洞庭湖區(qū)湖相土研究現(xiàn)狀

肖蘭 魏彥昭

摘 要：本文針對洞庭湖區(qū)湖相土的研究歷程，簡要分析各個方向的已有研究成果，淺談對洞庭湖區(qū)湖湘土發(fā)展展望，為今后研究方向提供參考。

關(guān)鍵詞：洞庭湖區(qū)；湖相土；研究歷程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.112

0 引言

洞庭湖區(qū)水系發(fā)達(dá)，地下水位高，且常年澇災(zāi)，土質(zhì)松軟，嚴(yán)重影響公路穩(wěn)定性，制約了洞庭湖區(qū)域公路的建設(shè)和發(fā)展。

長期以來，受國內(nèi)發(fā)展政策的影響，學(xué)者們的關(guān)注重點基本放在海相土，內(nèi)陸湖相土研究滯后。雖然兩者性質(zhì)多有相同，但也存在較大差異。湖相土以分散結(jié)構(gòu)為主，密度較大，排列不一，具有典型的各向異性。海相土以絮凝結(jié)構(gòu)為主，具有較大的孔隙，對擾動比較敏感，性質(zhì)比較均勻，且各向同性較好。當(dāng)兩者孔隙比相同時，凝聚結(jié)構(gòu)比分散結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度、較低的壓縮性和較大的滲透性。此外海相土與湖相土在有機(jī)質(zhì)含量上也有較大差距[1]，因此湖相土不能完全套用海相土的理論。

洞庭湖區(qū)湖相土研究起步較晚，關(guān)于其研究發(fā)展主要可分為如下幾個方面。

1 土質(zhì)問題發(fā)現(xiàn)

早在1995年，熊慶收[2]曾提到在洞庭湖區(qū)的安鄉(xiāng)大橋表面覆蓋了極容易發(fā)生液化現(xiàn)象的淤積質(zhì)砂型軟土，在設(shè)計纜索吊裝面臨很大的問題。

1999年，賀建林[3]、李定雄[4]等人提出在治理地方失事時，應(yīng)當(dāng)考慮到地質(zhì)災(zāi)害等問題，認(rèn)識到洞庭湖區(qū)的堤防失事的地質(zhì)原因主要有：（a）當(dāng)滲透路徑不足引起的滲透破壞；（b）壓縮性大且具有明顯流變性的淤泥、淤泥質(zhì)軟土引起的地基沉降。

顯然學(xué)者們早已關(guān)注到洞庭湖區(qū)土質(zhì)是引發(fā)工程事故的重要原因，但是限于條件，并沒有結(jié)合試驗與理論分析。

2 試驗分析發(fā)展

（1）軟土物理力學(xué)性質(zhì)分析。土體三相之間量的比例關(guān)系與力學(xué)參數(shù)反應(yīng)土體物理力學(xué)性質(zhì)，工程師們在大量調(diào)查與試驗基礎(chǔ)上，探究了洞庭湖區(qū)各物理力學(xué)指標(biāo)取值范圍與其之間相關(guān)關(guān)系。

張重杰[5]以某高速公路典型軟弱土地層土樣為研究對象，開展大量物理力學(xué)試驗分析，給工程提供了相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)參考值，并分析了液限wL與塑性指數(shù)Ip之間以及土的孔隙比e與壓縮模量E1～2、壓縮指數(shù)Cc和壓縮系數(shù)a1～2之間相關(guān)性。

吳建寧[6]總結(jié)洞庭湖區(qū)20多項工程的勘察資料，給出洞庭湖區(qū)第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)較為完善的分類，為工程提供可供參考的物理力學(xué)指標(biāo)取值范圍與地區(qū)性經(jīng)驗公式。

左旺[7]以洞庭湖區(qū)軟土為研究對象，分別采用直剪儀、GDS三軸儀測試了洞庭湖區(qū)軟土在不同的條件下抗剪強(qiáng)度，試驗結(jié)果表明洞庭湖區(qū)軟土抗剪強(qiáng)度較低，且抗剪強(qiáng)度隨著固結(jié)度的增長呈現(xiàn)先快后慢的增長趨勢。

裴竹松[8]利用GDS高級固結(jié)系統(tǒng)對洞庭湖軟土采用分級加載的方式，先后進(jìn)行了不同方向排水條件下固結(jié)試驗、連續(xù)加載固結(jié)試驗，試驗結(jié)果表明洞庭湖區(qū)軟土具有壓縮性較大，徑向排水速率大于豎向排水速率等特點。

洞庭湖區(qū)在緩慢的水流下沉積了大量湖泊相土，以更新世地層中軟土為主，層厚局部地段達(dá)40余m，全新世地層中的軟土分布次之，層厚一般小于10m。通常淤泥層夾有薄砂層，主要特征為含水量較高、孔隙比較大、壓縮模量大、抗剪強(qiáng)度較低、擾動易發(fā)生液化，且砂礫層的存在，常導(dǎo)致滲透路徑過短而發(fā)生滲透破壞[9-10]。

（2）軟土蠕變特性研究。軟土具有明顯的次固結(jié)現(xiàn)象，吳建寧[6]曾提到洞庭湖區(qū)某大橋基礎(chǔ)沉降變形蠕變現(xiàn)象較強(qiáng)烈，但并有加以探討。

鄧宗偉[11-12]等以洞庭湖區(qū)原狀軟土為研究對象，進(jìn)行了室內(nèi)一維固結(jié)流變試驗，試驗結(jié)果表明當(dāng)應(yīng)力水平低于某應(yīng)力閾值時，軟土的蠕變特性服從Schiffman模型規(guī)律，當(dāng)應(yīng)力水平高于某應(yīng)力閾值時，軟土的蠕變特性服從西原模型規(guī)律。并在其提出的改進(jìn)西原模型基礎(chǔ)上，通過Laplace變換反變換與積分的方法推導(dǎo)了多級加載條件下的統(tǒng)一解析解。

同年曹志偉[13]以三軸試驗為研究手段，在圍壓100kPa條件下，以等差加載方式得到軟土蠕變曲線，通過分析得到與鄧宗偉類似的蠕變本構(gòu)模型。

對于已有流變方面研究，筆者有如下自己的見解：（a）土體破壞主要為剪切破壞，一維狀態(tài)下金屬環(huán)可提供無限大的側(cè)向壓力，因此在400kPa下破壞這一說法有待考究。（b）在一維固結(jié)的條件下不存在塑性，之所以會出現(xiàn)試驗擬合的結(jié)果，是因為在高應(yīng)力水平下，次固結(jié)相對于主固結(jié)較小，用數(shù)值無法精確表示，當(dāng)主固結(jié)基本完成才顯現(xiàn)。（c）應(yīng)力閾值應(yīng)是與先期固結(jié)壓力有關(guān)的值。

（3）動力試驗。嚴(yán)格來說，大多數(shù)荷載都不是靜止的，因此靜荷載下的試驗結(jié)果往往不全面，隨著人們對土受力特點逐漸了解，動荷載成了學(xué)者們新的探索領(lǐng)域。近年來動力試驗裝置的引進(jìn)，學(xué)者們開展了關(guān)于洞庭湖區(qū)湖相土動力特性方面的試驗。

張莎莎[14]自主研制了可以模擬飽和土體不同固結(jié)狀態(tài)的離心模型試驗裝置。曾向軍[15]、唐葭[16]等考查動應(yīng)力幅值、振動頻率和圍壓3個因素對土體性質(zhì)的影響。昌思[17]探究動應(yīng)力幅值、圍壓、固結(jié)比和加載頻率對飽和粉質(zhì)黏土累積塑性應(yīng)變的影響。

從已有研究成果來看，洞庭湖區(qū)湖相土對動力荷載相對比較敏感，相同土質(zhì)在不同的動荷載下，或不同的土質(zhì)在相同動荷載條件下，土體表現(xiàn)出不同物理力學(xué)性質(zhì)，因此選擇提供參數(shù)的試驗方案時應(yīng)當(dāng)充分考慮工程施工與使用過程中可能會出現(xiàn)荷載特點。

（4）硬殼層。軟土地基表層經(jīng)過各種物理化學(xué)因素長期作用，會逐漸變干形成一層厚度不大但具有較高強(qiáng)度和較好結(jié)構(gòu)性硬殼層，工程中若充分利用其優(yōu)點，將大大減小工程造價，因此硬殼層的研究是相當(dāng)有意義的。

楊彬[18]、江唯偉[19]等基于一系列室內(nèi)試驗結(jié)合沉降計算提出當(dāng)洞庭湖區(qū)軟土硬殼層（粉質(zhì)黏土層）覆蓋于軟土層上（淤泥質(zhì)軟黏土）的地基，因硬殼層本身壓縮性較小，且上硬下軟成層地基的應(yīng)力擴(kuò)散作用有利于土體穩(wěn)定，能夠直接加以利用。此外趙燕茹[20]以原位載荷試驗結(jié)合室內(nèi)原狀土力學(xué)實驗參數(shù)，推導(dǎo)了硬殼層的沉降特性的力學(xué)模型以及沉降和應(yīng)力擴(kuò)散的理論公式。

3 地基處理發(fā)展

根據(jù)洞庭湖區(qū)土質(zhì)特征，學(xué)者們相繼提出多種地基處理和堤壩災(zāi)害治理的方法。

劉戰(zhàn)輝[21]最早以應(yīng)力擴(kuò)散為原理提出采用場地強(qiáng)夯加固處理軟土地基，即在洞庭湖區(qū)軟土及回填土設(shè)置強(qiáng)夯墊層，強(qiáng)夯使其形成較厚的較均勻密實硬殼層，形成上層堅硬下層軟弱的應(yīng)力擴(kuò)散的土層分布狀態(tài)，從而消除不均勻沉降達(dá)到變形要求。

隨后學(xué)者們根據(jù)不同的地質(zhì)條件提出了砂樁、水泥粉噴樁、振動沉管灌注砂樁、攪拌樁、鉆孔灌注樁、防滲墻、塑料排水帶、塑料排水板、沉樁、PHC管樁、真空預(yù)壓排水固結(jié)法、動力排水固結(jié)法[22-31]等處理方法。各種處理方法都具有其相應(yīng)的優(yōu)點，選擇處理方案時應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件與經(jīng)濟(jì)性篩選出最合適的方法。

雖然學(xué)者們對地基處理種類探討較多，但對地基處理中具體如何充分利用材料，節(jié)省經(jīng)費和工期，探討相對較少。就樁基礎(chǔ)而言，隨著工程對承載要求的提高，樁型趨向于更深、更粗，介于洞庭湖區(qū)軟土層較深，樁型一般按摩擦型樁設(shè)計，如此設(shè)計中若選用樁型過粗，則不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)要求；樁型過長則難以達(dá)到穩(wěn)定性要求，因此選用何種類型的樁型與樁長值得探究。當(dāng)然其他處理方法也有大量可探討的地方，有待學(xué)者去發(fā)現(xiàn)。

4 其他

此外近年來隨著計算的發(fā)展新理論的引進(jìn)，更多理論分析開始結(jié)合數(shù)值模擬探討，如左旺[7]基于試驗基礎(chǔ)結(jié)合ABAQUS模擬三軸試驗過程，證明試驗結(jié)論可靠性。段杰[32]構(gòu)建ADINA有限元計算模型，得到了沉樁及水位變化對土體沉降的影響規(guī)律。計算機(jī)的發(fā)展減少人為工作量，雖然操作過程死板，但是若能較好的運用，對試驗及工程技術(shù)的發(fā)展都有較大的用途。

5 結(jié)論

（1）已有成果表明洞庭湖湖相土的研究，雖涉及方面較廣，但相對較少，隨著國家經(jīng)濟(jì)重心的轉(zhuǎn)移，湖相土的研究逐漸趨于復(fù)雜化，從最初的經(jīng)驗之談到現(xiàn)在的復(fù)雜試驗、理論引入、土工數(shù)值模擬分析，研究手段不斷進(jìn)步，理論不斷創(chuàng)新。

（2）該地土質(zhì)的基本物理力學(xué)性質(zhì)研究相對成熟，而其他方面的研究善存在缺陷，人們對大自然的認(rèn)識是進(jìn)步的過程，因此學(xué)者們應(yīng)當(dāng)勇于提出自己的質(zhì)疑，才能使得科學(xué)進(jìn)步。

（3）已有研究成果主要著重于宏觀方面的研究，微觀方面并未涉及。土的結(jié)構(gòu)與礦物質(zhì)成分對土的物理力學(xué)性質(zhì)有重要影響，相關(guān)方面還有待探究。

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作者簡介：肖蘭（1992-），女，湖南漣源人，碩士研究生在讀，主要研究方向：巖土工程。