武汉地区软土特征的实验分析

陈志浩，陈少平，吴礼生

(湖北省城市地质工程院，湖北武汉 430072)

武汉市地处长江与汉江交汇处，地形地貌特殊，地表水系发达。武汉市软土分布较广且厚度大，是软土分布最多的内陆城市。由于漫长的地质演变，受应力历史、应力条件、排水条件和结构特性的综合影响，导致其物理力学的软弱特性和复杂性。武汉市软土包括湖冲积相、河滩相、近代湖泊环境沉积三大类成因类型的软土，湖泊环境沉积软土是目前基础施工过程中遇到的最主要的软土类型。近年来，武汉市加快了城市建设的步伐，大量工业与民用建筑、道路工程以及地铁隧道等项目先后开工建设，基础施工过程中软土成为影响建筑基础安全最主要的因素之一，因软土沉降等原因引起的地面沉降以及建筑物开裂等常常见诸报端。

软土的物理性质与其工程性质有较大的关系，分析武汉软土的含水量、物质组成及微观结构特征，对研究其在城市建设过程中的影响具有十分重要的意义。本文将结合软土土样的含水量、液塑性，重点对矿物成分及SEM图像对武汉地区软土特征进行分析，为本地区的工程建设提供参考。

武汉市软土分布广，武汉三镇及远城区均有分布，多为湖积相沉积，埋深较浅，多为地面下30 m范围内，为近现代沉积，同时武汉市软土层厚不一，局部层厚达十余米，部分地区软土层厚不足1 m，武汉市软土具有共同的特征为天然含水量高、孔隙比大、压缩性强、强度低、渗透系数小等特点对工程产生不利影响［1］。目前武汉市基坑开挖深度最深达到20余米，因而软土对基坑开挖的安全性有较大的影响。

此次七个土样取样点分布较分散，包括汉口、汉阳、武昌以及东西湖和后湖地区，取样点为正在进行土方开挖或桩基施工的工地，每个取样点取5～10个土样。同时，收集整理了大量的地勘报告，提出其中软土相关参数与试验结果进行对比分析。取样点具体位置如表1所示。

表1 软土土样取样点分布Table 1 Points distribution of soft soil sampling

1 软土物性指标分析

含水率是软土重要的特性之一，在天然状态下软土含水率往往高于其它土层。对所取土样进行含水率相关试验(表2)。

由表2可以看出，软土土样含水率分布于38．3%～65．05%之间，液限含水量分布于37．86% ～71．12%之间，塑限含水量分布于21．83% ～40．82%之间，塑性指数分布于16．03% ～30．3%之间。另外，统计武汉市范围内40余份地勘报告，含水量分布于30% ～80%之间，共68个有效数据，液限含水量分布于30% ～70%之间，共54个有效数据，塑限含水量分布于10% ～30%之间，共35个有效数据，塑性指数分布于10% ～30%之间，共36个有效数据，此次试验数据与统计数据范围基本相同。

表2 软土土样物理性质指标及实验结果Table 2 Physical property values and experimental results of soft soil samples

2 软土土样矿物成分

软土的物质组成与其成因及其力学特性有较大的关系，部分矿物成分具膨胀性，随含水量的变化土体体积也随之变化，同时部分矿物颗粒粒径较小，常存在于孔隙间，堵塞孔道，降低土体的渗透性。对所取土样进行粉晶X衍射试验，得出主要软土矿物成分及其含量(表3)。

由表3可知，所取软土土样中主要矿物成分为石英、长石、伊利石及绿泥石，占整个矿物成分的80% ～90%，少量土样中含有方解石及高岭石;其中非粘土矿物成分为石英、长石、绿泥石以及方解石，含量达60%以上;粘土矿物成分包括伊利石和高岭石，两种成分总含量为15．83% ～32．29%，其中非粘土矿物为原生矿物，由武汉周边第四系松散沉积物的进一步风化剥蚀，尤以物理风化为主，湖水涨落水流冲刷搬运，就近沉积，水流较缓，由于湖、塘的退化或填埋逐渐变为沼泽甚至陆地;土中的次生矿物较少，同时有机质含量较高，呈暗黑色，具臭味，其中含有动植物遗骸，有力证明此类软土成因类型为湖沼相。而6#土样位于汉口长江一级阶地，其非粘土矿物含量接近80%，且在取样过程中发现还有一定量的泥沙，含水量较高，且含有贝壳类河流生物残骸，有力证明此类软土为江、河水流的冲刷、搬运，并在进入低洼地段后沉积，此类软土成因为河漫滩相。

表3 软土土样矿物成分及其含量Table 3 Mineral composition and its content of soft soil samples

从上述矿物组成看，次生矿物由于其自身特性，遇水体积膨胀，堵塞孔道，使得软土渗透性减小，而在外界荷载作用下，次生矿物及水容易在荷载作用下从通道中流失，从而表现出高压缩性，在失水状态下体积变小，表现出孔隙率大，此类矿物含量较大时在失水状态下将产生大的沉降。

3 软土微观结构

3．1 软土微观结构实验方法

随着电子显微镜及其他测试手段的发展，为直接观察土的结构和细节提供了有利条件［2］。微观结构观测最常用的方法是扫描电子显微镜，其放大倍数高，分辨率高，可直接观测土的微观结构形态的特点，本次实验所采用的JSM-5510型扫描电镜，放大倍数为1 000倍。为便于观察，保证图像质量，样本制作时观测面需先进行镀金［3］，并注意镀金的厚度，观测面必须是土样的自然断面，样品本身需保持干燥。

3．2 软土SEM图像分析

根据需要选定处理区域，选出符合要求的照片进行灰度处理，每个取样点选取较有代表性的SEM图像，各土样的微观结构如图1-图7:

图1 1#土样SEM图Fig．1 SEM image of 1#soil sample

图2 2#土样SEM图Fig．2 SEM image of 2#soil sample

图3 3#土样SEM图Fig．3 SEM image of 3#soil sample

图4 4#土样SEM图Fig．4 SEM image of 4#soil sample

图5 5#土样SEM图Fig．5 SEM image of 5#soil sample

图6 6#土样SEM图Fig．6 SEM image of 6#soil sample

图7 7#土样SEM图Fig．7 SEM image of 7#soil sample

由于软土成因较为复杂，因而其构造也较为复杂［4］。从图2、图5-图7可以看出，土样的孔隙较少，孔隙面积占整个面积的10%～20%。其颗粒主要以片状形式存在，无明显棱角，颗粒与颗粒之间多以面—面方式连接，其中有小部分细小颗粒镶嵌其中，在饱水状态下，颗粒发生运动时需克服的阻力较大，宏观上表现为相对较大的内摩擦角。而图1、图3-图4可以看出，孔隙分布较多，孔隙面积约占整个面积的60% ～70%，颗粒主要以片状形式存在，颗粒与颗粒之间多以边—边及面—面方式连接，连接较为松散，在饱和状态下，其颗粒发生运动时，需克服的阻力较小，宏观上表现为相对较小的内摩擦角。

从上述图中可以看出:

(1)图1、图3-图4三处土样孔隙率较其它四处土样而言，其孔隙率更大，颗粒单元体主要为碎屑、集粒及棱角分明的曲片状单元，无明显的定向性排列。调查得知此几处取样点之前为湖泊或池塘，后被填埋，所取土样中含有壳类生物或水生植物尸体，有机物含量高，具腥臭味，为湖积相成因，沉积年代较短，水生生物尸体在微生物作用下发酵产生的气体使得软土孔隙率较大。

(2)图1、图3-图4三处土样，颗粒较小，结构单元体呈分散、无序状态［5］，常常呈蜂窝状，孔隙率较大，所以其含水率也较大，结构体单元稳定性较差，易被破坏，因而其内摩擦角小;图2、图5-图7四处土样，颗粒较大，呈片状，颗粒与颗粒之间以面—面连接，结构体单元之间孔隙率较小，其含水率较淤泥小，结构体单元稳定性也较淤泥好，不易被破坏，因而其内摩擦角较淤泥大。

4 结语

(1)武汉市软土大部分为湖积相成因，形成年代较短，不同地区软土孔隙率差别较大，随着孔隙率的增加，饱和含水量越大，压缩性越强。软土土样含水率分布于 38．3% ～65．05%之间，液限含水量分布于37．86% ～71．12%之间，塑限含水量分布于21．83% ～40．82%之间，塑性指数分布于16．03% ～30．3%之间。

(2)武汉市软土次生矿物含量较高，部分具膨胀性，遇水体积膨胀，堵塞孔道，使得软土渗透性减小，而在外界荷载作用下，次生矿物及水容易从通道中流失，从而表现出高压缩性，在失水状态下体积变小，此类矿物含量较大时在失水状态下将产生大的沉降。

(3)从文中SEM图像可以看出，武汉市不同地区的软土微观结构不尽相同，从图1、图3-图4可以看出，孔隙分布较多，孔隙面积约占整个面积的60% ～70%，颗粒主要以片状形式存在，颗粒与颗粒之间多以边—边及面—面方式连接，连接较为松散;从图2、图5-图7可以看出，土样的孔隙较少，孔隙面积占整个面积的10% ～20%。其颗粒主要以片状形式存在，无明显棱角，颗粒与颗粒之间多以面—面方式连接，其中有小部分细小颗粒镶嵌其中。

［1］ 宁国民，陈国金，徐绍宇，等．武汉城市地下空间工程地质研究［J］．水文地质工程地质，2006(6):29-35．

［2］ 蒋雪琴．软土微结构的试验研究［J］．工程勘察，2001(4):5-8．

［3］ 许勇．饱和软土微结构分形特征的试验研究［J］．岩土力学，2007(S1):49-52．

［4］ 闫婧．营口地区软土SEM图像分析［J］．山西建筑，2005，31(21):109-111．

［5］ 白冰．软土工程若干理论与应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2002．