廣州軟土的力學(xué)特性及相關(guān)性分析

丁 雷，江永建，陳多才，張先宇

(1.中冶集團(tuán) 武漢勘察研究院有限公司，武漢 430080;2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088;3.大慶市綠化工程有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163001)

廣州市地處中國大陸南部，珠江三角洲的北緣，西江、北江、東江水道在此匯合，南部瀕臨中國南海，珠江入海口，毗鄰港澳。在長期的河流沖積和海潮的進(jìn)退作用下，該地區(qū)沉積了深厚的軟土，軟土分布厚度由西北向東南逐漸加大，最大可達(dá)40 m左右。廣州軟土具典型的三角洲軟土的特性，因江水與海潮的復(fù)雜交替作用，該區(qū)的淤泥與薄層砂交錯(cuò)沉積，加之廣州地區(qū)氣候炎熱、雨量充沛、植物茂盛、河網(wǎng)縱橫，致使廣州軟土具有獨(dú)特的工程性質(zhì)[1-2]。

軟土的工程性質(zhì)同生成環(huán)境及外界條件變化關(guān)系密切，同一區(qū)域因歷史變遷相近，軟土的工程性質(zhì)往往表現(xiàn)出一定的規(guī)律性[3]。近年廣州市區(qū)面積擴(kuò)大并采取“北優(yōu)、南拓、西聯(lián)、東進(jìn)”的總體城市規(guī)劃思想，大量的大型建設(shè)項(xiàng)目如廣州地鐵、黃埔開發(fā)區(qū)、京珠高速公路廣珠段、南沙開發(fā)區(qū)等建于廣州軟土地區(qū)，特別是在建的廣州南沙地區(qū)的淤泥物理力學(xué)性質(zhì)極差。掌握廣州軟土的成因、分布、物理、力學(xué)特性等，對(duì)選擇最優(yōu)的地基處理方案，建立實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算模型，采取合理的施工技術(shù)措施，對(duì)巖土工程有至關(guān)重要的作用。

因此，通過對(duì)廣州軟土形成及其特征的調(diào)查，對(duì)廣州軟土的各項(xiàng)物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其成果不僅可以為主管部門及政府決策部門提供有效的參考，而且可以提高工程質(zhì)量，降低工程造價(jià)，使工程真正做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理;同時(shí)還可以通過積累資料，豐富土力學(xué)理論，也為完善我國區(qū)域性土的研究作出貢獻(xiàn)[4-5]。

1 廣州軟土的形成與分布

廣州軟土是由大量淤泥、淤泥質(zhì)土等第四系海相沉積物堆積而成的。目前研究表明，廣州軟土屬于新近沉積軟土，沉積時(shí)間較短。位于珠江三角洲上部的新三角洲相，由距今六千年以來沉積的第四系物質(zhì)組成，其厚度分布不均勻，位于三角洲腹地一帶的軟土厚度可達(dá)40 m以上。而珠江三角洲軟土形成于晚更新世以來的兩次海侵，構(gòu)成了新、老兩套三角洲沉積，其中上層淤泥質(zhì)土埋藏淺，空間分布大，變異性大[6-7]。因此，廣州軟土具有典型三角洲軟土的特性。

由于廣州軟土分布廣泛，在不同地段，同期沉積的軟土層，其沉積層理，組成成分相近，但其沉積厚度、埋藏深度、有機(jī)質(zhì)含量均存在較大的差異。為了更系統(tǒng)地研究廣州軟土的工程力學(xué)特性，本文選取了廣州市內(nèi)京珠高速公路廣珠段、廣州大學(xué)、南沙開發(fā)區(qū)、黃埔開發(fā)區(qū)、天河區(qū)5個(gè)地區(qū)的20個(gè)工點(diǎn)的軟土物理力學(xué)指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用以分析。

2 廣州軟土的基本物理力學(xué)特性

按照巖土工程勘察規(guī)范(GB50021—2001)的方法對(duì)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)。計(jì)算的過程中，先提出某些地質(zhì)單元中缺乏代表性的樣品，并采用三倍標(biāo)準(zhǔn)差法提出異常數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。主要統(tǒng)計(jì)出不同區(qū)域的軟土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的范圍值、平均值、變異系數(shù)[8]。統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)為100個(gè)，取土深度2～20 m。廣州軟土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 軟土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

廣州軟土主要是淤泥、淤泥質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土沿層理面夾有不同厚度的薄層粉細(xì)砂，土質(zhì)均勻性較差，干后呈薄餅狀散開。廣州軟土顏色多為灰色，接近飽和狀態(tài)，呈軟塑～流塑狀態(tài)，微層理發(fā)育，含有貝殼碎片，有腐殖質(zhì)。結(jié)合表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得出該類土具有如下特點(diǎn):

1)含水率大、孔隙比大

廣州軟土的天然含水率多為45% ～100%，有的高達(dá)109%;天然密度1.56～2.12 g/cm3;液限為34%～67%;塑限20.3% ～49.0%;天然孔隙比1.23～3.01。且天然含水率一般隨液限的增大而增大。

2)滲透性弱

廣州軟土的透水性弱，且其滲透系數(shù)k的變化較大，一般 k=(i×10－7～i×10－8)cm/s，這對(duì)土體的排水固結(jié)很不利。

3)壓縮性高

廣州軟土的壓縮系數(shù) a1－2=(1.09～3.12)MPa－1，屬于高壓縮性土。這也反映了該土的天然孔隙比較大，該地區(qū)土多處于欠固結(jié)狀態(tài)，因此，在工程性質(zhì)上體現(xiàn)為沉降大。

4)抗剪強(qiáng)度低，承載力低

廣州軟土的固結(jié)快剪黏聚力平均值約為20 kPa，內(nèi)摩擦角為6°～13°。該地區(qū)的地基承載力一般為25～125 kPa，統(tǒng)計(jì)平均值為65 kPa，說明該地區(qū)軟土地基強(qiáng)度非常低，須對(duì)其進(jìn)行處理方可達(dá)到工程需求。

5)觸變性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)

廣州軟土的微觀結(jié)構(gòu)一般為絮凝狀結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致土體受擾動(dòng)后會(huì)使強(qiáng)度急速降低，甚至呈流動(dòng)狀態(tài)[9]。試驗(yàn)結(jié)果表明，廣州軟土的靈敏度一般在2.0～4.9，個(gè)別地區(qū)高達(dá)6～8。

6)有機(jī)質(zhì)含量高

廣州軟土含有大量的伊利石、高嶺石以及蒙脫石等黏土礦物，且這種海積軟土有機(jī)質(zhì)含量較高，一般為2%左右，個(gè)別地區(qū)高達(dá)7% ～8%，由于有機(jī)質(zhì)和蒙脫石成分的存在，使得軟土的含水量和液限值較高，這也勢(shì)必導(dǎo)致廣州軟土具有較強(qiáng)的流變特性[10]，因時(shí)間效應(yīng)帶來的工后沉降問題不容忽視。

從表1中還可以看出廣州軟土的基本物理力學(xué)指標(biāo)變化范圍大，變異系數(shù)普遍較大，而且不同指標(biāo)的變異系數(shù)差別大。即使在同一區(qū)域取土，孔隙比、壓縮系數(shù)、變形模量和壓縮指數(shù)的變異性非常大，變異系數(shù)最大達(dá)0.58。因此，在進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)，不宜采用平均值，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)指標(biāo)的變化情況，將場(chǎng)地分塊細(xì)化，分別取值計(jì)算，以提高計(jì)算精確度。

3 廣州軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

3.1 物理力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性

廣州軟土的物理力學(xué)指標(biāo)間相關(guān)性統(tǒng)計(jì)如表2和圖 1 所示。其中 e—ω、e—ρ、ω—ρ、ωP—ωL相關(guān)性較好，而ωL—ω、ωP—ω較差。這也說明對(duì)于廣州軟土來說，只要取樣測(cè)定ω或ρ，一般可以利用表2中的經(jīng)驗(yàn)公式換算出全部的物理三相指標(biāo)。

表2 各物理性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性

天然密度、孔隙比、含水率、液塑限是反映軟土物理性質(zhì)的重要指標(biāo)[11]，由于廣州軟土的顆粒成分十分相近，顆粒相對(duì)密度Gs變化較小，天然孔隙比與天然含水率之間存在很好的線性關(guān)系，可用下式表示

其擬合的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.899，說明e與ω具有較好的相關(guān)性，根據(jù)式(1)，利用孔隙比與含水率之間的線性相關(guān)性推算初始孔隙比，提高測(cè)量精度，減少試驗(yàn)成本，科學(xué)地為固結(jié)沉降提供設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2 變形指標(biāo)與物理力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性

對(duì)廣州軟土的變形指標(biāo)與物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析后，得到的回歸方程及其相關(guān)系數(shù)見表2，相關(guān)關(guān)系見圖1。

分析可知，廣州軟土的Cc不僅與e和ω有很好的線性關(guān)系，而且還與ρ有著良好的相關(guān)性，但與ωL不存在線性關(guān)系。此外，a1－2—e、a1－2—ω 之間同樣有較好的相關(guān)性。

很多的研究也表明，軟土物理力學(xué)指標(biāo)都具有一定的相關(guān)性，但是各區(qū)域的回歸方程在數(shù)值上還是有一定的差別。

4 結(jié)論

圖1 軟土的物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)統(tǒng)計(jì)

1)廣州軟土的主要工程特性概括為“四高二低”，即天然含水率高、孔隙比高、壓縮性高、靈敏度高，滲透性低、抗剪強(qiáng)度低。具有較差的工程地質(zhì)特性，在軟基處理中需要注意其結(jié)構(gòu)性、沉降大、蠕變性強(qiáng)所帶來的不利影響。

2)廣州軟土的孔隙比、壓縮系數(shù)、變形模量以及壓縮指數(shù)的變異系數(shù)較大，進(jìn)行工程計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)指標(biāo)的變化情況，將場(chǎng)地分塊細(xì)化，分別取值計(jì)算，以提高計(jì)算精度。

3)e—ω、e—ρ、ω—ρ、ωP—ωL有很好的相關(guān)性，而ω，ωP與 ωL不存在相關(guān)性。Cc與 e，ω，ρ，a1－2與 e，ω有很好的線性關(guān)系，但與ωL不存在相關(guān)性。

4)對(duì)某一具體工程，建議根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定軟土的變形參數(shù)。即將試驗(yàn)得到的變形參數(shù)與估算的變形參數(shù)進(jìn)行比較，剔除與估算參數(shù)相差較大的試驗(yàn)參數(shù)值，將余下的數(shù)值取平均作為所需要的變形參數(shù)。

5)本文僅是進(jìn)行了物理性質(zhì)指標(biāo)間以及與變形指標(biāo)間的相關(guān)性研究。至于與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的相關(guān)性是下一步需要深入研究的重點(diǎn)。

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