武汉河漫滩相软土工程特性试验及对比研究

吴雪婷，陈斌，项伟，张美霞

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；2.杭州师范大学理学院，浙江 杭州 310036）

0 引言

我国在滨海平原、河口三角洲、内陆湖盆、山涧谷地及河流中下游两岸漫滩、阶地等均广泛分布着大量的软土。随着城市建设的加快，许多工业及民用建筑、铁路、港口、码头和水利工程均兴建在软土地基上[1]，在施工过程中暴露出诸多与软土相关的复杂的环境岩土工程问题[2]，如：建筑物沉降过大、不均匀沉降、倾斜开裂、基坑边坡失稳滑移或基坑隆起、桩位偏移以及断桩缩颈等[3-4]。因此研究软土的工程性质对软土地基工程建设具有重要意义。

软土的成因类型有滨海沉积型、湖相沉积型、河滩沉积型和沼泽沉积型等，软土的工程性质表现出显著的时空变异性和区域性。由于不同地域软土的工程性质与其沉积环境密切相关，从宏观及微观上认识不同地域软土的基本特性并分析其成因不仅具有重要的理论意义，对于工程设计施工也具有重要的参考价值，诸多专家学者对不同地域、不同类型的软土开展了宏、微观试验及理论研究[5-9]。

武汉地处长江中游，区内有许多河流湖泊，在长江及汉江流域河漫滩相堆积以及牛轭湖相堆积中广泛存在着软土，其中以东西湖、后湖、武湖以及长江、汉江一、二级阶地为最[10]。这些淤泥、淤泥质软土层主要工程特性为含水率高、孔隙比高、压缩性高、强度低，并具有结构灵敏性、触变性、流变性。因此土结构一旦被破坏，土体强度会降低，导致建筑物沉降长时间不能稳定[11]。

目前有关武汉软土的物理力学性质以及微观结构的研究主要集中在指标之间的统计关系或某种成因类型软土的工程性质研究等方面[12-13]，针对武汉长江冲积河漫滩相软土的宏、微观性质研究较少。

本文以武汉冲积河漫滩相软土为研究对象，系统对其物理力学特征、物质成分和微观结构等进行了研究；同时与参考文献中他人研究的海相沉积的南海软土[5]、海口软土[6]和湖相沉积的北京翠湖湿地土[7-8]的试验数据进行对比分析，以比较不同成因软土工程性质的异同。

1 软土的物理力学性质

1.1 取样

研究所用土样取自长江武汉段河漫滩相软土，为第四系全新统冲积（）淤泥质土，土层分布较均匀。原状土颜色为灰-灰褐色，流塑，高压缩性，含腐植物、有机物及少量螺壳。

1.2 物理性质分析

所取武汉软土土样的物理性质试验结果如表1所示。作为对比，海积软土（南海软土[5]、海口软土[6]）和湖积软土（北京翠湖湿地土[7]）的试验数据也列在表中。4种软土的颗粒分析累积曲线如图1所示。

表1 软土的物理性质指标对比Table 1 Comparison of physical properties of soft soils

图1 软土粒径级配累积曲线Fig.1 Cumulative curve of size grading of soft soils

由表1和图1的数据可知，4种软土的天然含水率均大于液限，处于流塑状态。武汉软土和北京翠湖湿地土孔隙比都在1～1.5之间，属于淤泥质土；南海和海口软土的孔隙比约为2，属于典型淤泥。4种软土黏粒含量的大小为武汉软土（47.2%）＞南海软土（32.5%）＞海口软土（28.0%）＞北京翠湖土（11.5%）；粉粒含量为海口软土（62%）＞南海软土（58.8%）＞武汉软土（52.5%）＞北京翠湖土（47.4%）；除北京翠湖土以外，其他软土的细粒含量都达到了90%以上。软土的粒度特征对沉积物的成因、沉积环境、物源供应及自然地理条件等具有很大的指示作用[14]。武汉冲积软土沉积物主要来源于长江，以化学风化产物为主，因此，沉积物中黏粒含量最高。所以武汉软土是一种具有高含水率、高孔隙比和高黏粒含量的饱和软土。

1.3 力学试验分析

所取武汉软土试样的无侧限压缩试验结果如图2所示。由图2分析可知，武汉软土无侧限抗压强度为18.35 kPa，灵敏度为3.03，属于中灵敏度土，软土结构性较强。图2中插图所示为原状试样破坏形态，试样破坏时可见较明显的剪切面，试样中部可略见鼓胀现象。

图2 武汉软土无侧限压缩试验应力-应变曲线Fig.2 Unconfined compression test σ-ε curve of soft soil in Wuhan

图3所示为不同围压下（50 kPa、100 kPa、150 kPa和 200 kPa围压） 主应力差（σ1-σ3）与轴向应变ε之间的关系曲线。在50 kPa、100 kPa和200 kPa围压下，应力应变曲线没有出现明显的峰值点，土体呈现应变硬化特性；仅在150 kPa围压下出现峰值强度，达到峰值点后，随着应变的继续增大，土体出现应变软化现象。

图3 武汉软土三轴UU试验主应力差-轴向应变曲线Fig.3Triaxial UU test（σ1-σ3）-ε curve of soft soil inWuhan

图4所示为原状土样三轴UU抗剪强度包线，通过理论拟合计算可得武汉软土三轴不固结不排水抗剪强度指标为cu=3.51 kPa，φu=3.71°。

图4 武汉软土三轴UU抗剪强度包线Fig.4 Triaxial UU shear strength envelope of soft soil in Wuhan

图5为武汉软土24 h压缩试验e-p及e-lg p曲线，其中南海软土、海口软土和北京翠湖湿地土的数据取自文献[5-7]。由图5可知，武汉软土的压缩系数a1-2为1.06 MPa-1，且4种软土压缩系数均大于0.5 MPa-1，故均为高压缩性土，其中海口软土的压缩性＞南海软土＞武汉软土＞北京翠湖湿地土。

图5 软土e-p及e-lg p曲线对比图Fig.5 Comparison of e-p and e-lg p curves of soft soils

由于压缩系数a不是一个定值，从图5可知，4种软土的压缩系数a均随着压力增大而减小。从图5的e-lg p曲线可以看出，e-lg p曲线在较大的压力范围内表现出线性关系，即软土的压缩指数Cc比较稳定。由图5计算可得，武汉软土的压缩指数Cc为0.36。Cc值越大，则土的压缩性越高，4种软土的压缩指数表明，海相软土的压缩性＞河漫滩相软土＞湖相软土。

武汉软土的24 h固结压缩试验、直剪试验、无侧限压缩试验和三轴UU试验结果与3种对比软土的力学指标汇总如表2所示。武汉河漫滩相淤泥质土和海相淤泥的抗剪强度较接近，翠湖湿地土的抗剪强度最小。结果表明，不同地域的不同成因软土，其力学指标存在较大差异。

表2 软土的力学性质指标对比Table 2 Comparison of mechanical properties of soft soils

2 软土的微观特性研究

2.1 微观结构分析

土体的孔隙特征及排列分布是土体产生压缩变形的内因，武汉软土的微观结构试验所用仪器是荷兰FEI有限公司生产的型号Quanta200的环境扫描电子显微镜（ESEM），为防止拍摄过程中由于样品受到电子束的轰击而产生放电现象，采用液氮冷冻真空升华干燥法制备样品，并对样品进行镀金处理。为了清楚研究样品的微观结构和孔隙特征，对样品进行了6个放大倍数的电镜扫描，其放大倍数分别为×300倍、×500倍、×800倍、×1 000倍、×2 000倍和×3 000倍。武汉软土的部分电镜结果如图6所示。从图6可知，武汉软土中大部分颗粒呈片状，颗粒与颗粒多以边-边、面-面方式连接，相互嵌固，多以黏土片构成的聚合体、叠聚体形式存在，其微观结构类型主要以团聚体或堆叠结构为主，伴随有架空结构，但很少见到紊流结构和絮凝结构，结构单元体的表面出现了胶结物胶结特征，但不甚明显。孔隙较发育、分布多。

图6 武汉软土电镜扫描图Fig.6 SEM photos of soft soil in Wuhan

4种软土的电镜扫描结果汇总在表3中。可以看出，武汉软土的微观结构特征与海相淤泥（南海、海口）的絮凝结构明显不同，与湖相沉积的北京翠湖湿地土的不规则状矿物颗粒和黏粒微集聚体也存在一定差异。软土的微观结构与其物理力学性质密切相关，正是由于这些不同成因的软土的微观结构形态上的差异影响和决定了4种软土不同的宏观物理力学性质。

表3 软土微观结构对比Table 3 Comparison of microstructure of soft soils

2.2 元素和成分分析

利用带有能谱仪（EDS）的ESEM对武汉淤泥质软土进行微区化学成分分析，代表性结果如图7所示。土样中含有O、Na、Mg、Al、Si、K、Fe等元素，其中主要含有O、Si、Al、Fe 4种元素，特别是Si元素质量百分含量最高，接近50%。

图7 武汉软土EDS能谱图Fig.7 EDS energy spectrum of soft soil in Wuhan

矿物成分半定量分析采用了荷兰新加坡思百吉公司生产的X-Pert PRO（粉晶X射线衍射仪）。图8是武汉淤泥质土样的X射线衍射试验结果，4种软土的矿物成分对比列于表4中。由表4中的数据对比分析可知，武汉河漫滩相软土的原生矿物含量占42%，主要为石英、长石，含少量方解石；次生黏土矿物含量高达58%，主要为绿泥石和伊利石。南海海相淤泥中的黏土矿物主要为伊利石和蒙脱石，其次是绿泥石和高岭石。武汉软土和海口海相淤泥中则不含蒙脱石。原生矿物如石英一般是粉粒组的主要成分；黏土矿物则是黏粒组的主要矿物成分，黏土矿物具有比表面积大、孔隙多以及极性强等特征，特殊的晶体结构赋予黏土矿物许多特性，例如较强的吸附性、脱水-复水性能、膨胀-收缩性能，可塑性能和离子交换性能等[15]。

同时淤泥及淤泥质土中的黏土矿物组合以伊利石-绿泥石为特征，部分含有高岭石、蒙脱石，黏土矿物含量及其组合能够反映沉积过程中气候环境的变化。黏土矿物在沉积和埋藏作用过程中可发生转变，它的形成和转化与其所处的环境有密切关系，深入研究黏土矿物的组合与含量的变化、结构特点与转化规律以及粒度分布等特征，可以推测其形成区和来源区的风化作用类型和气候演变规律[15]。

图8 武汉软土X射线衍射图Fig.8 X-ray diffraction curves of soft soil in Wuhan

表4 软土矿物成分对比Table 4 Comparison of mineral composition of soft soils

需要注意的是有机质是土中的有害成分，对土的工程性质影响很大，对软土固化及软基处理的方法和效果都会产生不利影响。武汉淤泥质土的常规化学全量分析结果如表5所示。烧失量与有机质、结晶水、分解出的CO2含量等密切相关，武汉软土的烧失量为13.30%，其有机质平均含量约为6.5%，为有机质土。

表5 武汉软土全量化学分析结果Table 5 Results of total chemical analysis of soft soil in Wuhan

3 结语

本文通过基本物化试验、24 h固结压缩试验、直剪试验、无侧限压缩试验、三轴UU试验、电镜扫描和X-射线衍射试验等一系列宏观和微观测试，探究了武汉冲积河漫滩相淤泥质软土的原状土基本物理化学性质、压缩特性、剪切特性及微观特征。并将所得实验数据与海相沉积软土（南海淤泥、海口淤泥）、湖相沉积软土（北京翠湖湿地土）进行了对比分析。

研究表明，武汉河漫滩相软土是一种具有高含水率、高孔隙比和高黏粒含量的饱和软土。武汉河漫滩相软土的微观结构类型主要以团聚体或堆叠结构为主，伴随有架空结构；海相淤泥则主要为絮凝结构；湖相软土则为不规则状矿物颗粒和黏粒集聚体。软土的微观结构类型与其形成条件密切相关，同时，微观结构也影响和决定了软土的物理力学性质。力学测试得到，海相软土的压缩性＞河漫滩相软土＞湖相软土，与其微观结构相对应。进一步研究不同成因土体微观结构参数的变化，建立其与地基土在荷载作用下的变形和强度参数之间的关系，可以解释不同土体的宏观工程现象。