成都東部紅層丘陵地區(qū)軟弱土性質(zhì)及賦存特征

于許兵，黃頡，劉星，鄧東，謝鵬程

（四川興蜀工程勘察設(shè)計集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072）

四川盆地是中國四大盆地之一，總面積約26萬km2，自西向東分為成都平原、川中丘陵和川東平行嶺谷，因地表巖石主要為紫紅色泥巖、砂巖和頁巖，這類巖石極易風(fēng)化發(fā)育成紫紅色土，故川中丘陵地區(qū)屬于紅層丘陵地區(qū)。隨著城市人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，向地下要土地、要空間已成為城市歷史發(fā)展的必然（錢七虎，1998；吳立新等，2022）。中國城市地下空間的建設(shè)規(guī)模和速度已居世界首位（朱合華等，2019）?！笆濉睍r期，我國城市地下空間建設(shè)年均增速達(dá)20%以上（王成善等，2019）。各個地區(qū)存在的獨特的地質(zhì)環(huán)境問題，在城市規(guī)劃和建沒過程中，要針對性地采取措施，趨利避害（朱耀琪，1990）。在紅層丘陵地區(qū)，丘間洼地十分發(fā)育，其中賦存了大量的軟弱土。目前世界上各個城市的地下空間開發(fā)深度主要集中在地下30 m以淺，而軟弱土主要分布于地下20 m以淺，所以軟弱土對城市建設(shè)及地下空間開發(fā)利用具有明顯的制約作用。成都東部新區(qū)定位為國家向西、向南開放新門戶，成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)新平臺，成德眉資同城化新支撐，新經(jīng)濟(jì)發(fā)展新引擎，彰顯公園城市理念新家園（涂偉，2020）。隨著成都天府國際機(jī)場的建成通航，成都東部新區(qū)的建設(shè)正在如火如荼地展開。研究區(qū)自2019年開始開展了地下空間資源地質(zhì)調(diào)查，其中一項重要的地質(zhì)問題就是軟弱土。為了避免軟弱土對成都東部新區(qū)城市建設(shè)和地下空間開發(fā)利用的限制，同時將軟弱土對東部新區(qū)工程活動的危害降到最低，特開展軟弱土的調(diào)查工作。本次研究在規(guī)劃建設(shè)區(qū)的關(guān)鍵位置布置了179個勘探孔，并通過多種手段基本查明了軟弱土的空間分布特征、類型、工程特性及參數(shù)，為后期的工程活動提供了大量的地質(zhì)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

成都東部新區(qū)地處成都市東南部，管理面積920 km2，地形地貌類型主要為丘陵，僅有新區(qū)西部的龍泉山區(qū)屬低山地貌。區(qū)內(nèi)出露的基巖地層主要為白堊系下統(tǒng)蒼溪組（K1c）、侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）。蒼溪組（K1c）巖性以砂巖為主；蓬萊鎮(zhèn)組上段（J3p2）巖性由砂泥巖互層構(gòu)成，砂巖占比較多；蓬萊鎮(zhèn)組下段（J3p1）巖性以泥巖為主，局部夾砂巖透鏡體。區(qū)內(nèi)丘間洼地發(fā)育，氣候濕潤多雨，洼地內(nèi)地層滲透性低且排水不暢。在這種特殊環(huán)境地質(zhì)條件下，紅層基巖風(fēng)化物經(jīng)搬運、沉積于丘間洼地內(nèi)，形成了比較發(fā)育的軟弱土（卿三惠，2007）。

2 研究方法

本次軟弱土研究方法主要包括：資料搜集、地面調(diào)查、常規(guī)鉆探及背包鉆取樣、探針、原位測試和室內(nèi)試驗等。具體工作量為地面調(diào)查248 km2，鉆探179孔，靜力觸探201.9 m，旁壓試驗21次，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗86次，抽水試驗154臺班，滲水試驗14臺班，水樣測試146組，土工試驗130組。

1）資料收集

針對性地收集了大量有關(guān)調(diào)查區(qū)的區(qū)域地質(zhì)、水工環(huán)勘查、物探、規(guī)劃及區(qū)內(nèi)大型的工程活動相關(guān)的勘查資料及科研成果。對區(qū)內(nèi)軟弱土的性狀、分布特征、規(guī)劃建設(shè)的可利用情況有了初步的認(rèn)識。

2）地面調(diào)查

采用遙感解譯、野外調(diào)查與現(xiàn)場訪問相結(jié)合的方式，充分利用城市工程建設(shè)開挖形成的斷面、基坑和探槽等人工露頭，對各個調(diào)查點進(jìn)行了深入調(diào)查與編錄。

3）常規(guī)鉆探及取樣

采用XY-2型與XY-4型鉆機(jī)對地層進(jìn)行全斷面鉆孔取心，現(xiàn)場技術(shù)人員對巖心進(jìn)行拍照、編錄，并手繪素描圖。

4）背包鉆

軟弱土主要分布于場地內(nèi)的丘間洼地、河流兩岸及水塘溝渠中，在調(diào)查區(qū)的空間分布依地形而變化，“遇溝則通，遇山則終”，常規(guī)鉆探的布置間距無法滿足查明軟弱土空間結(jié)構(gòu)的精度要求，因此在參考工作區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，在丘間洼地布置了背包鉆鉆孔。

5）探針

探針是一種比較原始的探測軟土層厚度的方法，通過人力將錐狀探頭壓入軟土中，該方法在探測魚塘及溝渠底部淤泥情況時比較實用。本次調(diào)查期間，項目部使用探針并結(jié)合地面調(diào)查較好地查明了魚塘及溝渠區(qū)域淤泥及淤泥質(zhì)土的分布及埋深情況。

6）原位測試

針對軟弱土進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、靜力觸探試驗，同時搜集了大量十字板剪切試驗和淺層平板載荷試驗的數(shù)據(jù)資料。

7）室內(nèi)試驗

針對軟弱土進(jìn)行了常規(guī)物理性質(zhì)試驗、顆分試驗、固結(jié)試驗、剪切試驗、擊實試驗、承載比試驗、滲透試驗和脹縮性試驗。

3 結(jié)果與討論

3.1 軟弱土地層結(jié)構(gòu)特征

天然情況下的軟弱土具有“強(qiáng)度低，壓縮性高，透水性差”的工程特性。區(qū)內(nèi)軟弱土隸屬全新統(tǒng)軟弱—中軟強(qiáng)度坡洪積黏性土巖組，主要包括：水庫水塘淤泥軟弱土、丘間洼地軟弱土。

1）水庫水塘淤泥軟弱土

淤泥①：灰色，流塑—軟塑，主要分布于水庫、水塘及溝渠底部，呈點狀分布。該層土厚度一般較小，水庫底部約2～5 m，溝渠底部一般約0.5～1.0 m，水塘底部一般2.2～2.8 m（草池街道同盟村）。該地層工程性質(zhì)極差，孔隙比e≥1.5，含水率w≥wL（液限含水率），具有“三高兩低”的特性：高含水量、高壓縮性、高流變性、低強(qiáng)度、低滲透性。在工程建設(shè)過程應(yīng)挖除或進(jìn)行相應(yīng)的地基處理。

2）丘間洼地軟弱土

淤泥質(zhì)土②1：灰色、深灰色，軟塑，以黏性土為主，夾少量有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)，無搖振反應(yīng)。區(qū)內(nèi)分布較少，主要位于丘間洼地內(nèi)，下伏于可塑黏土之下，呈透鏡狀分布，層厚2～5 m。草池街道羅家村QZK39號鉆孔揭露的淤泥質(zhì)土位于地表下4.8～9.2 m段。

泥炭②2：灰色，松散，呈軟塑狀，土質(zhì)較輕，無光澤，有機(jī)質(zhì)（腐殖質(zhì)）含量達(dá)到60%～80%。區(qū)內(nèi)分布較少，主要位于丘間洼地內(nèi)，夾于可塑黏土之間，呈透鏡狀，厚度1 m左右。草池街道蘆永村QZK92號鉆孔揭露的泥炭土位于地表下4.2～5.1 m段。

軟塑粉質(zhì)黏土②3：灰棕色，軟塑，韌性低—中等，無搖振反應(yīng)，可見少量植物殘渣。該層在區(qū)內(nèi)普遍分布，層厚一般1.0～6.5 m，在玉城街道秀才溝村的一個背包鉆孔中揭露的軟塑粉質(zhì)黏土的層厚為5.4 m。

軟塑黏土②4：青灰色、深灰色，部分為灰棕色，軟塑，韌性高，無搖振反應(yīng)，局部含淡黃色浸染物，偶夾少量植物殘渣。該層在區(qū)內(nèi)局部分布，層厚一般1.9～5.5 m，在草池街道蘆永村的一個背包鉆孔中揭露的軟塑黏土層厚為5.5 m。

3.2 軟弱土賦存特征

通過本次調(diào)查工作，區(qū)內(nèi)軟弱土分布面積較少，主要分布表現(xiàn)為在丘間洼地內(nèi)呈透鏡狀分布，軟弱土底板最大分布深度為14.3 m，最大厚度為10.3 m。下面將從平面分布特點與豎向分布特點2個方面分別論述。

3.2.1 軟弱土的平面分布

1）水庫水塘淤泥軟弱土

主要分布于三岔湖水庫、毛井溝水庫、龍河埝水庫、董家埂水庫、龍云水庫以及區(qū)內(nèi)的水塘、溝渠底部，呈點狀分布。

2）丘間洼地軟弱土

在本次調(diào)查工作中，主要通過鉆探、背包鉆以及靜力觸探試驗揭露丘間洼地軟弱土。在本次調(diào)查工作中布置的179個勘探孔（含背包鉆）中，共有69個勘探孔中揭露出軟弱土。丘間洼地軟弱土主要分布于丘間槽谷地帶，呈樹枝狀在工作區(qū)內(nèi)分布，是區(qū)內(nèi)分布占比最大的軟弱土。調(diào)查工作中布置的丘間洼地軟弱土分布主要有2個特點：一是丘間洼地軟弱土主要分布于細(xì)長型的丘間溝谷內(nèi)；二是在丘間洼地軟弱土主要分布于與絳溪河、海螺河直接連通且存在常年流水溝渠的丘間溝谷內(nèi)（圖1）。

圖1 研究區(qū)軟弱土平面分布圖Fig.1 Plane distribution of soft soil in the study area

3.2.2 軟弱土的垂向分布

1）水庫水塘淤泥軟弱土

研究區(qū)地處紅層丘陵區(qū)，水庫和灌溉溝渠廣泛分布；大量水塘、魚塘呈點狀散布。水庫水塘淤泥軟弱土的分布范圍僅限于水庫、水塘內(nèi)，由于靜水環(huán)境更易形成淤泥、淤泥質(zhì)土，水庫底部軟弱土較水塘底部軟弱土的厚度要大。經(jīng)調(diào)查，典型淤泥軟弱土厚度分布：毛井溝水庫底部2～5 m，水塘底部一般2.2～2.8 m（草池街道同盟村）。水庫水塘淤泥軟弱土厚度最大點一般處于地表水體的中心區(qū)域，向四周厚度逐漸變小，至水庫或者水塘邊界處尖滅。綜上，淤泥軟弱土常形成“地表水體—淤泥軟弱土—丘間洼地黏性土夾軟弱土透鏡體—基巖”的垂向空間結(jié)構(gòu)，典型分布形態(tài)見圖2。

圖2 水庫水塘淤泥軟弱土垂向分布示意圖Fig.2 Spatial distribution diagram of silt and soft soil in reservoir pond

2）丘間洼地軟弱土

區(qū)內(nèi)丘間谷地眾多，氣候濕潤多雨，排水不暢，在這種特殊環(huán)境地質(zhì)條件下，紅層軟巖風(fēng)化物經(jīng)搬運沉積于丘間洼地或溝谷，便形成了場地內(nèi)比較發(fā)育的丘間洼地軟弱土。通過現(xiàn)場鉆探、背包鉆調(diào)查及走訪當(dāng)?shù)鼐用癜l(fā)現(xiàn)，丘間洼地軟弱土厚度最大地段一般分布于溝谷的中心區(qū)域，向溝谷兩側(cè)其厚度逐漸減小，直至尖滅。本次調(diào)查布置的179個勘探孔（含背包鉆）中，共有69個勘探孔中揭露出軟弱土，巖性分別有：淤泥質(zhì)土、泥炭、軟塑粉質(zhì)黏土、軟塑黏土，典型勘探孔揭露的丘間洼地軟弱土空間分布情況見表1。丘間洼地軟弱土一般以透鏡體狀、條帶狀分布于丘間洼地黏性土中間，形成“耕植土—丘間洼地黏性土—丘間洼地軟弱土—丘間洼地黏性土—基巖”的垂向空間結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 丘間洼地軟弱土垂向分布示意圖Fig.3 Spatial distribution diagram of soft soil in inter Hill depression

表1 典型勘探孔揭露軟弱土的空間分布Tab.1 Spatial distribution of soft soil exposed by typical exploration holes

3.2.3 軟弱土空間分布統(tǒng)計

水庫水塘軟弱土常以淤泥的形式富存于地表，分布形態(tài)簡單，工程建設(shè)時容易發(fā)現(xiàn)并采取措施進(jìn)行處理。丘間洼地軟弱土常以透鏡體或帶狀的形態(tài)分布于洼地內(nèi)，深度變化大，分布形態(tài)較為復(fù)雜，且深度較深，對工程建設(shè)的影響較大，故此處主要對丘間洼地軟弱土的分布特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。

對研究區(qū)各鉆孔揭露的中丘間洼地軟弱土分布特征的統(tǒng)計分析表明，區(qū)內(nèi)的丘間洼地軟弱土主要有淤泥質(zhì)土、泥炭、軟塑粉質(zhì)黏土、軟塑黏土，其中揭露軟塑黏土的鉆孔占總鉆孔數(shù)的53%，揭露軟塑粉質(zhì)黏土的鉆孔占總鉆孔數(shù)的41%，揭露淤泥質(zhì)土的鉆孔占總鉆孔數(shù)的3%，揭露泥炭的鉆孔占總鉆孔數(shù)的3%。

淤泥質(zhì)土和泥炭這2類軟弱土在軟弱土中僅占6%，其中：淤泥質(zhì)土有2個鉆孔揭露，層厚3～5 m，層頂埋深4.8～5.6 m，層底埋深8.8～9.2 m；泥炭有2個鉆孔揭露，層厚小于3 m，層頂埋深1.2～4.2 m，層底埋深1.5～5.1 m。軟塑粉質(zhì)黏土和軟塑黏土在軟弱土中的占比達(dá)到了94%。對占比大、分布復(fù)雜的軟塑粉質(zhì)黏土和軟塑黏土這2類軟弱土的厚度、層頂埋深、層底埋深分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下：

1）分布厚度

軟塑粉質(zhì)黏土層厚0.3～9.6 m，軟塑黏土層厚為0.7～10.3 m。按層厚≤3 m、＞3～5 m、＞5-10 m、＞10 m共4個檔次進(jìn)行統(tǒng)計，軟塑粉質(zhì)黏土和軟塑黏土這2類軟弱土的層厚分布情況分別如圖4-a和圖4-b所示。由圖4-a可見，軟塑粉質(zhì)黏土中層厚≤3 m的占60%，層厚＞3～5 m的占23%，層厚＞5～10 m的占17%，本次未發(fā)現(xiàn)有厚度大于10 m的軟塑粉質(zhì)黏土分布。如圖4-b所示，軟塑黏土中層厚≤3 m的占41%，層厚＞3～5 m的占33%，層厚＞5～10 m的占23%，層厚＞10 m的占3%。

圖4 主要軟弱土體厚度分布情況Fig.4 Thickness distribution of main soft soil

2）層頂埋深

軟塑粉質(zhì)黏土層頂埋深0.25～9.4 m，軟塑黏土層頂埋深0.5～6.6 m。按層頂埋深≤3 m、＞3～5 m、＞5～10 m、＞10 m共4個檔次進(jìn)行統(tǒng)計，軟塑粉質(zhì)黏土和軟塑黏土這兩類軟弱土的層頂埋深分布情況分別如圖5-a和圖5-b所示。由圖5-a可見，軟塑粉質(zhì)黏土中層頂埋深≤3 m的占60%，層頂埋深＞3～5 m的占27%，層頂埋深＞5～10 m的占13%，本次調(diào)查未發(fā)現(xiàn)有層頂埋深大于10 m的軟塑粉質(zhì)黏土分布。如圖5-b所示，軟塑黏土中層頂埋深≤3 m的占87%，層頂埋深＞3～5 m的占5%，層頂埋深＞5～10 m的占8%，本次調(diào)查未發(fā)現(xiàn)有層頂埋深大于10 m的軟塑黏土分布。

圖5 主要軟弱土體層頂埋深分布情況Fig.5 Distribution of top buried depth of main soft soil layers

3）層底埋深

軟塑粉質(zhì)黏土層底埋深1.2～14.3 m，軟塑黏土層底埋深0.5～6.6 m。按層底埋深≤3 m、＞3～5 m、＞5～10 m、＞10 m共4個檔次進(jìn)行統(tǒng)計，軟塑粉質(zhì)黏土和軟塑黏土這兩類軟弱土的層底埋深分布情況分別如圖6-a和圖6-b所示。由圖6-a可見，軟塑粉質(zhì)黏土中層底埋深≤3 m的占23%，層底埋深＞3～5 m的占30%，層底埋深＞5～10 m的占37%，層底埋深＞10 m的占10%。由圖6-b可見，軟塑黏土層底埋深≤3 m的占18%，層底埋深＞3～5 m的占31%，層底埋深＞5～10 m的占43%，層底埋深＞10 m的占8%。

圖6 主要軟弱土體層底埋深分布情況Fig.6 Distribution of bottom buried depth of main soft soil layers

3.3 軟弱土物理力學(xué)指標(biāo)建議值

通過對本次調(diào)查工作所采取土樣的綜合研究，得出了區(qū)內(nèi)各類軟弱土物理力學(xué)指標(biāo)的建議值，詳見表2。

表2 軟弱土物理力學(xué)指標(biāo)建議值Tab.2 Recommended value of physical and mechanical indexes of soft soil

3.4 軟弱土對城市建設(shè)及地下空間開發(fā)利用的制約作用

目前世界上各個城市的地下空間開發(fā)深度主要集中在地下30 m以淺。成都東部新區(qū)作為一個城市建設(shè)和地下空間開發(fā)近于空白的區(qū)域，近一段時期的工程建設(shè)和地下空間開發(fā)也將集中在30 m以淺，大量的工程活動也將在近一段時期內(nèi)如火如荼地展開。根據(jù)各軟弱土的空間分布特征，分別論述其對城市建設(shè)及地下空間開發(fā)利用的制約作用。

1）水庫水塘淤泥軟弱土

水庫水塘淤泥軟弱土在東部新區(qū)內(nèi)分布面積小，厚度小，埋深淺，對成都東部新區(qū)的城市建設(shè)及地下空間開發(fā)利用的制約作用小。由于其力學(xué)性質(zhì)極差，在工程建設(shè)活動中應(yīng)全部清除。

2）丘間洼地軟弱土

丘間洼地軟弱土主要分布于丘間槽谷地帶，呈樹枝狀分布，是區(qū)內(nèi)分布占比最大的軟弱土。丘間洼地軟弱土層最大埋深地段一般分布于溝谷的中心區(qū)域，向溝谷兩側(cè)其埋深逐漸減小，直至尖滅。全新統(tǒng)軟弱—中軟強(qiáng)度丘間洼地軟弱土主要分布于20 m以淺（本次調(diào)查最深達(dá)15.75 m），是工程建設(shè)及地下空間開發(fā)最集中的區(qū)域。丘間洼地軟弱土強(qiáng)度低、壓縮性高，對城市建設(shè)及地下空間開發(fā)利用的制約主要表現(xiàn)為：過量沉降引起的建筑物下沉、不均勻沉降引起建筑物傾斜、深大基坑坍塌。

建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)放在深厚軟弱土上時，由于其較大的壓縮性，建構(gòu)筑物將產(chǎn)生一定的沉降變形；丘間洼地軟弱土“中間厚，兩邊薄”的豎向分布特點，更容易引起建構(gòu)筑物的不均勻沉降。成都天府國際機(jī)場建設(shè)過程中，在丘間洼地軟弱土上進(jìn)行堆載預(yù)壓及強(qiáng)夯置換處理后，原始地面最大沉降達(dá)到755.6 mm，最大沉降速率達(dá)到6.225 mm·d-1（劉天安，2019；文靜，2019）。所以在進(jìn)行建設(shè)時，應(yīng)根據(jù)工程特點合理選擇建設(shè)場地，當(dāng)無法避免在丘間洼地軟弱土上修建建筑物時，應(yīng)根據(jù)建筑物重要性、荷載大小及允許變形的限值要求，采取必要的地基補(bǔ)強(qiáng)措施。地基處理無法滿足要求時，可直接采用樁基礎(chǔ)。

對于地下空間的利用，勢必要對地層進(jìn)行開挖，形成深基坑。丘間洼地軟弱土的抗剪強(qiáng)度均比較低，自穩(wěn)能力較差，深基坑周邊的土體在支護(hù)不當(dāng)?shù)那闆r下，及易垮塌，造成災(zāi)害。2019年9月26日，成都市金牛區(qū)萬圣新居E地塊4號商業(yè)樓西北側(cè)基坑邊坡突然發(fā)生局部坍塌，事故共造成3人死亡（劉忠俊，2020）。2020年7月10日，位于四川省南充市南部縣桂博西路側(cè)“陽光100”建設(shè)項目基坑擋土墻發(fā)生坍塌，所幸未造成人員傷亡（蒲南溪，2020）。隨著成都東部新區(qū)城市建設(shè)對地下空間開發(fā)程度的提高，近一段時期內(nèi)，將會有大量的深大基坑需要進(jìn)行開挖，保證每一個基坑在施工過程中安全有效地運行，是城市建設(shè)及地下空間開發(fā)利用的關(guān)鍵。“詳細(xì)與專業(yè)的工程勘察”“經(jīng)濟(jì)合理的基坑支護(hù)設(shè)計”“科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕ぁ薄笆┕と^程的監(jiān)測”以及“及時的質(zhì)量監(jiān)管”等措施可以為深大基坑的安全運行保駕護(hù)航。

4 結(jié)論

1）成都東部新區(qū)軟弱土主要包括：第四系全新統(tǒng)軟弱—中軟強(qiáng)度坡積黏性土巖組中的水庫水塘淤泥軟弱土、丘間洼地軟弱土（包括：淤泥質(zhì)土、泥炭、軟塑粉質(zhì)黏土、軟塑黏土）。

2）水庫水塘淤泥軟弱土的賦存特征為：呈點狀分布于研究區(qū)內(nèi)的毛井溝水庫、水塘底部。丘間洼地軟弱土賦存特征主要有2個特點：一是丘間洼地軟弱土主要分布于細(xì)長型的丘間溝谷內(nèi)；二是丘間洼地軟弱土主要分布于與絳溪河、海螺河直接連通且存在常年流水溝渠的丘間溝谷內(nèi)。

3）軟塑粉質(zhì)黏土和軟塑黏土在軟弱土中的占比達(dá)到了94%，其中軟塑粉質(zhì)黏土層厚0.3～9.6 m，以小于3 m為主；層頂埋深0.25～9.4 m，以小于3m為主；層底埋深1.2～14.3 m，以3～5 m為主；軟塑黏土層厚0.7～10.3 m，以小于3 m為主；層頂埋深0.5～6.6 m，以小于3 m為主；層底埋深1.2～10.8 m，以3～5 m為主。

4）水庫水塘軟弱土分布形態(tài)簡單，工程建設(shè)時容易發(fā)現(xiàn)并采取措施進(jìn)行處理。丘間洼地軟弱土常以透鏡體或帶狀的形態(tài)分布于洼地內(nèi)，深度變化大，分布形態(tài)較為復(fù)雜，且埋深較大，對工程建設(shè)的影響較大。