鄂州市花马湖流域软土物理力学性质研究

贺金明 罗飞 杨火平 於智

收稿日期：

2023-09-07

作者简介：

贺金明，男，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail：602604595@qq.com

引用格式：

贺金明，罗飞，杨火平，等.鄂州市花马湖流域软土物理力学性质研究

［J］.水利水电快报，2024，45（1）：70-74.

摘要：

为更好掌握花马湖流域软土的物理力學特性，通过扫描电镜观察、室内土工试验等方式，对该流域软土的矿物成分、微观结构、物理力学性质指标及各指标间的相互关系进行综合研究。结果表明：花马湖流域软土主要由伊利石、绿泥石等黏土矿物组成，呈致密块状结构，具有含水量高、孔隙比大、高压缩性、强度低、结构性强等特点；其孔隙比和含水量与其他物理力学指标间具有很好的相关性。研究成果可为花马湖流域地区工程的设计与施工提供参考。

关键词：

软土； 物理力学性质指标； 花马湖流域； 鄂州市

中图法分类号：TV221.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.012

文章编号：1006-0081（2024）01-0070-05

0  引  言

目前，沿海发达地区及内陆大型城市对软土的特征研究较多，如刘勇健等［1］对珠江三角洲软土的物理力学性质及相间关系进行了分析；苏卫卫等［2］对上海地区软土抗剪强度指标进行了研究；吴长富等［3］对杭州地区典型土的抗剪强度指标变异性进行了研究；屈若枫、陈志浩等［4-5］对武汉地区软土物理力学指标间的关系及特性进行了研究；第五版《工程地质手册》［6］总结了国内主要软土地区的成因类型并对比了软土物理力学指标。软土的物理力学性质指标是软土边坡稳定计算、软土地基沉降计算的关键参数，中小型工程的软土参数主要由有经验的地质工程师通过相关试验成果分析，结合有关规程规范，综合取值。但是，往往试验数据有限，离散性较大，不能客观反映软土的物理力学性质。

花马湖流域属内陆平原河湖区，位于中国软土分布中部地区（Ⅱ）［7］，而湖北省地方标准DB 42/242-2014《建筑地基基础技术规范》［8］、DB 42/T 159-2012《基坑工程技术规程》［9］等相关规范并没有对花马湖流域软土的特性及各指标间的关系进行系统、深入的研究。

为更好地研究花马湖区域内软土的分布、成因、性质及各指标间的相关性，本文围绕区域内软土的主要物理力学性质指标，如含水率、密度、孔隙比、液限、压缩模量、黏聚力、内摩擦角等进行研究，并对各指标相互关系进行统计分析。

1  软土分布特征

花马湖流域位于鄂州市东南部，长江中游南岸，为河流遗迹湖，主要由走马湖、黄山湖、花家湖组成，呈碟碗状分布，流域面积294 km2。湖区及邻近区域为冲湖积平原地貌特征，东侧沿江一带为长江一级阶地，南侧及西侧主要为丘陵地貌特征；燕矶-沙窝-新庙-碧石渡一线往西主要为岗状平原地貌特征。

区内软土主要分布于冲湖积平原区，为湖泽相沉积，主要表现为灰黑色淤泥、灰褐色或灰绿色淤泥质黏土。淤泥多分布于河、湖底部，层厚一般为1～2 m，淤泥质黏土多分布于黄褐色黏性土的硬壳层以下。其中，冲湖积平原区淤泥质黏土分布较连续、层厚较均一、土质较均匀，花家湖东侧、黄山湖东侧及南侧淤泥质黏土层一般厚8～10 m，局部达15 m，尤其花马湖出水港沿线及东侧长江一级阶地分布明显；西北岗状平原区淤泥质黏土平面分布不规则，呈零星分布，主要分布在河、塘附近，走向和厚度变化大，多呈带状或透镜体状，层厚一般为3～5 m。

2  软土矿物成分及微观结构特征

2.1  矿物成分

对金鸡桥港、杨家湖港取2组软土试样，取样深度一般为2～3 m。X射线物相分析结果表明：花马湖流域软土的主要矿物为伊利石、绿泥石、石英、钾长石、钠长石等，如表1所示。

软土中，原生矿物含量为40%～50%，主要来源于花马湖周边，受进一步风蚀作用，形成次生黏土矿物，经湖水涨落、水流搬运，就近沉积；有机质含量为3.82%～6.96%，多为湖沼相沉积；次生黏土矿物含量为50%～60%，遇水膨胀，堵塞软土孔隙，使其渗透性降低，失水收缩，在外界荷载作用下，会产生较大的沉降变形。因其有机质含量较高，活性较强，吸附能力强，易改变软土的矿物成分，降低软土的强度。

2.2  微观结构特征

采用日立SU8010型扫描电镜对花马湖流域软土的微观结构进行观测，放大2 000倍，其微观结构SEM图像如图1所示。

从图1可以看出，软土由大块体矿物组成，呈致密块状结构，片层状发育不明显，表面有碎屑物附着，孔隙发育明显，黏粒含量较高，主要由黏粒组成的微集合体形成团块，颗粒间主要以面-面及边-边接触为主，团块间有非定向裂隙发育，粉粒含量较少，主要散布于团块表面或之间，起连接作用，结构体单元稳定性较差，易受扰动破坏，抗剪强度低。因此，在施工过程中，应加强对软土的保护，避免过度扰动。

3  软土物理力学指标

通过现场采集97组软土试样，采用室内土工试验方法研究花马湖流域软土的物理力学性质，包括软土的含水率、密度、孔隙比、饱和度、液限、塑限、压缩系数、压缩模量、黏聚力、内摩擦角等。对软土的物理力学指标进行统计分析，如表2所示［10］。表3～5为花马湖流域软土在不同试验条件下的抗剪强度指标。

由试验成果分析可知，花马湖流域软土主要具有如下特点。

（1） 天然含水量、液限高。根据室内土工试验，天然含水量主要集中在35.0%～76.8%区间，平均值为47.56%；液限值主要集中在36.4%～66.7%，平均值为50.13%；塑限值集中在17.9%～34.5%，平均值为25.0%。总体上天然含水量与液限值高，两值较接近，区间值分布较集中，而远大于塑限值，塑性指数区间15.0～35.6，平均值25.23。黏粒含量高，亲水矿物质多，吸水能力强，这与前述软土矿物成分试验结果相印证。

（2） 孔隙比大、压缩性高。软土孔隙比0.96～1.72，平均值1.26＞1，孔隙比大；压缩系数0.52～1.30 MPa-1，均值0.82 MPa-1＞0.5 MPa-1，压缩模量1.87～4.32 MPa，均值2.96 MPa＜4 MPa，具有高压缩性。土体颗粒间孔隙越大，含水量越高，在自重压力及外部荷载作用下，土体孔隙中的水分向四周扩散，易发生压缩变形，引起地基不均匀沉降变形［11］。该区域的工程施工应合理进行施工组织设计，避免重载车辆、重型机械设备等在软土区范围的通行，防止引起软土边坡、软土地基的变形。

（3） 强度低、结构性较强。由软土微观结构分析，其为致密块状结构，孔隙发育明显，颗粒间主要以面-面及边-边接触形成团块，团块间发育非定向性裂隙，团块主要依靠少量粉粒起连接作用，结构单元体稳定性较差，灵敏度一般为3～8，受扰动后，结构易破坏，强度降低明显。

软土室内直剪快剪（Q）试验cq值为8～15 kPa，均值12.04 kPa，φq值为2.3°～7.6°，平均值为4.67°，三轴UU试验cuu值为7.8～34.4 kPa，均值为19.84 kPa，φuu值为3.5°～10.1°，平均值为6.37°，表明天然状态下软土的强度整体低，尤其φq值远远低于一般黏性土；而固结快剪（CQ）试验中，ccq值为8～19 kPa，均值为12.66 kPa，φcq值为9.5°～16.8°，平均值为13.24°，表明软土固结后，其强度整体得到提高，尤其内摩擦角较未固结状态有显著提升。

工程建设过程中，通常依靠软土自重固结来提高其强度，过程漫长，不满足工程建设周期要求，而通过搅拌桩加固、高压旋喷桩加固等措施来提高软土的整体强度快速有效，也是目前常见的工程处理措施。

4  软土物理力学指标相互关系研究

4.1  指标统计关系

根据大量的工程实践经验和软土研究，普遍认为影响软土性状的主要指标是孔隙比、含水率、压缩模量、内摩擦角等，且各指标间存在一定的相关性。因此，为了全面认识花马湖流域软土的工程特性，研究软土参数间的相互关系，合理选择软土参数提供依据，采用数理统计中线性、非线性回归方法（包括一元线性回归、多项式、指数、幂非线性回归），按最小二乘法拟合最佳曲线，形成回归关系式，得到各指标间的最佳关系曲线见图2，回归方程汇总见表6。

通过图2和表6可以看出，e和ω作为自变量，与因变量之间相关性较好，相关系数|R|≥0.5，具有中度至显著相关性。物理指标中，e与ω显著正相关，e越大，ω越高；ρ與e，ω显著负相关，随着自变量的增大而减小。力学指标中，a1－2与e，ω正相关，随着自变量的增大而增大，相关程度中等；Es与e，ω呈负相关性，随着自变量的增大而减小，相关程度中等；φ与e，ω呈中等负相关性。

4.2  指标统计分布规律

基于数理统计分析建立回归方程，往往要检验样本数据总体是否服从正态分布，检验方法较多。目前，偏度-峰度检验法是常用的一种，较为有效。当偏度和峰度接近0，则认为总体样本数据为正态分布；若峰度为正值，则表示相对正态分布陡峭；峰度为负值，则表示相对正态分布平缓。

首先，假设总体样本数据满足正态分布，取双侧检验显著性水平a=0.05，则查t分布临界值表Z（a）=1.96。当峰度系数和峰度系数绝对值均大于临界值时，则认为拒绝接受正态分布，反之，接受正态分布。通过该方法，对花马湖流域软土物理力学指标数据进行正态分布检验，检验结果见表7。

由表7可知，花马湖流域软土的天然密度、干密度、孔隙比、液限、液塑限指数、压缩系数、压缩模量、直剪快剪强度指标等物理力学指标服从正态分布，试验统计数据较理想；含水率、饱和度、土粒比重、塑限服从非正态分布，即试验统计值不够理想，可对试验数据进一步分析筛选。对前述94组含水率试验值进一步筛选后的83组数据再次分析，其峰度系数为-1.215，偏度系数为1.958，满足正态分布，含水

率平均值46.5%，标准差7.29，变异系数0.16，修正系数0.97，与表2中统计数据相比，含水率统计标准差、变异系数明显降低，表明统计值差异性更小、更合理。因此，通过对软土物理力学指标进行正态分布检验，对满足正态分布检验的数据进行统计分析，对于花马湖流域软土物理力学指标的选取有实际参考意义。

5  结  论

（1） 黄山湖、花家湖东侧冲湖积平原区软土分布较连续、均匀，埋深浅，层厚大，其他地貌单元软土呈零星分布，走向和层厚变化大。

（2） 研究区软土具有天然含水率高、压缩性高、天然密度低、抗剪强度低、孔隙比大、结构性强等特点。

（3） 研究区内软土的物理力学指标间存在一定的相关性，不同指标的相关性程度有一定的变化，不同统计方法得到的相关性程度也存在一定差异。

（4） 软土物理力学指标数理统计中，天然密度、孔隙比、压缩系数、压缩模量、直剪快剪强度指标等服从正态分布，含水率服从非正态分布。软土物理力学指标的正态分布检验、统计分析，对判断软土的总体性状、提出相对可信的参数值具有参考意义。

（5） 在不同的试验条件下，软土的抗剪强度指标变化较大。因此，工程建设中，应结合实际需要，采用最接近工程状态的试验条件，进行试验参数取值。

本文对花马湖流域软土的分布、矿物成分、微观结构、物理力学指标等进行研究，总体反映了花马湖流域软土的特性。研究成果可为区内工程建设提供经验和参考，也对后续进一步的研究具有参考意义。

参考文献：

［1］  刘勇健，刘湘秋，刘雅恒，等.珠江三角洲软土物理力学性质对比分析［J］.广东工业大学学报，2013，30（3）：30-36.

［2］  苏卫卫，黄宏伟，张洁.上海软粘土抗剪强度指标概率分布类型研究［J］.地下空间与工程学报，2012，8（2）：1695-1699.

［3］  吴长富，朱向荣，刘雪梅.杭州地区典型土层抗剪强度指标的变异性研究［J］.岩土工程学报，2005，27（1）：94-99.

［4］  屈若枫，徐光黎，王金峰，等.武汉地区典型软土物理力学指标间的相关性研究［J］.岩土工程学报，2014，36（2）：113-119.

［5］  陈志浩，陈少平，吴礼生.武汉地区软土特征的实验分析［J］.资源环境与工程，2015，29（6）：974-977.

［6］  化建新，郑建国，王笃礼，等.工程地质手册［M］.第五版.北京：中国建筑工业出版社，2018.

［7］  中华人民共和国住房和城乡建设部.软土地区岩土工程勘察规程：JGJ 83—2011［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［8］  湖北省建设厅，湖北省质量技术监督局.建筑地基基础技术规范：DB42 /242—2014［S］.武汉：湖北省住房和城乡建设厅，2014.

［9］  湖北省住房和城乡建设厅，湖北省质量技术监督局.基坑工程技术规程：DB42 /T 159—2012［S］.武漢：湖北省住房和城乡建设厅，2013.

［10］  长江勘测规划设计研究有限责任公司.湖北国际物流核心枢纽花马湖水系综合治理二期工程（一标）地质勘察报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2021.

［11］  高军军，汤蕾，陆俊，等.长江口地区软基水闸异常变形原因综合分析［J］.水利水电快报，2023，44（7）：39-44.

（编辑：江  焘，高小雲）

Research on physical and mechanical properties of soft soil in Huama Lake Basin，Ezhou City

HE Jinming，LUO Fei，YANG Huoping，YU Zhi

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430074，China）

Abstract：

In order to better grasp the physical and mechanical properties of soft soil in the Huama Lake Basin，a comprehensive study was conducted on the mineral composition，microstructure，physical and mechanical properties indicators，and the interrelationships among diverse indicators of soft soil in the Huama Lake Basin through scanning electron microscopy observation，indoor soil tests and other methods.The research results indicated that the soft soil in the Huama Lake Basin was mainly composed of clay minerals such as illite and chlorite，with a dense block structure characteristics，high water content，large pore ratio，high compressibility，low strength，and strong structural characteristics.There was a good correlation between its pore ratio and water content with other physical and mechanical indicators.The research results can provide a reference for the design and construction of projects in Huama Lake Basin．

Key words：

soft soil； physical and mechanical property indicators； Huama Lake Basin； Ezhou city