、黏聚力、內摩擦角等。對軟土的物理力學指標進行統計分析，如表2所示［10］。表3～5為花馬湖流域軟土在不同試驗條件下的抗剪強度指標。

由試驗成果分析可知，花馬湖流域軟土主要具有如下特點。

（1） 天然含水量、液限高。根據室內土工試驗，天然含水量主要集中在35.0%～76.8%區間，平均值為47.56%；液限值主要集中在36.4%～66.7%，平均值為50.13%；塑限值集中在17.9%～34.5%，平均值為25.0%?？傮w上天然含水量與液限值高，兩值較接近，區間值分布較集中，而遠大于塑限值，塑性指數區間15.0～35.6，平均值25.23。黏粒含量高，親水礦物質多，吸水能力強，這與前述軟土礦物成分試驗結果相印證。

（2） 孔隙比大、壓縮性高。軟土孔隙比0.96～1.72，平均值1.26＞1，孔隙比大；壓縮系數0.52～1.30 MPa-1，均值0.82 MPa-1＞0.5 MPa-1，壓縮模量1.87～4.32 MPa，均值2.96 MPa＜4 MPa，具有高壓縮性。土體顆粒間孔隙越大，含水量越高，在自重壓力及外部荷載作用下，土體孔隙中的水分向四周擴散，易發生壓縮變形，引起地基不均勻沉降變形［11］。該區域的工程施工應合理進行施工組織設計，避免重載車輛、重型機械設備等在軟土區范圍的通行，防止引起軟土邊坡、軟土地基的變形。

（3） 強度低、結構性較強。由軟土微觀結構分析，其為致密塊狀結構，孔隙發育明顯，顆粒間主要以面-面及邊-邊接觸形成團塊，團塊間發育非定向性裂隙，團塊主要依靠少量粉粒起連接作用，結構單元體穩定性較差，靈敏度一般為3～8，受擾動后，結構易破壞，強度降低明顯。

軟土室內直剪快剪（Q）試驗cq值為8～15 kPa，均值12.04 kPa，φq值為2.3°～7.6°，平均值為4.67°，三軸UU試驗cuu值為7.8～34.4 kPa，均值為19.84 kPa，φuu值為3.5°～10.1°，平均值為6.37°，表明天然狀態下軟土的強度整體低，尤其φq值遠遠低于一般黏性土；而固結快剪（CQ）試驗中，ccq值為8～19 kPa，均值為12.66 kPa，φcq值為9.5°～16.8°，平均值為13.24°，表明軟土固結后，其強度整體得到提高，尤其內摩擦角較未固結狀態有顯著提升。

工程建設過程中，通常依靠軟土自重固結來提高其強度，過程漫長，不滿足工程建設周期要求，而通過攪拌樁加固、高壓旋噴樁加固等措施來提高軟土的整體強度快速有效，也是目前常見的工程處理措施。

4? 軟土物理力學指標相互關系研究

4.1? 指標統計關系

根據大量的工程實踐經驗和軟土研究，普遍認為影響軟土性狀的主要指標是孔隙比、含水率、壓縮模量、內摩擦角等，且各指標間存在一定的相關性。因此，為了全面認識花馬湖流域軟土的工程特性，研究軟土參數間的相互關系，合理選擇軟土參數提供依據，采用數理統計中線性、非線性回歸方法（包括一元線性回歸、多項式、指數、冪非線性回歸），按最小二乘法擬合最佳曲線，形成回歸關系式，得到各指標間的最佳關系曲線見圖2，回歸方程匯總見表6。

通過圖2和表6可以看出，e和ω作為自變量，與因變量之間相關性較好，相關系數|R|≥0.5，具有中度至顯著相關性。物理指標中，e與ω顯著正相關，e越大，ω越高；ρ與e，ω顯著負相關，隨著自變量的增大而減小。力學指標中，a1－2與e，ω正相關，隨著自變量的增大而增大，相關程度中等；Es與e，ω呈負相關性，隨著自變量的增大而減小，相關程度中等；φ與e，ω呈中等負相關性。

4.2? 指標統計分布規律

基于數理統計分析建立回歸方程，往往要檢驗樣本數據總體是否服從正態分布，檢驗方法較多。目前，偏度-峰度檢驗法是常用的一種，較為有效。當偏度和峰度接近0，則認為總體樣本數據為正態分布；若峰度為正值，則表示相對正態分布陡峭；峰度為負值，則表示相對正態分布平緩。

首先，假設總體樣本數據滿足正態分布，取雙側檢驗顯著性水平a=0.05，則查t分布臨界值表Z（a）=1.96。當峰度系數和峰度系數絕對值均大于臨界值時，則認為拒絕接受正態分布，反之，接受正態分布。通過該方法，對花馬湖流域軟土物理力學指標數據進行正態分布檢驗，檢驗結果見表7。

由表7可知，花馬湖流域軟土的天然密度、干密度、孔隙比、液限、液塑限指數、壓縮系數、壓縮模量、直剪快剪強度指標等物理力學指標服從正態分布，試驗統計數據較理想；含水率、飽和度、土粒比重、塑限服從非正態分布，即試驗統計值不夠理想，可對試驗數據進一步分析篩選。對前述94組含水率試驗值進一步篩選后的83組數據再次分析，其峰度系數為-1.215，偏度系數為1.958，滿足正態分布，含水

率平均值46.5%，標準差7.29，變異系數0.16，修正系數0.97，與表2中統計數據相比，含水率統計標準差、變異系數明顯降低，表明統計值差異性更小、更合理。因此，通過對軟土物理力學指標進行正態分布檢驗，對滿足正態分布檢驗的數據進行統計分析，對于花馬湖流域軟土物理力學指標的選取有實際參考意義。

5? 結? 論

（1） 黃山湖、花家湖東側沖湖積平原區軟土分布較連續、均勻，埋深淺，層厚大，其他地貌單元軟土呈零星分布，走向和層厚變化大。

（2） 研究區軟土具有天然含水率高、壓縮性高、天然密度低、抗剪強度低、孔隙比大、結構性強等特點。

（3） 研究區內軟土的物理力學指標間存在一定的相關性，不同指標的相關性程度有一定的變化，不同統計方法得到的相關性程度也存在一定差異。

（4） 軟土物理力學指標數理統計中，天然密度、孔隙比、壓縮系數、壓縮模量、直剪快剪強度指標等服從正態分布，含水率服從非正態分布。軟土物理力學指標的正態分布檢驗、統計分析，對判斷軟土的總體性狀、提出相對可信的參數值具有參考意義。

（5） 在不同的試驗條件下，軟土的抗剪強度指標變化較大。因此，工程建設中，應結合實際需要，采用最接近工程狀態的試驗條件，進行試驗參數取值。

本文對花馬湖流域軟土的分布、礦物成分、微觀結構、物理力學指標等進行研究，總體反映了花馬湖流域軟土的特性。研究成果可為區內工程建設提供經驗和參考，也對后續進一步的研究具有參考意義。

參考文獻：

［1］? 劉勇健，劉湘秋，劉雅恒，等.珠江三角洲軟土物理力學性質對比分析［J］.廣東工業大學學報，2013，30（3）：30-36.

［2］? 蘇衛衛，黃宏偉，張潔.上海軟粘土抗剪強度指標概率分布類型研究［J］.地下空間與工程學報，2012，8（2）：1695-1699.

［3］? 吳長富，朱向榮，劉雪梅.杭州地區典型土層抗剪強度指標的變異性研究［J］.巖土工程學報，2005，27（1）：94-99.

［4］? 屈若楓，徐光黎，王金峰，等.武漢地區典型軟土物理力學指標間的相關性研究［J］.巖土工程學報，2014，36（2）：113-119.

［5］? 陳志浩，陳少平，吳禮生.武漢地區軟土特征的實驗分析［J］.資源環境與工程，2015，29（6）：974-977.

［6］? 化建新，鄭建國，王篤禮，等.工程地質手冊［M］.第五版.北京：中國建筑工業出版社，2018.

［7］? 中華人民共和國住房和城鄉建設部.軟土地區巖土工程勘察規程：JGJ 83—2011［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［8］? 湖北省建設廳，湖北省質量技術監督局.建筑地基基礎技術規范：DB42 /242—2014［S］.武漢：湖北省住房和城鄉建設廳，2014.

［9］? 湖北省住房和城鄉建設廳，湖北省質量技術監督局.基坑工程技術規程：DB42 /T 159—2012［S］.武漢：湖北省住房和城鄉建設廳，2013.

［10］? 長江勘測規劃設計研究有限責任公司.湖北國際物流核心樞紐花馬湖水系綜合治理二期工程（一標）地質勘察報告［R］.武漢：長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2021.

［11］? 高軍軍，湯蕾，陸俊，等.長江口地區軟基水閘異常變形原因綜合分析［J］.水利水電快報，2023，44（7）：39-44.

（編輯：江? 燾，高小雲）

Research on physical and mechanical properties of soft soil in Huama Lake Basin，Ezhou City

HE Jinming，LUO Fei，YANG Huoping，YU Zhi

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430074，China）

Abstract：

In order to better grasp the physical and mechanical properties of soft soil in the Huama Lake Basin，a comprehensive study was conducted on the mineral composition，microstructure，physical and mechanical properties indicators，and the interrelationships among diverse indicators of soft soil in the Huama Lake Basin through scanning electron microscopy observation，indoor soil tests and other methods.The research results indicated that the soft soil in the Huama Lake Basin was mainly composed of clay minerals such as illite and chlorite，with a dense block structure characteristics，high water content，large pore ratio，high compressibility，low strength，and strong structural characteristics.There was a good correlation between its pore ratio and water content with other physical and mechanical indicators.The research results can provide a reference for the design and construction of projects in Huama Lake Basin．

Key words：

soft soil； physical and mechanical property indicators； Huama Lake Basin； Ezhou city