珠海橫琴新區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析*

彭立才，溫 勇，楊光華，姜 燕，杜秀忠，張 挺 ，張玉成

(1. 珠海市橫琴新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，廣東 珠海 519000；2. 廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510635；3. 中山大學(xué) 地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

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珠海橫琴新區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析*

彭立才1，溫 勇2，3，楊光華2，姜 燕2，杜秀忠2，張 挺2，張玉成2

(1. 珠海市橫琴新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，廣東 珠海 519000；2. 廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510635；3. 中山大學(xué) 地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

根據(jù)珠海橫琴新區(qū)內(nèi)收集到的近13個(gè)工程，共計(jì)800余組軟土試驗(yàn)成果，對(duì)珠海橫琴新區(qū)軟土基本物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，并根據(jù)軟土含水率分區(qū)間統(tǒng)計(jì)，給出了強(qiáng)度指標(biāo)與含水率、變形指標(biāo)與含水率的關(guān)系。研究的結(jié)果可供珠海橫琴新區(qū)的軟土工程設(shè)計(jì)等參考或借鑒。

珠海橫琴新區(qū)；軟土；強(qiáng)度指標(biāo)；變形指標(biāo)；含水率；統(tǒng)計(jì)分析

1 概述

橫琴島是珠海市第一大島，該島位于珠海市南部，珠江口西側(cè)，南瀕南海，與澳門三島隔河相望，最近處相距200 m左右。隨著國(guó)家對(duì)珠海橫琴新區(qū)的規(guī)劃，市政基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段。同時(shí)，珠海橫琴新區(qū)分布著大量的第四系軟土層，其分布廣泛，層位穩(wěn)定，厚度一般為20～50 m。珠海橫琴軟土主要是指淤泥和淤泥質(zhì)土，具有天然含水率高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低、滲透性差等特征，在實(shí)際工程中表現(xiàn)為地基承載力小，在荷載作用下要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才能完成固結(jié)沉降，而且會(huì)產(chǎn)生較大的最終沉降及不均勻沉降。由于對(duì)該地區(qū)軟土特性了解不足而帶來(lái)的難題甚至失敗案例也是日益顯現(xiàn)。因此，對(duì)珠海橫琴新區(qū)軟土特性開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作，是橫琴新區(qū)工程建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。

軟土力學(xué)參數(shù)是軟土特性的具體體現(xiàn)，是軟土地區(qū)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其取值大小直接影響工程的安全和造價(jià)。如果所提供的參數(shù)偏低，則必然安全富余偏大，致使工程成本增加；而如果提供的參數(shù)偏高，則容易導(dǎo)致工程偏于危險(xiǎn)，甚至造成工程事故。由于土的性質(zhì)極為復(fù)雜，土工試驗(yàn)在巖土工程中極為重要，利用室內(nèi)土工及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析是土力學(xué)研究的重要手段之一。目前，學(xué)者已對(duì)國(guó)內(nèi)一些地區(qū)的軟土進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究，對(duì)其軟土物理力學(xué)性質(zhì)的研究取得了較多成果[1-6]。根據(jù)成因?qū)W的基本原理，把某特定地質(zhì)時(shí)代相同沉積環(huán)境下形成的、在工程性質(zhì)上存在一定內(nèi)在聯(lián)系的、具有特性相近的土體劃分為一個(gè)工程地質(zhì)單元，從而形成一個(gè)獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)單元體。因此，可以認(rèn)為珠海橫琴新區(qū)軟土是一個(gè)獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)單元體，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的一些手段，對(duì)該地區(qū)的軟土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，有利于該地區(qū)軟土工程的開(kāi)展。

為了對(duì)珠海橫琴新區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共調(diào)查和收集了橫琴新區(qū)已建、在建的13個(gè)實(shí)際工程，800多個(gè)軟土土樣的試驗(yàn)成果，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)覆蓋了橫琴新區(qū)大部分區(qū)域，基本上能代表橫琴新區(qū)軟土的實(shí)際情況。

2 橫琴新區(qū)軟土物理力學(xué)特性的總體統(tǒng)計(jì)分析

采用傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，對(duì)所有樣點(diǎn)進(jìn)行篩選、剔除異常值后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得出橫琴新區(qū)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，包括淤泥和淤泥質(zhì)土，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由橫琴新區(qū)軟土物理力學(xué)特性的總體統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，橫琴新區(qū)軟土具有以下特征：

1) 含水率高，天然孔隙比大。其中，淤泥含水率平均值為65.45%，孔隙比平均值為1.78；淤泥質(zhì)土含水率平均值為45.92%，孔隙比平均值為1.28。

2) 接近完全飽和。其中，淤泥的飽和度均值為97.7%，淤泥質(zhì)土的飽和度均值為96.34%。

3) 壓縮性大，屬于高壓縮性土。其中，淤泥的壓縮模量均值為1.69 MPa，淤泥質(zhì)土的壓縮均值為2.32 MPa。

4) 抗剪強(qiáng)度低。其中，淤泥的快剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)：粘聚力均值為4.44 kPa，內(nèi)摩擦角均值為2.87°；淤泥質(zhì)土的快剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)：粘聚力均值為8.12 kPa，內(nèi)摩擦角均值為5.87°。

3 橫琴新區(qū)軟土強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析

在巖土工程中，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ是十分重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于確定地基承載力、驗(yàn)算邊坡穩(wěn)定和設(shè)計(jì)擋土結(jié)構(gòu)，c、φ指標(biāo)取值的正確與否、對(duì)其離散性的評(píng)價(jià)以及其相互間的相關(guān)性，都直接影響工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

影響軟土抗剪強(qiáng)度的主要物理指標(biāo)是軟土的含水率。而由前面統(tǒng)計(jì)分析可知，在統(tǒng)計(jì)區(qū)間范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變異系數(shù)較大，即c、φ指標(biāo)取值離散性較大，這主要是由于統(tǒng)計(jì)軟土含水率范圍變化較大造成的。為此，按含水率分區(qū)來(lái)重新統(tǒng)計(jì)橫琴新區(qū)軟土的物理力學(xué)特性指標(biāo)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)樣本的實(shí)際情況，淤泥含水率分區(qū)為：50%～59.9%、60%～69.9%、70%～79.9%，淤泥質(zhì)土含水率分區(qū)為：40%～44.9%、45%～49.9%、50%～56%。抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3、圖1和表4、圖2所示。

表3 淤泥的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

圖1 淤泥的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

表4 淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

圖2 淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

由以上結(jié)果可知：隨著含水率的增加，軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均相應(yīng)地減小。其中，淤泥按含水率分區(qū)(從小到大)統(tǒng)計(jì)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ均值依次為：5.17 kPa、3.37°，4.53 kPa、2.94°，3.38 kPa、2.09°，1.24 kPa、1.00°；淤泥質(zhì)土按含水率分區(qū)(從小到大)統(tǒng)計(jì)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ均值依次為：8.75 kPa、6.53°，7.9 kPa、5.63°，6.59 kPa、4.3°。

4 橫琴新區(qū)軟土變形指標(biāo)與含水率關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)軟土的變形機(jī)理和試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，影響軟土壓縮性能的主要物理指標(biāo)是軟土的天然含水率。因此，可以研究軟土壓縮變形指標(biāo)與天然含水率之間的相互關(guān)系和規(guī)律。

為此，和前面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)一樣，按含水率分區(qū)來(lái)統(tǒng)計(jì)分析橫琴新區(qū)軟土的壓縮變形指標(biāo)(這里指壓縮模量Es)。同樣，根據(jù)統(tǒng)計(jì)樣本的實(shí)際情況，淤泥含水率分區(qū)為：50%～59.9%、60%～69.9%、70%～79.9%、80%～89.9%，淤泥質(zhì)土含水率分區(qū)為：40%～44.9%、45%～49.9%、50%～56%，則橫琴新區(qū)軟土壓縮模量與含水率關(guān)系的統(tǒng)計(jì)如表5、圖3和表6、圖4所示。

表5 淤泥的壓縮模量與含水率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

圖3 淤泥的壓縮模量與含水率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

表6 淤泥質(zhì)土的壓縮模量與含水率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

圖4 淤泥質(zhì)土的壓縮模量與含水率統(tǒng)計(jì)關(guān)系

由以上結(jié)果可知：隨著含水率的增加，軟土壓縮變形指標(biāo)相應(yīng)地減小。其中，淤泥按含水率分區(qū)(從小到大)統(tǒng)計(jì)得到的壓縮模量Es均值依次為：1.88 MPa、1.7 MPa、1.49 MPa、1.37 MPa；淤泥質(zhì)土按含水率分區(qū)(從小到大)統(tǒng)計(jì)得到的壓縮模量Es均值依次為：2.38 MPa、2.31 MPa、2.14 MPa。

5 結(jié)論及建議

1) 珠海橫琴新區(qū)軟土具有含水率高、天然孔隙比大、飽和度高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低等特征；同時(shí)，珠海橫琴新區(qū)軟土含水率變化范圍較大，而軟土的含水率是影響軟土強(qiáng)度變形性能的主要物理指標(biāo)，造成軟土強(qiáng)度變形指標(biāo)變異性也較大，因此，應(yīng)根據(jù)含水率分區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2) 按軟土含水率分區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了珠海橫琴新區(qū)軟土強(qiáng)度變形指標(biāo)與含水率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。由結(jié)果可知，隨著含水率的增加，強(qiáng)度變形指標(biāo)c、φ、Es相應(yīng)地減小。得到的每個(gè)含水率區(qū)間的強(qiáng)度變形指標(biāo)值，可供珠海橫琴新區(qū)的軟土工程設(shè)計(jì)等參考或借鑒。

3) 由于土體性質(zhì)的復(fù)雜性，室內(nèi)試驗(yàn)取樣擾動(dòng)后往往破壞了土的結(jié)構(gòu)性，使得室內(nèi)試驗(yàn)得到的參數(shù)容易失真，從而造成室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)存在較大誤差。與室內(nèi)試驗(yàn)相比，原位試驗(yàn)可以在土體原來(lái)所處位置，基本保持的天然結(jié)構(gòu)及天然應(yīng)力狀態(tài)下，測(cè)定土體的工程力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，可避免取樣過(guò)程中應(yīng)力釋放的影響，獲得的試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際情況。因此，建議有條件時(shí)進(jìn)一步開(kāi)展珠海橫琴新區(qū)軟土的一些原位試驗(yàn)研究，如CPTU、十字板剪切試驗(yàn)等，使參數(shù)取值更為可靠和合理。

[1] 陳曉平， 黃國(guó)怡， 梁志松. 珠江三角洲軟土特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2003， 22(1):137-141．

[2] 劉慧明.閩東南沿海地區(qū)軟土物理力學(xué)性質(zhì)研究[D].福州：福州大學(xué)， 2005．

[3] 彭立才， 蔣明鏡， 朱合華，等. 珠海地區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析[C]∥第六屆全國(guó)青年巖土力學(xué)與工程會(huì)議暨巖土工程系列學(xué)術(shù)研討會(huì)， 2007．

[4] 夏銀飛， 吳代華， 文建華. 珠江三角洲軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析[J]. 公路交通科技， 2008， 25(1):47-50．

[5] 尹利華， 王曉謀， 張留俊. 天津軟土土性指標(biāo)概率分布統(tǒng)計(jì)分析[J]. 巖土力學(xué)， 2010(S2):462-469．

[6] 屈若楓， 徐光黎， 王金峰，等. 武漢地區(qū)典型軟土物理力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2014(S2):113-119．

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Statistic Analysis of Physical and Mechanical Indexes of Soft Soil in Zhuhai Hengqin New Area

PENG Licai1, WEN Yong2, 3, YANG Guanghua2, JIANG Yan2, DU Xiuzhong2,ZHANG Ting2, ZHANG Yucheng2

(1. Zhuhai Hengqin New Area Center for Supervision and Inspection on Quality of Infrastructure Engineering, Zhuhai 519000, China;2. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Geotechnical Engineering Technology Center of Guangdong Province, Guangzhou 510635, China;3. School of Earth Science and Geological Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China)

Based on the test results of eight hundred groups of data from 13 projects in Zhuhai hengqin new area, the statistic analysis about physical and mechanical indexes of soft soil were made. And according to water content range, the relationship between strength index and water content, deformation index and water content were further analyzed. Research results of this paper can provide references for the soft soil engineering in Zhuhai hengqin new area.

Zhuhai hengqin new area； soft soil； strength index； deformation index； water content； statistic analysis

2016-03-22;

2016-05-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378131)；廣東省水利科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(No. 2009-25)；廣東省巖土工程技術(shù)研究中心開(kāi)放基金(201404002)。

彭立才(1978)，博士，主要研究軟土宏微觀特性、樁基工程和基坑工程等方面的研究和管理工作。

U412.22+1