云南山間盆地軟土成因及其工程特性

李興慶，李桂林，周　葒，劉人瑜

（1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,云南昆明650011；2.云南省楚雄州楚南一級(jí)公路建設(shè)工程指揮部，云南楚雄675000；3.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092）

云南山間盆地軟土成因及其工程特性

李興慶*1，李桂林2，周葒2，劉人瑜3*

（1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,云南昆明650011；
2.云南省楚雄州楚南一級(jí)公路建設(shè)工程指揮部，云南楚雄675000；3.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092）

云南地區(qū)山間盆地軟土發(fā)育種類(lèi)多，工程特性復(fù)雜。通過(guò)收集云南省內(nèi)交通工程軟基勘察資料，歸納了云南山間盆地軟土在區(qū)域構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)條件、軟土分布等方面的特點(diǎn)，并對(duì)山間盆地軟土的形成機(jī)理進(jìn)行探討，獲得了云南地區(qū)軟土在空間分布、物理力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。分析了進(jìn)行交通工程建設(shè)可能面臨的工程地質(zhì)問(wèn)題，為云南山間盆地軟土地基處理方案的選擇提供參考。

山間盆地；軟土成因類(lèi)型；軟土形成機(jī)理；工程特性

我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)軟土因其形成環(huán)境、年代、地質(zhì)等條件的不同，表現(xiàn)出不同的特性。由于云南地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，不良地質(zhì)和特殊巖土發(fā)育，其中軟土是發(fā)育范圍最廣的一種特殊土。云南地區(qū)的軟土多分布在山間溝谷中，其在成因上與我國(guó)東南部沿海地區(qū)濱海相或?yàn)a湖相沉積的軟土不同。由于不同成因類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)含量不同的軟土，其工程性質(zhì)存在很大差別，地區(qū)性軟土特征的研究對(duì)工程建設(shè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。已有許多學(xué)者對(duì)地區(qū)性軟土進(jìn)行了研究，符必昌等［1］曾對(duì)昆明盆地軟土成因進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)軟土進(jìn)行了工程分類(lèi)；Zhu［2］等曾對(duì)溫州海相軟土的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和回歸分析；Jiang［3］建立了長(zhǎng)江下游軟土物理力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)方程；金建榮［4］對(duì)我國(guó)華南地區(qū)山間谷地軟土的特性進(jìn)行了總結(jié)；楊文輝等［5］將大麗鐵路沿線(xiàn)軟土的成因劃分為湖積、沖洪積、坡洪積、坡殘積軟土類(lèi)型。這些成果對(duì)相應(yīng)地區(qū)的工程建設(shè)具有借鑒意義。

云南山區(qū)軟土分布零星，不同山間谷地軟土性質(zhì)差異較大，甚至同一谷地內(nèi)發(fā)育的軟土在不同位置也存在性質(zhì)上的差異，這給工程建設(shè)帶來(lái)很大困難。崔溦［6］將山間谷地軟基處理面臨的困難歸納為：巖土性質(zhì)復(fù)雜，地形地貌多變，常見(jiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象和施工環(huán)境復(fù)雜等。

由于山間谷地軟土的分布規(guī)律和工程特性研究程度較淺，這類(lèi)軟基的工程處理經(jīng)驗(yàn)不足。如按一般軟土地基進(jìn)行地基處理，往往難以達(dá)到預(yù)期的加固效果。因此，有必要對(duì)云南山間谷地軟土的成因類(lèi)型、分布特征及工程性質(zhì)進(jìn)行梳理和歸納，為本地區(qū)軟基處理技術(shù)方案的適用性分析和地基加固方案的選擇提供支撐。

1　云南山間盆地軟土的沉積環(huán)境及成因

1.1山間盆地典型軟土的沉積環(huán)境

一般來(lái)講，山間谷地軟土發(fā)育特點(diǎn)是分布面積不大，但在云南省也存在幾個(gè)軟土分布較為集中的區(qū)域，如昆明、大理和騰沖等地區(qū)山間盆地發(fā)育的軟土，其在地質(zhì)環(huán)境條件、軟土成因等方面具有代表性。根據(jù)滇池環(huán)湖南路、大理至麗江高速公路、保山至騰沖高速公路的軟土地基勘察資料，歸納軟土的沉積環(huán)境及特點(diǎn)見(jiàn)表1。

1.2軟土形成條件及影響因素

（1）氣候環(huán)境和水文地質(zhì)條件。云南跨熱帶、亞熱帶和溫帶，氣候地處云貴高原，受東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)的交叉影響，降水豐沛，地表水和地下水豐富。軟土分布區(qū)的工程資料顯示，這些區(qū)域降雨量大，地下水埋藏豐富，是形成軟土的外因。

（2）地形地貌因素。云南省內(nèi)大理、麗江、鶴慶、劍川、保山、騰沖乃至昆明等地區(qū)的斷陷盆地及邊緣均分布著深厚軟土。從地貌類(lèi)型上，依次為高原山地、山前平原、山間洼地及盆地周邊緩坡等地帶，是第四系各種成因松散物質(zhì)堆積的有利場(chǎng)所，為沖湖積和沖洪積的軟土形成創(chuàng)造了地形地勢(shì)上的條件。

（3）新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響。云南軟土地區(qū)集中在西北部地區(qū)及中部地區(qū)。西北地區(qū)大部分位于青、藏、滇、緬巨形“歹”字型構(gòu)造西支中段與經(jīng)向構(gòu)造體系的復(fù)合部位。喜馬拉雅山運(yùn)動(dòng)以來(lái)，由于印度板塊與歐亞板塊相碰撞縫合帶附近，發(fā)育深大活動(dòng)斷裂，地殼升降幅度大，山高坡陡，地形地質(zhì)條件十分復(fù)雜［7］。中部地區(qū)主要是指昆明周邊地區(qū)，位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西部川滇臺(tái)背斜與滇東臺(tái)褶皺帶的交匯部位。在大地構(gòu)造背景下，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，形成復(fù)雜的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制著各盆地的相對(duì)上升和下降，致使各盆地反復(fù)地?cái)U(kuò)大或縮小，這些斷陷盆地為軟土發(fā)育提供了堆積的場(chǎng)所。從這種意義上來(lái)說(shuō)，云南地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造特征是山區(qū)軟土形成的根本原因。

1.3云南山間盆地軟土成因類(lèi)型

（1）沖洪積、沖湖積軟土。此類(lèi)軟土屬于云南地區(qū)山間盆地軟土中最普遍出現(xiàn)的。由于存在山區(qū)軟土形成的地形地貌條件，地表有機(jī)物質(zhì)和軟巖風(fēng)化物經(jīng)過(guò)流水搬運(yùn)，沉積在地勢(shì)較低處，加上云南地區(qū)水系流域眾多，就在此形成各種洼地。洼地處植被豐富的沉積層經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的飽水軟化和微生物的分解作用而形成軟土［8］。此類(lèi)成因的軟土，類(lèi)型一般以淤泥、淤泥質(zhì)土為主。

（2）湖相、湖沼相軟土。昆明滇池?cái)嘞菖璧睾投嘞菖璧胤植加写祟?lèi)型軟土。由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，云南地區(qū)大大小小的斷陷盆地開(kāi)始形成并接受湖相沉積，湖水淹沒(méi)了植被發(fā)育的地段后發(fā)生沼澤化，當(dāng)?shù)厮蛄鲃?dòng)受阻形成相對(duì)封閉的水域，形成規(guī)模較大的沼澤。大量水生、濕生植物的根、莖、葉等經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，最終形成泥炭、泥炭質(zhì)土［9］。

（3）坡殘積軟土。坡殘積、坡洪積軟土分布地區(qū)一般會(huì)有容易泡水軟化的軟巖分布。毛斌［10］把這種類(lèi)型的軟土稱(chēng)作“斜坡軟土”，卿三惠等［11］稱(chēng)“坡麓相斜坡軟土”。分布這種類(lèi)型軟土的地段一般上部或下部是一個(gè)透水帶，相鄰巖層是不透水的炭質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、泥巖、泥灰?guī)r等軟巖。不透水巖層與透水巖層互層，地表水或者地下水流經(jīng)不透水巖層時(shí)滯留，長(zhǎng)時(shí)間浸泡軟化軟巖，使其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)接近于軟土。若地表水或地下水豐富，多余的水穿過(guò)透水帶繼續(xù)浸泡下層軟巖形成軟土。

表1　山間盆地典型軟土的沉積環(huán)境

2　云南山間盆地軟土的特征及工程特性

云南山間盆地軟土幾乎都分布在水系豐富的盆地內(nèi)或盆地邊緣。顯然，其沉積方式也不同于沿海和一般平原地區(qū)的軟土。選取云南地區(qū)具有代表性的工程勘察資料，總結(jié)各軟土層的空間分布、物理力學(xué)性質(zhì)方面和工程特性。

2.1軟土的空間分布特征

云南地區(qū)山間盆地軟土成因大致能歸為3類(lèi)：沖洪積或沖湖積軟土、湖相軟土、坡殘積或坡洪積軟土。按其成因方面的不同特點(diǎn)，在空間分布上也各自有一定規(guī)律。

沖洪積、沖湖積軟土一般會(huì)形成1～2層軟土。這是因?yàn)闇瞎忍幍某练e層形成軟土后，后期周?chē)襟w風(fēng)化崩塌，會(huì)覆蓋先期形成的軟土層，山間洼地地形地貌逐漸變化，形成了新的排水路徑，軟土上層的沉積物逐漸風(fēng)化沉積，形成表層硬殼層。當(dāng)周?chē)襟w再次風(fēng)化崩塌，阻礙排水路徑時(shí)，又開(kāi)始出現(xiàn)洼地，繼而逐漸形成上層軟土。因此“軟土—硬殼層—軟土”結(jié)構(gòu)的豎向分布在此類(lèi)成因的軟基中很常見(jiàn)。湖相、湖沼相成因的軟土一般分布面積大，縱向土層軟硬相間、含水層與隔水層互層、高壓縮性土與低壓縮性土交錯(cuò)［12］。坡殘積相的軟土分布面積小，沿巖層方向發(fā)育，呈透鏡狀或雞窩狀。

2.2軟土的物理力學(xué)特性

對(duì)收集的工程勘察資料進(jìn)行整理，將云南幾個(gè)山間盆地軟土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)參數(shù)匯總成表2和表3，軟土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)顯示出了其鮮明的特點(diǎn)。

2.3軟土的工程特性

表2　軟土物理性質(zhì)參數(shù)表

表3　軟土力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

云南山間盆地軟土成因類(lèi)型多樣，導(dǎo)致其成分復(fù)雜，同一地區(qū)物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異。通過(guò)收集云南地區(qū)高速公路軟土地基勘察資料，并結(jié)合地基處理過(guò)程發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，山間盆地軟土的特點(diǎn)歸納如下：

（1）均勻性差。云南山間盆地因其沉積環(huán)境復(fù)雜，軟粘性土、有機(jī)質(zhì)土、淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土的均勻性很差。軟土成因以沖洪積或沖湖積為主，其次是湖積，小部分是殘坡積或坡洪積。由于成因類(lèi)型不同，導(dǎo)致同一地區(qū)軟土性質(zhì)隨空間分布差別很大。

（2）壓縮性高。表3中的各類(lèi)軟土壓縮系數(shù)為0.7～7.9MPa-1，壓縮模量為1.2～3.5MPa，壓縮系數(shù)均大于0.5MPa-1，屬于高壓縮性土。其中泥炭質(zhì)土的壓縮系數(shù)整體要比其他土類(lèi)大。

（3）固結(jié)系數(shù)小。軟土豎直向的固結(jié)系數(shù)為（0.3～1.1）×10-3cm2/s，小于一般濱海相或湖相軟土固結(jié)系數(shù)2.19×10-3cm2/s［13］。固結(jié)過(guò)程很緩慢，在荷載作用下完成固結(jié)沉降需要的時(shí)間長(zhǎng)。

（4）強(qiáng)度低。軟土的快剪強(qiáng)度指標(biāo)cq一般為1.9～12.8kPa，φq一般為2.3°～7.9°，標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)為3～7，比貫入阻力PS為310～570kPa。承載力標(biāo)準(zhǔn)值為40～80kPa。由此可知，云南山間谷地軟土抗剪強(qiáng)度低。

3　軟土地基的工程地質(zhì)問(wèn)題

基于對(duì)云南山間盆地軟土發(fā)育特征及其工程特性的認(rèn)識(shí)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可歸納軟土地基的主要工程地質(zhì)問(wèn)題：

（1）山間盆地軟土空間發(fā)育不均勻，特別是盆地邊沿或一些山間谷地，軟土厚度差異較大，在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)將面臨軟土地基沉降不均勻問(wèn)題。

（2）在特殊的地理環(huán)境中，一般山間盆地軟土地基發(fā)育厚度有限，有時(shí)直接覆蓋在基巖之上，當(dāng)基巖面傾斜時(shí)，軟土地基存在沿軟土與基巖接觸面整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）山間盆地軟土不僅強(qiáng)度底，而且其特性隨季節(jié)、降水變化大。如工程排水設(shè)計(jì)不當(dāng)，在雨季易因地表水匯集，浸泡軟土地基，進(jìn)一步降低軟土地基承載力。

（4）與一般軟土地基類(lèi)似，山間谷地軟土的孔隙比大，壓縮性大，固結(jié)系數(shù)小，軟土地基在建構(gòu)筑物荷載作用下沉降變形大，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

針對(duì)云南山間盆地軟土的工程地質(zhì)問(wèn)題，在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，不僅要吸收一般軟土地基上的工程經(jīng)驗(yàn)，而且應(yīng)在工程地質(zhì)勘察和地基處置上更要有針對(duì)性。一方面通過(guò)勘測(cè)工作，查明軟土空間分布特征和基本物理力學(xué)性質(zhì)，另一方面要選擇適合具體工程的軟基處理技術(shù)方案，確保地基的整體穩(wěn)定性和工后沉降均勻性。

4　結(jié)論

通過(guò)整理分析云南地區(qū)山間盆地軟土地基的勘察資料，對(duì)軟土的形成環(huán)境進(jìn)行了歸納，總結(jié)了軟土的物理力學(xué)性質(zhì)和工程特性，提出了軟基可能存在的工程地質(zhì)問(wèn)題。結(jié)論如下：

（1）云南地區(qū)山間谷地軟土的形成與區(qū)內(nèi)充沛的降雨、地表豐富的水系有關(guān)；云南地區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是軟土形成的地質(zhì)背景。云南地區(qū)規(guī)模大小不一的盆地很多，是這軟土形成的地勢(shì)和場(chǎng)地條件。

（2）云南地區(qū)因其復(fù)雜的地質(zhì)條件和地形地貌，軟土成因復(fù)雜。主要成因類(lèi)型有沖洪積相軟土或沖湖積相軟土、湖相沉積軟土、坡洪積相或坡殘積相軟土。

（3）云南地區(qū)軟土，根據(jù)不同成因類(lèi)型，在空間分布上各有特色。不同成因類(lèi)型軟土具有空間分布不均勻的共同點(diǎn)。在物理力學(xué)性質(zhì)上，同常規(guī)軟土一樣具有含水量大、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，同時(shí)固結(jié)系數(shù)小，軟土性質(zhì)隨空間變化大。

（4）在山間盆地進(jìn)行工程建設(shè)面臨的工程地質(zhì)問(wèn)題，除了一般軟土地區(qū)共有的地基沉降大和穩(wěn)定差外，由于其空間發(fā)育不均和基巖埋藏淺，還存在地基沉降不均勻和沿基巖面破壞的整體穩(wěn)定性問(wèn)題。

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TU447

A

1004-5716（2016）01-0005-04

2015-01-17

李興慶（1974-），男（漢族），陜西安康人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事巖土工程技術(shù)工作。