寧德海相軟黏土工程特性與沉積環境初探*

于俊杰 許圣華 馮 啟 彭 博 王繼龍 鄧永鋒

(①中國地質調查局南京地質調查中心，南京 210016，中國) (②東南大學交通學院，南京 210096，中國) (③合肥工業大學資源與環境學院，合肥， 230009，中國)

0 引 言

我國東南沿海地區廣泛分布著第四系沉積軟土，這類靈敏性軟土給港口、高鐵等各類工程建設及沉降控制帶來一系列問題，因此對其工程特性的掌握尤為重要。在工程建設驅動下，連云港、上海、溫州、廣州等地的典型軟土已有較多的研究成果，對其工程性質已有較為深刻的認識； 從福建省內來看，地處東北部的沿海城市寧德，現代化開發建設進度相對南部各城市如福州、廈門等較慢，因而對其下伏軟土的研究也較少且不夠深入。寧德軟土特性是否適用沿海軟土的普遍規律，除此之外是否具有因地質歷史和地形條件而產生的獨特性？這是工程活動關注的重點。通過對寧德第四系海相沉積軟土的研究可以進一步完善我國沿海典型海相沉積軟黏土的體系，勾勒出福建省沿海各地軟土特性的地圖。

三都澳又名三沙灣、寧德港，位于福建省寧德市區東南向30km處，是世界級的天然深水良港。其地形頸小腹大，唯一出水口在東側，屬于典型的內灣沉積環境。福建省是我國“一帶一路”倡議中21世紀海上絲綢之路的核心區塊，由于三都澳出色的區位優勢及優良的港口環境，近年來主城區環澳地段的工商業規劃開發正逐步加快。在此背景下，本文結合海岸帶陸海統籌綜合地質調查和室內外土工試驗，從地質成因及工程特性兩方面共同分析寧德市下伏軟土特征。

1 現場布點和研究方法

考慮到環三都澳地形條件，本研究代表性地選取了寧德市北部的漳灣鎮臨港工業片區、中部的東僑開發區金后灣及南部的飛鸞鎮周厝里3個區段進行了沉積環境的調查研究、現場原位測試和室內巖土試驗，以明確軟土沉積環境、沉積歷史和工程特性。CPT試驗的開展主要是為了獲取下臥土層的錐尖阻力和側摩阻力； 十字板剪切試驗用于獲取原狀土的不排水抗剪強度、重塑土的不排水抗剪強度以及土體的靈敏度。圖 1為本文所研究3個片區試驗點的平面布置圖。由北至南3個片區共布置18個鉆孔并采得薄壁靜壓的高質量原狀樣70個，共完成14孔位的靜力觸探測試和15孔位的十字板剪切試驗，獲得了相應原位參數的區域變化特征。通過對南北向間隔分布的3個片區土體的研究，寧德環澳軟黏土性質的統一性和區域差異性得以展現。

表 1 孔隙水主要離子濃度與含鹽量Table 1 Main ion concentration and salinity in pore water of marine soft clay

表 2 3個片區物理指標統計表Table 2 StatisticalTables of physical indices for three zones

圖 1 飛鸞、金后灣、漳灣片區平面布置圖Fig. 1 Plane arrangement of Feiluan， Jinhouwan and Zhangwan

2 寧德海相軟黏土形成與理化性質

寧德的地質演化涵蓋了不同時期構造運動的作用。燕山運動早期，隨著太平洋板塊對歐亞板塊的俯沖加劇，福建地區火山活動越加頻繁，形成了廣泛而連續分布的火山噴發堆積； 燕山運動晚期、第四紀早期，板塊間的推擠作用逐漸松弛，區域張應力使許多地塊出現了不同程度的沉降效應，福建沿海的一系列斷陷盆地均在這一階段相繼出現，典型如九龍江河口所處的漳州盆地(周慕林， 1983)，整體上看，寧德地處政和—大埔斷裂帶以東的閩東火山斷坳帶，更具體的，屬于北西向松溪—寧德斷裂帶。

進入第四紀以后，福建沿海新構造運動再次活躍起來。寧德所處的閩東北沿海地區在晚更新世約90～80kaB.P.、70～60kaB.P.、44～39kaB.P.和34～22kaB.P.發生過4次海侵，但強度均較小，影響范圍不大，因此海相層厚度較薄且與陸相沉積層交替出現； 全新世海侵在約12kaB.P.已開始，此后海面高度有過多次變動，在距今約6ka和3ka前出現過明顯高于現今海面位置的高海面，海侵范圍也在約6ka前達最大，之后地層以不含海相化石的陸相沉積為主(曾從盛， 1997)。

福建沿海第四系地層一般劃分為下更新統天寶組(Q4t)，中更新統同安組(Q4t)，上更新統龍海組(Q4l)、全新統東山組(Q4d)和長樂組(Q4c)(童永福， 1985)。環三都澳區段軟土中均存在豐富的沿岸種硅藻，基本屬于全新統長樂組軟土，是一套層厚、連續的淤泥類海相沉積物。該區域在第三紀古風化殼之上普遍覆蓋卵石層的河床相沉積； 其上發育深灰色淤泥質黏土層，該層下部一般含有較多碳化植物碎屑、有機質，顏色偏黑，推測可能是潮上帶(鹽沼)； 中部變為均質泥，含有貝殼碎屑或者螺殼，少量植物碎屑，可能是海灣相環境； 上部仍然以均質泥為主，但是顏色偏黃，可能是現代海灣相沉積。

從水文條件來看，寧德市地勢西高東低，溝谷橫縱，水系發育，西部為低山、丘陵地貌，東部瀕海。漳灣片區順時針分布有七都溪、霍童溪、交溪和金溪等4條主要溪流(唐錦龍等， 1994)； 穿越后灣片區的蘭田溪流向為西北至東南； 飛鸞片區內有飛鸞灣、車里灣兩大溪流。這些溪流均獨流入海，在穿過山澗時，通過與裸露的火山巖、花崗巖類的接觸，為沿岸片區提供了大量陸源物質，對軟土孔隙水鹽分種類和離子濃度產生顯著影響。

福建淺海沉積物的分布主要受控于陸源物質的供給、海流水動力環境以及海底地形、港灣形態等因素的綜合作用(張開畢， 2007)。地處閩東北的寧德市沿海沉積環境屬于內河口、海灣過渡區，也是淡咸水體混合區，主要以海相沉積為主，同時山間溪流帶來的陸源物質也影響著軟黏土的成分組成。三都澳獨特的“腹大頸小”和島嶼眾多的地理構造，提供了相對溫和、海流水動力較弱的沉積環境，而海域內相對溫涼濕潤的北溫帶氣候條件，為硅質生物的生存及其殘骸的沉積提供了良好的水體條件。

除個別測試土樣含鹽量達30g·L-1外，總體含鹽量水平低于海水濃度，體現了沉積物所受的降雨、地下水的淋溶作用，同時調查片區周邊存在的水廠養殖場和港口工業區所排放的污水也對孔隙水離子濃度產生了一定影響。整體來看，各離子濃度的變化基本遵循“元素的粒度控制律”，Fe、Ca等元素的含量隨沉積物粒度變細而升高，其中原因除細粒級沉積物本身富含一定的元素外，還因黏土礦物具有較強的吸附作用或濃集作用，常吸附許多元素共同沉淀(張開畢， 2007)。

對比3個片區土體的物理指標(表 2)發現：含水量均在60%左右，考慮到土樣運輸、養護過程中水分的損失，實際含水量應大于試驗測試值； 孔隙比均大于1.5，各片區最大孔隙比均在2.0左右，從一定程度上說明土體具有較強的結構性，其中又屬漳灣片區最高，平均值為1.67； 從塑性圖(圖 2)中可以看到，環三都澳各區軟土均屬高液限黏土，其液限與塑性指數對應點落于PI=0.73(LL-20)與PI=0.9(LL-8)兩線之間，漳灣片區液限、塑限均屬于最高值。

圖 2 塑性圖Fig. 2 Plasticity chart

圖 3 漳灣、后灣、飛鸞片區典型掃描電鏡圖像Fig. 3 Typical scanning electron microscopic images of marine soft clay at Zhangwan， Houwan and Feiluan zones

特別值得關注的是比表面積值，各區平均比表面積在300m2·g-1左右，國內軟黏土的比表面積大多在100m2·g-1以內，符合國內外大量統計數據得到的液限與比表面積的關系(Deng et al.，2019)：

1/LL=1.83/SSA+0.004

(1)

式中：LL為土體液限(%)；SSA為土樣比表面積(m2·g-1)。

寧德軟黏土根據該比表面積計算的液限范圍應在95.8%～120.5%的范圍內，明顯大于室內試驗獲得液限53.3%～75.5%； 換而言之，根據國內外軟土獲得的比表面積與液限間反算比表面積發現寧德軟土明顯偏大。土體顆粒比表面積測試通常采用液體吸附法和氣體吸附法，其中利用極性液體乙二醇乙醚或亞甲基藍進行測試得到了廣泛應用。本文測試比表面積所采用的試劑是亞甲基藍溶液，寧德黏土體中含有大量的硅藻遺骸，硅藻外表面及結構內部的硅羥基具有一定的活性和負電性，從而使之具備了很強的吸附性，最終表現為極大的比表面積值。經查閱相關資料發現，本文中比表面積與張永雙(2012)對云南騰沖芒棒盆地膨脹性硅藻土利用乙二醇乙醚吸附法測得的比表面積值相近，均在300m2·g-1左右，同時兩地SiO2含量也較為相近。不同的是，騰沖淤泥質硅藻土主要產于芒棒組(N2m)湖相地層中，由于土體不同的沉積環境、沉積后溫度和硅藻種類，使得土體顆粒的比表面積有所差異。

將土樣凍干粉碎，根據規范《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X衍射分析方法SY/T 5163-2010》利用X射線衍射儀 Ultima Ⅳ進行X射線衍射試驗，可測定其中黏土與非黏土礦物種類與含量，同時利用掃描電鏡觀察其微觀結構。相應結果如表 3和圖 3所示。

表 3 3個片區礦物相對含量Table 3 Relative mineral contents in three zones

整體來看，全礦非黏土礦物中占比最大為石英，黏土礦物占20%～30%，其中伊蒙混層礦物為主要成分，相對含量在32%～60%，混層比基本高于50%。伊蒙混層黏土礦物是蒙脫石伊利石化的中間產物(任磊夫， 1992)， 50%混層比體現了沉積后階段相對溫和的環境。橫向對比3個片區可以發現，漳灣片區伊利石、綠泥石比例基本略高。綠泥石作為一種初期風化階段的層狀硅鋁酸鹽礦物，相對較高的占比得益于溫涼的北溫帶濱海內灣環境。少量黃鐵礦的存在可能主要來自于山間溪流帶來的火成巖陸源物質。

從掃描電鏡圖片中可以看出，不同觀察角度下的硅藻呈現出篩管狀、棒狀、圓盤狀及破碎狀，觀測到的硅藻表面孔隙直徑為0.3～3μm，孔隙形狀呈近圓柱和立方體。硅藻殘骸在黏土礦物中數量眾多卻分布散亂，大量硅藻殘骸集中堆積的情況較少見，破碎態的硅藻占比很高。

圖 4 3個片區土樣的代表性壓縮曲線Fig. 4 Typical compression curves in three zones

圖 5 飛鸞K6/K7土樣及后灣K11/K12土樣莫爾應力圓和強度破壞包線Fig. 5 Mohr’s stress circles and strength envelopes of Feiluan samples K6K7 and Houwan samples K11 and K12

由于硅藻土沉積需要較穩定的湖相或海相環境，因此相較普通軟黏土分布鮮見，導致以往對含硅藻軟黏土的研究也較少。我國最早于1935年在山東省臨朐縣采集到上新世形成的灰白色硅藻土，后續在云南、浙江等地也發現了大量硅藻土，目前關于硅藻土的研究集中在工業應用領域，工程特性研究極為少見。例如國內首條穿過硅藻土地層的杭紹臺鐵路即面臨眾多關于硅藻土的未知問題，隨著土工建設的不斷發展，更多的硅藻土層帶來的影響需要深入的研究。

3 寧德軟黏土力學性質

室內基于《土工試驗方法標準 GB/T 50123》進行原狀樣常規固結試驗，起始荷載12.5 kPa，最終荷載為1600 kPa。將取自飛鸞、金后灣及漳灣的典型土樣K4、K8、K20的一維固結壓縮曲線列于圖 4，3個片區的力學指標統計列于表 4。

表 4 3個片區力學指標統計表Table 4 StatisticalTables of mechanical indices for three zones

整體來看，3個片區土樣壓縮規律類似，均在100kPa左右時曲線進入直線段； 但與原位壓縮曲線相比，上述3個區軟土壓縮曲線均表現為受較嚴重的擾動(取樣(李高山等， 2019)，運輸、開樣和試驗)，屈服點不明顯，換而言之，該處軟土具有較顯著的靈敏性。后灣與漳灣區所取土樣的e-lgP曲線重合度高，固結特性相近，經壓縮固結后孔隙比相差不大?；诔Ｒ幑探Y試驗數據，可以反演計算得到土體的滲透系數k，具體如式(2)所示。

k=cvmvγw

(2)

式中：k為土體的滲透系數(m·s-1)；cv為土體固結系數(m2·s-1)；mv為土體體積壓縮系數(kPa-1)；γw為水的容重(kN·m-3)。

設定圍壓為100kPa、200kPa、400kPa，開展三軸固結不排水剪切試驗，得到部分土樣的應力莫爾圓和強度包絡線(圖 5)。飛鸞區K6土樣的黏聚力為14.7kPa，摩擦角為12.3°； K7土樣的黏聚力為13.7kPa，摩擦角為8.4°； 后灣區K11土樣的黏聚力為6.3kPa，摩擦角為11.6°，K12土樣的黏聚力為11.1kPa，摩擦角為12.5°。

靜力觸探試驗統計結果列于表 5。從表中可以看出，淤泥層下覆淤泥質土層的錐尖阻力和側摩阻力均有提高，飛鸞區淤泥質土錐尖阻力約為淤泥的1.7倍，金后灣區這一比例約為2； 軟土層錐尖阻力及側壁摩阻力值總體較相近，平均值在0.35MPa和6.5kPa附近； 飛鸞軟土厚度分布在11～21m，金后灣軟土厚度為14～34m，漳灣軟土厚度為9～18m。總體來看，金后灣軟黏土明顯更厚，這與飛鸞、漳灣兩區距離山體、丘陵更近相關。

表 5 淤泥/淤泥質土層靜力觸探試驗結果Table 5 Cone penetration test results of silt/silty soil layers

表 6 3個片區十字板剪切試驗結果Table 6 Vane shear test results in three zones

靜力觸探結果較好地對應了地質調查的結果，反映出該區在第四紀全新世后期的地殼沉降過程中各沉積層的空間展布規律性較好，在縱向上沉積分層明顯，在橫向上層底標高相對穩定(陳元智等， 2002)； 軟黏土層下分布有卵石層或粉質黏土層，基底巖性為晚中生代陸相酸、中酸性火山巖及燕山期花崗巖類。

3個片區分別布設5個十字板試驗孔，在250m的進尺中進行剪切試驗97點(原狀土及重塑土)。從十字板剪切試驗結果表 6可以看出，寧德軟土靈敏度介于3～5，屬中、高靈敏性黏土，原位強度為10～34kPa之間(漳灣片區偏低，在9～28kPa之間)，重塑土強度2～11kPa(漳灣片區偏低，在1.8～7.3kPa之間)。總體而言，重塑軟黏土十字板強度與靜力觸探側壁摩阻力相近。根據現場十字板獲得的靈敏度在2.9～6.6之間。根據室內試驗獲得的前期屈服應力較自重應力有非常大的區別，表明了高靈敏度、強結構性，兩者間的差距主要來自于十字板貫入過程中對原位土體的擾動以及取樣、運輸和試驗過程中擾動。考慮擾動影響以及原位屈服應力修正，原位前期屈服應力將比目前獲得的前期屈服應力高。圖 6為3個片區軟土在不同深度處土體平均強度與靈敏度對比，強度隨深度呈正相關變化?？紤]到十字板測試的精度，總體而言，3個片區軟土的原狀及擾動土強度較為相近，金后灣片區深層軟土靈敏度總體偏高，其原因尚需進一步分析。

表 7 四地軟土物理力學參數對比Table 7 Comparison of physical and mechanical parameters of four kinds of clays

圖 6 3個片區不同深度十字板剪切強度與靈敏度對比Fig. 6 Comparison of vane shear strength and sensitivity with different depths in three zones

4 與其他典型海相軟土對比

我國東南沿海普遍分布著深厚的第四系沉積軟土層，軟土一般具有含水量高、強度低、壓縮性大、滲透性差等共性，但由于地理環境、氣候條件、地質成因、物質成分及次生變化等因素，各地區軟土的工程特性又不盡相同，具有區域性差異。

國內軟土工程特性普遍較差，現實工程建設中常常面臨著如軟基處理等問題，通過對比研究可以進一步加深認識閩東北的寧德軟土。本文對福州、連云港、寧波及寧德四地的海相軟土進行了橫向對比，相關工程參數對照如表 7所示(劉慧明， 2005； 劉用海， 2008； 鄧永鋒等， 2005， 2015)。

從地質環境與物質來源看，閩江作為福建省內最大的獨流入海河流，起源于福建、江西交界，穿福州市區而過，匯入東海，因而其軟土主要是第四紀晚更新世至全新世時期的河、海相沉積物(河南大學， 2001)，淤泥土含有石英、長石、生物碎屑及黃鐵礦球體等，其硅藻碎屑呈輪胎型及蜂窩型； 連云港軟土主要受控于黃河物源，是在第四紀新構造運動、河流作用和海侵地質作用下形成的以濱海沉積為主、沖海積、殘坡積為輔的軟土層； 寧波境內，奉化江及余姚江匯集為甬江后獨流入海，其軟土是第四紀早中期以陸相與海相交互形成的以濱海相為主、潟湖相為輔的沉積物，淤泥層中含粉細砂土層，平面上有所差異，垂向上具有明顯的分選性； 寧德境內河流流量小，陸源物質相對較少，沉積環境穩定，海相沉積層厚度大，主要形成于第四紀多次海侵海退過程。從地質角度對比四地軟土可以發現，連云港軟土受控于古黃河奪淮入海所帶來的黃土高原的物質，而其他3種軟土由于境內河流均不屬于長江或黃河的分支，因此受陸源物質影響相對較小，主要是濱海相沉積； 其中福州與寧德在物源上更為接近，但福州軟土沉積受閩江作用更大。

從黏土礦物組成來看，寧德軟土中發現了相當數量的以硅藻為主的微生物殘骸，與此類似的是福州軟土，其中也存在含量在10～20%的硅藻及2～5%的黃鐵礦，組成上的相似性體現了兩者受海相物源影響的一致性。福州軟土中伊利石占比達50%～55%、高嶺石占比達20%(林琛， 2000)，均顯著高于寧德軟土的相應礦物含量，體現了福州軟土受陸源物質作用更大、沉積后環境溫度更高的特點。相比福建省的兩種軟土，連云港及寧波軟土中均未見明顯的硅藻存在且以往對此的研究較少，據分析可能有以下兩種原因：一是物質來源與沉積環境的差異，連云港及寧波軟土均未能達到海相硅藻大量生存且進一步沉積保存的條件； 二是由于硅藻的化學成分主要是SiO2·nH2O，在成分測試中易與石英混淆，因而在含量相對較少的情況下容易被忽略。因此，對礦物成分的分析應結合當地具體地質情況、XRD及SEMEDS等多種手段。

硅藻殼體多具有蜂窩狀孔隙，具備堆積密度小、比表面積大等特征。墨西哥軟土、日本佐賀有明軟土(Mesri et al.，1975； Hanzawa et al.，1990； Lomnitz， 1990； Dìaz et al.，1992；Tateishi， 1997； Hong et al.，1999)均因富含硅藻等微生物化石而使其天然含水量、塑性指數、滲透系數及靈敏度等土性指標顯著高于其他軟土，因此在這些地區產生的地基沉降問題更為嚴重。墨西哥軟土沉積始于更新世后期，由火山灰細粒和火成細屑物經風和水運輸匯聚并在硅藻等微生物作用下形成； 有明軟土則是在長達數萬年海水作用下沉積形成的海相軟土。寧德環三都澳海相軟土雖然在硅藻含量、液限、靈敏度等方面不及上述的典型海相靈敏性軟土，但作為一般性軟土和高靈敏性軟土之間的存在，對工程建設和研究仍具有重要意義。

含硅藻質軟黏土作為一種特殊土，廣泛分布在東南沿海、陸架邊緣，在施工過程中容易造成擾動失去強度，建筑建成之后經過一定的時間還會引起地基沉降的加重進而導致更為嚴重的地質災害，需要深入研究。

5 結 論

(1)寧德海相軟黏土主要形成于第四紀的多次海侵海退過程，影響顯著的包括晚更新世海侵及全新世海侵。濱海相的沉積黏土中包含大量硅藻，這是與連云港軟土等典型軟土明顯區別的特征。溪流與山間侏羅紀火成巖及燕山期花崗巖的接觸為廣泛分布的第四系海相沉積物帶來了一定量的陸源物質，對其物質組成也發揮著作用； 頸小腹大的地形條件和眾多的島礁為現有的環澳區段提供了水動力條件相對較弱、優良的內灣環境，這是硅藻得以大量存在的外部條件。

(2)寧德海相軟黏土大部分土樣的含鹽量分布在20～35g·L-1之間，Cl-濃度明顯高于Na+，表明成陸后由于淡水侵蝕，發生了顯著的離子交換、吸附以及黏土礦物中膠體淋溶； 同時過高的Cl-濃度將對地下結構的耐久性產生較大的影響。

(3)除具有沿海典型軟土的高液限、高壓縮性、低強度的特點，寧德海相軟黏土中含有50%混層比的伊蒙混層礦物和大量的硅藻，蒙脫石族礦物是鹽敏性礦物，隨鹽分減小，水膜層厚度增加，流變性增大； 對于該地區軟土較大的比表面積、靈敏度和較強的結構性，在工程建設中應引起重視。