李 昂，柯凱豪，黃 瑤，曹 珂，鄭鴻杰，胡凱翔

（1. 浙江省工程勘察設(shè)計院集團有限公司，浙江 寧波 315012；2. 中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071）

0 引 言

浙江省地處我國東南部，其沿海地區(qū)廣泛分布著全新世時期形成的軟土地層，據(jù)放射性14C測年結(jié)果表明，軟土層形成時期大致為至今 0.75萬年前。巖性主要為海相或海陸交互相的淤泥及淤泥質(zhì)土層。這類土普遍具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、透水性差、流變性顯著和不均勻等特性，是一種工程性能極差的特殊土體。

浙江省沿海城市經(jīng)濟發(fā)展迅速，土地資源稀缺，軟土地基上的工程建設(shè)項目日益增多，加上不同沿海地區(qū)海相軟土因物質(zhì)來源、應(yīng)力歷史和沉積環(huán)境的不同，也各自具有特殊的工程特性。因此，開展對各區(qū)域軟土工程特征研究，對解決由軟土引發(fā)的諸多工程問題是十分必要的。目前，國內(nèi)學(xué)者對浙江省一些地區(qū)，如杭州灣、寧波和溫州等地的軟土進行了廣泛而深入的研究[1-6]，取得了較多的研究成果，但研究范圍主要集中在長江口和甌江口兩大域，對于三門灣地區(qū)尚未開展過區(qū)域海相軟土的工程特征研究。本文通過整理分析三門灣地區(qū)工程地質(zhì)資料和勘察鉆孔資料，開展三門灣地區(qū)海相軟土地層工程特征研究，以期為本地區(qū)相關(guān)工程建設(shè)提供參考。

1 區(qū)域概況

1.1 自然地理

三門灣位于浙江省中部寧波和臺州沿海，主要包括寧?？h、象山縣和三門縣，陸域面積約2 204 km2（見圖1）。三門灣四周陸地地貌可分為侵蝕剝蝕丘陵、洪（沖）積平原和海積平原，其中以侵蝕剝蝕丘陵為主，其次為海積平原，洪（沖）積平原面積最小。三門灣西南側(cè)的湫水山，地勢最高，主峰王戲梁海拔882 m。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of the study area

1.2 地層巖性

根據(jù)搜集的三門灣陸域勘察鉆探資料[7-8]以及“浙江中部海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查”項目施工的鉆探資料，結(jié)合巖土工程地質(zhì)特征和物理力學(xué)性質(zhì)差異，總結(jié)三門灣地區(qū)淺部地層巖性由上至下分布如下：

①0層素填土：灰黃色，松散，厚層狀，-0.50～13.23 m，0.30～11.20 m。以黏性土為主，含少量建筑垃圾，土質(zhì)不均。

①1層黏土、粉質(zhì)黏土：灰黃、褐黃色，可塑，厚層狀，含鐵錳質(zhì)斑點。頂板標(biāo)高-1.00～4.19 m，層厚0.60～5.50 m。

①2層淤泥、淤泥質(zhì)土：灰色，流塑，厚層狀，土質(zhì)稀軟，厚度變化大，壓縮性高，頂板標(biāo)高-11.00～3.76 m，層厚0.90～10.80 m。

②1層淤泥、淤泥質(zhì)土：灰色，流塑，厚層狀，頂板標(biāo)高-29.75～2.90 m，層厚1.10～22.90 m。

③1層粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑，厚層狀，含F(xiàn)e、Mn質(zhì)氧化斑點，土質(zhì)較均勻，頂板標(biāo)高-22.10～-0.24 m，層厚0.80～16.10 m。

③2層淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土：灰色，流塑，鱗片狀，可見較多粉砂、粉土薄層。頂板標(biāo)高-42.35～-6.54 m，層厚0.90～16.10 m。部分區(qū)域相變?yōu)檐浰軤铕ね痢⒎圪|(zhì)黏土。

③3層（含黏性土）圓礫、卵石：灰色，稍-中密，厚層狀，含黏性土團塊及少量砂土，頂板標(biāo)高-0.95～0.85 m，厚度0.60～12.50 m。

全新世以下地層以厚層灰色或蘭灰色軟塑-可塑狀黏土、粉質(zhì)黏土和含黏性土卵礫石互層。典型的工程地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 三門灣典型工程地質(zhì)剖面Fig. 2 Typical engineering profile in Sanmen Bay

2 研究區(qū)軟土形成歷史與空間分布

2.1 軟土形成歷史

浙江省沿海地區(qū)分布有多處港灣，灣內(nèi)廣泛分布著淤泥和淤泥質(zhì)軟土層。這些港灣內(nèi)軟土的形成演化過程存在許多共性。本文以三門灣為例，探討海灣內(nèi)軟土層的成因。

（1）沉積物質(zhì)來源

三門灣是浙江省三大半封閉型港灣之一，形狀似“葫蘆”，屬規(guī)則半日潮港灣，潮差較大，平均潮差約4.3 m，最大達7.8 m，潮汐作用明顯。三門灣灣口面向東南，有石浦水道與外海相通，其余三面環(huán)陸。灣口毗鄰高塘島、南田島、青門山等島嶼，在環(huán)繞島嶼的阻隔作用下，涌入、流出的海水流速發(fā)生變化，水動力作用減弱，有助于接受海水輸入的細顆粒泥沙匯集沉積，形成大片泥質(zhì)海灘和海岸。

三門灣位于江山-紹興深斷裂東南側(cè)的華南褶皺系的華夏褶皺帶，原基巖港灣發(fā)育有中生代火山巖、火山碎屑巖和中、上新統(tǒng)玄武巖。港灣沿岸雖無大的入海河流，但存在有白嶠港等近30條溪流。區(qū)內(nèi)基巖巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、海浪與潮汐的沖刷侵蝕等作用形成的礦物質(zhì)，由雨水等不斷輸送到近岸海水中沉積下來。

在濱海地區(qū)，沉積物質(zhì)在不同水動力條件下，按其大小、比重和磨圓度等有規(guī)律地沉積下來，在水平方向和垂直方向均存在沉積韻律，構(gòu)成濱海海積平原沉積物[9]。

（2）沉積環(huán)境演化

三門灣濱海平原地帶，地勢平坦，沉積環(huán)境主要受海水岸流的影響。晚更新世末冰期結(jié)束后，氣候迅速轉(zhuǎn)暖，海平面開始急劇上升，區(qū)域上開始了大規(guī)模的海侵，至全新世中期，海平面達到最高。由于海水作用強烈，三門灣基巖海岸地區(qū)形成了陡崖和海蝕地貌，而廣大平原區(qū)位于低潮線之下，開始接受海水帶來的豐富泥沙沉積，海灣內(nèi)的軟土開始形成。全新世晚期氣候類似于現(xiàn)今，海平面波動趨于平穩(wěn)，濱淺海環(huán)境下的黏粒、粉粒、有機質(zhì)和礦物質(zhì)不斷堆積，最終形成了如今的軟土地層。

2.2 三門灣軟土空間分布特征

三門灣地區(qū)海相軟土廣泛分布于區(qū)內(nèi)海積平原表面，越遠離海岸線或水系河口，埋深越淺，整體厚度也呈減小趨勢，反之埋深越大，厚度越大，整體厚度一般小于30 m。巖性主要是淤泥、淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土，其特點是含水量大、黏粒含量高、夾雜粉砂和粉土、含有機質(zhì)、滲透性小、固結(jié)慢。依據(jù)浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范》（DB33/T1065—2019）[10]5.3.2節(jié)的分層標(biāo)準(zhǔn)，參照搜集的區(qū)域鉆探資料，軟土層自上而下可分為3層：

①2軟土層，由全新統(tǒng)上組海積（mQ43）淤泥、淤泥質(zhì)土組成，灰色，流塑，厚層狀，壓縮性高，層厚0.90～10.80 m，表層形成一層性質(zhì)良好的“硬殼層”。

②1軟土層，由全新統(tǒng)中組海積（mQ42）淤泥、淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土組成，灰色，流塑，厚層狀，層厚1.10～22.90 m，為研究區(qū)最主要的軟土層。

③2軟土層，由全新統(tǒng)下組海積（mQ41）淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土組成，灰色，流塑，鱗片狀，可見較多粉砂、粉土薄層。層厚0.90～16.10 m。部分區(qū)域相變?yōu)檐浰軤铕ね?、粉質(zhì)黏土。

3 研究區(qū)軟土工程地質(zhì)特性

3.1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計

為了保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和分析的準(zhǔn)確性，本次研究選用了具有代表性的 37孔工程地質(zhì)鉆探結(jié)果進行統(tǒng)計分析。選取鉆孔分布基本涵蓋整個三門灣陸域濱海平原，基本可以反映研究區(qū)軟土的分布及工程地質(zhì)特征，鉆孔位置見圖3。

圖3 三門灣鉆孔位置分布Fig. 3 Location of boreholes in Sanmen Bay

以所劃分軟土工程地質(zhì)層（亞層）為統(tǒng)計單元，對軟土層中的119個樣品測試數(shù)據(jù)，首先進行歸層、檢查、刪去個別異常值，常規(guī)試驗指標(biāo)由微機采用Grubbs準(zhǔn)則[11]進行分層統(tǒng)計（結(jié)果見表1），統(tǒng)計方法采用浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范》（DB33/T1065—2019）[10]規(guī)定的巖土參數(shù)分析方法，計算公式如下：

表1 土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Soil mechanical parameters

從指標(biāo)統(tǒng)計情況來看，三門灣海積軟土的重度、飽和度和比重指標(biāo)分布集中，變異系數(shù)小于0.05，含水量、孔隙比和界線含水量指標(biāo)等變異系數(shù)小于0.2，壓縮系數(shù)、壓縮模量變異系數(shù)小于0.3，離散性不大，表明本次統(tǒng)計結(jié)果基本上反映了研究區(qū)軟土的工程地質(zhì)特征（表1）。綜合分析指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果，并結(jié)合巖芯實物，三門灣陸域軟土層具有以下工程特征：

（1）顏色主要呈灰色，部分表層呈灰黃色，土體粒度以細顆粒為主，有機質(zhì)含量較高。

（2）天然含水量高，含量一般為31.6%～69.1%，且天然含水量大于液限。天然孔隙比大（1.001～1.917），土體近乎飽和（飽和度85%～99.9%），土質(zhì)稀軟，多呈流塑狀態(tài)，塑性指數(shù)一般為11.9～25.5，屬于中等塑性土。

（3）壓縮性高，壓縮系數(shù)為0.43～2.37 MPa-1，屬于中高壓縮性土，開展工程建設(shè)時，土層易發(fā)生較大沉降。

（4）強度低，軟土的固快黏聚力一般為13～26 KPa，內(nèi)摩擦角為6.5°～13.8°。

此外，據(jù)搜集的其他勘察項目資料，研究區(qū)軟土還具有低滲透性、明顯的流變性、高靈敏度等特征，是影響建（構(gòu)）筑物沉降變形的主要地層。

3.2 指標(biāo)參數(shù)規(guī)律

（1）指標(biāo)隨地層深度分布特點

a）常規(guī)指標(biāo)

對三門灣區(qū)域海積軟土層內(nèi)119個樣本的含水量、孔隙比和重度指標(biāo)隨深度分布情況進行了初步統(tǒng)計（見圖4）。

圖4 研究區(qū)軟土層常規(guī)指標(biāo)隨深度分布Fig. 4 Conventional indexes of soft soil with depth in study area

散點統(tǒng)計結(jié)果顯示，含水量主要分布在40%～65%范圍，孔隙比主要分布在1.0～1.8范圍，重度主要分布在16.2～17.5 kN/m3范圍，三項指標(biāo)隨深度的增加無明顯的變化規(guī)律，反映三門灣分布的軟土土質(zhì)均一性較差。

為進一步研究土體物理指標(biāo)與深度的分布規(guī)律，對樣本的含水量等分不同深度區(qū)段（按5 m間隔劃分）進行區(qū)間均值統(tǒng)計，見圖5，其中30 m、30～35 m深度區(qū)段統(tǒng)計數(shù)據(jù)量少，代表性較差，故不參與規(guī)律總結(jié)。分析發(fā)現(xiàn)，0～25 m深度范圍內(nèi)，含水量與孔隙比隨區(qū)段深度增加，均值整體呈減小趨勢，而重度呈增大趨勢，且各指標(biāo)均值的變化趨勢均在10～15 m深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了突變，可能與該深度區(qū)間軟土土質(zhì)不均一，含較多粉土、粉砂薄層或團塊有關(guān)。

圖5 研究區(qū)軟土層不同深度范圍常規(guī)指標(biāo)均值統(tǒng)計Fig. 5 Average statistics of conventional indexes of soft soil in different depths in study area

用上述兩種方法對樣品的界限含水量的4個指標(biāo)進行統(tǒng)計（圖6～7）。

圖6 研究區(qū)軟土層界限含水量指標(biāo)隨深度分布Fig. 6 Atterberg limits of soft soil along different depths in study area

圖7 研究區(qū)軟土層不同深度范圍界限含水量指標(biāo)均值統(tǒng)計Fig. 7 Average statistics of Atterberg limits of soft soil in different depths in study area

散點統(tǒng)計結(jié)果顯示塑限含水量主要分布在20%～30%范圍，液限含水量主要分布在40%～53%范圍，塑性指數(shù)主要分布在20～23范圍，液性指數(shù)主要分布在1.1～1.5范圍，各指標(biāo)隨深度變化無明顯規(guī)律可循。區(qū)間均值統(tǒng)計表明0～25 m深度范圍內(nèi)，塑限含水量、液限含水量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)隨著深度增大，深度區(qū)段均值整體呈減小趨勢，但在10～15 m深度區(qū)段內(nèi)變化趨勢也出現(xiàn)了突變。

b）壓縮性指標(biāo)

對三門灣區(qū)域海積軟土119個樣本的常規(guī)壓縮試驗指標(biāo)隨深度的分布情況進行了統(tǒng)計（見圖8～9）。

圖8 研究區(qū)軟土層壓縮性指標(biāo)隨深度分布Fig. 8 Distribution of compression coefficients of soft soil with depths in study area

圖9 研究區(qū)軟土層不同深度范圍壓縮系數(shù)均值統(tǒng)計Fig. 9 Average statistics of compression coefficients of soft soil in different depths in study area

散點統(tǒng)計結(jié)果顯示壓縮系數(shù)av0.1～0.2主要分布在0.5～2.0 MPa-1，壓縮模量Es分布在1.6～2.2 MPa，兩項指標(biāo)隨深度變化無明顯規(guī)律可循。區(qū)間均值統(tǒng)計結(jié)果顯示壓縮系數(shù)隨深度增加整體呈減小趨勢，壓縮模量整體呈增大趨勢，而在10～15 m深度范圍同樣出現(xiàn)了突變。

以上軟土性質(zhì)指標(biāo)隨深度變化規(guī)律統(tǒng)計結(jié)果表明，三門灣地區(qū)軟土各項物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)隨深度變化規(guī)律不明顯，不同深度區(qū)間統(tǒng)計的各項指標(biāo)均值變化統(tǒng)計結(jié)果反映出研究區(qū)內(nèi)軟土層物理力學(xué)性質(zhì)整體隨深度的增加趨于變好，基本符合土體沉積固結(jié)的規(guī)律。10～15 m范圍內(nèi)統(tǒng)計結(jié)果反常，可能與該區(qū)間軟土土質(zhì)不均勻，以及含較多粉砂和粉土團塊有關(guān)。

（2）指標(biāo)相關(guān)性分析

對各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析，能夠更好地利用易于測定的指標(biāo)去計算難以直接測定的指標(biāo)，同時又可以驗證土工試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，對工程項目的開展具有實際意義。

統(tǒng)計結(jié)果顯示（圖10），三門灣陸域軟土的孔隙比、重度與含水量相關(guān)性較高，其中，孔隙比與含水量相關(guān)系數(shù)R2為0.976 3，重度與含水量的相關(guān)系數(shù)R2為0.850 3。而壓縮系數(shù)與含水量的相關(guān)性相較前兩者略低，相關(guān)性系數(shù)R2為0.833 9。

圖10 研究區(qū)軟土層各指標(biāo)間關(guān)系Fig. 10 Relationship between the indexes of soft soil and water content in study area

以軟土的孔隙比與含水量相關(guān)性為例，其擬合關(guān)系式為：

將前述指標(biāo)統(tǒng)計的w標(biāo)準(zhǔn)值53.36%代入上式，得e=1.523，與統(tǒng)計獲得的孔隙比標(biāo)準(zhǔn)值e=1.521十分接近，進一步驗證了本文統(tǒng)計工作結(jié)果的合理性。

3.3 浙江省各地區(qū)軟土性質(zhì)對比

本文搜集了浙江省由北向南各地區(qū)軟土分布厚度和物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計值[7-8,12-14]（表2）。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，浙江省內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)的軟土地層普遍具有天然含水量高、壓縮性大和強度低等特點，但各項物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均有所差異。其中，研究區(qū)軟土整體厚度較舟山本島大，較其他區(qū)域小。區(qū)域軟土的含水量、孔隙比、飽和度、界限含水量和壓縮系數(shù)指標(biāo)高于嘉興、舟山本島和寧波北等北部地區(qū)，低于南部的溫州地區(qū)。而研究區(qū)軟土的重度、比重、壓縮模量和內(nèi)摩擦角指標(biāo)則低于北部的嘉興等地，高于溫州地區(qū)。這也表明了三門灣陸域軟土性質(zhì)整體較嘉興等地區(qū)差，但優(yōu)于溫州地區(qū)。從地域分布來看，浙江省內(nèi)各地區(qū)軟土的含水量、孔隙比、飽和度、界限含水量和壓縮系數(shù)指標(biāo)自嘉興至溫州地區(qū)由北向南呈增加趨勢，而重度、比重、壓縮模量和內(nèi)摩擦角指標(biāo)呈減小趨勢，表明浙江省沿海地區(qū)軟土工程性質(zhì)呈由北向南依次變差的特點。這種差異可能是由各區(qū)域的地貌形態(tài)、水動力條件、地質(zhì)作用和沉積氣候環(huán)境等共同作用造成的。

表2 浙江省各地區(qū)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計值對比Table 2 Comparison of physical and mechanical properties of soft soil in Zhejiang Province

4 結(jié) 論

（1）三門灣軟土分布廣泛，厚度大，形成于全新世。形成期間經(jīng)歷了一次大規(guī)模的海侵事件，巖性主要為淤泥和淤泥質(zhì)土。大量土試實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，三門灣軟土天然含水量高、孔隙比大、近似飽和且呈流塑狀態(tài)、并具有壓縮性高和抗剪強度低等特征，工程性質(zhì)差。

（2）運用統(tǒng)計學(xué)方法，對三門灣軟土樣品的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的探討發(fā)現(xiàn)，海灣內(nèi)軟土含水量與濕密度、壓縮系數(shù)和孔隙比指標(biāo)具有較好的線性關(guān)系，軟土力學(xué)性能隨深度增加而增強。

（3）對浙江省各海灣內(nèi)軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進行了統(tǒng)計對比分析發(fā)現(xiàn)，省內(nèi)分布的軟土整體工程性質(zhì)差，土體性質(zhì)大致呈“自北向南，逐漸變?nèi)酢钡奶攸c，這種現(xiàn)象受控于區(qū)域地貌形態(tài)、水動力條件、地質(zhì)作用和沉積氣候環(huán)境等因素。

致 謝

感謝由青島海洋地質(zhì)研究所“浙江中部海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查”項目組提供的三門灣區(qū)域鉆探、土樣測試資料。在野外數(shù)據(jù)獲取的過程中，青島海洋地質(zhì)研究所的張志忠研究員等人本著嚴(yán)肅科學(xué)、一絲不茍的態(tài)度堅守在野外，保證了數(shù)據(jù)的真實可靠和樣品的完整性，為本次研究和后期測試結(jié)果的有效性、代表性打下了堅實的基礎(chǔ)，特此感謝！