澳门新城填海区海积软土工程特性研究

陶旭光 ，吴迪

（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

我国沿海软土分布广泛，在近海工程勘察工作中经常遇到，如连云港、洋山港、舟山、温州、福建沿海、珠江三角洲、广州、湛江、钦州等地区。对于海洋软土的基本工程性质，国家岩土勘察标准和水利、铁路、港口等行业规范以及地方勘察标准根据天然含水率和天然孔隙比这两个特征指标对软土均有详细成熟的定义，地方标准如上海市、福建省、浙江省等也附有当地软土层物理力学参数范围值表供参考。近年来越来越多的学者从有机质含量、矿物成分、物化特性、孔隙结构和固结蠕变特性等方面分析软土的工程特性及其微观机制[1-5]，研究表明不同的地质成因、物质组成和结构性造成了软土工程性质的差别，从而影响地基处理方案的不同[6]。

澳门新城填海区位于珠江三角洲的西岸，根据掌握的勘察资料统计，全新世海积软土层厚一般在5.0～15.0 m之间，主要为流塑状灰黄～灰色淤泥，局部表层为流动状流泥，底部近淤泥质黏土。与国内其它三角洲相软土相比，珠江三角洲因其复杂的江水和海潮交替地质成因，以及盆地地貌控制的三角洲模式形成了特有的区域性软土，成为国内工程报道过的最软软土，很多岩土工作者进行了区域性总结，取得了一些成果[7-10]，另有工程技术人员提出了适于该地区的软土强度计算方法和软基加固处理方法[11-12]。

本文以澳门新城填海区30多个岩土勘察项目的大量室内土工试验成果为基础，采用数理统计方法分析该区域全新世海积软土的物理性质和固结、剪切等力学性质指标，建立了各相关参数的经验关系，并与洋山港、温州等地区的软土进行差异性比对，研究成果对于澳门填海造陆工程具有重要意义，同时也可为其它区域软土工程特性分析与工程建设提供参考经验。

1 研究区域土层发育特征

澳门新城填海区位于澳门本岛的东、南侧海域及氹仔岛北侧海域，分A、B、C、D、E填海分区（填海区规划见图1），面积不大，涉及的海岸线却很长，处于复杂的海岸侵蚀地貌与堆积地貌环境。第四纪沉积地层形成年代至今不过4万a，自下而上分为更新世和全新世两套沉积层序[13]，两期沉积地层中间存在一个曾经暴露的风化侵蚀面（风化花斑黏土），形成年代距今2.2万～1.3万a[14]。全新世海积软土覆盖在风化侵蚀面与底砾层之上，分布稳定。

图1 澳门新城填海区规划示意图Fig.1 Sketch map of Macao New City reclamation area planning

根据搜集到的澳门新城填海区勘察资料，该区域揭露的第四纪松散层厚度为13.0～56.0 m，下部基岩为燕山期花岗岩。第四纪松散层浅表部依次分布：全新世海相沉积淤泥层，厚度在5.0～15.0 m之间；可塑状黏性土层，厚度在4.0～15.0 m之间，该层下部分布1～2层软塑状灰色黏土，含泥质结核和朽木，厚薄不均，一般在1.5～8.0 m之间，存在尖没再现现象，2层软塑状灰色黏土之间和下部存在的可塑状黏性土或中、粗砂层，是海退时期原沉积物受风化而在原有母质基础上发育成的“花斑黏土”或河流相沉积物[14]。图2是澳门新城填海区附近某跨海大桥工程地质剖面图，具有典型的澳门滨海相软土沉积发育规律。

图2 澳门某跨海大桥工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological section of a cross-sea bridge in Macao

2 工程性质指标统计和特性分析

本文研究数据来自澳门新城区的填海及堤堰建造工程、通道工程、跨海大桥等30多个项目的勘察资料和土工试验成果。测试方法采用GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》[15]。为了得到天然状态下淤泥层物理力学性质指标，统计样品为未加固处理区域的土样，共957个，统计时按平均值2倍的均方差对异常数据做了取舍。

2.1 物理性质指标

从表1统计的数据看，澳门新城填海区软土主要为淤泥，天然含水率平均值为66.0%，最大值102.8%，一般呈流塑状态；孔隙比平均值为1.868；天然密度平均值1.59 g/cm3，是典型的高含水率、高孔隙比、低密度、欠固结淤泥类软土。

表1 澳门新城填海区软土层物理性指标Table 1 Physical index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

从颗粒组成看，该软土层以粉粒、黏粒为主，黏粒平均含量在47.3%左右，塑性指数高。同时该软土层透水性极弱，渗透系数在10-7～10-8cm/s之间。局部夹砂层，水平向渗透性较垂直向渗透性稍大。

从天然含水率、孔隙比和密度随埋深的变化趋势看，淤泥层的含水率、孔隙比呈现出随深度增加逐渐变小的规律，密度增大趋势不明显。

2.2 固结特性

从表2统计的数据看，澳门新城填海区软土的压缩系数平均值为1.77 MPa-1，固结系数一般在0.5×10-3～0.8×10-3cm2/s之间。

表2 澳门新城填海区软土层固结指标Table 2 Consolidation index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

由于含大量亲水性黏土矿物、有机质和少量的水溶盐分，这些物质起到一定的暂时胶结作用，取土质量Ⅰ级的土样具有一定的结构。但制样、装样时易扰动，扰动后原土体结构破坏，土体处于流动状态，因此软土力学指标的获得尤为困难。

室内土工采用土的压缩曲线以孔隙比e为纵坐标，单位压力p为横坐标，运用传统的Casagrand法在e-lg p曲线上得到前期固结压力值pc。图3为典型的澳门新城填海区软土e-p关系曲线，由曲线可见澳门新城填海区软土在垂直荷载作用下具有陡降式变形特征，总变形量大，回弹指数一般为0.047 8～0.102 8，与压缩指数Cc具有良好的线性关系，经回归统计后的线性关系式可表示为Cs=0.098 2Cc+0.012 1（见图4）。图5为典型的澳门新城填海区软土e-lg p曲线，由图可见，曲线前段较短且平缓，随后由转折点呈陡降趋势，后期陡度逐级变缓，出现“反弯点”，这是典型低强度欠固结软土的特征，需选取中间直线段来求取pc值。

图3 澳门新城填海区软土层e-p曲线Fig.3 Soft soil layer e-p curve in Macao New City reclamation area

图4 澳门新城填海区软土层Cs-Cc关系曲线Fig.4 Relationship curve between Csand Ccof soft soil layer in Macao New City reclamation area

图5 澳门新城填海区软土e-lg p曲线求pc示意图Fig.5 Schematic diagram of calculating pcthrough e-lg p curve of soft soil in Macao New City reclamation area

根据太沙基一维渗透固结理论，固结系数的大小反映了软土的主固结过程的快慢。表2中的固结系数是采用现行《土工试验方法标准》[15]中的时间平方根法求得，统计结果表明：水平向固结系数均呈随荷载增大而减小的趋势，由于夹砂薄层、土层层理等因素水平方向的固结系数较垂直方向稍大，但总体数值都较小。

2.3 剪切强度特性

表3是澳门新城填海区软土层剪切强度指标统计表。从数值可以看出：澳门新城填海区软土层抗剪强度很低，直剪固快黏聚力c值在8.0～12.0 kPa之间，内摩擦角φ值在6.0°～17.0°之间；直剪快剪黏聚力c值在4.0～14.0 kPa之间，内摩擦角φ值在1.0°～9.0°之间，均小于直剪固快试验下的参数值；三轴不固结不排水剪φuu值接近于0°，cuu值在4.0～17.0 kPa之间，平均值为10.8 kPa；三轴固结不排水剪 φcu值在 11.0°～17.0°之间，ccu值一般为6.0～12.0 kPa；无侧限抗压强度qu值一般为12.0～30.3 kPa，平均值为21.7 kPa，灵敏度随深度变大，一般为1.5～4.5，属中～高灵敏性土。

软土的室内无侧限抗压强度值与三轴不固结不排水剪强度值有较好的线性关系，qu/cuu值在2.0左右。

典型的澳门新城填海区软土固结不排水剪的应力-应变关系见图6，曲线特征反映了土的压硬性，剪切过程中土颗粒重新排列，土体结构变得紧密，表现为剪缩性。根据临界状态原理，该区软土的有效应力路径变化趋势（见图7）与一般正常固结软黏性土一致，其不排水剪切屈服面是罗斯科面，在达到临界状态后沿临界线下降。

表3 澳门新城填海区软土层剪切强度指标Table 3 Shear strength index of soft soil layer in Macao New City reclamation area

图6 澳门新城填海区软土应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of soft soil in Macao New City reclamation area

图8 是澳门新城填海区软土在不同围压组下绘制的三轴固结不排水剪强度包线，呈折线型，随着围压的增大土体强度提高，黏聚力增大，内摩擦角减小，说明在不同的固结压力范围下取得的强度指标是有差异的。

图7 澳门新城填海区软土应力路径曲线Fig.7 Stress path curve of soft soil in Macao New City reclamation area

图8 澳门新城填海区软土在不同围压组下固结不排水剪强度包线Fig.8 Consolidated undrained shear strength envelope of soft soil in Macao New City reclamation area under different confining pressure groups

3 不同地区海积软土工程地质指标比较

洋山港与澳门新城填海区软土同为三角洲相沉积的淤泥类土，软土层也分布广泛，但厚度较稳定、土质较均匀，为典型的淤泥或淤泥质土。澳门新城填海区软土层的含水率、孔隙比更大，压缩性更高、强度更低，分布主要为淤泥，仅局部为淤泥质土。表4是我国东部沿海地区主要4种类型的淤泥类软土指标统计情况。

表4 不同地区海积软土工程地质指标比较Table 4 Comparison of engineering geological indicators of marine soft soil in different regions

连云港滨海相沉积的淤泥，与澳门新城填海区淤泥相比，物理力学指标范围较小，工程性质总体上相对较好，且土性更均匀。

浙江温州沉积的软土，是典型的泻湖相软土，灵敏度一般在5.4～8.7之间，明显高于包括澳门新城填海区在内的其它地区软土。

福建宁德溺谷相沉积的淤泥，具多种颜色，有机质含量高，工程地质性质与澳门新城填海区淤泥层更接近，且性质不均匀，与澳门新城填海区淤泥层相比，工程地质性质总体上稍好于后者，但局部略差。

4 结语

澳门新城填海区滨海相沉积淤泥层除具有一般淤泥的特性以外，还具有其特殊的性质，且在分布深度内仍具有一定的差异性。

1）澳门新城填海区软土含水率更高、孔隙比更大，该软土层黏粒含量较多，透水性极弱。

2）澳门新城填海区软土的e-p压缩曲线具有陡降式变形特征，且总变形量较大。e-lg p曲线的特征是曲线前段较短且平缓，随后由转折点呈陡降趋势，后期陡度逐级变缓，出现“反弯点”，呈现明显的低强度欠固结软土的特征。

3）澳门新城填海区软土的抗剪强度很低。从无侧限抗压强度试验结果看，澳门软土层强度随着深度逐渐增大，属中高灵敏性土。室内无侧限抗压强度值与三轴不固结不排水剪强度值比在2.0倍左右。

4）澳门新城填海区淤泥层与洋山港、连云港、温州地区软土层相比，其工程地质性质更差，与福建宁德工程地质性质最接近，温州地区软土灵敏度远高于包含澳门新城填海区的其它对比地区的软土。