福建罗源湾源鑫码头海相软土物理力学特性相关性分析

林晗平

(福建省地质测绘院，福州，350011)

我国近海海湾地区由于陆地河流和陆源侵蚀对泥沙的动力作用较弱，常年接收到来自陆地河流和陆源侵蚀的运输泥沙，往往在其中沉积了深厚的软土层，主要为淤泥和淤泥质土。这些软土层往往具备许多不良的建筑工程属性，如含水量高、压缩性大、抗剪强度低等，具有较强的触变性和流动性，这给工程建设带来许多不利因素。在勘察工作中，淤泥取样较为困难，一些力学指标受取样和实验室制样的扰动，表现出较强的离散型[1]。为了降低淤泥工程属性的不确定性，减少人为扰动的影响，利用数理统计法，对某一区域淤泥工程属性的情况进行了统计分析和研究，这将更加有利于沿海地区的软土工程建设。根据地质学成因论的基础原理，把某特定的地质过程和时期相同的沉积土体环境下所形成的、在其工程属性上与土体之间存在一定的内部联系的、与其特性相近的土体分类为一个独立的工程地质单位，从而可以形成一个独立的统计地质单位体[2]，因此对于某一海湾地区的软土，是一个独立的统计地质单位体。

研究地基土性指标的特点是进行岩土结构工程中各种参数的提取值及其可靠性分析的理论依据，也是建筑工程中确定岩土结构基础设计中各种分项系数的主要技术参数之一[3,4]。为了能够准确确定海湾软土所用的工程属性，笔者选取以福建罗源湾(源鑫码头)9#～11#泊位及仓储工程土样作为研究对象，通过室内土工试验，对主要的物理力学性质指标进行统计分析，为该地区软土性质准确把握提供参考。

1 工程地质概况

罗源湾位于福建省东北部，水域总面积为188.6 km2，内湾口宽仅950 m，通往湾口的可门水道宽约1.8 km、长为7.2 km，是一个典型的口小腹大的港湾[5]。据罗源湾潮水位观测资料，最高潮水位为4.54 m，最低潮水位为-4.21 m，最大涨潮潮差为8.07 m，最大落潮潮差7.83 m，多年平均潮差5.12 m，历史最高潮水位5.30 m。据资料表明，罗源湾水深较大的海域潮流较强，可门水道流速较大，大潮最大潮流流速可达130 cm/s，冈屿附近海域及西北部海域(因存在深水槽)也是强潮流区，如冈屿附近海域中层的大潮最大潮流流速约为115 cm/s，该湾的南部海域、近岸浅水海域潮流流速相对较小，大潮最大潮流流速一般仅为30～70 cm/s。

建设场地处于滨海浅滩区，属于滨海相潮间带滩涂地质单元，地势总体上北高南低，从浅滩向海域缓倾，海岸线曲折。场地内主要地层有第四系人工填土层、第四系冲海积层，冲洪积层、残积土层及侏罗系上统南园组，并见少量辉绿岩脉。

根据区域地质资料[6]，区域上有诏安—长乐大断裂带通过，并受此断裂带影响，区内构造主要受北东向福安—南靖断裂和北西向松溪—宁德断裂控制，以北东、北西向次级断裂为主，构成该区的地质构造及地形(地貌)的基本格局。

根据此次场地工程现场勘察及施工的73个钻孔的资料分析研究，在区内的陆域岩石中发育的裂隙主要表现有2组，一组走向北东，倾向南东；另一组走向北西，倾向南西，该组裂隙走向与海岸线基本平行，并基本上控制海岸走向。区内无明显断裂及破碎带通过，场区内地层相对稳定(1)福建省现代工程勘察院，福州罗源湾港区码头作业区9#～11#泊位及仓储工程(源鑫码头)岩土工程详细勘察报告，2014。。

根据此次勘察各岩土层特征自上而下分述如下。

(1)第四系人工填土层(Qml)，素填土：呈灰黄色，松散，稍湿，成分以砂土状强风化岩为主，局部含有碎石，含量约占15%，为近期人工回填土，层厚为12.50 m。

(2)第四系冲海积层(Qal-m)，①淤泥：呈深灰色、灰色，流塑，饱和，黏性强，切面光滑，手捏具有滑腻感，局部夹少量贝壳碎屑，味微臭，以淤泥为主，局部相变为淤泥质黏土，部分地段顶部为流泥。此层在浅滩区内均有分布，一般层厚为2.80～33.10 m，平均厚度为21.77 m。②中砂:呈浅灰色、灰黄色，稍-中密，饱和，成分以石英颗粒为主，粒径大于0.25 mm的颗粒约占比70%，局部分布。③粉质黏土：呈灰黄色、浅灰色，可-硬塑，稍湿，以粘、粉粒为主，切面较光滑，干强度韧性中等，无摇振反应，一般分布层厚为0.60～18.00 m，平均厚度为7.10 m。④淤泥质黏土：深灰色，软塑，饱和，成份以黏、粉粒为主，切面光滑，黏性强，含少量腐植质，干强度中等，韧性中等，无摇振反应。一般层厚为0.60～11.50 m，平均厚度为5.40 m。

以下地层分别为卵石层、第四系冲洪积层、第四系残积土层以及各种风化程度的凝灰熔岩，不详细展开描述。

2 样品采集及试验方法

为了查明建设场地岩土工程地质特性，提供施工所需要岩土体参数，场地内共采集167个淤泥样和39个淤泥质黏土样品，严格按照“港口岩土工程勘察规范”标准执行[7]，所采集样品具有代表性和可靠性，采集深度为0～44.80 m，满足室内土工试验要求。分析167个淤泥和39个淤泥质土原状软土的土工室内试验结果，以及若干现场十字板剪切试验结果，其中，天然含水量采用烘干法、天然密度采用环刀法、液限和塑限采用液塑限联合测定仪、黏粒含量采用比重瓶法、含砂量采用筛分法、有机质含量采用灼烧法、粘聚力和内摩擦角采用直剪试验、压缩系数和压缩模量采用压缩固结试验测得，各种试验方法严格按照“土工试验规程及土工试验方法标准”[8-9]中的规定进行。室内土工试验在福建省现代工程勘察院实验室完成。

3 港区软土特性与分析

罗源湾建设港区沉积一套第四系深厚海相淤泥类型沉积物，此次勘察工作对淤泥各项指标进行较系统的测定，再经过对软土物理力学数据分析可以发现，该区域软土具有典型的“三高三低”特性，即高含水量、高压缩性、高灵敏度、低密度、低强度和低渗透性。其物理和力学特性的统计分析结果(表1，2)。

表1 港区淤泥物理力学性质指标特征

表2 港区淤泥质土物理力学性质指标特征

3.1 天然含水量、饱和度、液限指数特征

天然含水率越高，液限指数越大，土体越软，液限指数是判断软土与含水量的关系的指标。饱和度是软土中水的体积与空隙体积之比，饱和度越大，孔隙间越小。含水率、饱和度、液限指数三者有较强的相关性。该海湾淤泥大都处于饱和状态，孔隙比大，天然含水量高，含水量会因为软土的液限不断发生变化而逐步发生变化。该海湾淤泥和淤泥质土的天然含水量分别为48.3%～76.9%、37.5%～53.7%，平均值分别为64.3%和43.6%。对于淤泥，其液限指数一般为45.2%～60.4%，其中淤泥的含水量超过液限指数，表现出流动的状态；淤泥质土的液限指数一般为37.0%～49.8%，含水量一般略高于液限指数，属于流-软塑状态。

3.2 压缩性特征

正确认识和确定软土的压缩性指标，是港区软土地基处理及建筑成败的关键因素之一，土体在受压时，孔隙比显著减小，变形沉降量大。该海湾淤泥和淤泥质土的压缩系数分别为0.86～2.42 MPa-1、0.52～0.97 MPa-1，平均值分别为1.65 MPa-1和0.76 MPa-1，均大于0.5 MPa-1，均属于高压缩性土。其中的压缩系数较大主要原因之一是由于地下淤泥层的含水量相对较高、孔隙比较大和淤泥处于欠固结状态。在受到压力时，孔隙水缓慢挤出，孔隙比减小，淤泥体积减小程度较大。

3.3 天然密度、干密度、孔隙比特征

天然密度取决于软土中孔隙的大小，孔隙中的水的质量及软土的密度能够综合反映软土的物质组成和结构特征。干密度是软土中固体颗粒与总体积的比值，是评价土体紧密程度标准，可反映软土中的孔隙比的大小。三者之间有较强相关性，该海湾地区淤泥和淤泥质土的天然密度变化分别为1.60～1.79 g/cm3、1.70～1.86 g/cm3，平均值分别为1.67g/cm3、1.81 g/cm3；淤泥和淤泥质土的干密度变化分别为0.92～1.21 g/cm3、1.11～1.35 g/cm3，平均值分别为1.02 g/cm3、1.26 g/cm3。淤泥和淤泥质土的孔隙比变化范围分别为1.25～1.99、1.01～1.45，淤泥最大孔隙比为1.99，淤泥质土最大孔隙比为1.45。淤泥天然颗粒的密度低、孔隙比大，二者之间是相互对应的，由于土体中淤泥颗粒比重通常大于1.0，所以孔隙比越大，孔隙所占的比例越大，其密度和干密度必然要低。

3.4 结构性特征

软土往往都具有显著的物理和结构特征，一旦淤泥受到外力扰动，其中的絮凝态和结构就会被破坏，土的力学强度也会明显减弱。根据该区域原状土和重塑土的十字板不排水抗剪强度比值，计算软土的灵敏度。统计分析结果表明，淤泥灵敏度范围为3.98～6.81，淤泥质土灵敏度范围为2.20～2.67。该地区淤泥基本属于高灵敏度土(St>4)，淤泥质土基本属于中灵敏度土(2

3.5 渗透性、固结性特征

该海湾淤泥渗透系数大部分为2.41×10-7～7.45×10-7m/s，淤泥质土渗透系数为2.11×10-7～6.12×10-7m/s，所以该地区软土在荷载的作用下固结很慢。当荷载为50 kPa时，淤泥固结系数为7.16×10-4～14.10×10-4cm2/s，淤泥质土的固结系数为9.86×10-4～22.00×10-4cm2/s，平均值分别为9.61×10-4cm2/s、13.30×10-4cm2/s。随着荷载的增加，软土的固结系数越小，固结越慢。软土渗透性差主要是因为其颗粒尺寸较小，多数属于黏粒(粒径小于0.005 mm)；另一方面，颗粒具有较强的亲水性，外侧能够黏贴一层较厚的水膜。所以软土建筑工程上往往需要在整个土体中打设不同形式的排水系统，加快土体排水和固结，加速工程进度。另外，若土中有机物含量较多时，渗透性更低。

3.6 抗剪强度特征

在直剪实验中，淤泥粘聚力变化大部分为3.8～9.7 kPa，内摩擦角大部分为0.6°～2.1°；淤泥质土内聚力为16.9～20.4 kPa，内摩擦角为6.7°～9.5°。通过样品数据显示，该地区软土抗剪强度较低。抗剪强度低主要是因为其含水量高、孔隙比大等原因。

4 软土物理力学指标关联性

4.1 室内物理指标关系

对该区域内土样的各个参数可以进行相关性的分析，来解释不同参数之间的相关性，对于某一个参数相关性要求更高，进而可以利用这一个参数确定另一个参数。利用数理统计的方法拟合出参数之间的相关公式。由于土样的含水量试验相对比较简单，且结果较为可靠。因此，可以考虑利用土样的含水量作为一个自变量，分析其它物理学指标和含水量之间的关系，对于淤泥试验结果拟合关系(表3)。对于淤泥质土，样品数量相对较少，拟合关系式可信度相对较低，不予以讨论。可以看出，含水量与孔隙比、天然重度、干重度之间都具有较强的相关性，二者之间基本呈线性关系；含水量与压缩系数和压缩模量之间也是具有很强的相关性，二者之间基本上是呈幂函数的关系，含水量与液塑限、塑性指数之间的相关性较差，相关系数R2都控制在0.70以下。软土中的含水量越高，颗粒之间的孔隙度就越高。孔隙比越大，土就越疏松，其压缩性也就越高，土就越容易被压缩、变形。

表3 淤泥物理力学性质指标统计关系

根据各个物理力学指标间的相互关系，得出淤泥质的含水量和孔隙比之间相关性的曲线(图1)和含水量与压缩系数之间的相互关系曲线(图2)。淤泥含水量和孔隙比之间的线性关系相对较好，而含水量与压缩系数之间可以用幂函数关系曲线来表示，在实际勘察设计工程中，根据软土含水量来推算其孔隙比和压缩系数，求得压缩系数后，进一步结合孔隙比求得压缩模量，其他的各项参数亦可根据回归式方程法确定。具体按照实际情况计算。

图1 淤泥含水量与孔隙比的关系图 Fig.1 Relationship diagram of the ratio of the silt water content and the pore

图2 淤泥含水量与压缩系数的关系图Fig.2 Relationship diagram of silt water content and compression coefficient

4.2 室内指标与原位指标关系

除了现场取土在室内测试其物理力学性质指标外，在现场选取了20个典型孔，采用原位十字板剪切测试了其不排水抗剪强度。在竖向上每隔1.0 m测试一组不排水的抗剪能力，分为原状土和重塑土的抗剪能力，然后再准确地计算其灵敏度。根据测试深度处十字板剪切强度与其附近深度处的室内物理指标，统计二者之间的关系，推断出淤泥原状土含水量与不排水抗剪强度关系、重塑土含水量与不排水抗剪强度之间的关系(图3)。

可以清楚地看出，随着淤泥中含水量的增加，原状土和重塑土的不排水耐受性和抗剪能力的强度均会有所下降，主要原因是由于淤泥中含水量越高，其孔隙比越大，单位体积内土体颗粒含量越少，抵抗外界荷载的能力越弱。原状土含水量与不排水抗剪强度基本符合线性关系，而重塑土含水量与不排水抗剪强度大体上符合幂函数，但二者之间的相关性较差。

图3 淤泥含水量与不排水抗剪强度的关系Fig.3 Relationship diagram of silt water content and undrained shear strength

5 结语

此次勘察在充分收集已有资料及建设罗源湾港区前期可研勘察资料的基础上，综合此次港区的现场勘察资料及室内土工测试结果，对主要的物理力学性质指标进行系统分析研究，得出以下结论。

(1)罗源湾港区软土的含水量、天然密度、干密度、孔隙比、饱和度、液限、液性指数的变异系数都较小，大多数小于0.08；粘聚力、内摩擦角、压缩系数和压缩模量的变异系数相对较大，大多数大于0.1。这主要是因为物理指标不会或不易受土样扰动的影响，相对比较稳定；由于软土样品在取样、搬运及制样等工作过程中容易受到各种不同范围的扰动，对于力学性能指标和压缩特性指标，容易受到各种扰动影响而产生变异。

(2)根据罗源湾港区软土的167个淤泥和39个淤泥质土的土工试验结果，研究软土的物理力学指标变化幅度、平均值、标准差及其变异系数等内容，得到了以含水量为自变量，其他指标作为因变量的统计经验关系式，以此估算罗源湾港区软土物理力学上的特性，为软土建设项目顺利实施提供一个可靠的数据依据。