川西高原濕地軟土工程地質(zhì)特性與空間分布研究

摘" 要：川西高原濕地區(qū)域性沼澤相軟土的工程特性與濱海相河湖相軟土不同，缺乏相關(guān)資料，成為高速公路建設(shè)的重要巖土工程問題。該文以久馬高速沿線軟土為例，在明確4種軟土的區(qū)域性分布規(guī)律基礎(chǔ)上，通過勘探鉆孔取樣，開展土工試驗(yàn)研究，厘定各種軟土的關(guān)鍵物理力學(xué)參數(shù)取值，針對(duì)各個(gè)物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的線性相關(guān)性進(jìn)行分析并建立擬合公式。研究結(jié)果能夠?yàn)榇ㄎ鞲咴こ探ㄔO(shè)中的軟土物理力學(xué)參數(shù)提供參考，為軟土地基處理方法的選擇提供依據(jù)，具有明確的工程實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：高原軟土；工程特性；分布特征；物理力學(xué)指標(biāo)；相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)：TU447" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）33-0076-06

Abstract： The engineering characteristics of the regional swampy soft soil in the western Sichuan Plateau wetlands are different from those of the coastal river and lake soft soil. The lack of relevant data has become an important geotechnical engineering problem in highway construction. Taking the soft soil along the Jiuma Expressway as an example， on the basis of clarifying the regional distribution laws of the four types of soft soils， conducting geotechnical test research through exploration and drilling sampling， determining the values of key physical and mechanical parameters of various soft soils， and analyzing the linear correlation of each physical and mechanical strength index and establishing a fitting formula. The research results can provide reference for the physical and mechanical parameters of soft soil in the engineering construction of the Western Sichuan Plateau， and provide a basis for the selection of soft soil foundation treatment methods， and have clear practical engineering significance.

Keywords： plateau soft soil; engineering characteristics; distribution characteristics; physical and mechanical indicators; correlation analysis

久治至馬爾康段高速公路（以下簡(jiǎn)稱久馬高速）位于四川省阿壩州，項(xiàng)目穿越近60 km濕地保護(hù)區(qū)。該區(qū)段內(nèi)廣泛分布著軟土，與常見的濱海相、三角洲相軟土相比，不僅含水率高且富含有機(jī)質(zhì)。同時(shí)，項(xiàng)目所在區(qū)域?yàn)榧竟?jié)性凍土區(qū)，區(qū)域內(nèi)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土體強(qiáng)度與變形特性差異大，地基處理難度加大。

針對(duì)軟土地基，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者開展了有益研究。Brand等[1]系統(tǒng)總結(jié)了各國(guó)軟土的工程特性并開展了對(duì)比研究；陳曉平等[2]以珠江三角洲的軟土實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，分析了蠕變特性對(duì)軟土地基變形和孔壓消散的量化影響；章定文等[3]總結(jié)了連云港海相軟土主要物理力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系；劉維正等[4]通過固結(jié)壓縮試驗(yàn)和CPTU原位測(cè)試，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江漫灘相軟土既有高位結(jié)構(gòu)性；梁國(guó)錢等[5]通過試驗(yàn)結(jié)果分析研究了浙江沿海軟土地域分布規(guī)律和物理指標(biāo)之間的相互關(guān)系；王曉楠等[6]研究得出高原湖相沉積軟土壓縮模量偏低，具有沉降量偏大的特點(diǎn)；桂躍等[7]對(duì)高原湖相泥炭土的次固結(jié)特性以及機(jī)理進(jìn)行了研究分析。

目前從軟土的研究地區(qū)與成因來看，主要圍繞海相、濱海相、三角洲相及部分內(nèi)陸地區(qū)河湖相[8-10]展開，而對(duì)于川西高原地區(qū)濕地沼澤相季凍區(qū)軟土的工程特性的研究工作較少，特別是線性工程區(qū)域性軟土，在實(shí)際工程中大多還是借鑒其他地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)。本文以久馬高速為例，在大量室內(nèi)土工試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合地勘資料，系統(tǒng)分析了高原濕地軟土的區(qū)域工程地質(zhì)特性，用于指導(dǎo)各區(qū)段內(nèi)的地基處理，并為今后川西北地區(qū)的工程建設(shè)提供指導(dǎo)與借鑒作用。

1" 久馬高速沿線概況

1.1" 沿線工程地質(zhì)概況

久馬高速全線219 km，位于海拔3 000 m以上，其中海拔3 000至3 500 m段長(zhǎng)121 km，占全線的55%；3 500至4 000 m段長(zhǎng)98 km，占全線的45%。平均海拔高度達(dá)到3 300 m以上。在久馬高速沿線范圍內(nèi)，季凍區(qū)軟土占比約18.9%，起始段和終段分別為山原地貌和高山地貌，所分布軟土主要為雨季水草地內(nèi)含水率過大的粉質(zhì)黏土，以及由于頻繁放牧形成的表層腐殖土，厚度較大且分布不均勻。中段為丘原和高平原地貌，主要以淤泥質(zhì)土和泥炭質(zhì)土為主，分布于寬緩坳溝內(nèi)的濕地、沼澤地帶。地層由老至新分別為中生界三迭系中統(tǒng)扎尕山群（T2zg），厚度1 263 m；中生界三迭系上統(tǒng)西康群侏倭組（T3zh），厚度457～1 449 m；中生界三迭系上統(tǒng)西康群新都橋組（T3x），厚度509～599 m；新生界第四系更新統(tǒng)（Qp），厚度26～90 m；新生界第四系全新統(tǒng)（Qh），厚度0～30 m。久馬高速公路沿線的軟土及地貌分布特征如圖1所示。圖2為沿線典型地貌實(shí)景照片。

1.2" 沿線氣象概況

久馬高速沿線高原氣候特點(diǎn)明顯，空氣稀薄，年平均氣壓僅為665.6 hPa；日照時(shí)間長(zhǎng)，年均達(dá)2 158.7 h，日照百分率55%，空氣干燥，年平均水氣壓僅為5.3 hPa；降雨量多，年平均達(dá)749.1 mm；氣候寒冷，年平均氣溫約1～2 ℃，無絕對(duì)無霜期，氣溫變幅大，年較差達(dá)21.2 ℃；對(duì)流天氣多，冰雹年平均達(dá)125次，雷雨75.4 d。冬季長(zhǎng)達(dá)319 d，春秋天氣短促相連，僅46 d。11月至次年3月，氣溫均小于0 ℃，極端最低氣溫達(dá)-36 ℃。氣溫最高月7月平均也僅為10.9 ℃，極端最高溫為26 ℃。

2" 沿線軟土的參數(shù)指標(biāo)分布概況

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔軟土樣品的土工試驗(yàn)分析，測(cè)定了沿線各類軟土的基本物理指標(biāo)，圖3為沿線各標(biāo)段天然含水率和液限分布，其中腐殖土的天然含水率與其他3類軟土相比普遍較高，這與腐殖土含大量的植物根系直接相關(guān)。這4類軟弱地基土天然含水率都和液限存在正相關(guān)關(guān)系，兩者值比較接近，處于流動(dòng)和可塑狀態(tài)之間。沿線土類中腐殖土和部分泥炭質(zhì)土、淤泥質(zhì)土液限大于50%，屬于高液限黏土，全線占比4.5%，其他為低液限黏土，全線占比14.4%。

圖4為沿線各標(biāo)段軟土的孔隙比分布圖，其中多數(shù)粉質(zhì)黏土和部分泥炭質(zhì)土的孔隙比e在0.5～1之間，全線占比8.3%；少數(shù)粉質(zhì)黏土和大部分泥炭質(zhì)土、淤泥質(zhì)土的孔隙比e在1～1.5之間，全線占比6.1%；腐殖土和部分淤泥質(zhì)土的孔隙比e在1.5～2.5之間，全線占比4.5%。

圖5為沿線各標(biāo)段軟土的壓縮性與強(qiáng)度指標(biāo)分布情況，其中大部分粉質(zhì)黏土的壓縮系數(shù)a在0.1～0.5 MPa-1之間，屬于中壓縮性土，全線占比8%；其余3類軟土的壓縮系數(shù)agt;0.5 MPa-1，屬于高壓縮性土，全線占比10.9%，腐殖土的最大壓縮系數(shù)a接近1.9，這與其高含水率、高孔隙比、低重度等特點(diǎn)直接相關(guān)。

圖6、圖7分別為沿線各標(biāo)段軟土黏聚力和內(nèi)摩擦角、泥炭質(zhì)土和淤泥質(zhì)土的比貫入阻力和基本承載力分布情況，大部分粉質(zhì)黏土黏聚力c在25～40 kPa之間，內(nèi)摩擦角φgt;10°；腐殖土、淤泥質(zhì)土和泥炭質(zhì)土的黏聚力clt;20 kPa，內(nèi)摩擦角φlt;10°。根據(jù)原位靜力觸探測(cè)試和快剪的試驗(yàn)結(jié)果，其中泥炭質(zhì)土和淤泥質(zhì)土的靜力觸探比貫入阻力均小于800 kPa，靜力觸探計(jì)算的基本承載力小于90 kPa。這說明軟土的地基承載力很低，土體抵抗剪切變形的能力極差，具有觸變性和流變性，軟土地基會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，說明其不能直接應(yīng)用于工程之中。

取沿線淤泥質(zhì)土進(jìn)行燒失量試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為950 ℃，獲得淤泥質(zhì)土的平均燒失量為69.79%。這表明淤泥質(zhì)土的有機(jī)物含量高，與泥炭質(zhì)土相近，在地基處理時(shí)可采用化學(xué)固化的方式輔助處理。

3" 軟土物理指標(biāo)相關(guān)性特征

3.1" 濕密度ρ與天然含水率w的相關(guān)特征

由表1、圖8可以看出，土的密度受含水率影響較大，項(xiàng)目區(qū)域粉質(zhì)黏土、腐殖土、淤泥質(zhì)土和泥炭質(zhì)土的濕密度和天然含水率呈顯著線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)|R|均在0.9以上。

3.2" 孔隙比e與天然含水率w的相關(guān)特征

由于軟土天然含水率高、天然孔隙比大，所以軟土大多為飽和土，土中的孔隙基本上被孔隙水占據(jù)。由表2、圖9可以看出，隨著含水率的增大，土體中的孔隙逐漸被水占據(jù)，孔隙比減小，4種土的孔隙比和天然含水量呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)|R|最大可達(dá)0.98。

3.3" 塑限wP與液限wL的相關(guān)特征

由表3、圖10可以看出，除腐殖土相關(guān)性較小外，粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土的塑限與液限呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)|R|均在0.9以上，其中淤泥質(zhì)土液、塑限之間的相關(guān)性最高。

3.4" 塑性指數(shù)IP與液限wL的相關(guān)特征

塑性圖是由A Casagrangde于1947年提出的細(xì)粒土分類法，是基于眾多地區(qū)的大量土樣分析建立的，目前己被許多國(guó)家采用[11-12]。由表4、圖11中可見，研究區(qū)軟土隨著液限的增大，其塑性指數(shù)整體呈增大態(tài)勢(shì)，液限與塑性指數(shù)呈顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)|R|最大達(dá)到0.98。在GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》塑性圖[13]上，研究區(qū)的軟土數(shù)據(jù)大都落在A線以上，靠近A線并大致平行于A線分布，塑性較高，且多屬于高液限黏土。

4" 久馬高速地基土物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)之間的相互關(guān)系

4.1" 壓縮系數(shù)ɑ與天然含水率w的相關(guān)特征

土的壓縮性影響著工程結(jié)構(gòu)物的形變，研究其意義重大。將土分類后研究其壓縮系數(shù)與天然含水率之間的關(guān)系，能更明確每一種軟土的指標(biāo)，為不同區(qū)域不同土的研究提供借鑒。由表5、圖12中可以看出，隨含水率的增大，4種軟土的壓縮系數(shù)均增大，含水率與壓縮系數(shù)具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，腐殖土的相關(guān)系數(shù)|R|最大可達(dá)0.97。

4.2" 內(nèi)摩擦角φCU與天然含水率w的相關(guān)特征

由表6、圖13可以看出，粉質(zhì)黏土、腐殖土、淤泥質(zhì)土和泥炭質(zhì)土的內(nèi)摩擦角均隨著含水率的增大而減小，具有較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均較高，其中粉質(zhì)黏土|R|可達(dá)0.99。

4.3" 黏聚力cCU與天然含水率w的相關(guān)特征

由表7、圖14可以看出，4種土的黏聚力均隨著含水量的增大而減小，具有顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，腐殖土相關(guān)系數(shù)|R|可達(dá)0.99。

5" 軟土地基工程處理措施探討

研究認(rèn)為川西高原軟土層在濕地沼澤區(qū)的大面積分布，由于其滲透性低，孔隙水排出過程相當(dāng)緩慢，土層的固結(jié)過程也很緩慢，沉降長(zhǎng)期持續(xù)；同時(shí)該地區(qū)軟土分布空間不均，厚度差異大，壓縮性高且多呈傾斜或透鏡體狀，易發(fā)生剪切破壞或傾斜擠出。針對(duì)該地區(qū)軟土工程特性，建議在地基處理時(shí)需重視地基排水，根據(jù)不同區(qū)域軟土類型和厚度，可在設(shè)置橫向排水盲管和增設(shè)滲水盲溝后，采用淺層換填、注漿加固、樁式復(fù)合地基等方法進(jìn)行軟基處理。

6" 結(jié)論

久馬高速全線軟土可分為4類，粉質(zhì)黏土和腐殖土主要分布在山原和高山地貌，淤泥質(zhì)土和泥炭質(zhì)土主要分布在丘原和高平原地貌。粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)與其他3種軟土差異性較大，物理指標(biāo)除重度外較其他3種軟土偏低，而力學(xué)指標(biāo)偏高。

久馬高速沿線4種軟土物理力學(xué)指標(biāo)之間存在線性關(guān)系，其中孔隙比、壓縮系數(shù)與天然含水率呈正相關(guān)關(guān)系，濕密度、黏聚力和內(nèi)摩擦角與天然含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并建立了線性回歸方程，可對(duì)該地區(qū)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并為軟基處理方法的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)，研究認(rèn)為川西高原地區(qū)軟土地基處理應(yīng)針對(duì)具體軟土類型，在加強(qiáng)排水措施的基礎(chǔ)上，選用適宜的地基處理方法。

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