洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土礦物成分及工程特性研究

肖 燕

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410219)

0 引言

洞庭湖位于湖南省的北部，區(qū)域內(nèi)廣泛分布第四系河湖相沉積地層。在工程建設(shè)中發(fā)現(xiàn)，受復(fù)雜水動(dòng)力及沉積環(huán)境影響，洞庭湖南部腹地的軟土的豎向分布具有典型的4層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，即最上層和第3層的非軟土層(填筑土層和黏土層)；第2層和第4層的軟土層，即上層(第2層)的淤泥質(zhì)黏土層和下層的淤泥質(zhì)土夾微薄層粉細(xì)砂(第4層)。 上層軟土“淤泥質(zhì)黏土”呈灰褐色，流～軟塑狀，質(zhì)地較純，力學(xué)性能和固結(jié)性能較差，是常規(guī)的軟土。而下層軟土“淤泥質(zhì)土夾微薄層粉砂”呈灰褐色、灰色，其中淤泥質(zhì)土主要呈軟塑狀，局部呈可塑狀；與常見(jiàn)的淤泥質(zhì)土粉砂互層不同的是，其所夾的粉細(xì)砂層雖與淤泥質(zhì)土呈現(xiàn)非常規(guī)律的夾層分布，但其厚度僅1～2 mm，呈水平或近水平砂紋狀，層理明顯。埋藏深度10～20 m，厚度約3～20 m。

圖1 洞庭湖南部腹地軟土豎向分布Figure 1 Vertical distribution of the muddy soil in the south of the Dongting Lake

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021)[1]中的土體分類標(biāo)準(zhǔn)，淤泥質(zhì)土夾微薄層粉細(xì)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，且同一土層中薄層和厚層厚度比小于1/10，并多次出現(xiàn)，這符合“淤泥質(zhì)土”的定義；所夾的砂層極薄，厚度1～2 mm，這符合《沉積巖石學(xué)》[2]對(duì)“紋層”的定義。因此，課題組將洞庭湖地區(qū)“淤泥質(zhì)土夾微薄層粉細(xì)砂”首次命名為“砂紋淤泥質(zhì)土”。砂紋淤泥質(zhì)土斷面照片如圖2所示。

砂紋淤泥質(zhì)土是洞庭湖區(qū)特有的一種軟土類型，研究其特征組成和工程性質(zhì)不僅對(duì)該地區(qū)的工程建設(shè)具有很好的指導(dǎo)意義，更是對(duì)我國(guó)軟土分類的補(bǔ)充。

(a) 縱切面照片

(b) 粉細(xì)砂微薄層結(jié)構(gòu)

(c) 粉細(xì)砂層層面照片

1 砂紋淤泥質(zhì)土礦物成分分析

由于每種礦物晶體存在唯一的X射線衍射，且其對(duì)應(yīng)特征不會(huì)因?yàn)榕c多種物質(zhì)混合而發(fā)生改變，因此本文利用X射線微區(qū)衍射試驗(yàn)獲得洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土的礦物組成[3]。試驗(yàn)儀器是日本理學(xué)公司D/maxRapid Ⅱ型X射線微區(qū)衍射儀。試驗(yàn)得到砂紋淤泥質(zhì)土的X射線微區(qū)衍射圖譜如圖3所示。分析得到洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土中礦物組成及比例為綠泥石7.6%、伊利石28.9%，石英63.5%。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明砂紋淤泥質(zhì)土具有顆粒組成以粉粒為主，礦物成份以石英為主的組成特征。

圖3 砂紋淤泥質(zhì)土X射線微區(qū)衍射圖譜Figure 3 Spectrum of X ray diffraction of the sandy grain muddy soil

2 砂紋淤泥質(zhì)土工程特性研究

2.1 砂紋淤泥質(zhì)土物理特性研究

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123)[4]獲得洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土的一般物理性質(zhì)參數(shù)(即濕密度、孔隙比、比重、含水率、液限、塑限、顆粒大小等)，并以砂紋淤泥質(zhì)土上層的淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行對(duì)比。天然密度、含水量、比重、液限和塑限分別采用環(huán)刀法、烘干法、比重瓶法和液塑限聯(lián)合測(cè)定儀法來(lái)測(cè)定，粒徑分布則采用篩分法和密度計(jì)法來(lái)測(cè)定?，F(xiàn)場(chǎng)布置20個(gè)鉆孔，取得合格砂紋淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)黏土土樣各44個(gè)。

結(jié)果顯示，砂紋淤泥質(zhì)土具有以下特點(diǎn)：

a.濕密度低、含水率高、孔隙比大。

淤泥質(zhì)黏土和砂紋淤泥質(zhì)土的濕密度平均值分別為1.66和1.78 g/cm3；含水率平均值分別為48.8%和44.2%；孔隙比平均值分別為1.110和1.065。砂紋淤泥質(zhì)土含水率和孔隙比小于淤泥質(zhì)黏土的原因是由于粉細(xì)砂的存在填充了土體中部分孔隙，導(dǎo)致了孔隙比下降，含水率也因此降低，同時(shí)使得濕密度比淤泥質(zhì)黏土高。

b.液限和塑限低。

淤泥質(zhì)黏土和砂紋淤泥質(zhì)土的液限平均值分別為49.4%和44.0%；塑限平均值分別為26.1%和22.1%。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知砂紋淤泥質(zhì)土孔隙比和天然含水量都符合《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021)關(guān)于淤泥質(zhì)土的規(guī)定。

c.塑性指數(shù)和液性指數(shù)高。

淤泥質(zhì)黏土和砂紋淤泥質(zhì)土的塑性指數(shù)平均值分別為23.3和21.9，液性指數(shù)平均值分別為1.088和0.999。砂紋淤泥質(zhì)土的塑性指數(shù)低于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，這是由于其夾微薄層粉砂所致；根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021)的規(guī)定，砂紋淤泥質(zhì)土液性指數(shù)為0.999，高于0.75低于1.0，屬于軟塑狀態(tài)，而淤泥質(zhì)黏土屬于流塑狀態(tài)。

上層淤泥質(zhì)黏土和下層砂紋淤泥質(zhì)土的物理性質(zhì)對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土基本物理性質(zhì)Table 1 The basic physical properties of the sandy grain muddy soil土體類型取樣深度/m濕密度ρ/(g·cm-3)含水率ω/%比重Gs孔隙比e液限ωL/%塑限ωp/%塑性指數(shù)Ip液性指數(shù)IL4.0～5.01.6648.82.511.0749.3227.7821.460.9795.0～6.01.7142.72.751.0645.1426.3118.78 0.842淤泥質(zhì)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砂紋淤泥質(zhì)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.顆粒成分以粉粒為主，砂粒次之，黏粒最少。

砂紋淤泥質(zhì)土含有少量砂粒(0.075 mm

表2 洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土顆粒組成分布表Table 2 The particle composition and distribution of the sandy grain muddy soil土體類型不同粒徑(mm)顆粒組成的比例/%0.5～0.250.25～0.0750.075～0.005<0.005淤泥質(zhì)黏土—38.78621.13340.081砂紋淤泥質(zhì)土1.11110.12481.7926.973

2.2 砂紋淤泥質(zhì)土滲透特性研究

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123)，采用TST-55型土壤滲透儀對(duì)砂紋淤泥質(zhì)土進(jìn)行變水頭試驗(yàn)，分別測(cè)定水平滲透系數(shù)和垂直滲透系數(shù)，并以洞庭湖淤泥質(zhì)黏土作為參照對(duì)象，研究砂紋對(duì)滲透特性的影響。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種土體豎向滲透系數(shù)都較小，而砂紋淤泥質(zhì)土水平向滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于其自身的垂直向滲透系數(shù)。從表3可見(jiàn)，砂紋淤泥質(zhì)土的豎向滲透系數(shù)為(4.218 7～5.079 8)×10-7cm/s，水平向滲透系數(shù)為(1.09.42～1.30.76)×10-5cm/s，水平向滲透系數(shù)為豎向滲透系數(shù)的10～100倍；淤泥質(zhì)黏土豎向滲透系數(shù)為(0.567 8～3.134 4)×10-7cm/s，水平向滲溝系數(shù)為(3.192 2～4.487 9)×10-7cm/s，兩個(gè)方向滲透系數(shù)基本相當(dāng)。這是由于兩種土體顆粒組成以細(xì)粒為主，顆粒尺寸小，比表面積大，易在表面形成擴(kuò)大的雙電層，水分子受到吸附作用形成結(jié)合水，使孔隙減小，從宏觀上就表現(xiàn)為滲透系數(shù)較小，滲透性較弱。此外也可以發(fā)現(xiàn)，由于砂紋淤泥質(zhì)土中夾有微薄層狀粉細(xì)砂，其水平向滲透系數(shù)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身的垂直向滲透系數(shù)。

表3 洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土滲透系數(shù)分布情況表Table 3 The permeability coefficient of the sandy grain muddy soil土體類型取樣深度/m垂直滲透系數(shù)kV/(10-7cm·s-1)水平滲透系數(shù)kH/(10-7cm·s-1)3.0～3.50.918 93.192 23.5～4.50.567 84.487 9淤泥質(zhì)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砂紋淤泥質(zhì)土19.0～20.04.684 1130.7621.0～22.04.732 3103.2222.0～22.54.218 7115.68

2.3 砂紋淤泥質(zhì)土力學(xué)特性研究

采用TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123)對(duì)砂紋淤泥質(zhì)土進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)以探明其力學(xué)特性。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，砂紋淤泥質(zhì)土在固結(jié)不排水試驗(yàn)條件下得到有效粘聚力平均值約為7.307 kPa，得到的有效內(nèi)摩擦角平均值約為12.859°。分析其原因是由砂紋淤泥質(zhì)土中微薄層狀粉細(xì)砂存在，使其黏粒含量較低，砂礫類材料性質(zhì)增強(qiáng)，而黏粒類材料性質(zhì)變?nèi)?，力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)受到阻礙，但與此同時(shí)粉細(xì)砂又使得土體摩擦力增大，最終致使砂紋淤泥質(zhì)土粘聚力小而內(nèi)摩擦角相對(duì)較大。洞庭湖南砂紋淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分布情況見(jiàn)表4。

表4 洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土抗剪強(qiáng)度表Table 4 The shear strength of the sandy grain muddy soil土體類型取樣深度/m有效粘聚力c'/kPa有效內(nèi)摩擦角φ'/(°)15.0～15.56.3918.11415.5～16.56.52212.419砂紋淤泥質(zhì)土19.0～20.08.88715.20823.0～24.07.42915.693 注: 本表為不排水抗剪強(qiáng)度CU值。

3 洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土與部分國(guó)內(nèi)外軟土物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比研究

通過(guò)與部分國(guó)外軟土和國(guó)內(nèi)長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等典型分布區(qū)的軟土物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比來(lái)看[5-9]，洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土總的來(lái)說(shuō)與其他軟土一樣普遍具有天然含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低、滲透性差等特點(diǎn)，其差別在：具有塑性指數(shù)高、液性指數(shù)低、內(nèi)摩擦角大的特點(diǎn)；水平滲透性遠(yuǎn)高于垂直向滲透性；埋藏深度較大，一般位于洞庭湖軟土“二元結(jié)構(gòu)”的下層。這些特點(diǎn)應(yīng)該在工程勘察設(shè)計(jì)時(shí)得到充分的利用。砂紋淤泥質(zhì)土與國(guó)內(nèi)外各軟土物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 砂紋淤泥質(zhì)土與國(guó)內(nèi)外軟土物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比情況表Table 5 Comparison of physical and mechanical properties of the sandy grain muddy soil with other soft soil地區(qū)含水量ω/%密度ρ/(g·cm-3)比重Gs孔隙比e塑性指數(shù)Ip美國(guó)波斯肯納40～851.6～1.82.6～2.71.02～2.3 25-40日本佐賀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砂紋淤泥質(zhì)土44.21.782.611.06528.8天津新港45～501.28～1.392.68～2.77 1.0～1.5615～22連云港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溫州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廣州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武漢33～681.71～1.9 — 1.0～1.4611～29寧波34～580.9 2.7～2.791.0～1.5 9～24地區(qū)液性指數(shù)IL內(nèi)摩擦角?/(°)粘聚力c/kPa壓縮系數(shù)a1-2/MPa-1滲透系數(shù)k/(10-7cm·s-1)美國(guó)波斯肯納0.6～1.23410～25—0.3～7日本佐賀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砂紋淤泥質(zhì)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連云港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溫州 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廣州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武漢0.68～1.5 6～204～240.36～1.33 0.1～1寧波 1.0～1.940.5～19.43.6～33 0.2～1.58 0.3～22.5

4 結(jié)語(yǔ)

砂紋淤泥質(zhì)土是在獨(dú)特的沉積環(huán)境和水動(dòng)力條件下沉積于洞庭湖南部腹地的洞庭湖特有的軟土類型。其顯著的表觀特征是淤泥質(zhì)土中夾1～2 mm厚微薄砂層，且分布非常有規(guī)律。本文的研究表明，其具有常規(guī)軟土的濕密度低、含水率高、孔隙比大、液限和塑限低、塑性指數(shù)和液性指數(shù)高的工程特征，但又具有強(qiáng)度指標(biāo)較一般軟土高，水平向滲透系數(shù)顯著大于垂直向滲透系數(shù)，各向異性比達(dá)到10倍以上，且埋藏深度較大的特點(diǎn)。如結(jié)合上部減載等措施，充分利用其工程特征，可減少甚至不對(duì)該層進(jìn)行深部軟基處治，這將對(duì)洞庭湖區(qū)建設(shè)項(xiàng)目的投資和工期具有非常重要的意義。