武漢地區(qū)軟土特征的實驗分析

陳志浩，陳少平，吳禮生

(湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢 430072)

武漢市地處長江與漢江交匯處，地形地貌特殊，地表水系發(fā)達(dá)。武漢市軟土分布較廣且厚度大，是軟土分布最多的內(nèi)陸城市。由于漫長的地質(zhì)演變，受應(yīng)力歷史、應(yīng)力條件、排水條件和結(jié)構(gòu)特性的綜合影響，導(dǎo)致其物理力學(xué)的軟弱特性和復(fù)雜性。武漢市軟土包括湖沖積相、河灘相、近代湖泊環(huán)境沉積三大類成因類型的軟土，湖泊環(huán)境沉積軟土是目前基礎(chǔ)施工過程中遇到的最主要的軟土類型。近年來，武漢市加快了城市建設(shè)的步伐，大量工業(yè)與民用建筑、道路工程以及地鐵隧道等項目先后開工建設(shè)，基礎(chǔ)施工過程中軟土成為影響建筑基礎(chǔ)安全最主要的因素之一，因軟土沉降等原因引起的地面沉降以及建筑物開裂等常常見諸報端。

軟土的物理性質(zhì)與其工程性質(zhì)有較大的關(guān)系，分析武漢軟土的含水量、物質(zhì)組成及微觀結(jié)構(gòu)特征，對研究其在城市建設(shè)過程中的影響具有十分重要的意義。本文將結(jié)合軟土土樣的含水量、液塑性，重點對礦物成分及SEM圖像對武漢地區(qū)軟土特征進(jìn)行分析，為本地區(qū)的工程建設(shè)提供參考。

武漢市軟土分布廣，武漢三鎮(zhèn)及遠(yuǎn)城區(qū)均有分布，多為湖積相沉積，埋深較淺，多為地面下30 m范圍內(nèi)，為近現(xiàn)代沉積，同時武漢市軟土層厚不一，局部層厚達(dá)十余米，部分地區(qū)軟土層厚不足1 m，武漢市軟土具有共同的特征為天然含水量高、孔隙比大、壓縮性強、強度低、滲透系數(shù)小等特點對工程產(chǎn)生不利影響［1］。目前武漢市基坑開挖深度最深達(dá)到20余米，因而軟土對基坑開挖的安全性有較大的影響。

此次七個土樣取樣點分布較分散，包括漢口、漢陽、武昌以及東西湖和后湖地區(qū)，取樣點為正在進(jìn)行土方開挖或樁基施工的工地，每個取樣點取5～10個土樣。同時，收集整理了大量的地勘報告，提出其中軟土相關(guān)參數(shù)與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。取樣點具體位置如表1所示。

表1 軟土土樣取樣點分布Table 1 Points distribution of soft soil sampling

1 軟土物性指標(biāo)分析

含水率是軟土重要的特性之一，在天然狀態(tài)下軟土含水率往往高于其它土層。對所取土樣進(jìn)行含水率相關(guān)試驗(表2)。

由表2可以看出，軟土土樣含水率分布于38．3%～65．05%之間，液限含水量分布于37．86% ～71．12%之間，塑限含水量分布于21．83% ～40．82%之間，塑性指數(shù)分布于16．03% ～30．3%之間。另外，統(tǒng)計武漢市范圍內(nèi)40余份地勘報告，含水量分布于30% ～80%之間，共68個有效數(shù)據(jù)，液限含水量分布于30% ～70%之間，共54個有效數(shù)據(jù)，塑限含水量分布于10% ～30%之間，共35個有效數(shù)據(jù)，塑性指數(shù)分布于10% ～30%之間，共36個有效數(shù)據(jù)，此次試驗數(shù)據(jù)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)范圍基本相同。

表2 軟土土樣物理性質(zhì)指標(biāo)及實驗結(jié)果Table 2 Physical property values and experimental results of soft soil samples

2 軟土土樣礦物成分

軟土的物質(zhì)組成與其成因及其力學(xué)特性有較大的關(guān)系，部分礦物成分具膨脹性，隨含水量的變化土體體積也隨之變化，同時部分礦物顆粒粒徑較小，常存在于孔隙間，堵塞孔道，降低土體的滲透性。對所取土樣進(jìn)行粉晶X衍射試驗，得出主要軟土礦物成分及其含量(表3)。

由表3可知，所取軟土土樣中主要礦物成分為石英、長石、伊利石及綠泥石，占整個礦物成分的80% ～90%，少量土樣中含有方解石及高嶺石;其中非粘土礦物成分為石英、長石、綠泥石以及方解石，含量達(dá)60%以上;粘土礦物成分包括伊利石和高嶺石，兩種成分總含量為15．83% ～32．29%，其中非粘土礦物為原生礦物，由武漢周邊第四系松散沉積物的進(jìn)一步風(fēng)化剝蝕，尤以物理風(fēng)化為主，湖水漲落水流沖刷搬運，就近沉積，水流較緩，由于湖、塘的退化或填埋逐漸變?yōu)檎訚缮踔陵懙?土中的次生礦物較少，同時有機質(zhì)含量較高，呈暗黑色，具臭味，其中含有動植物遺骸，有力證明此類軟土成因類型為湖沼相。而6#土樣位于漢口長江一級階地，其非粘土礦物含量接近80%，且在取樣過程中發(fā)現(xiàn)還有一定量的泥沙，含水量較高，且含有貝殼類河流生物殘骸，有力證明此類軟土為江、河水流的沖刷、搬運，并在進(jìn)入低洼地段后沉積，此類軟土成因為河漫灘相。

表3 軟土土樣礦物成分及其含量Table 3 Mineral composition and its content of soft soil samples

從上述礦物組成看，次生礦物由于其自身特性，遇水體積膨脹，堵塞孔道，使得軟土滲透性減小，而在外界荷載作用下，次生礦物及水容易在荷載作用下從通道中流失，從而表現(xiàn)出高壓縮性，在失水狀態(tài)下體積變小，表現(xiàn)出孔隙率大，此類礦物含量較大時在失水狀態(tài)下將產(chǎn)生大的沉降。

3 軟土微觀結(jié)構(gòu)

3．1 軟土微觀結(jié)構(gòu)實驗方法

隨著電子顯微鏡及其他測試手段的發(fā)展，為直接觀察土的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)提供了有利條件［2］。微觀結(jié)構(gòu)觀測最常用的方法是掃描電子顯微鏡，其放大倍數(shù)高，分辨率高，可直接觀測土的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的特點，本次實驗所采用的JSM-5510型掃描電鏡，放大倍數(shù)為1 000倍。為便于觀察，保證圖像質(zhì)量，樣本制作時觀測面需先進(jìn)行鍍金［3］，并注意鍍金的厚度，觀測面必須是土樣的自然斷面，樣品本身需保持干燥。

3．2 軟土SEM圖像分析

根據(jù)需要選定處理區(qū)域，選出符合要求的照片進(jìn)行灰度處理，每個取樣點選取較有代表性的SEM圖像，各土樣的微觀結(jié)構(gòu)如圖1-圖7:

圖1 1#土樣SEM圖Fig．1 SEM image of 1#soil sample

圖2 2#土樣SEM圖Fig．2 SEM image of 2#soil sample

圖3 3#土樣SEM圖Fig．3 SEM image of 3#soil sample

圖4 4#土樣SEM圖Fig．4 SEM image of 4#soil sample

圖5 5#土樣SEM圖Fig．5 SEM image of 5#soil sample

圖6 6#土樣SEM圖Fig．6 SEM image of 6#soil sample

圖7 7#土樣SEM圖Fig．7 SEM image of 7#soil sample

由于軟土成因較為復(fù)雜，因而其構(gòu)造也較為復(fù)雜［4］。從圖2、圖5-圖7可以看出，土樣的孔隙較少，孔隙面積占整個面積的10%～20%。其顆粒主要以片狀形式存在，無明顯棱角，顆粒與顆粒之間多以面—面方式連接，其中有小部分細(xì)小顆粒鑲嵌其中，在飽水狀態(tài)下，顆粒發(fā)生運動時需克服的阻力較大，宏觀上表現(xiàn)為相對較大的內(nèi)摩擦角。而圖1、圖3-圖4可以看出，孔隙分布較多，孔隙面積約占整個面積的60% ～70%，顆粒主要以片狀形式存在，顆粒與顆粒之間多以邊—邊及面—面方式連接，連接較為松散，在飽和狀態(tài)下，其顆粒發(fā)生運動時，需克服的阻力較小，宏觀上表現(xiàn)為相對較小的內(nèi)摩擦角。

從上述圖中可以看出:

(1)圖1、圖3-圖4三處土樣孔隙率較其它四處土樣而言，其孔隙率更大，顆粒單元體主要為碎屑、集粒及棱角分明的曲片狀單元，無明顯的定向性排列。調(diào)查得知此幾處取樣點之前為湖泊或池塘，后被填埋，所取土樣中含有殼類生物或水生植物尸體，有機物含量高，具腥臭味，為湖積相成因，沉積年代較短，水生生物尸體在微生物作用下發(fā)酵產(chǎn)生的氣體使得軟土孔隙率較大。

(2)圖1、圖3-圖4三處土樣，顆粒較小，結(jié)構(gòu)單元體呈分散、無序狀態(tài)［5］，常常呈蜂窩狀，孔隙率較大，所以其含水率也較大，結(jié)構(gòu)體單元穩(wěn)定性較差，易被破壞，因而其內(nèi)摩擦角小;圖2、圖5-圖7四處土樣，顆粒較大，呈片狀，顆粒與顆粒之間以面—面連接，結(jié)構(gòu)體單元之間孔隙率較小，其含水率較淤泥小，結(jié)構(gòu)體單元穩(wěn)定性也較淤泥好，不易被破壞，因而其內(nèi)摩擦角較淤泥大。

4 結(jié)語

(1)武漢市軟土大部分為湖積相成因，形成年代較短，不同地區(qū)軟土孔隙率差別較大，隨著孔隙率的增加，飽和含水量越大，壓縮性越強。軟土土樣含水率分布于 38．3% ～65．05%之間，液限含水量分布于37．86% ～71．12%之間，塑限含水量分布于21．83% ～40．82%之間，塑性指數(shù)分布于16．03% ～30．3%之間。

(2)武漢市軟土次生礦物含量較高，部分具膨脹性，遇水體積膨脹，堵塞孔道，使得軟土滲透性減小，而在外界荷載作用下，次生礦物及水容易從通道中流失，從而表現(xiàn)出高壓縮性，在失水狀態(tài)下體積變小，此類礦物含量較大時在失水狀態(tài)下將產(chǎn)生大的沉降。

(3)從文中SEM圖像可以看出，武漢市不同地區(qū)的軟土微觀結(jié)構(gòu)不盡相同，從圖1、圖3-圖4可以看出，孔隙分布較多，孔隙面積約占整個面積的60% ～70%，顆粒主要以片狀形式存在，顆粒與顆粒之間多以邊—邊及面—面方式連接，連接較為松散;從圖2、圖5-圖7可以看出，土樣的孔隙較少，孔隙面積占整個面積的10% ～20%。其顆粒主要以片狀形式存在，無明顯棱角，顆粒與顆粒之間多以面—面方式連接，其中有小部分細(xì)小顆粒鑲嵌其中。

［1］ 寧國民，陳國金，徐紹宇，等．武漢城市地下空間工程地質(zhì)研究［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006(6):29-35．

［2］ 蔣雪琴．軟土微結(jié)構(gòu)的試驗研究［J］．工程勘察，2001(4):5-8．

［3］ 許勇．飽和軟土微結(jié)構(gòu)分形特征的試驗研究［J］．巖土力學(xué)，2007(S1):49-52．

［4］ 閆婧．營口地區(qū)軟土SEM圖像分析［J］．山西建筑，2005，31(21):109-111．

［5］ 白冰．軟土工程若干理論與應(yīng)用［M］．北京:中國水利水電出版社，2002．