土层工程性质与其沉积环境关系分析研究.pdf

1 0 0 4 - 9 6 6 5 ／ 2 0 0 4 ／ 1 2 0 3 - 0 2 6 3 -0 5 J o u r n a l o f E n g in e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报 土层工程性质与其沉积环境关系分析研究‘ 吴燕开 刘松玉 洪振舜 东南大学岩土7 - 程研究所南京2 1 0 0 9 6 摘要对江苏北部沿海地区与长江三角洲地区土层的工程性质进行分析对 比， 发现这两地 区的土层在 同一个历史时期所 沉积但土层工程性质完全不一样。因此分析 了该两地区在同一历史时期的沉积环境 与当时的水动力条件与沉积物源的来 源。由分析研究结果得到， 土层的物理力学性质与该土层当时的沉积环境、 水动力条件与沉积物源有重要的关系。因此对土 层如果能了解其在沉积过程当中的沉积条件， 更有利于分析研究该土层的物理力学性质。 关键词海侵苏北长江三角洲沉积环境物理性质 中图分类号 P 6 4 2 ． 1 文献标识码 A THE RELATI oNS HI P BETW EEN THE GEoTECHNI CAL PRoP ERTm S AND THE DEPoS I TED ENVI RoNM ENT FoR THE S oI L WU Y a n k a i L I U S o n g y y u HON G Z h e n s h u n I n s t i t u t e o fG e o t e c h n ic a l E n g i n e e r i n g。 S o u t h e a s t U n i v e r s i t y 。 N a n g 2 1 0 0 9 6 Ab s t r a c t By c o mp a r i n g g e o t e c h n i c al p r o p e r t i e s o f s e d i me n t s o f t h e s a me a g e s -i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e r e a r e a g r e a t d i ff e r e n c e b e t we e n t h e s o i l s f r o m t h e n o rth o f J i a n g s u a n d the Ya n g t s e Ri v e r d e l t a ．T h e a u t h o r s t h e n a s s e s s the d e p o s i t i o n e n v i r o n me n t an d t h e d y n a mi c c o n d i t i o n s an d the o ri g i n o f d e po s i t s i n the t w o a r e as a t t h e s a me a g e s ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e p h y s i c a l a n d t h e me c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f s o i l a r e c l o s e l y r e l a t e d t o t h e d e p o s i t i o n e n v i r o n me n t an d d y n a mi c c o n d i t i o n s a n d t h e o rig i n o f d e po s i t s ．Th e r e f o r e -u n d e rst an d i n g c o n d i t i o n s o f t h e s o i l d e p o s i t i o n i s a k e y t o c h a r a c t e riz a t i o n o f the s o i l g e o t e c h n i c al p r o p e rti e s ． Ke y wo r d s T r a n s gre s s i o n- Th e n o rth o f J i a n g s u - Th e Ya n g t s e Ri v e r d e l t a- De p o s i t i o n e n v i r o n me n t - P h y s i c al p rop e r - t i e s 在岩土工程研究、 分析土层的物理力学性质时， 很少去考虑土层形成的沉积环境和当时水动力条 件 ， 仅是对土层进行取样 ， 然后进行室内试验分析 ， 或根据现场的一些原位测试来分析土体的物理力学 性质。 其实土层的物理力学性质与土层的形成环境、 沉积年代以及沉积物来源有着很大关系。如果在分 析土层的物理力学性质的同时能很好地了解该土层 形成过程中的沉积环境和当时的水动力条件， 那么 对分析该土层的物理力学性质有着很好的启发与帮 助， 能对土层的物理力学性质有更深人的了解， 对工 程建设中方案的选取有着很重要的参考价值。 本文主要通过分析江苏北部沿海地区与长江三 角洲北翼土层的物理力学性质， 对比这两个地区的 土层形成条件沉积环境与水动力条件 ， 研究沉 积环境对土层形成及其物理力学性质间的相互关 收稿日期 2 0 0 3 1 2一 O l ； 收到修改稿 日期 2 0 0 4 0 2 2 5 ． 基金项目 国家 8 6 3 计划项目 2 0 0 1 A A 3 2 2 0 1 0 ． 第一作者简介 吴燕开 1 9 7 6 一 ， 男， 博士研究生， 主要从事公路路基处理方面研究． E m a i l w u y a n k a i2 0 0 0 1 6 3 ． t o m 维普资讯 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 0 4 1 2 3 系。为了能更好说明问题 ， 文中选取了连盐线连云 港段地层剖面与通启线南通剖面来比较分析。 1 连盐线连云港段地层性 文献[ 1 ] 对连云港沿海软土进行了物理力学性 质指标统计分析， 说明连云港地区软土为典型的海 相地层。据连盐高速公路勘察资料分析， 其浅部 4 0 m以上有 3 层海相地层， 沿海岸线往南， 海相地层 的厚度增加。连云港最浅一层海相地层为海相淤泥 质软土， 据相关研究分析该层是在镇江海侵时形成 的。镇江海侵是在至今 7 0 0 0 a 左右发生， 因此可推 断连云港的 1 1 m以上的软土层堆积时间有 7 0 0 0年 的历史。该层软土在当时主要的沉积物来源来 自当 时海洋中所携带的细土颗粒 ， 是在还原环境下沉积 而成。 图 1 为连盐线连云港段局部剖面 3 0 m以上的 示意图。在连云港地区， 根据钻孔揭示的资料， 在 3 0 ． 0 3 0 ． 5 m之间， 夹着一层粉砂。 图 1 连盐线连云港段局部剖面示意图 F i g ． 1 S e c t i o n s k e t c h ma p i n t h e L i a n g y u n g a n g s e c t ．a l o n g L j a nYa n R o a d 连盐线连云港段浅部地层可划分为 3 层。 第 1 层 ① 为褐黄色、 黄褐色的粘土、 亚粘土 即所谓的硬壳层 。 第2 层 ② 为灰 一 褐灰色的淤泥质亚粘土 粘 土 ， 局部夹亚砂土簿层。 第 3 层 ③ 为褐黄色粘土， 土质不均。 连云港浅部土层的物理力学性质如表1 所示 ， 表 1 连盐线连云港段土层物理性质 Ta b l e 1 P h y s i c al p r o p e r t i e s o f s o i l i n t h e L i a n y u n g a n g s e c t ．alo n g Ua nYa n Ro a d 深度／ 天然含水 塑限 ／ 压缩系数 压缩模量 快剪 粘粒含量／ m m ％ 层名称 粘聚力 内摩擦角 O C R 量 w／ ％ ％ a l 一 2 ／ MP a一 E s ／ MP a 2～O ． O 7 5 0 ． 0 7 50 ． 0 0 5 O ． 0 0 5 c ／ k P a 妒／ 。 1 ． 5 亚 粘土 4 6 ． 3 2 7 ． 3 1 ． 2 3 1 ． 9 7 8 ． 4 7 ． 9 5 ． 8 3 ． 5 淤泥质亚粘土 6 4 ． 0 2 5 ． 4 2 ． 4 2 1 ． 0 4 4 ． 3 1 ． 4 2 ． 1 2 8 ． 2 6 9 ． 7 1 ． 7 6 ． 6 淤泥质亚粘土 7 0 ． 1 2 9 ． 8 1 ． 5 l 1 ． 5 l 3 ． 3 3 ． 1 1 ． 8 2 8 ． 9 6 9 ． 3 1 ． 0 6 l 5 ． 5 粘 土 3 3 ． 3 1 9 ． 1 O ． 2 9 6 ． 4 9 2 9 ． O 8 ． 9 5 ． 5 2 3 ． 2 粘 土 3 8 ． 1 2 4 ． 4 O ． 2 8 6 ． 7 l l 6 ． 5 9 ． 9 4 ． 7 分析可知， 连盐线连云港段土层主要以粘性土为主， 土层的粘粒含量相 当高， 粘粒含量高达 7 0 ％， 塑限 均大于 2 0 ， 在浅层 1 2 ． 0 m以上 ， 形成一层厚 9 ． 0 1 0 ． 0 m的淤泥质软土层。该层软土属于海相层， 是 在亚间冰期 P G海侵 期间沉积而成的软土层。软 土层含水量高、 压缩性大、 粘聚力小、 粘粒含量高等 特点。软土层的超固结比稍大于 1 ， 基本为正常固 结土层， 历史上未受到比现更大的上覆压力。而软 土层的下卧层其超固结比 O C R 则远大于 1 。说明 土层在沉积堆积时期曾经遭受到比现在更大的上覆 压力的作用， 其沉积历史更久。 2 通启高速南通段土层形成环境及物 理性质分析 通启高速公路沿线分布于整个长江三角洲北翼 的滨海相沉积的地层上， 是长江三角洲平原的一部 分。 图2为通启高速公路沿线地层纵剖面示意图， 南通 ． ． 1 _ 一 启 东 。。乏 乏 一■ 乏 童 亥 象 誊。 。。 。 。。 ‘ 图2 通启线地层剖面示意图 F i g ． 2 S t r a t u m s e c t i o n al o n g the T o n g Q i R o a d 从工程地质勘察数据也显示该高速路沿线没发现硬 维普资讯 吴燕开等 土层工程性质与其沉积环境关系分析研究 粘土层的存在。整条路沿线主要地层与文献[ 2 ] 中 所反应的长江三角洲古河谷纵剖面图基本相符合。 由图2所示可对通启高速公路沿线地层划分为 4 层 第 1 层 ① 亚粘土及与粉砂互层的亚粘土， 埋 深6 ． 0～ 7 ． 0 m； 第 2 层 ② 砂层 粉砂、 细砂、 粉细砂局部中 砂 埋深 2 2 ． 0～ 2 6 ． O m； 第 3 层 ③ 软塑 ～流塑状亚粘土局部与亚砂 土互层 ， 埋深 4 0 ． 0～ 5 0 ． 0 m； 第4层 ④ 砂层， 未揭穿。 通启高速公路沿线浅部地层物理力学性质如表 2 所示， 对通启线地层物理力学性质进行分析 ， 通启 线南通段土层的粘粒含量较低， 浅部 5 0 m 主要以 砂性土类为主， 但砂性土类 中粘粒含量随土层的变 化有所不同。土层的塑限较小， 一般小于 1 5 ， 粘粒 含量一般均小于 5 ％。对于该地区土层的超固结比 O C R值 ， 除表层土受人为因素影响较大之外， 其他 土层的超固结比值变动不大， 均属于稍超固结土。 表 2 通启线南通段土层物理性质 T a b l e 2 P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f s o i l i n t h e N a n t o n g s e c t ，alo n g T o n g Q i R o a d 深度／ 天然含水 塑限 ／ 压缩系数 压缩模量 快剪 粘粒含量／ m m ％ 土层名称 粘聚力 内摩擦角 O C R m 量 ／ ％ ％ l 一 2 ／ MP a 一 E s ／ MP a 2～ O ． O 7 5 O ． O 7 5 ～ O ． o o 5 O ． o o 5 c ／ k P a ／ 。 1 ． 5 亚粘土 3 5 ． 5 2 3 ． 1 0 ． 7 4 2 ． 4 6 8 3 0 2 5 ． 0 7 5 ． 5 亚粘土 3 1 ． 5 1 3 ． 2 O ． 2 4 7 ． 6 4 6 ． 9 1 8 ． 6 1 2 ． 8 8 3 ． 3 3 ． 9 2 ． 1 4 l 1 ． 5 亚砂 土 2 3 ． 6 9 ． 7 O ． 1 2 l 3 ． 5 2 1 ． 5 3 4 ． 2 2 8 ． 1 6 9 ． 7 2 ． 2 2 ． 3 9 2 O ． 5 粉细砂 2 O ． 5 O ． 1 l 1 4 6 0 ． 4 2 8 ． 3 1 ． 3 1 ． 1 5 3 6 ． O 亚粘土 3 5 ． 5 1 9 O ． 5 6 3 ． 3 2 6 ． 3 1 2 ． 4 1 ． 0 6 5 l ， O 细砂 2 8 ． 3 O ． 3 3 5 ． 2 9 ． 3 2 7 ． 8 7 2 ． 1 2 6 ． 6 1 ． 3 1 ． 1 O 3 土层物理力学性质与其沉积环境 关系 由以上分析可看到， 在江苏苏北与长江沿岸的 土层存在着明显的区别 ， 之所以存在差异 ， 主要是因 为在同一个时期不同地区地层形成的沉积环境及水 动力条件差别很大， 沉积物来源也不尽相同， 因此导 致在不同地区同一历史时期沉积同一深度土层中， 其物理力学性质完全不同。对苏北及长江三角洲地 区的成陆机制、 沉积物源来源、 第四纪时期的沉积条 件等很多学者在这方面作了相当多的研究 J 。 3 ． 1 苏北沿岸地层形成环境分析 晚更新世末期， 全球气候干寒 ， 为大理冰期时 代。海面下降， 苏北发生大规模海退， 黄海大陆架大 部分脱离海水。在黄海海底、 长江口的钻孔中发现， 在全新世海相沉积层下， 普遍埋藏有淡水泥炭沉积， 表明苏北东隅包括黄海大陆架一带曾为陆相沼泽环 境或草原环境。至全新世， 全球气候转暖， 冰川消 退 ， 海面上升， 苏北发生大规模的海进 ， 东部沿海海 相地层发育。苏北地区主要经历两次大的海侵， 一 为晚更新世末期末次亚间冰期海侵 L G ， 一为全新 世冰后期海侵 P G ， 这两次海侵海退成为苏北滨海 平原第四纪地层的主要影响因素 图 3 。整个苏北 地区都有该两次海侵所留下的痕迹。 图3 苏北全新世最大海进时的海岸线 Fig ． 3 T h e mo s t t r a n s g r e s s i o n c o a s d i n e i n S u b e i d u r i n g Ho l o c e n e 由苏北晚更新世以来的海相地层分析可知， 苏 维普资讯 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 0 4 1 2 3 北晚更新世以来海进及其沉积具有如下几个特点 1 以掠港为界， 在掠港形成辐射状沙体， 在琼 港以北有三期海相地层， 海相地层与陆相地层相问， 说明了掠港以北地区海进过程较为复杂。而琼港以 南地区则全部为全新世海相地层， 说明其海进过程 较简单。 2 苏北晚更新世以来海进呈不断扩大之势 图 3 ， 但时代最新的一次海进范围仅限盐城及其以北 地区， 掠港南则无。 3 连云港地区海相地层一般厚在 3 0 m以内， 其南可达 4 0～ 5 0 m以上， 反映出构造运动对苏北晚 更新世以来海相沉积具有深刻的影响。 相关学者对钻孔进行古地磁测不定期与海相地 层的研究亦证实在苏北东台至连云港之间的地域内 晚更新世以来发生过三次海进， 并留下了三期海相 地层， 只是历次海进规模有所不同， 海相地层分布范 围可北至连云港， 南抵长江口， 遍及苏北沿海地区。 而且最上一层海相地层是在镇江海侵时期形成， 距 今已有7 5 0 0 a 左右的历史。苏北地区在海侵过程中 水流的水动力条件是较为平静的， 在随着海侵及海 退的过程中， 形成了现今的几层海相地层。 3 ． 2 长江沿岸地区当时环境分析 长江晚第四纪河 口地层 由末次冰期 L G 和冰 后期 P G 海侵沉积旋 回构成。长江三角洲的形成 经历了漫长的过程。根据相关的研究成果， 长江人 海口的位置是随着时间的推移而向南移， 也就是说， 最开始的长江人海 口是在现在人海口的北岸， 应该 在现在的启东位置向北一点。有关学者在研究长江 北翼的加密钻孔研究发现， 在长江沿岸有一狭窄的 硬粘土层缺失带 ， 该缺失带主系长江古河谷。因此 由古河谷的存在来推断当时长江的河面要比现今的 宽， 现今的南通启东一带都曾是长江的人海口位置。 在末次冰期低海面时也即 1 0 0 0 0 a 以前 ， 海平面 下降 1 3 0～ 1 5 0 m， 长江在现今东海陆架地区人海 ， 现 今长江三角洲地区暴露成陆。两岸的河间地发育成 古土壤。长江基面下降， 河流下切， 于古河谷内产生 了侵蚀面。该侵蚀面和古河谷间地的古土壤顶面构 成了长江三角洲地区末次冰期的区域不整合面。即 冰后期层序的底界面。古河谷在冰后期海侵前首先 接受溯源堆积距今 1 3 0 0 0～1 4 0 0 0 a ， 在距今 9 0 0 0 a 前 ， 由于海面变动海侵开始前结束。 镇江海侵是以长江三角洲河间地逐渐被淹没为 特征。海侵自东向西， 自古河谷向两侧逐渐扩展 ， 古 土壤被淹没， 并接受滨海沉积。在古河谷的低洼处， 海平面上升使排水不畅， 积水而成淡水沼泽， 局部出 现淡水湖泊沉积， 其时间距今为 1 0 0 0 0～ 7 5 0 0 a 左 右。当海侵达到最大范围后， 巨量的长江泥沙使三 角洲不断前展， 产生了三角洲和相应的河口坝， 从而 在三角洲地区完成了一个完整的海侵海退旋回。 结合对长江三角洲的研究情况 7 j ， 由于古河 谷的存在， 使硬粘土层缺失 ， 因此在没有硬粘土层的 情况下对该沿线地层进行确定年代有一定难度， 但 通过对现有的研究成果推断 在南通附近， 第 4 层砂 土为当是的古河谷沉积而成， 距今在 1 3 0 0 0 a ， 第 3 层 软塑 ～ 流塑状亚粘土和局部与亚砂土互层的地层是 在镇江海侵时形成的， 距今 7 5 0 0 a ， 第 2层的砂土是 镇江海侵后的多次小规模的海侵堆积形成的。距今 5 0 0 0 a ， 表层为距今 2 0 0 0 a 堆积而成的。由于海侵海 退对地层的侵蚀然后再沉积的形成规律， 可知地层 由下往上沉积时间变短 ， 对于同一层位的地层， 在长 江三角洲由西往东地层的沉积时间也由长变短。启 东嘴浅部地层其沉积时间是最短的， 表层大概7 0 0 a 左右 。 沿线地层其所形成 的环境是在镇江海侵时， 海 与河交互相的作用下沉积下来的。根据现有的研究 成果可知， 长江三角洲的物源主要来源于长江所带 来的大量的泥砂， 黄河夺淮改道后对长江三角洲的 堆积影响不大。其物源主要来 自长江河流所带来的 泥砂， 长江三角洲沉积形成时是处于一种氧化环境 下沉积堆积而成的。 4 不同环境下土层性质分析对比研究 由连盐线连云港段与通启线南通段的土层物理 性质的对比分析， 可以看到不同的沉积环境下， 由于 沉积物来源不同， 使在同一时间内， 在相近地区， 地 层的性质存在明显的差异。江苏沿海软土浅部地层 与长江三角洲浅层地层均是在第四纪的两次海侵过 程中形成的， 但 由于其沉积源不同及在沉积过程中 沉积环境不同， 苏北在当时是处于还原环境中， 而长 江三角洲地区则处于氧化环境中， 长江三角洲的沉 积源主要来 自长江所带来的泥砂， 而苏北地区期沉 积源主要来 自海水中所溶解的有机质， 局部为黄河 改道时带来的物源。因此， 从时间上来说， 两地区沉 积的年代相同但土层的性质完全不一样。 苏北沿海地区是在一种相对静止的海水中沉积 形成的， 在第四纪后期 ， 沉积物来源主要是海洋中的 维普资讯 吴燕开等 土层工程性质与其沉积环境关系分析研究 2 6 7 土颗粒， 局部地区为黄河改道苏北后黄河所携带的 物质。因此在苏北沿海特别是连云港地区普遍形成 一 层淤泥质软土， 该层软土具有高含水量、 高压缩 性、 低渗透性等特征。在该区形成的土层普遍粘粒 含量高， 塑限值大于 2 0 ， 软土的液限与天然含水量相 关不大。 长江三角洲地区， 由于在长江水流的水动力条 件作用下， 在海侵及海退过程中， 均受到长江水流的 动力影响， 因此在该区主要形成一种海相交互相的 土层。由于沉积过程水动力条件较强， 沉积下来的 土颗粒较粗， 主要为亚砂土、 粉细砂以及少量的软粘 土与粉细砂互层。该区的沉积物来源主要为长江水 流所携带的物质。但由于该区的水动力条件以及氧 化还原条件与苏北地区不一样 ， 该区主要是处于一 种氧化条件下所形成 ， 而连云港是在一种还原条件 中沉积形成。 通过比较发现， 不同环境下沉积的土层， 由于沉 积物的来源、 沉积的颗粒大小以及当时的沉积环境 不同， 造成了土层的物理力学性质的截然不同。 5 结论 通过对两个地区同一时期在不同的沉积环境中 形成的土层分析， 同时结合两地区土层的物理性质 的差异对 比可得 1 由于沉积物源来源不一样， 在同一时间沉积 的土层 ， 其物理力学性质是完全不一样的。 2 由通启线南通段的土层物理性质与连盐线 连云港段土层物理性质分析结果， 长江三角洲在沉 积过程中是处于一种较激烈的水动力条件下形成 的。而连云港地区则处于一种静止水力条件下形成 的。由于沉积过程水动力条件的不同， 沉积物的颗 粒大小也不一样， 造成了其物理力学性质上的差异。 3 把沉积学、 海洋地质学与土的物理力学性质 分析相结合起来， 能更好地 了解土层的性质。为工 程的安全建设提供更有力的保障。 参考文献 [ 1 ] 章定文， 刘松玉， 于新豹． 连云港海相软上工程特性及处治方法 探讨[ J ] ． 工程地质学报， 2 0 0 3 ， 1 1 3 2 5 0～ 2 5 7 ． Zh a n g Di n g we n， Uu S o n g y u，YU Xi n b a o ．Di s c u s s i o n o n t h e e n s i n e e rin g c h a r a c t e r i s t i c s o f i n n e s o f t s o i l a n d me t h o d f o r i t s tr e a t me n t i n L i ang y u ng a n g ． J o u rnal of E n g i n e e r i n g G e o l o g y ． ， 2 0 0 3， 1 1 3 2 5 0～2 5 7 ． [ 2 ] 李从先， 张桂甲． 晚第四纪长江三角洲高分辨率层序地层学的 初步研究[ J ] ． 海洋地质与第四纪地质， 1 9 9 6 ， 1 6 3 l 3～ 2 2 ． L i C o n s x i an ，Z h a n g G u ij i a ．A p r i ma r y s t u d y o n h i s hr e sol u t i o n s e q u e n c e s tr a t i g r a p h y of l a t e q u a t e rna r y i n t h e Yan g t z e fiv e r d e l t a a r e a ．Ma r i n e g e o l o gy ＆ Qu a t e r 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