洞庭湖區湖相土研究現狀

肖蘭 魏彥昭

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

關鍵詞：洞庭湖區；湖相土；研究歷程

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

0 引言

洞庭湖區水系發達，地下水位高，且常年澇災，土質松軟，嚴重影響公路穩定性，制約了洞庭湖區域公路的建設和發展。

長期以來，受國內發展政策的影響，學者們的關注重點基本放在海相土，內陸湖相土研究滯后。雖然兩者性質多有相同，但也存在較大差異。湖相土以分散結構為主，密度較大，排列不一，具有典型的各向異性。海相土以絮凝結構為主，具有較大的孔隙，對擾動比較敏感，性質比較均勻，且各向同性較好。當兩者孔隙比相同時，凝聚結構比分散結構具有較高的強度、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質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。

洞庭湖區湖相土研究起步較晚，關于其研究發展主要可分為如下幾個方面。

1 土質問題發現

早在1995年，熊慶收[2]曾提到在洞庭湖區的安鄉大橋表面覆蓋了極容易發生液化現象的淤積質砂型軟土，在設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，應當考慮到地質災害等問題，認識到洞庭湖區的堤防失事的地質原因主要有：（a）當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、淤泥質軟土引起的地基沉降。

顯然學者們早已關注到洞庭湖區土質是引發工程事故的重要原因，但是限于條件，并沒有結合試驗與理論分析。

2 試驗分析發展

（1）軟土物理力學性質分析。土體三相之間量的比例關系與力學參數反應土體物理力學性質，工程師們在大量調查與試驗基礎上，探究了洞庭湖區各物理力學指標取值范圍與其之間相關關系。

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

吳建寧[6]總結洞庭湖區20多項工程的勘察資料，給出洞庭湖區第四紀地層結構較為完善的分類，為工程提供可供參考的物理力學指標取值范圍與地區性經驗公式。

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

裴竹松[8]利用GDS高級固結系統對洞庭湖軟土采用分級加載的方式，先后進行了不同方向排水條件下固結試驗、連續加載固結試驗，試驗結果表明洞庭湖區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、抗剪強度較低、擾動易發生液化，且砂礫層的存在，常導致滲透路徑過短而發生滲透破壞[9-10]。

（2）軟土蠕變特性研究。軟土具有明顯的次固結現象，吳建寧[6]曾提到洞庭湖區某大橋基礎沉降變形蠕變現象較強烈，但并有加以探討。

鄧宗偉[11-12]等以洞庭湖區原狀軟土為研究對象，進行了室內一維固結流變試驗，試驗結果表明當應力水平低于某應力閾值時，軟土的蠕變特性服從Schiffman模型規律，當應力水平高于某應力閾值時，軟土的蠕變特性服從西原模型規律。并在其提出的改進西原模型基礎上，通過Laplace變換反變換與積分的方法推導了多級加載條件下的統一解析解。

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，一維狀態下金屬環可提供無限大的側向壓力，因此在400kPa下破壞這一說法有待考究。（b）在一維固結的條件下不存在塑性，之所以會出現試驗擬合的結果，是因為在高應力水平下，次固結相對于主固結較小，用數值無法精確表示，當主固結基本完成才顯現。（c）應力閾值應是與先期固結壓力有關的值。

（3）動力試驗。嚴格來說，大多數荷載都不是靜止的，因此靜荷載下的試驗結果往往不全面，隨著人們對土受力特點逐漸了解，動荷載成了學者們新的探索領域。近年來動力試驗裝置的引進，學者們開展了關于洞庭湖區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狀態的離心模型試驗裝置。曾向軍[15]、唐葭[16]等考查動應力幅值、振動頻率和圍壓3個因素對土體性質的影響。昌思[17]探究動應力幅值、圍壓、固結比和加載頻率對飽和粉質黏土累積塑性應變的影響。

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

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

楊彬[18]、江唯偉[19]等基于一系列室內試驗結合沉降計算提出當洞庭湖區軟土硬殼層（粉質黏土層）覆蓋于軟土層上（淤泥質軟黏土）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力擴散作用有利于土體穩定，能夠直接加以利用。此外趙燕茹[20]以原位載荷試驗結合室內原狀土力學實驗參數，推導了硬殼層的沉降特性的力學模型以及沉降和應力擴散的理論公式。

3 地基處理發展

根據洞庭湖區土質特征，學者們相繼提出多種地基處理和堤壩災害治理的方法。

劉戰輝[21]最早以應力擴散為原理提出采用場地強夯加固處理軟土地基，即在洞庭湖區軟土及回填土設置強夯墊層，強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力擴散的土層分布狀態，從而消除不均勻沉降達到變形要求。

隨后學者們根據不同的地質條件提出了砂樁、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、真空預壓排水固結法、動力排水固結法[22-31]等處理方法。各種處理方法都具有其相應的優點，選擇處理方案時應結合地質條件與經濟性篩選出最合適的方法。

雖然學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，節省經費和工期，探討相對較少。就樁基礎而言，隨著工程對承載要求的提高，樁型趨向于更深、更粗，介于洞庭湖區軟土層較深，樁型一般按摩擦型樁設計，如此設計中若選用樁型過粗，則不能達到經濟要求；樁型過長則難以達到穩定性要求，因此選用何種類型的樁型與樁長值得探究。當然其他處理方法也有大量可探討的地方，有待學者去發現。

4 其他

此外近年來隨著計算的發展新理論的引進，更多理論分析開始結合數值模擬探討，如左旺[7]基于試驗基礎結合ABAQUS模擬三軸試驗過程，證明試驗結論可靠性。段杰[32]構建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律。計算機的發展減少人為工作量，雖然操作過程死板，但是若能較好的運用，對試驗及工程技術的發展都有較大的用途。

5 結論

（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，隨著國家經濟重心的轉移，湖相土的研究逐漸趨于復雜化，從最初的經驗之談到現在的復雜試驗、理論引入、土工數值模擬分析，研究手段不斷進步，理論不斷創新。

（2）該地土質的基本物理力學性質研究相對成熟，而其他方面的研究善存在缺陷，人們對大自然的認識是進步的過程，因此學者們應當勇于提出自己的質疑，才能使得科學進步。

（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。土的結構與礦物質成分對土的物理力學性質有重要影響，相關方面還有待探究。

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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。