黃河三角洲北部地區(qū)軟土工程地質(zhì)特性及空間分布

王奎峰，秦學(xué)全

1. 山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實驗室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實驗室，濟(jì)南 250013

2. 中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實驗室，青島 266071

3. 山東科技大學(xué)，山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實驗室，青島 266590

4. 山東省第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，德州 253072

黃河三角洲北部河口地區(qū)位于山東省東北部，區(qū)內(nèi)軟土分布廣泛，主要為新近沉積黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以及淤泥。黃河三角洲研究程度較高[1-16]，但對河口區(qū)軟土這類不良土體的工程特性、空間分布規(guī)律等尚未進(jìn)行過系統(tǒng)研究。隨著黃河三角洲地區(qū)上升為國家戰(zhàn)略，以及國家生態(tài)文明建設(shè)的要求，基于各類工程建設(shè)基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求，對在該地區(qū)分布廣泛、厚度較大的不良土體軟土工程特性及分布的研究顯得尤其重要。鑒于此，本文利用近年來在該地區(qū)開展的國家基金及省地勘項目成果，運(yùn)用最新的大量工程地質(zhì)鉆孔實測數(shù)據(jù)資料，以現(xiàn)代數(shù)理統(tǒng)計分析為手段，對軟土的物理力學(xué)性質(zhì)、空間分布、沉積環(huán)境及物質(zhì)成分等方面進(jìn)行了綜合分析，給出該區(qū)軟土工程特性及分布規(guī)律。本文結(jié)果對于該地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有支持價值。

1 研究區(qū)概況

黃河三角洲是一典型扇形三角洲(圖1)，由黃河攜帶泥沙不斷淤積擴(kuò)張?zhí)詈Ｔ礻懶纬桑瑢俸恿鳑_積物覆蓋海相層的二元相結(jié)構(gòu)[17-18]。黃河三角洲地區(qū)受黃河下游沖淤積及濱海沉積作用，地層巖性較為復(fù)雜，存在較多沉積相變、間斷及透鏡體格局，沉積模式主要與河流過程、黃河來水、泥沙有關(guān)。在這種海相沉積層和河口三角洲相沉積層不斷沉積變化過程中，有較多軟土層分布，這種含水量大、壓縮性高、承載力低的軟土是黃河三角洲及河口地區(qū)重要的地質(zhì)環(huán)境問題之一。

圖1 黃河三角洲北部（河口區(qū)）區(qū)位圖Fig.1 Location map of the study area

河口區(qū)地處現(xiàn)代黃河三角洲平原北部，該區(qū)瀕臨渤海，是河流的最下游。河道游蕩較頻繁，地形地貌反復(fù)變化，水沙條件也隨之變化，因此，區(qū)內(nèi)土體結(jié)構(gòu)一般無巨厚和廣延的單層巖性沉積，多為多層沉積結(jié)構(gòu)[19]。在垂向上，巖性沉積為河流沉積陸相層夾薄層海相層沉積，層理較為發(fā)育，大小互層疊置是本區(qū)沉積結(jié)構(gòu)上的重要特征。本文依據(jù)在黃河三角洲河口地區(qū)的92個工程地質(zhì)鉆探孔資料，分析總結(jié)該區(qū)軟土工程特性及分布規(guī)律。

2 軟土工程地質(zhì)特性及分布

2.1 物理力學(xué)性質(zhì)特征

軟土類土一般是指在水流緩慢的沉積環(huán)境中和有微生物參與作用的條件下沉積形成的含較多有機(jī)質(zhì)、疏松軟弱（天然孔隙比大于1，天然含水率大于液限）的含較多粉粒的黏性土。它一般是近代未經(jīng)固結(jié)的在濱海、湖泊、沼澤、廢河道等地區(qū)沉積的一種特殊土類[20-24]，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等，由于形成條件近似，不同成因形成的軟土類土的性質(zhì)是很相似的。黃河三角洲地區(qū)地處渤海之濱，具有軟土的沉積環(huán)境，根據(jù)本次黃河三角洲北部1∶5萬綜合水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中原狀測試樣品的物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計，不論淺海相、過渡相黏性土，還是三角洲相黏性土，軟土主要物理力學(xué)特征表現(xiàn)為天然含水量高，絕大多數(shù)大于35%，天然含水量大于液限，飽和度高，高孔隙比（大于1.0），透水性極弱，高壓縮性（圖2），多呈軟塑或流塑狀態(tài)，具較顯著的觸變性和蠕變性，抗剪強(qiáng)度和地基承載力低，地基承載力普遍小于90 kPa。表1為92個實際鉆孔的152件軟土樣品的測試指標(biāo)統(tǒng)計值。

2.1.1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)概率特征

圖2 黃河三角洲北部（河口區(qū)）典型軟土樣固結(jié)曲線圖Fig.2 The typical soft soil consolidation curve of the study area

表1 黃河三角洲北部（河口區(qū)）軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計值Table 1 Physical and mechanical properties of soft soil in the study area

指標(biāo) 范圍值 平均值塑限wp/% 18.1～29.1 21.91塑性指數(shù)Ip 11.1～25.8 16.85液性指數(shù)IL 1.00～1.65 1.29壓縮系數(shù)α/MPa 0.43～1.39 0.77壓縮模量Es/MPa 1.78～4.86 3.05黏聚力c/kPa 11.1～28.2 16.88內(nèi)摩擦角φ/（°） 0.5～8.3 3.69

在樣品的鉆探采集過程中，由于人為、機(jī)器等不確定因素都會引起樣品一系列測值的變異性，以致軟土參數(shù)很難被準(zhǔn)確確定，研究成果的代表性不足，因此，準(zhǔn)確地分析掌握軟土參數(shù)的統(tǒng)計概率分布，對于軟土工程特性研究的準(zhǔn)確性至關(guān)重要[25-26]。本文通過對該地區(qū)最新鉆探鉆孔軟土樣品的土工試驗分析數(shù)據(jù)，對黃河三角洲北部（河口區(qū)）軟土（淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥）樣品的各項物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的概率分布分別進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，從主要指標(biāo)的概率分布圖（圖3）中可以看出，河口地區(qū)軟土的含水量、孔隙比、液限、塑限、壓縮系數(shù)、壓縮模量基本符合正態(tài)分布，這也提高了本文在該地區(qū)開展軟土特性研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠度。通過計算，軟土樣品物理性質(zhì)指標(biāo)中，比重、密度、含水率、孔隙比、液限、塑限變異系數(shù)δ分別為0.001、0.03、0.14、0.14、0.13、0.10，均小于0.2，表現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性；力學(xué)性質(zhì)各項指標(biāo)中壓縮系數(shù)、壓縮模量變異系數(shù)δ分別為0.28、0.22，穩(wěn)定性相對較好。

圖3 黃河三角洲北部（河口區(qū)）軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)概率及正態(tài)分布曲線圖Fig.3 Probability distribution of physical-mechanical properties of soft clay in estuarine area

2.1.2 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性特征

從圖4中可見，黃河三角洲北部河口地區(qū)軟土隨著液限的增大，其塑性指數(shù)整體呈增大態(tài)勢，液限與塑性指數(shù)呈顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.98。在我國塑性圖（圖5）上，研究區(qū)域的軟土數(shù)據(jù)大都落在A線以上、C線的右側(cè)，靠近A線并大致平行于A線分布，為塑性較高的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土[7,28]。

從圖6可以看出，黃河三角洲北部地區(qū)軟土測試指標(biāo)中的含水量與孔隙比呈現(xiàn)線型正相關(guān)關(guān)系，孔隙比隨著含水量的不斷增加而增加，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.93，相關(guān)性非常顯著。同理，由圖7可以看出，該地區(qū)軟土孔隙比與壓縮系數(shù)呈現(xiàn)線性相關(guān)性關(guān)系，壓縮系數(shù)隨著孔隙比不斷增長亦隨之增長，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0. 62，相關(guān)性較高。

圖4 液限與塑性指數(shù)相關(guān)圖Fig.4 Relation between liquid limit and plasticity index

圖5 黃河三角洲北部軟土在塑性圖上的位置Fig.5 The location of the study area soft soil in the plastic figure of China

圖6 含水量與孔隙比相關(guān)圖Fig.6 Relation between water content and porosity

圖7 孔隙比和壓縮系數(shù)相關(guān)圖Fig.7 Relation between porosity and compressibility coefficient

2.2 軟土空間分布特征

研究依據(jù)92個實際鉆孔的土工試驗成果表中天然含水率、液限、土命名等物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)來判定黃河三角洲北部（河口區(qū)）的軟土分布區(qū)域。鉆探結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)軟土呈片狀分布，并呈現(xiàn)大面積廣泛分布，軟土分布面積約占總面積的85%，北部沿海地段皆為軟土分布區(qū)域。從鉆探巖心編錄及取樣分析來看，該區(qū)域內(nèi)軟土厚度一般不超過15 m，最小厚度1 m左右，最大厚度11 m左右且位于仙河鎮(zhèn)四號樁附近（表2），平面分布和厚度不均勻（圖8），從垂向空間上看，軟土層厚度大多數(shù)小于5 m，頂板埋深大多小于5 m或5～10 m，尤其是在濱海海岸帶灘涂近海區(qū)域，頂板埋深較淺，大于10 m的局部分布，底板埋深多數(shù)為10～20 m（圖9）。

2.3 鉆孔剖面地層分布

據(jù)本次92個工程地質(zhì)鉆探孔剖面（圖10）及巖芯統(tǒng)計分析，河口區(qū)地下50 m內(nèi)第四系全新統(tǒng)沖積海積物巖性以粉土最為廣泛，其次為粉質(zhì)黏土、粉砂、黏土，局部有細(xì)砂，上部多為土黃—灰黃色粉土、粉質(zhì)黏土；中部為灰黑色粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)土，具腥味；下部多為淺灰色粉砂土層，其物理力學(xué)性質(zhì)在水平和垂向上均有較大的變化，揭露6個主層，1層為素填土，2層為第一陸相層，3層為第一海相層，4層為第二陸相層，5層為第二海相層，6層為第三陸相層。1—4層為30 m以淺地層，5—6層是30～50 m地層。

表2 黃河三角洲北部（河口區(qū)）軟土分布鉆孔及特征Table 2 Distribution and characteristics of drilling holes in the north of Yellow River delta（Estuarine district）

圖10 黃河三角洲北部（河口區(qū)）Ⅰ-Ⅰ'、Ⅱ-Ⅱ' 鉆孔地層剖面圖（剖面位置見圖8）Fig.10 Stratigraphic profiles of Ⅰ-Ⅰ' and Ⅱ-Ⅱ' cross the study area （see figure 8 for section location）

2.4 物質(zhì)成分結(jié)構(gòu)、成因

河口區(qū)地下水位皆較淺，本次鉆探場區(qū)50.0 m深度范圍內(nèi)地下水為第四系孔隙潛水－微承壓水，地下水位埋深0.20～4.30 m，水位標(biāo)高-1.30～5.44 m，水位變幅1.00～3.00 m。河口地區(qū)形成的軟土主要為新近沉積的淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以及淤泥，其物質(zhì)成分主要是粉質(zhì)亞黏土，除部分石英、長石礦物外，還含有大量黏土礦物，并含有少量的水溶鹽類礦物，有機(jī)質(zhì)含量較多。從外觀上看，常呈灰色、灰綠和灰黑等暗色，污染手指，伴有臭味，結(jié)構(gòu)形式多為蜂窩狀或海綿狀，疏松多孔，被擾動后，結(jié)構(gòu)已破壞，強(qiáng)度降低，呈現(xiàn)流塑狀態(tài)。定向排列明顯，層理較發(fā)育，具薄層構(gòu)造，常含有粉砂夾層或泥炭透鏡體。根據(jù)該區(qū)域最新的同位素年齡，屬全新世新近沉積土，是由于黃河按照淤積→延伸→抬高→擺動→改道規(guī)律經(jīng)歷的歷次河道擺動遷移淤積，同時不斷向海淤進(jìn)，在河流和海水雙重作用下，形成陸海相交互的連續(xù)沉積體[6-7,27]。

2.5 沉積環(huán)境

按形成和分布情況，我國軟土類土基本上可以分為兩大類：一類是沿海沉積的淤泥類土（瀉湖相、溺谷相、濱海相、三角洲相）；一類是內(nèi)陸和山區(qū)湖盆地及山前谷地沉積的淤泥類土。

黃河三角洲河口地區(qū)為沿海沉積的淤泥類土，具體可分為濱海相、三角洲相軟土。

濱海相軟土的分布受古地形、古海岸線的控制，主要分布在河口地區(qū)靠近沿海的地段，海相與陸相地層交替沉積，有軟土形成的環(huán)境條件和物質(zhì)來源，沉積物表層多為數(shù)米的褐黃色亞黏土，以下為含淤泥質(zhì)黏性土或淤泥質(zhì)黏性土，常夾帶有粉砂薄層或透鏡體，這種粉砂夾層是由黏土或粉砂交替形成，呈細(xì)微條帶狀構(gòu)造，含有海生物，具有向海傾斜的斜層理[7,24]。

三角洲相軟土主要分布在相對靠南的內(nèi)陸部分，其分布與地形地貌、水文地質(zhì)等條件關(guān)系密切，分布地段在地貌上處于濱海平原區(qū)和沖積平原與濱海平原的交接地帶及黃河三角洲平原區(qū)，軟土層分布寬闊，厚度相對比較穩(wěn)定，由于受濱海海流與波浪的影響，分選程度較差，多有交錯斜層理或不規(guī)則的透鏡體夾層，地勢平緩，地下水、地表水排泄不暢，在這種特殊的濱海三角洲環(huán)境中，河口區(qū)沉積了水平層理發(fā)育良好的軟弱黏性土[6-7,24]。

2.6 軟土不良問題及工程處理措施

黃河三角洲河口地區(qū)軟土不良土體的主要工程地質(zhì)問題表現(xiàn)在兩個方面：一是該地區(qū)地處廣泛的河口三角洲沖積平原區(qū)，在新近沉積的土層上部荷載壓力作用下，土層自固結(jié)沉降量很大，且沉降不均勻。軟土層在河口地區(qū)的大面積分布，是該區(qū)域地面沉降自固結(jié)地面沉降的主要貢獻(xiàn)層，由于其滲透性低，孔隙水排出過程相當(dāng)緩慢，因此，其土層的固結(jié)過程亦很緩慢，有的地基甚至幾十年后仍可能有沉降發(fā)生[3,6]。二是該地區(qū)軟土層尤其是靠近沿海的濱海地段，軟土層分布不均勻厚度穩(wěn)定，多具向海傾斜的斜層理或呈透鏡體狀，易引起建筑物地基不均勻沉降，發(fā)生剪切破壞或傾斜擠出，這在港口、碼頭地段尤其要引起建設(shè)規(guī)劃部門的重視[6]。

針對河口地區(qū)軟土工程特性存在的不良工程地質(zhì)問題，建議采取以下地基處理方法：

（1）樁基法。在深厚的軟土地基上，當(dāng)建筑物的荷載較大，或?qū)Φ鼗冃魏头€(wěn)定性要求較高，而采用其他處理措施不能滿足要求時，宜采用樁基方案。樁基具有承載力高、沉降量小和沉降較為均勻等優(yōu)點(diǎn)，因而在軟土地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。

（2）排淤換填法。由于河口地區(qū)靠近沿海，在沿海地段，有大量的圍墾、堤防、港口、碼頭等，在這些地方，可以利用拋石體的自重下沉到相對穩(wěn)定的土層中，以拋石體護(hù)底形成建筑物地基支撐圍堤、堆場等上部結(jié)構(gòu)來加固地層，對于地基中有較厚軟土層而又無法完全清除的情況，可挖去一定深度的軟土層，代之以人工填筑的砂石層，以擴(kuò)大基礎(chǔ)底面積，提高地基的強(qiáng)度。

（3）堆載預(yù)壓法。適用于處理深厚軟土地基，采用預(yù)定荷載加壓，使之固結(jié)，一般在地基中打入砂井或塑料排水帶對軟土進(jìn)行堆載預(yù)壓、加速排水固結(jié)，提高淤泥或淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度，但要注意加荷總量和速度都不易過大，以免地基失穩(wěn)。

（4）電化學(xué)加固法。電滲排水和硅化加固相結(jié)合，在壓力雙液硅化法的基礎(chǔ)上設(shè)置電報通入直流電，在電滲作用下，孔隙水由陽極流向陰極，化學(xué)溶液也隨之滲流分布于土的孔隙中，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后生成硅膠，經(jīng)過電滲作用還可以使硅膠部分脫水，加速加固過程，并增加其強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）黃河三角洲北部河口地區(qū)軟土具有典型的軟土特征：含水量高、孔隙比高、壓縮性高、透水性低、低抗剪強(qiáng)度、低承載力等，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變異系數(shù)較小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計基本服從正態(tài)曲線分布規(guī)律，具有較好的代表性，分析研究結(jié)果可靠程度較高，軟土各類物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性較為顯著。

（2）黃河三角洲河口地區(qū)軟土的空間分布，從垂向上來說主要為分布在30 m以淺的第一陸相層及第一海相層的淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥，沉積環(huán)境主要為三角洲相和濱海相沉積兩大類?？磕蠀^(qū)域的三角洲相軟土，分布范圍相對較小，埋藏較淺，厚度較??；濱海相軟土，分布范圍較廣，埋藏較深，厚度較大，具向海傾斜的斜層理。從平面上來說，整個河口區(qū)軟土分布面積較大，占據(jù)了近85%的范圍，濱海近岸地段皆為軟土存在區(qū)域，在西部新戶鎮(zhèn)、義和鎮(zhèn)及南部區(qū)域有部分零星無軟土分布區(qū)。

（3）軟土大面積存在會導(dǎo)致長時間累積的地面沉降及地基不均勻沉降等工程地質(zhì)問題，換土墊層法、樁基法、電化學(xué)加固法等方法是處理軟土不良工程問題的良好手段，建議加大這方面的研究及推廣應(yīng)用。