洞庭湖砂纹淤泥质土矿物成分及工程特性研究

肖 燕

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410219)

0 引言

洞庭湖位于湖南省的北部，区域内广泛分布第四系河湖相沉积地层。在工程建设中发现，受复杂水动力及沉积环境影响，洞庭湖南部腹地的软土的竖向分布具有典型的4层结构，如图1所示，即最上层和第3层的非软土层(填筑土层和黏土层)；第2层和第4层的软土层，即上层(第2层)的淤泥质黏土层和下层的淤泥质土夹微薄层粉细砂(第4层)。 上层软土“淤泥质黏土”呈灰褐色，流～软塑状，质地较纯，力学性能和固结性能较差，是常规的软土。而下层软土“淤泥质土夹微薄层粉砂”呈灰褐色、灰色，其中淤泥质土主要呈软塑状，局部呈可塑状；与常见的淤泥质土粉砂互层不同的是，其所夹的粉细砂层虽与淤泥质土呈现非常规律的夹层分布，但其厚度仅1～2 mm，呈水平或近水平砂纹状，层理明显。埋藏深度10～20 m，厚度约3～20 m。

图1 洞庭湖南部腹地软土竖向分布Figure 1 Vertical distribution of the muddy soil in the south of the Dongting Lake

根据《岩土工程勘察规范》(GB50021)[1]中的土体分类标准，淤泥质土夹微薄层粉细砂的天然含水量大于液限，天然孔隙比小于1.5但大于1.0，且同一土层中薄层和厚层厚度比小于1/10，并多次出现，这符合“淤泥质土”的定义；所夹的砂层极薄，厚度1～2 mm，这符合《沉积岩石学》[2]对“纹层”的定义。因此，课题组将洞庭湖地区“淤泥质土夹微薄层粉细砂”首次命名为“砂纹淤泥质土”。砂纹淤泥质土断面照片如图2所示。

砂纹淤泥质土是洞庭湖区特有的一种软土类型，研究其特征组成和工程性质不仅对该地区的工程建设具有很好的指导意义，更是对我国软土分类的补充。

(a) 纵切面照片

(b) 粉细砂微薄层结构

(c) 粉细砂层层面照片

1 砂纹淤泥质土矿物成分分析

由于每种矿物晶体存在唯一的X射线衍射，且其对应特征不会因为与多种物质混合而发生改变，因此本文利用X射线微区衍射试验获得洞庭湖砂纹淤泥质土的矿物组成[3]。试验仪器是日本理学公司D/maxRapid Ⅱ型X射线微区衍射仪。试验得到砂纹淤泥质土的X射线微区衍射图谱如图3所示。分析得到洞庭湖砂纹淤泥质土中矿物组成及比例为绿泥石7.6%、伊利石28.9%，石英63.5%。以上数据说明砂纹淤泥质土具有颗粒组成以粉粒为主，矿物成份以石英为主的组成特征。

图3 砂纹淤泥质土X射线微区衍射图谱Figure 3 Spectrum of X ray diffraction of the sandy grain muddy soil

2 砂纹淤泥质土工程特性研究

2.1 砂纹淤泥质土物理特性研究

按照《土工试验方法标准》(GB/T50123)[4]获得洞庭湖砂纹淤泥质土的一般物理性质参数(即湿密度、孔隙比、比重、含水率、液限、塑限、颗粒大小等)，并以砂纹淤泥质土上层的淤泥质黏土进行对比。天然密度、含水量、比重、液限和塑限分别采用环刀法、烘干法、比重瓶法和液塑限联合测定仪法来测定，粒径分布则采用筛分法和密度计法来测定。现场布置20个钻孔，取得合格砂纹淤泥质土和淤泥质黏土土样各44个。

结果显示，砂纹淤泥质土具有以下特点：

a.湿密度低、含水率高、孔隙比大。

淤泥质黏土和砂纹淤泥质土的湿密度平均值分别为1.66和1.78 g/cm3；含水率平均值分别为48.8%和44.2%；孔隙比平均值分别为1.110和1.065。砂纹淤泥质土含水率和孔隙比小于淤泥质黏土的原因是由于粉细砂的存在填充了土体中部分孔隙，导致了孔隙比下降，含水率也因此降低，同时使得湿密度比淤泥质黏土高。

b.液限和塑限低。

淤泥质黏土和砂纹淤泥质土的液限平均值分别为49.4%和44.0%；塑限平均值分别为26.1%和22.1%。由试验数据可知砂纹淤泥质土孔隙比和天然含水量都符合《岩土工程勘察规范》(GB50021)关于淤泥质土的规定。

c.塑性指数和液性指数高。

淤泥质黏土和砂纹淤泥质土的塑性指数平均值分别为23.3和21.9，液性指数平均值分别为1.088和0.999。砂纹淤泥质土的塑性指数低于淤泥质粉质粘土，这是由于其夹微薄层粉砂所致；根据《岩土工程勘察规范》(GB50021)的规定，砂纹淤泥质土液性指数为0.999，高于0.75低于1.0，属于软塑状态，而淤泥质黏土属于流塑状态。

上层淤泥质黏土和下层砂纹淤泥质土的物理性质对比情况见表1。

表1 洞庭湖砂纹淤泥质土基本物理性质Table 1 The basic physical properties of the sandy grain muddy soil土体类型取样深度/m湿密度ρ/(g·cm-3)含水率ω/%比重Gs孔隙比e液限ωL/%塑限ωp/%塑性指数Ip液性指数IL4.0～5.01.6648.82.511.0749.3227.7821.460.9795.0～6.01.7142.72.751.0645.1426.3118.78 0.842淤泥质黏土6.0～7.01.6550.22.441.1046.6928.4018.32 1.7427.0～8.01.6451.02.331.1555.0426.1428.890.8698.0～9.01.6251.22.291.1750.8321.7929.041.01116.0～17.01.78344.292.701.1143.3321.0122.341.04318.0～19.01.77148.692.561.1447.4818.0429.481.044砂纹淤泥质土19.0～20.01.84243.522.790.8143.1923.0820.091.00921.0～22.01.77940.412.711.0240.3226.4714.230.93823.0～23.51.70844.422.301.2544.6222.0323.520.948

d.颗粒成分以粉粒为主，砂粒次之，黏粒最少。

砂纹淤泥质土含有少量砂粒(0.075 mm

表2 洞庭湖砂纹淤泥质土颗粒组成分布表Table 2 The particle composition and distribution of the sandy grain muddy soil土体类型不同粒径(mm)颗粒组成的比例/%0.5～0.250.25～0.0750.075～0.005<0.005淤泥质黏土—38.78621.13340.081砂纹淤泥质土1.11110.12481.7926.973

2.2 砂纹淤泥质土渗透特性研究

按照《土工试验方法标准》(GB/T50123)，采用TST-55型土壤渗透仪对砂纹淤泥质土进行变水头试验，分别测定水平渗透系数和垂直渗透系数，并以洞庭湖淤泥质黏土作为参照对象，研究砂纹对渗透特性的影响。

试验结果显示，两种土体竖向渗透系数都较小，而砂纹淤泥质土水平向渗透系数远大于其自身的垂直向渗透系数。从表3可见，砂纹淤泥质土的竖向渗透系数为(4.218 7～5.079 8)×10-7cm/s，水平向渗透系数为(1.09.42～1.30.76)×10-5cm/s，水平向渗透系数为竖向渗透系数的10～100倍；淤泥质黏土竖向渗透系数为(0.567 8～3.134 4)×10-7cm/s，水平向渗沟系数为(3.192 2～4.487 9)×10-7cm/s，两个方向渗透系数基本相当。这是由于两种土体颗粒组成以细粒为主，颗粒尺寸小，比表面积大，易在表面形成扩大的双电层，水分子受到吸附作用形成结合水，使孔隙减小，从宏观上就表现为渗透系数较小，渗透性较弱。此外也可以发现，由于砂纹淤泥质土中夹有微薄层状粉细砂，其水平向渗透系数就远远大于自身的垂直向渗透系数。

表3 洞庭湖砂纹淤泥质土渗透系数分布情况表Table 3 The permeability coefficient of the sandy grain muddy soil土体类型取样深度/m垂直渗透系数kV/(10-7cm·s-1)水平渗透系数kH/(10-7cm·s-1)3.0～3.50.918 93.192 23.5～4.50.567 84.487 9淤泥质黏土5.0～6.00.884 73.642 36.0～7.00.791 34.025 67.0～7.53.134 43.358 715.0～16.04.787 3109.4216.0～17.05.079 8120.87砂纹淤泥质土19.0～20.04.684 1130.7621.0～22.04.732 3103.2222.0～22.54.218 7115.68

2.3 砂纹淤泥质土力学特性研究

采用TSZ-3型应变控制式三轴仪，按照《土工试验方法标准》(GB/T50123)对砂纹淤泥质土进行固结不排水三轴剪切强度试验以探明其力学特性。

试验结果显示，砂纹淤泥质土在固结不排水试验条件下得到有效粘聚力平均值约为7.307 kPa，得到的有效内摩擦角平均值约为12.859°。分析其原因是由砂纹淤泥质土中微薄层状粉细砂存在，使其黏粒含量较低，砂砾类材料性质增强，而黏粒类材料性质变弱，力学强度增长受到阻碍，但与此同时粉细砂又使得土体摩擦力增大，最终致使砂纹淤泥质土粘聚力小而内摩擦角相对较大。洞庭湖南砂纹淤泥质土的抗剪强度指标分布情况见表4。

表4 洞庭湖砂纹淤泥质土抗剪强度表Table 4 The shear strength of the sandy grain muddy soil土体类型取样深度/m有效粘聚力c'/kPa有效内摩擦角φ'/(°)15.0～15.56.3918.11415.5～16.56.52212.419砂纹淤泥质土19.0～20.08.88715.20823.0～24.07.42915.693 注: 本表为不排水抗剪强度CU值。

3 洞庭湖砂纹淤泥质土与部分国内外软土物理力学性质对比研究

通过与部分国外软土和国内长江三角洲、珠江三角洲等典型分布区的软土物理力学性质对比来看[5-9]，洞庭湖砂纹淤泥质土总的来说与其他软土一样普遍具有天然含水量高、压缩性大、强度低、渗透性差等特点，其差别在：具有塑性指数高、液性指数低、内摩擦角大的特点；水平渗透性远高于垂直向渗透性；埋藏深度较大，一般位于洞庭湖软土“二元结构”的下层。这些特点应该在工程勘察设计时得到充分的利用。砂纹淤泥质土与国内外各软土物理力学指标对比见表5。

表5 砂纹淤泥质土与国内外软土物理力学性质对比情况表Table 5 Comparison of physical and mechanical properties of the sandy grain muddy soil with other soft soil地区含水量ω/%密度ρ/(g·cm-3)比重Gs孔隙比e塑性指数Ip美国波斯肯纳40～851.6～1.82.6～2.71.02～2.3 25-40日本佐贺120～1501.28～1.48 2.6～2.64 2.3～3.8 45～50新加坡50～60-2.62～2.78 1.2～1.9 40～60曼谷55～80-2.72～2.75 1.4～2.5 30～70砂纹淤泥质土44.21.782.611.06528.8天津新港45～501.28～1.392.68～2.77 1.0～1.5615～22连云港37～871.5～1.8—1.04～2.17 9.5～33.5上海37～501.75～1.832.65～2.751.05～1.3713～20温州35～631.67～1.862.69～2.761.0～1.511～25福州45～90 1.4～1.752.67～2.751.1～2.716～35广州31～811.55～1.83—1.0～2.0 9～24湛江50～921.53～1.942.65～2.711.0～2.238南京36～541.74～1.88—1.04～1.4510～20武汉33～681.71～1.9 — 1.0～1.4611～29宁波34～580.9 2.7～2.791.0～1.5 9～24地区液性指数IL内摩擦角ϕ/(°)粘聚力c/kPa压缩系数a1-2/MPa-1渗透系数k/(10-7cm·s-1)美国波斯肯纳0.6～1.23410～25—0.3～7日本佐贺1.2～1.535～40—— 6～30新加坡0.6～0.822～25——0.7～9曼谷0.6～1.1—20～40— 6～10砂纹淤泥质土0.99813.838.20.58 4.7～116天津新港1.0～1.54～136～160.3～0.9 1.2～7.3连云港1.01～2.361.4～8 2.7～18 0.4～2.880.1～5上海1.05～1.166～1114～16 0.7～1.24 6～20温州 1.0～1.856～251～700.2～1.8 1.3～8.2福州1.4～2.41～151～760.3～2.7 0.5～5广州1.5～2.84～124～150.4～2.4 10～24湛江 1.0～4.491～121～110.6～1.38 0.16～1.7南京0.95～1.664～154～200.6～1.4 0.46～12武汉0.68～1.5 6～204～240.36～1.33 0.1～1宁波 1.0～1.940.5～19.43.6～33 0.2～1.58 0.3～22.5

4 结语

砂纹淤泥质土是在独特的沉积环境和水动力条件下沉积于洞庭湖南部腹地的洞庭湖特有的软土类型。其显著的表观特征是淤泥质土中夹1～2 mm厚微薄砂层，且分布非常有规律。本文的研究表明，其具有常规软土的湿密度低、含水率高、孔隙比大、液限和塑限低、塑性指数和液性指数高的工程特征，但又具有强度指标较一般软土高，水平向渗透系数显著大于垂直向渗透系数，各向异性比达到10倍以上，且埋藏深度较大的特点。如结合上部减载等措施，充分利用其工程特征，可减少甚至不对该层进行深部软基处治，这将对洞庭湖区建设项目的投资和工期具有非常重要的意义。