昆明市某場地不同埋深下泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計規(guī)律研究

程 豪，田 林

(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

泥炭質(zhì)土是軟土的一類，是一種特殊土，具有非常明顯的區(qū)域性。泥炭質(zhì)土物理性質(zhì)較差，具有高含水率、大孔隙比、低密度、低強度、高壓縮性等物理力學(xué)指標(biāo)[1-7]。由于其具有的物理性質(zhì)往往會帶來許多工程問題，例如，地基沉降帶來建筑物傾斜、路面開裂等。而隨著城市的不斷發(fā)展，在該軟土土層修建高層建筑、開發(fā)地下空間已經(jīng)成為必須面臨的選擇。同時，目前對滇池泥炭質(zhì)土這種軟土研究較少，因此，對昆明市泥炭質(zhì)土的物理性質(zhì)進行充分研究具有非常重大的理論意義和實用價值[8]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于泥炭質(zhì)土的物理性質(zhì)已經(jīng)進行了大量研究，并取得了大量的成果。何仕娟等[9]通過一系列直剪蠕變試驗，研究了不同固結(jié)壓力下剪應(yīng)變隨剪應(yīng)力與時間的變化規(guī)律，以及長期強度與短期強度之間的關(guān)系；張路等[10]通過室內(nèi)對比試驗，說明了昆明市泥炭質(zhì)土孔隙比、含水率均很大，但力學(xué)強度并不是很差，不宜用普通土工試驗測定其物理性質(zhì)；張帆舸等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)泥炭質(zhì)土有機物含量與力學(xué)指標(biāo)之間具有較好的相關(guān)性；劉鵬等[12]研究得出標(biāo)貫修正擊數(shù)與孔隙比及液限具有較好的統(tǒng)計多元線性相關(guān)性；此前，徐其富[13]已經(jīng)根據(jù)數(shù)個典型場地的地勘資料，系統(tǒng)分析了泥炭質(zhì)土的物理力學(xué)指標(biāo)，但重點分析了有機質(zhì)及其成分對于泥炭質(zhì)土工程特性的影響；裴利華等[14]具體研究了有機物含量以及泥炭質(zhì)土所含組分對于力學(xué)性質(zhì)的研究。針對泥炭質(zhì)土埋深與力學(xué)性質(zhì)之間的綜合統(tǒng)計分析研究還未見報道。因此，論文將以昆明市某場地泥炭質(zhì)土作為研究對象，分析其物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計規(guī)律，為該地區(qū)工程設(shè)計、施工等各環(huán)節(jié)提供參考。

1 工程地質(zhì)條件與地質(zhì)構(gòu)造

昆明市氣候類型屬于亞熱帶高原山地氣候，同時昆明市三面環(huán)山，內(nèi)有云南最大的高原湖泊。獨特的地理環(huán)境和氣候、降雨條件使其發(fā)育形成了獨特的泥炭質(zhì)土層。該土層中含有大量還未經(jīng)完全分解的腐殖質(zhì)，有機物含量較高，泥炭質(zhì)土顏色大體上呈現(xiàn)為灰色乃至黑色。

就大地構(gòu)造學(xué)說而言，昆明盆地位于揚子準(zhǔn)地臺康滇古隆起東緣[15]。研究區(qū)周圍存在多條斷裂：普渡河斷裂(西山斷裂)，斷裂總體向南北方向延伸，傾向為東，傾角70～80°，存在寬約400 m的碎裂帶；黑龍?zhí)?官渡斷裂，南北走向，傾向也為東，隸屬于西山斷裂束的其中之一；白邑-橫沖斷裂，南北走向，傾向東,斷裂傾角60～85°；小江斷裂，北起四川，在云南境內(nèi)約300 km2，寬度大體為5～20 km，以左旋走滑的形式運動。綜合分析研究區(qū)所存在的斷裂，發(fā)現(xiàn)大部分斷裂距離場地較遠，有的斷裂不屬于發(fā)震斷裂，對于場地影響較小，場地較為穩(wěn)定。

2 泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)及其相關(guān)性分析

2.1 物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計量特征

昆明市該研究區(qū)泥炭質(zhì)土呈灰色乃至黑色，從幾米到六十多米的深度均有分布。本文以昆明市某場地巖土工程勘察鉆孔資料，以取樣深度在7～50 m的50組試樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計分析研究區(qū)泥炭質(zhì)土的物理力學(xué)指標(biāo)。選取的物理指標(biāo)有試樣深度、天然含水率、重力密度、土粒比重、天然孔隙比、液限、塑限、液化指數(shù)、塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、有機質(zhì)含量。取樣覆蓋了研究區(qū)泥炭質(zhì)土的整個深度范圍，因此，試驗分析結(jié)果是具有代表性的。對所得到50組篩分后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)泥炭質(zhì)土的物理指標(biāo)統(tǒng)計參數(shù)特征值如表1。

2.2 研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)特征值分析

結(jié)合表1研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)進行分析，可以得出以下幾個結(jié)果：

(1)有機物含量高

由表1可知研究區(qū)有機質(zhì)含量均值為26.5%，最大值為54.2%。對于泥炭質(zhì)土，在國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2002)[16]中有了明確定義，規(guī)定有機質(zhì)含量在10%～60%的軟土才可以稱為泥炭質(zhì)土，這一依據(jù)說明研究區(qū)為泥炭質(zhì)土，且有機質(zhì)含量較高。

(2)天然含水率高

研究區(qū)泥炭質(zhì)土天然含水率的范圍為53%～334%，與飽和軟黏土(如淤泥)的含水率 ≥60%相比，研究區(qū)泥炭質(zhì)土的含水率高。表二為國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)[17]關(guān)于黏性土的狀態(tài)按液性指數(shù)的劃分。

表1 研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of physical and mechanical indicators of peat soil in the study area

表2 黏性土的狀態(tài)按液性指數(shù)劃分Tab.2 The state of cohesive soil is divided by liquid index

其中，研究區(qū)泥炭質(zhì)土液性指數(shù)均值為0.62，最大值為1.04，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)說明研究區(qū)泥炭質(zhì)土土質(zhì)很軟，土體大部分處于可塑、軟塑狀態(tài)，且有一部分已經(jīng)處于流塑狀態(tài)，這一指標(biāo)從側(cè)面說明了研究區(qū)泥炭質(zhì)土含水率之高。

(3)天然重度、土粒比重小

研究區(qū)泥炭質(zhì)土的天然重度范圍為10.1～16.3 kN/m3，均值為12.7 kN/m3，與水的重度10 kN/m3接近。研究區(qū)土粒比重范圍為1.66～2.61 g/cm3，最大值為2.61 g/cm3與砂土的土粒比重2.65 g/cm3接近。同時，研究區(qū)泥炭質(zhì)土的天然重度和土粒比重的變異系數(shù)0.13是所有統(tǒng)計參數(shù)中最小的。

(4)孔隙比大、壓縮性高

研究區(qū)的天然孔隙比范圍為1.44～6.13，最大值為6.13，要比一般無機質(zhì)土要高好多。壓縮系數(shù)均值達到2.42 MPa-1,說明了其壓縮性極高。

綜上所述，研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)性質(zhì)可以總結(jié)為：有機質(zhì)含量高、天然含水率高、孔隙比大、重度小、壓縮性高。

2.3 物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性研究

在工程項目中，有一部分土工試驗需要耗費大量的時間，且試驗數(shù)據(jù)也相對難以得到。因此，在此研究區(qū)，論文使用已知的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)進行擬合，為項目提供一定的理論支持。表3給出了研究區(qū)泥炭質(zhì)土11個物理力學(xué)指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)。

表4給出了判斷變量相關(guān)性強度的取值范圍。結(jié)合表3和表4可知，所統(tǒng)計部分物理力學(xué)指標(biāo)之間相關(guān)性較好。其中，液限與塑限、液限與塑性指數(shù)、含水率與孔隙比等的相關(guān)性極強，而飽和度與液性指數(shù)相關(guān)性極弱?？傮w來說，研究區(qū)泥炭質(zhì)土各力學(xué)指標(biāo)與含水率的相關(guān)性最高。因此，本文以已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對研究區(qū)泥炭質(zhì)土含水率與孔隙比(極相關(guān))、飽和度(弱相關(guān))、壓縮系數(shù)(中等強度相關(guān))、重度(非線性相關(guān))進行了數(shù)據(jù)擬合分析，得出了如圖1所示的關(guān)系。

由圖1(a)可知，研究區(qū)泥炭質(zhì)土含水率與壓縮系數(shù)成線性正相關(guān)，擬合方程為α=0.023ω-0.22，R2=0.695。由圖1(b)可知，研究區(qū)泥炭質(zhì)土含水率與重度呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合函數(shù)為γ=-3.542lnω+29.599,且兩者之間的對數(shù)關(guān)系呈良好的負相關(guān)，R2=0.888，結(jié)合散點圖可以看出隨著含水率的增大，重度逐漸減小后，在10 kN/m3趨于穩(wěn)定狀態(tài)，圖示擬合曲線出現(xiàn)下降的原因可能為含水率在250%之后的數(shù)據(jù)較少導(dǎo)致。根據(jù)圖1(c)可知，研究區(qū)泥炭質(zhì)土含水率與孔隙比也呈線性正相關(guān)的關(guān)系，擬合方程為e=0.640ω+0.071,其中含水率與孔隙比的相關(guān)系數(shù)高達0.969 4。根據(jù)圖1(d)可知，研究區(qū)泥炭質(zhì)土的含水率與飽和度呈線性負相關(guān)，擬合方程為Sr=-0.017ω+94.739，R2=0.095，說明飽和度與研究區(qū)泥炭質(zhì)土的含水率相關(guān)性較弱。從這些曲線與擬合方程來說，可以從側(cè)面反映出研究區(qū)泥炭質(zhì)土所具有的一系列性質(zhì)及其變化規(guī)律。

表3 研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.3 Pearson correlation coefficient of physical and mechanical indexes of peat soil in the study area

表4 變量相關(guān)性取值范圍Tab.4 Value range of variable correlation

3 埋深及其有機物含量對于研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)影響

3.1 埋深對于研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)影響

為了研究不同埋深對于研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)的影響，根據(jù)相關(guān)性強度，選取了上一小節(jié)所選取的指標(biāo)(含水率、重度、飽和度、孔隙比、壓縮系數(shù))分析了其與泥炭質(zhì)土深度之間的關(guān)系。得到了圖2研究區(qū)泥炭質(zhì)土埋深與各物理力學(xué)指標(biāo)間散點圖。

圖1 研究區(qū)泥炭質(zhì)土含水率與各物理指標(biāo)相關(guān)性曲線圖Fig.1 Correlation curve of peat soil moisture content and various physical indicators in the study area

圖2 研究區(qū)泥炭質(zhì)土埋深與物理力學(xué)指標(biāo)散點圖Fig.2 Scatter plot of peat soil burial depth and physical and mechanical indicators in the study area

從圖2(a)、(b)、(c)可以看出，研究區(qū)泥炭質(zhì)土埋深與含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)有一定的相關(guān)性。隨著研究區(qū)泥炭質(zhì)土埋深的增加，含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)逐漸較小后趨于穩(wěn)定，同時可以看出其三者與埋深變化規(guī)律相似。而通過對研究區(qū)泥炭質(zhì)土埋深與重度、飽和度的分析與擬合，重度和飽和度與研究區(qū)泥炭質(zhì)土的埋深呈線性正相關(guān)，但是通關(guān)分析其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.28和0.22,說明這兩個指標(biāo)與研究區(qū)泥炭質(zhì)土的埋深相關(guān)性很弱。通過此處的分析，可以為工程提供一定的數(shù)據(jù)支持，泥炭質(zhì)土作為特殊土體在淺埋深下是無法作為工程持力層的，需要進行特殊處理，而隨著深度增加達到一定程度，泥炭質(zhì)土也可以作為地基持力層。

3.2 有機質(zhì)含量對于研究區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)性質(zhì)的影響

由于研究區(qū)泥炭質(zhì)土具有高有機物含量的特點，通過數(shù)據(jù)擬合分析了研究區(qū)泥炭質(zhì)土有機物含量與含水率、飽和度、顆粒比重、孔隙比之間的關(guān)系。它們之間的關(guān)系如圖3所示。

從圖3(a)可知，有機物含量與含水率呈線性正相關(guān)，擬合方程為ω=3.98ωu+22.63,R2為0.743。圖3(b)可知，有機物含量與飽和度呈線性負相關(guān)，擬合公式為Sr=-0.124ωu+95.837,R2為0.279。圖3(c)顯示研究區(qū)泥炭質(zhì)土有機物含量與顆粒比重之間呈線性負相關(guān)，擬合公式為Gs=-0.021ωu+2.688,R2為0.967,對于這兩個參數(shù)的研究，徐其富[13]也有類似的結(jié)論，但其R2要比本文小得多。圖3(d)關(guān)于泥炭質(zhì)土有機物含量與孔隙比的研究，裴利華[14]和徐其富[13]同樣得到了類似的結(jié)論，研究區(qū)泥炭質(zhì)土有機物含量與孔隙比呈線性正相關(guān)。從此處可以看出昆明市不同地區(qū)的泥炭質(zhì)土的性質(zhì)具有相似性。

4 結(jié)論

通過對昆明市某場地區(qū)域地質(zhì)分析、泥炭質(zhì)土的物理力學(xué)各指標(biāo)相關(guān)性研究，以及研究區(qū)泥炭質(zhì)土不同埋深及有機物含量對于各物理力學(xué)指標(biāo)影響的相關(guān)性分析，得出了以下幾個結(jié)論：

1)研究區(qū)泥炭質(zhì)土具有高含水率、大孔隙比、較高有機物含量、重度低、壓縮性高的特點。

2)研究區(qū)泥炭質(zhì)土的壓縮系數(shù)、孔隙比與含水率呈線性正相關(guān)，重度與含水率呈對數(shù)關(guān)系，隨含水率增加重度逐漸減小后趨于穩(wěn)定，飽和度與含水率呈線性負相關(guān)。

3)研究區(qū)泥炭質(zhì)土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)隨泥炭質(zhì)土埋深逐漸減小后趨于穩(wěn)定，三個指標(biāo)隨埋深的變化規(guī)律相似，研究區(qū)泥炭質(zhì)土的重度、飽和度與埋深線性正相關(guān)。

4)研究區(qū)泥炭質(zhì)土含水率、孔隙比與有機物含量呈線性正相關(guān)，飽和度、顆粒比重與有機物含量呈負相關(guān)。