劉 偉，陳凌偉，張慶華，黃佳銘，吳龍飛

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510060)

1 研究背景

廣州南沙區(qū)地處北江、西江下游，瀕臨珠江口伶仃洋交匯處，是珠江三角洲沖積平原前緣地帶。區(qū)域在長(zhǎng)期河流沖積、海岸浪流和潮汐作用下,淤積了深厚的第四系沉積物，南沙幾乎全境分布淤泥、淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂等。由于其獨(dú)特的氣候條件、地質(zhì)、地理成因，南沙軟土形成了明顯的區(qū)域特性，使得其有全國(guó)“最軟軟土”的稱號(hào)，具有典型的含水量高、靈敏度高、承載力低，壓縮性高、時(shí)間效應(yīng)明顯等特點(diǎn)[1-3]。南沙作為粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的中心，近年經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展，作為南沙區(qū)工程建設(shè)面臨的主要的不良地質(zhì)作用，由軟土引起的地基承載力不足和不均勻沉降而導(dǎo)致的房屋傾斜開裂、道橋扭曲變形、地下管道拉裂、工程造價(jià)不可控等問(wèn)題層出不窮，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃建設(shè)[4-5]。

軟土的工程特性一直是國(guó)內(nèi)外巖土工程研究的一個(gè)熱點(diǎn)。已有研究在軟土的力學(xué)性質(zhì)、變形機(jī)理和沉降計(jì)算方法等方面取得了較為豐碩的成果[6-9]。而針對(duì)廣州南沙區(qū)軟土的分布特征及工程性質(zhì)，僅少量學(xué)者作了初步統(tǒng)計(jì)分析和研究工作[10-12]，較好地指導(dǎo)了工程實(shí)踐，但相關(guān)研究成果的精度和深度較為薄弱，難以指導(dǎo)區(qū)域的地下空間規(guī)劃設(shè)計(jì)和工程建設(shè)。開展南沙區(qū)軟土分布特征和工程性質(zhì)研究，提出高精度的研究成果，無(wú)疑對(duì)科學(xué)指導(dǎo)南沙地下空間合理有序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)土地資源集約化利用具有重要意義。

本文利用南沙區(qū)高密度均勻分布的4 280個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合廣州海陸變遷和14C測(cè)年試驗(yàn)成果，深入分析了區(qū)域軟土的成因類型和沉積環(huán)境，揭示了南沙區(qū)軟土分布特征，保證了研究成果精度；同時(shí)對(duì)其物理、力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)比了不同深度軟土工程性質(zhì)的差異。成果可為南沙區(qū)國(guó)土空間規(guī)劃、地下空間開發(fā)利用及工程建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2 鉆孔數(shù)據(jù)

廣州南沙區(qū)總面積約780 km2，筆者收集了區(qū)內(nèi)近萬(wàn)個(gè)鉆孔資料，以均勻分布為準(zhǔn)則，從中篩選了4 280個(gè)，鉆孔密度達(dá)5.5個(gè)/km2，深度均達(dá)到基巖面以下3～5 m。

圖1為本文所利用鉆孔的平面位置分布。從圖中可以看出，鉆孔基本均勻覆蓋了南沙全境，保證了從空間上可較好地控制軟土層的分布。此外，所有鉆孔數(shù)據(jù)齊全，包含鉆孔位置、終孔深度、靜止水位、地層描述、土樣物理力學(xué)參數(shù)、原位測(cè)試等信息，為從土性狀態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)等多角度判別軟土分布，提供了可靠且豐富的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 鉆孔平面位置分布Fig.1 Plane layout of boreholes

本文依托“粵港澳大灣區(qū)城市綜合地質(zhì)調(diào)查”子項(xiàng)“廣州市多要素城市地質(zhì)調(diào)查”，基于如此數(shù)量大、密度高、分布廣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析和研究南沙區(qū)軟土分布特征和工程性質(zhì)，尚屬首次。

3 軟土的分布特征

根據(jù)區(qū)域海陸變遷史和第四系沉積記錄[13-14]，珠江三角洲是由3次海侵和3次海退過(guò)程發(fā)育而成，第四系主要由3套回旋沉積物組成。其中下部為晚更新世(Q3)堆積，中部為中全新世(Q42)沉積物，上部為晚全新世(Q43)產(chǎn)物。由于海退浪潮、河流沖積、生物化學(xué)等綜合作用，3套沉積物之間大都被花斑狀簽章性土、河流相砂礫層所隔開。其中廣州市全新世(近1萬(wàn)年)以來(lái)，共發(fā)生2次大規(guī)模海侵和期間1次大規(guī)模海退。最近一次海侵發(fā)生在距今2 500～3 000 a，海水最北入侵到越秀山腳下，南沙全境基本被淹沒，大量泥沙物質(zhì)淤積。從地質(zhì)成因看，南沙區(qū)軟土主要是海陸交互相沉積物，大部分形成于全新世(Q4)期間，少量為更新世(Q3)產(chǎn)物。綜合區(qū)域地質(zhì)鉆孔資料，南沙軟土主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混粉細(xì)砂等組成，一般呈灰黑色、飽和、流塑狀，含貝殼碎片，有腐臭味等。

根據(jù)搜集的鉆孔資料，將每個(gè)鉆孔中軟土厚度進(jìn)行疊加，繪制了南沙區(qū)軟土厚度云圖，如圖2所示。從圖2可知，南沙區(qū)除鹿頸公園等少數(shù)低丘地帶外，基本全境覆蓋軟土層，分布面積約718 km2，占全區(qū)總面積的91.6%，平均厚度15～20 m，總體呈由西北向東南、由內(nèi)陸向河口、海岸厚度越來(lái)越大的規(guī)律。其中靈山、大小虎山、黃山魯、銅鼓山等山地丘陵的周邊，軟土層發(fā)育厚度一般<10 m。由北向南的東涌—欖核—大崗—珠江街—龍穴島一帶，軟土的厚度普遍為10～25 m。南部的橫瀝、萬(wàn)頃沙、新墾、三民島、南沙港區(qū)軟土的發(fā)育厚度較大，普遍為25～40 m。厚度>40 m的軟土，主要分布在萬(wàn)頃沙十七涌以南局部地區(qū)，局部填海造陸區(qū)域，軟土最厚可達(dá)60 m以上。

圖2 軟土總厚度分布Fig.2 Thickness distribution of soft clay

南沙面積大，軟土分布廣泛，成分復(fù)雜。不同沉積時(shí)代、不同埋藏深度處軟土，其工程性質(zhì)往往存在較大差異。為此，本文建立了2條不同走向的地質(zhì)剖面，如圖3和圖4所示。剖面1-1位于南沙區(qū)北部，是一條東西走向東涌—欖核的地質(zhì)剖面。剖面2-2位于南沙區(qū)南部，是一條南北走向大崗—珠江—橫瀝—萬(wàn)頃沙的地質(zhì)剖面,具體位置見圖1。

圖3 典型地質(zhì)剖面1-1Fig.3 Typical geological profile 1-1

圖4 典型地質(zhì)剖面2-2Fig.4 Typical geological profile 2-2

從圖3和圖4可知，南沙區(qū)在不同深度范圍內(nèi)，斷續(xù)分布著1～2層軟土，結(jié)合鉆孔資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，上下兩層軟土具有“上厚下薄、上純下雜”的特點(diǎn)：上層軟土厚度普遍更大，土質(zhì)較純，手捏滑感好，粉細(xì)砂含量較少；下層軟土厚度相對(duì)較薄，含腐木和植物根系。

根據(jù)18組不同位置(圖5)、不同深度(表1)14C測(cè)年試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上層軟土主要由距今約1萬(wàn)年以來(lái)的全新世(Q4)沉積物組成，14C年齡分布在1 500～8 500 a之間；下層軟土主要為更新世(Q3)產(chǎn)物，14C年齡約為34 000～45 000 a 之間，其主要分布在區(qū)域低洼地段，以沖洪積、海積的淤泥、淤泥質(zhì)土為主，頂部一般有灰白色、黃褐色砂礫層或紅褐色、花斑狀黏土層。

圖5 軟土14C測(cè)年取樣點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of 14C sampling locations

表1 14C測(cè)年試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of 14C test

綜合鉆孔數(shù)據(jù)、剖面特性及14C測(cè)年試驗(yàn)結(jié)果，得到了南沙區(qū)全新世(Q4)和更新世(Q3)軟土分布特征，如圖6和圖7所示。

由圖6、圖7可知，南沙軟土主要由全新世(Q4)軟土層構(gòu)成，其分布特征與總厚度分布基本一致，總體也呈由西北向東南、由內(nèi)陸向河口、海岸厚度越來(lái)越大的規(guī)律。存在一條北向南東涌—欖核—大崗—珠江街—龍穴島的軟土分布帶，厚度普遍在10～25 m之間，橫瀝、萬(wàn)頃沙及龍穴島的臨海一帶軟土厚度超過(guò)45 m。

圖6 全新世(Q4)軟土厚度分布Fig.6 Thickness distribution of Holocene soft clay

圖7 更新世(Q3)軟土厚度分布Fig.7 Thickness distribution of Pleistocene soft clay

局部區(qū)域存在更新世(Q3)軟土層，厚度相對(duì)較小。如南沙北部的黃閣鎮(zhèn)、大崗鎮(zhèn)、東涌鎮(zhèn)等，厚度多在3～12 m之間；龍穴島的北部及珠江街道和萬(wàn)頃沙鎮(zhèn)的交界處，分布層較厚，可達(dá)10～20 m。

4 軟土的工程性質(zhì)

分析統(tǒng)計(jì)了南沙區(qū)淤泥和淤泥質(zhì)土的基本物理力學(xué)參數(shù)，研究了各參數(shù)指標(biāo)隨含水量變化的分布規(guī)律，見表2。區(qū)域軟土的工程性質(zhì)具有如下特點(diǎn)。

表2 軟土物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Physico-mechanical properties of soft clay

4.1 范圍廣、厚度大、埋深淺

基巖層面起伏較大，軟土層由北向南逐漸變厚，一般在10～30 m之間，分布較不均勻。多地段出露軟土硬殼層，多區(qū)域軟土上僅有薄薄一層填土，在城市發(fā)展較早地區(qū)，填土層較厚，埋深達(dá)到3～5 m。

4.2 含水率高，孔隙比大

軟土的天然含水率多在50%～100%之間，天然含水率平均值66%，有的高達(dá)120%。孔隙比一般為1.0～2.5，少數(shù)>3.0，飽和度接近100%。孔隙比、液性指數(shù)等參數(shù)隨含水率增大而升高。

4.3 天然密度小、壓縮性高

天然密度變化范圍一般在1.31～1.90 g/cm3之間，均值1.56 g/cm3，干密度變化范圍為0.43～1.36 g/cm3。天然孔隙比大決定了壓縮性必然高，區(qū)內(nèi)軟土的壓縮系數(shù)一般在1.1～2.5 MPa-1之間。

4.4 抗剪強(qiáng)度低、觸變性大

快剪黏聚力一般為4～13 kPa，內(nèi)摩擦角2°～12°；天然狀態(tài)十字板抗剪強(qiáng)度一般<15 kPa。區(qū)域軟土靈敏度一般在3～6之間，個(gè)別可達(dá)到10～15。

此外根據(jù)南沙軟土的形成時(shí)代不同，分別統(tǒng)計(jì)了全新世(Q4)和更新世(Q3)軟土層中淤泥和淤泥質(zhì)土物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)比分析了上下兩層軟土工程性質(zhì)差異，詳情可見表3、表4。具體如下：

表3 南沙區(qū)全新世(Q4)軟土層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Physico-mechanical properties of Holocene soft clay

表4 南沙區(qū)更新世(Q3)軟土層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Physico-mechanical properties of Pleistocene soft clay

上層全新世(Q4)軟土中的淤泥，天然含水率范圍在60.1%～86.2%之間，平均為75.6%；孔隙比范圍為1.500～4.101，平均為1.931；液性指數(shù)范圍在1.0～5.9之間，平均為1.95；壓縮系數(shù)范圍在0.82～3.56之間，平均為1.76。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值黏聚力C=5.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=3.3°。

下層更新世(Q3)軟土中的淤泥，天然含水率范圍在46.3%～85.2%之間，平均為63.8%；孔隙比范圍為1.501～2.923，平均為1.789；液性指數(shù)范圍在1.06～3.83之間，平均為1.91；壓縮系數(shù)范圍在0.67～2.64之間，平均為1.31。經(jīng)過(guò)計(jì)算得抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值黏聚力C=5.6 kPa，內(nèi)摩擦角φ=3.8°。

上層全新世(Q4)軟土中的淤泥質(zhì)土，天然含水率在40.0%～77.6%之間，平均為53.0%；孔隙比為1.001～1.493，平均值為1.264；液性指數(shù)在1.01～5.97之間，平均為1.93；壓縮系數(shù)在0.54～2.73之間，平均為1.04。經(jīng)過(guò)計(jì)算得抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值黏聚力C=7.3 kPa，內(nèi)摩擦角φ=4.3°。

下層更新世(Q3)軟土中的淤泥質(zhì)土，天然含水率在35.3%～66.6%之間，平均為50.2%；孔隙比為1.03～1.49，平均值為1.354；液性指數(shù)在1.01～5.97之間，平均為1.93；壓縮系數(shù)在0.58～1.69之間，平均為0.98。經(jīng)過(guò)計(jì)算得抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值黏聚力C=6.9 kPa，內(nèi)摩擦角φ=4.8°。

由此可知，不同深度處軟土工程特性普遍存在“上高下低，上弱下強(qiáng)”的規(guī)律：同層軟土中，淤泥相較于淤泥質(zhì)土，含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)普遍較大，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)普遍較低；不同層軟土，上層全新世(Q4)淤泥和淤泥質(zhì)土比下層更新世(Q3)淤泥和淤泥質(zhì)土，含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)普遍更大，抗剪強(qiáng)度更低。

綜合上述對(duì)南沙區(qū)軟土分布特征和工程性質(zhì)研究成果可知，上層全新世(Q4)軟土層分布廣、厚度大，再加上其含水率高、孔隙比大、壓縮系數(shù)高、強(qiáng)度低等特性，該層軟土將對(duì)南沙工程建設(shè)、地下空間開發(fā)利用、未來(lái)沉降發(fā)展趨勢(shì)起控制性作用。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)廣州南沙區(qū)4 280個(gè)均勻分布的鉆孔數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合廣州海陸變遷史和14C測(cè)年試驗(yàn)成果，深入研究了南沙區(qū)軟土的成因時(shí)代和沉積環(huán)境，揭示了南沙區(qū)軟土的分布特征，繪制了高精度的軟土厚度分布圖；同時(shí)對(duì)區(qū)域軟土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)比了不同深度軟土工程性質(zhì)的差異。所得結(jié)論如下：

(1)除少數(shù)低丘地帶外，南沙基本全境分布軟土，平均厚度約13～15 m，總體呈由西北向東南、由內(nèi)陸向河口、海岸厚度越來(lái)越大的規(guī)律。東涌—欖核—大崗—珠江街—龍穴島一帶，軟土的厚度普遍在10～25 m之間。軟土厚度>40 m的區(qū)域，主要集中在萬(wàn)頃沙鎮(zhèn)十七涌以南的地區(qū)。局部填海造陸區(qū)域，軟土最厚可達(dá)60 m以上。

(2)南沙普遍發(fā)育著1～2層軟土，上層為全新世軟土層，14C年齡分布在1 500～8 500 a之間，其分布特征與軟土總厚度分布基本一致，范圍廣、厚度大；下層為更新世軟土層，14C年齡約為34 000～45 000 a之間，其分布面積較少、厚度小，主要集中在區(qū)域低洼地段。

(3)南沙軟土平均含水率高達(dá)66%，飽和度接近100%，這也導(dǎo)致南沙軟土普遍具有孔隙比大、天然密度小、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的特性。

(4)南沙兩層軟土空間分布上呈“上厚下薄、上純下雜”的特點(diǎn)：上層軟土厚度普遍更大，土質(zhì)較純，粉細(xì)砂含量較少；下層軟土厚度相對(duì)較薄，含腐木和植物根系。

(5)南沙兩層軟土工程性質(zhì)具有“上高下低、上弱下強(qiáng)”的特點(diǎn)：較于下層軟土，上層軟土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)普遍更大，抗剪強(qiáng)度更低。