基于變異性分析的滇池泥炭土的小范圍空間分布規(guī)律及物理力學(xué)性質(zhì)

張 蕾，閆吉祥，曹 凈，桂 躍

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

引言

泥炭質(zhì)土是有機(jī)質(zhì)含量大于或等于10%且小于或等于60%的土，它是由各類植物殘?bào)w在生物分解作用下形成的有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)礦物，后經(jīng)漫長(zhǎng)的沉積作用最終形成。泥炭質(zhì)土多分布在濕地、湖泊、沼澤、灘涂等含腐植物豐富地域［1-2］。該類土層具有較高的含水量、壓縮性、密度較小，通常呈現(xiàn)軟塑～流塑狀態(tài)。泥炭質(zhì)土在昆明滇池流域廣泛分布，對(duì)工程的安全施工有著極大的影響，在工程中通常作為特殊土處理［3-4］。國(guó)內(nèi)外發(fā)生過(guò)多起由泥炭土地基引發(fā)的工程事故，例如Robert［5］報(bào)道一起房屋開(kāi)裂工程事故，由泥炭土地基不均勻沉降高達(dá)10 cm。Pichan［6］報(bào)道了愛(ài)爾蘭某地河堤泥炭土地基沉降量高達(dá)1.0 m，嚴(yán)重影響了防洪能力及堤壩的安全性。

除對(duì)工程建設(shè)有較大影響外，泥炭土對(duì)農(nóng)學(xué)、植物學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域也有較大影響，例如，在泥炭沼澤地區(qū)排水造田時(shí)，有機(jī)質(zhì)降解導(dǎo)致的次壓縮量甚至超過(guò)了主固結(jié)沉降量，給農(nóng)田規(guī)劃、利用和管理帶來(lái)較大影響［7］。Franzen［8］在瑞士Komosse Bog 地區(qū)觀測(cè)到的泥炭沼澤地面沉降的速率超過(guò)3.5 mm/a，誘發(fā)因素包括氣候變化、地下水作用和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)等。

昆明作為云南省會(huì)城市，在不斷向新一線城市邁進(jìn)的同時(shí)，也在不斷加快現(xiàn)代化城市的基礎(chǔ)建設(shè)，以高層建筑和地下軌道為代表的重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在昆明掀起了建設(shè)的大潮。目前雖已形成較多的軟土層處理等相關(guān)研究成果［9～11］，但由于滇池泥炭質(zhì)土廣泛分布，且形成時(shí)間較短，多具有上覆蓋層較薄、固結(jié)程度較低等不良地質(zhì)特點(diǎn)，引發(fā)過(guò)多起泥炭土地基工程事故。于1997 年建成的昆明老廣福路使用一年即產(chǎn)生了500 mm 的沉降；云南省農(nóng)牧漁業(yè)廳13層牧工商大樓建成近一年的時(shí)間平均沉降達(dá)256 mm［12］。昆明市南市區(qū)近滇池區(qū)域存在兩個(gè)明顯沉降槽，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，1987～1998年間沉降量高達(dá)67.8～282.4 mm，平均8.6～25.7 mm/a［13］。目前云南已有108個(gè)縣區(qū)對(duì)泥炭土的分布有所揭露［14］，泥炭土不良地基現(xiàn)已成為昆明地區(qū)地下建設(shè)工程中首要解決的地質(zhì)問(wèn)題及難點(diǎn)。

匯總眾多泥炭土的研究成果發(fā)現(xiàn)［14～22］，多數(shù)對(duì)泥炭土的研究成果僅針對(duì)工程所在地的小范圍個(gè)別指標(biāo)進(jìn)行分析，研究成果較為零散，對(duì)工程建設(shè)無(wú)法起到有效的參考借鑒意義，針對(duì)滇池流域泥炭質(zhì)土全面統(tǒng)計(jì)分析的成果更是嚴(yán)重缺乏［23］。泥炭質(zhì)地基土是昆明地區(qū)建設(shè)工程中地基問(wèn)題關(guān)注的重點(diǎn)，其土體參數(shù)指標(biāo)的合理選取對(duì)工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。基于此，文中收集整理31個(gè)昆明市多地的泥炭質(zhì)地基土工程的地勘報(bào)告，對(duì)泥炭土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果研究滇池泥炭質(zhì)土層的分布規(guī)律及泥炭土主要物理力學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律。

1 滇池泥炭土分布規(guī)律

1.1 滇池泥炭土空間分布特征

泥炭土形成時(shí)間漫長(zhǎng)，經(jīng)歷晚更新世（Q3）、全新世初期（Q41）、全新世中期（Q43）3 個(gè)時(shí)期［1］，距今有9.3 萬(wàn)年歷史。對(duì)于滇池流域而言，泥炭質(zhì)土多分布在第四系湖沼層（Qal+pl、Ql+h）、沖洪層之中。

滇池地處云貴高原中部，昆明市總體趨勢(shì)北高南低，位于金沙江、南盤(pán)江、紅河流域的分水嶺地帶，屬金沙江流域滇池水系，包括盤(pán)龍江、金汁河、寶象河、白沙河等多條河流，其中以盤(pán)龍江為主要供水來(lái)源，多條河流匯集下形成了水氣封閉、氣候濕潤(rùn)的滇池流域，為泥炭質(zhì)土的發(fā)育提供了良好的環(huán)境條件。西山區(qū)、官渡區(qū)、五華區(qū)、盤(pán)龍區(qū)作為昆明市主城區(qū)，建筑密度大，人員分布密集，也是泥炭質(zhì)土分布及整治的重點(diǎn)區(qū)域。

蔣忠信［1］在對(duì)滇池沿線進(jìn)行地質(zhì)勘探研究中發(fā)現(xiàn)，在滇池南北部區(qū)域與臨近滇池東部的官渡區(qū)、呈貢區(qū)以及滇池西岸?？诓糠值貐^(qū)的地質(zhì)勘探孔中均揭露泥炭質(zhì)土層。文中對(duì)滇池周邊31 個(gè)泥炭土地基項(xiàng)目的場(chǎng)地勘察資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得滇池泥炭土局部分布規(guī)律，將項(xiàng)目分布地點(diǎn)及滇池泥炭土分布圖進(jìn)行繪制，如圖1～圖2所示。

圖1 工程項(xiàng)目分布圖Fig.1 Project distribution map

圖2 滇池泥炭土分布圖Fig.2 Distribution map of peat soil in Dianchi lake

由圖2可知昆明市西山區(qū)、官渡區(qū)、五華區(qū)、呈貢區(qū)、晉寧縣、盤(pán)龍區(qū)6個(gè)片區(qū)沿滇池由北向南依次分布，其中盤(pán)龍區(qū)位于滇池東北部，距離滇池最遠(yuǎn)。

1.2 泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)

鑒于西山區(qū)、官渡區(qū)是泥炭土分布的重點(diǎn)區(qū)域，將西山區(qū)及官渡區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列表，如表1～表2所示。

表1 西山區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of peat soil in Xishan District

表2 官渡區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of peat soil in Guandu District

筆者對(duì)所收集工程資料的數(shù)千個(gè)鉆孔勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，選取泥炭土物理指標(biāo)：天然重度γ、土粒比重Gs、天然含水量w、飽和度Sr、孔隙比e、液限wL、塑限wp、塑限指數(shù)Ip、液限指數(shù)IL、有機(jī)質(zhì)含量Wu；選取泥炭土力學(xué)指標(biāo)：壓縮系數(shù)a1-2、壓縮模量Es1-2、室內(nèi)直剪試驗(yàn)粘聚力c與內(nèi)摩擦角φ，將各統(tǒng)計(jì)結(jié)果列表，如表3 所示。為了解滇池流域泥炭土主要物理力學(xué)指標(biāo)的分布規(guī)律，對(duì)各區(qū)域分布的泥炭土的主要參數(shù)指標(biāo)的變異系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3～圖5所示。

圖3 γ、Gs、Sr變異系數(shù)曲線Fig.3 Coefficient variation curves of γ，Gs，Sr

圖5 w、a1－2、Wu、c、φ變異系數(shù)曲線Fig.5 Coefficient variation curves of w，a1-2，Wu，c，φ

分析表1～表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)樣本的泥炭土主要具有以下特征：

（1）物理特性方面：泥炭土的平均天然重度較小、土粒比重較小、孔隙比大、含水量大、飽和度高。西山區(qū)、官渡區(qū)、呈貢區(qū)、晉寧縣4 個(gè)地區(qū)泥炭土平均含水量高、飽和度均超過(guò)100%；五華區(qū)、盤(pán)龍區(qū)平均含水量分別為75.79%和89.12%。

（2）力學(xué)性能方面：泥炭土強(qiáng)度低、壓縮性高。各區(qū)域泥炭土的壓縮系數(shù)平均值范圍為0.5 MPa-1～3.79 MPa-1，具有較高的壓縮性；液限指數(shù)平均值范圍為0.35～1.52，在勘探過(guò)程中多表現(xiàn)為軟塑至流塑狀；c、φ的平均值變化范圍分別為13.36 kPa～25.47 kPa和3.31°～14.46°，抗剪強(qiáng)度較差。

（3）其他方面：有機(jī)質(zhì)含量較高，現(xiàn)場(chǎng)觀察呈灰黑色，易染手，同時(shí)散發(fā)出較大的腥臭味，如圖6所示。有機(jī)質(zhì)含量平均值范圍為14.45%～33.08%，由植物腐爛產(chǎn)生的腐殖質(zhì)含量較多。

圖4 e、wL、wp、Ip、IL、Es1－2變異系數(shù)曲線Fig.4 Coefficient variation curves of e，wL，wp，Ip，IL，Es1-2

圖6 泥炭土場(chǎng)地表現(xiàn)性狀Fig.6 Performance of peat soil

由圖3～圖5 可知，在昆明市各6 個(gè)不同區(qū)、縣內(nèi)泥炭土物理力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)存在顯著差異。主要分析結(jié)果如下：

（1）泥炭土的飽和度變異系數(shù)δ＜0.1，說(shuō)明6 個(gè)片區(qū)泥炭土飽和度大小相對(duì)集中，離散程度低。從圖2 可知，6個(gè)片區(qū)分布于滇池周邊，形成環(huán)抱滇池的地理格局。充足的水氣來(lái)源，導(dǎo)致滇池流域地下水分布豐富，使得泥炭土飽和度普遍較高。泥炭土天然重度γ、土粒比重Gs變異系數(shù)分布0.1＜δ＜0.25，表明6 個(gè)片區(qū)中的泥炭土天然重度、土粒比重兩個(gè)物理指標(biāo)雖有一定程度的離散，但離散程度相對(duì)較小。

（2）泥炭土的孔隙比e、液限wL、塑限wP、塑限指數(shù)IP、液限指數(shù)IL、壓縮模量Es1-2的變異系數(shù)均在0.25＜δ＜0.8范圍內(nèi)，離散程度較大，其中晉寧縣壓縮模量變異系數(shù)最大，為0.79。

（3）泥炭土的含水量w、有機(jī)質(zhì)含量Wu、壓縮系數(shù)a1-2、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ的變異系數(shù)在0.5＜δ＜1.2范圍內(nèi)，指標(biāo)離散程度較大。

對(duì)比昆明市6 個(gè)片區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，除飽和度外，泥炭土的主要物理力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)存在明顯差異，其中呈貢區(qū)的各指標(biāo)變異系數(shù)相對(duì)較小。將6 個(gè)區(qū)域放在一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法不合理，各區(qū)縣泥炭土參數(shù)指標(biāo)的離散性較大，這樣無(wú)法對(duì)工程設(shè)計(jì)施工提供有利參考數(shù)據(jù)，需要將統(tǒng)計(jì)區(qū)域縮小。

2 西山區(qū)小范圍的泥炭土分布規(guī)律

為獲得較為集中的泥炭土指標(biāo)分布數(shù)據(jù)，對(duì)位于西山區(qū)的工程的泥炭土樣本進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，剔除掉離散性較大的數(shù)據(jù)，將變異系數(shù)控制在0.15 范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)樣本不少于100 個(gè)。控制變異系數(shù)篩選指標(biāo)，通過(guò)指標(biāo)反推指標(biāo)所屬項(xiàng)目位置，結(jié)合前文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，獲取西山區(qū)局部小范圍作為主要研究區(qū)域。

2.1 不同埋深泥炭土的物理力學(xué)指標(biāo)分布規(guī)律

圖8 統(tǒng)計(jì)樣本所處位置（埋深10～20 m）Fig.8 Statistical samples location（buried depth 10～20 m）

將獲得的西山區(qū)小范圍的泥炭土樣本按埋置深度不同進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，埋置深度區(qū)間分為：小于10 m、10～20 m、20～30 m、大于30 m，統(tǒng)計(jì)結(jié)果列表如表4～表7 所示。按埋置深度將對(duì)應(yīng)項(xiàng)目地點(diǎn)及數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，標(biāo)于圖上，如圖7～圖10所示。

圖7 統(tǒng)計(jì)樣本所處位置（埋深小于10 m）Fig.7 Statistical samples location（buried depth less than 10 m）

表7 埋深大于30 m范圍的物理力學(xué)指標(biāo)Table 7 Physical-mechanical indexes with buried depth greater than 30 m

圖9 統(tǒng)計(jì)樣本所處位置（埋深20～30 m）Fig.9 Statistical samples location（buried depth 20～30 m）

圖10 統(tǒng)計(jì)樣本所處位置（埋深大于30 m）Fig.10 Statistical samples location（buried depth greater than 30 m）

表4 埋深小于10 m范圍的物理力學(xué)指標(biāo)Table 4 Physico-mechanical parameters with buried depth less than 10 m

表5 埋深10 m～20 m范圍的物理力學(xué)指標(biāo)Table 5 Physico-mechanical parameters in the range of 10 m～20 m depth

表6 埋深20 m ～30 m范圍的物理力學(xué)指標(biāo)Table 6 Physico-mechanical parameters in the range of 20 m～30 m depth

分析表4～表7統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，不同埋置深度范圍內(nèi)的泥炭土具有以下特征：

（1）淺層泥炭土含水量及有機(jī)質(zhì)含量較高、孔隙比較大。對(duì)比4個(gè)不同深度區(qū)間內(nèi)泥炭土物理力學(xué)指標(biāo)均值可發(fā)現(xiàn)，在埋深小于10 m 范圍內(nèi)，泥炭土的天然含水量w 及有機(jī)質(zhì)含量Wu 最大，其它深度區(qū)間泥炭土天然含水量較小，但隨埋深增大，泥炭土天然含水量及有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)增漲趨勢(shì)。昆明地區(qū)貫穿盤(pán)龍江、金汁河等多條河流，地表水豐富，不僅有利于淺層新沉積泥炭土的形成，也是導(dǎo)致淺層泥炭土含水量偏大的主要原因。

（2）土粒比重小、飽和度大。對(duì)比4個(gè)不同深度區(qū)間，土粒比重均值均小于2.4，與常見(jiàn)粘性土相比，土粒比重較小；受地下水影響，飽和度較大，普遍在80%以上。

（3）與上海典型淤泥土［24～25］相比，滇池泥炭土重度小，天然含水量較高，孔隙比較大，壓縮模量較大，有機(jī)質(zhì)含量較多，粘聚力較大，內(nèi)摩擦角較小。

2.2 泥炭土主要指標(biāo)隨深度的變化規(guī)律

由圖11～圖14可知，各指標(biāo)隨埋深增加呈一定變化規(guī)律，具體如下：

圖11 平均孔隙比e與深度關(guān)系Fig.11 Relationship betweenaverage e and depth

圖14 平均內(nèi)摩擦角φ與深度關(guān)系Fig.14 Relationship between average φ and depth

（1）隨埋深的加深，泥炭土的孔隙比的平均值呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，但不是線性降低，孔隙比最小的位置在10 m～20 m位置。壓縮模量的變化規(guī)律與孔隙比剛好相反，隨埋深逐漸增大，但也不是線性增大，在10 m～20 m 位置有一個(gè)拐點(diǎn)。這一現(xiàn)象符合壓縮模量與孔隙比成反比的規(guī)律。通過(guò)對(duì)比西山區(qū)各項(xiàng)目地層剖面發(fā)現(xiàn)，在10 m～20 m 范圍內(nèi)泥炭土上部普遍存在粉質(zhì)黏土，其自身結(jié)構(gòu)及粘粒的存在，形成一層半隔水層，阻礙了水的滲流路徑，在土的前期固結(jié)力作用下，10 m～20 m 深度處的泥炭土孔隙被壓縮，導(dǎo)致孔隙比相對(duì)較小，壓縮模量相對(duì)較大，該層泥炭土結(jié)構(gòu)相對(duì)較密。

（2）粘聚力在20 m 埋深范圍內(nèi)平均值基本相對(duì)，約為21 kPa。超過(guò)20 m 深度，粘結(jié)力隨埋深的增加而增大。

（3）內(nèi)摩擦角隨埋深的增加而增大，但不是線性增大，在20 m～30 m位置有一個(gè)下降的拐點(diǎn)。泥炭土內(nèi)摩擦角的大小不僅與土顆粒表面粗糙度、密實(shí)度等有關(guān)，與顆粒間的膠結(jié)存在一定聯(lián)系。在10 m～30 m 范圍內(nèi)，滇池盆地在全新世晚期與在晚更新世晚末期早發(fā)育的泥炭土，二者相差約22.9萬(wàn)年［11］，泥炭土發(fā)育年代的巨大差異，是導(dǎo)致新老泥炭土的固結(jié)度不同的直接原因，在數(shù)萬(wàn)年歷史沉積下作用下，深層泥炭土固結(jié)程度相比淺層泥炭土較高、較密，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與其形成規(guī)律相符。

圖12 平均壓縮模量Es1-2與深度關(guān)系Fig.12 Relationship between average Es1-2 and depth

圖13 平均粘聚力c與深度關(guān)系Fig.13 Relationship between average c and depth

3 結(jié)論

文中對(duì)昆明市31個(gè)泥炭質(zhì)土地基工程的地質(zhì)勘探資料及滇池泥炭土相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，分析滇池泥炭土的空間分布規(guī)律，基于變異系數(shù)分析西山區(qū)小范圍內(nèi)泥炭土的主要物理力學(xué)指標(biāo)的分布規(guī)律。主要研究結(jié)論如下：

（1）昆明市泥炭土分布以滇池為中心向四周發(fā)散，其中西山區(qū)、官渡區(qū)、五華區(qū)、呈貢區(qū)、晉寧縣5個(gè)片區(qū)在靠近滇池一側(cè)均存在泥炭土，其中泥炭土分布厚度以西山區(qū)最大，依次為官渡區(qū)、五華區(qū)、呈貢區(qū)、晉寧縣逐漸遞減，泥炭土厚度由西向東依次遞減。

（2）對(duì)昆明市各區(qū)、縣場(chǎng)地的泥炭土的主要物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，除飽和度外，其他指標(biāo)都存在較大的離散度。

（3）縮小統(tǒng)計(jì)范圍，將泥炭土的主要參數(shù)指標(biāo)的異系數(shù)控制在0.15范圍內(nèi)，通過(guò)指標(biāo)的所屬項(xiàng)目地返推獲得局部集中的小范圍作為研究區(qū)域。根據(jù)埋置深度的不同對(duì)小范圍內(nèi)的泥炭土指標(biāo)進(jìn)行分析?？紫侗入S埋深增加而降低，壓縮模量隨埋深增加而增大，但并非為線性關(guān)系，在10 m～20 m 位置均存在一個(gè)拐點(diǎn)；粘聚力在20 m 埋深范圍內(nèi)平均值基本相對(duì)，約為21 kPa，超過(guò)20 m 深度，粘結(jié)力隨埋深的增加而增大；內(nèi)摩擦角隨埋深的增加而增大，但不是線性增大，在20 m～30 m位置有一個(gè)下降的拐點(diǎn)。