成都東部紅層丘陵地區軟弱土性質及賦存特征

于許兵，黃頡，劉星，鄧東，謝鵬程

（四川興蜀工程勘察設計集團有限公司，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，這類巖石極易風化發育成紫紅色土，故川中丘陵地區屬于紅層丘陵地區。隨著城市人口規模不斷擴大，向地下要土地、要空間已成為城市歷史發展的必然（錢七虎，1998；吳立新等，2022）。中國城市地下空間的建設規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年均增速達20%以上（王成善等，2019）。各個地區存在的獨特的地質環境問題，在城市規劃和建沒過程中，要針對性地采取措施，趨利避害（朱耀琪，1990）。在紅層丘陵地區，丘間洼地十分發育，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及地下空間開發利用具有明顯的制約作用。成都東部新區定位為國家向西、向南開放新門戶，成渝地區雙城經濟圈建設新平臺，成德眉資同城化新支撐，新經濟發展新引擎，彰顯公園城市理念新家園（涂偉，2020）。隨著成都天府國際機場的建成通航，成都東部新區的建設正在如火如荼地展開。研究區自2019年開始開展了地下空間資源地質調查，其中一項重要的地質問題就是軟弱土。為了避免軟弱土對成都東部新區城市建設和地下空間開發利用的限制，同時將軟弱土對東部新區工程活動的危害降到最低，特開展軟弱土的調查工作。本次研究在規劃建設區的關鍵位置布置了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，為后期的工程活動提供了大量的地質資料和科學依據。

1 研究區概況

成都東部新區地處成都市東南部，管理面積920 km2，地形地貌類型主要為丘陵，僅有新區西部的龍泉山區屬低山地貌。區內出露的基巖地層主要為白堊系下統蒼溪組（K1c）、侏羅系上統蓬萊鎮組（J3p）。蒼溪組（K1c）巖性以砂巖為主；蓬萊鎮組上段（J3p2）巖性由砂泥巖互層構成，砂巖占比較多；蓬萊鎮組下段（J3p1）巖性以泥巖為主，局部夾砂巖透鏡體。區內丘間洼地發育，氣候濕潤多雨，洼地內地層滲透性低且排水不暢。在這種特殊環境地質條件下，紅層基巖風化物經搬運、沉積于丘間洼地內，形成了比較發育的軟弱土（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、地面調查、常規鉆探及背包鉆取樣、探針、原位測試和室內試驗等。具體工作量為地面調查248 km2，鉆探179孔，靜力觸探201.9 m，旁壓試驗21次，標準貫入試驗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調查區的區域地質、水工環勘查、物探、規劃及區內大型的工程活動相關的勘查資料及科研成果。對區內軟弱土的性狀、分布特征、規劃建設的可利用情況有了初步的認識。

2）地面調查

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

3）常規鉆探及取樣

采用XY-2型與XY-4型鉆機對地層進行全斷面鉆孔取心，現場技術人員對巖心進行拍照、編錄，并手繪素描圖。

4）背包鉆

軟弱土主要分布于場地內的丘間洼地、河流兩岸及水塘溝渠中，在調查區的空間分布依地形而變化，“遇溝則通，遇山則終”，常規鉆探的布置間距無法滿足查明軟弱土空間結構的精度要求，因此在參考工作區規劃的基礎上，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。本次調查期間，項目部使用探針并結合地面調查較好地查明了魚塘及溝渠區域淤泥及淤泥質土的分布及埋深情況。

6）原位測試

針對軟弱土進行了標準貫入試驗、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據資料。

7）室內試驗

針對軟弱土進行了常規物理性質試驗、顆分試驗、固結試驗、剪切試驗、擊實試驗、承載比試驗、滲透試驗和脹縮性試驗。

3 結果與討論

3.1 軟弱土地層結構特征

天然情況下的軟弱土具有“強度低，壓縮性高，透水性差”的工程特性。區內軟弱土隸屬全新統軟弱—中軟強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、低強度、低滲透性。在工程建設過程應挖除或進行相應的地基處理。

2）丘間洼地軟弱土

淤泥質土②1：灰色、深灰色，軟塑，以黏性土為主，夾少量有機質及腐殖質，無搖振反應。區內分布較少，主要位于丘間洼地內，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，土質較輕，無光澤，有機質（腐殖質）含量達到60%～80%。區內分布較少，主要位于丘間洼地內，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。

軟塑粉質黏土②3：灰棕色，軟塑，韌性低—中等，無搖振反應，可見少量植物殘渣。該層在區內普遍分布，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，局部含淡黃色浸染物，偶夾少量植物殘渣。該層在區內局部分布，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

通過本次調查工作，區內軟弱土分布面積較少，主要分布表現為在丘間洼地內呈透鏡狀分布，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、龍云水庫以及區內的水塘、溝渠底部，呈點狀分布。

2）丘間洼地軟弱土

在本次調查工作中，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，呈樹枝狀在工作區內分布，是區內分布占比最大的軟弱土。調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長型的丘間溝谷內；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（圖1）。

圖1 研究區軟弱土平面分布圖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

研究區地處紅層丘陵區，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，由于靜水環境更易形成淤泥、淤泥質土，水庫底部軟弱土較水塘底部軟弱土的厚度要大。經調查，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”的垂向空間結構，典型分布形態見圖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

區內丘間谷地眾多，氣候濕潤多雨，排水不暢，在這種特殊環境地質條件下，紅層軟巖風化物經搬運沉積于丘間洼地或溝谷，便形成了場地內比較發育的丘間洼地軟弱土。通過現場鉆探、背包鉆調查及走訪當地居民發現，丘間洼地軟弱土厚度最大地段一般分布于溝谷的中心區域，向溝谷兩側其厚度逐漸減小，直至尖滅。本次調查布置的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：淤泥質土、泥炭、軟塑粉質黏土、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”的垂向空間結構，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 軟弱土空間分布統計

水庫水塘軟弱土常以淤泥的形式富存于地表，分布形態簡單，工程建設時容易發現并采取措施進行處理。丘間洼地軟弱土常以透鏡體或帶狀的形態分布于洼地內，深度變化大，分布形態較為復雜，且深度較深，對工程建設的影響較大，故此處主要對丘間洼地軟弱土的分布特征進行統計分析。

對研究區各鉆孔揭露的中丘間洼地軟弱土分布特征的統計分析表明，區內的丘間洼地軟弱土主要有淤泥質土、泥炭、軟塑粉質黏土、軟塑黏土，其中揭露軟塑黏土的鉆孔占總鉆孔數的53%，揭露軟塑粉質黏土的鉆孔占總鉆孔數的41%，揭露淤泥質土的鉆孔占總鉆孔數的3%，揭露泥炭的鉆孔占總鉆孔數的3%。

淤泥質土和泥炭這2類軟弱土在軟弱土中僅占6%，其中：淤泥質土有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。軟塑粉質黏土和軟塑黏土在軟弱土中的占比達到了94%。對占比大、分布復雜的軟塑粉質黏土和軟塑黏土這2類軟弱土的厚度、層頂埋深、層底埋深分別進行統計分析，結果如下：

1）分布厚度

軟塑粉質黏土層厚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個檔次進行統計，軟塑粉質黏土和軟塑黏土這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%，本次未發現有厚度大于10 m的軟塑粉質黏土分布。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個檔次進行統計，軟塑粉質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%，本次調查未發現有層頂埋深大于10 m的軟塑粉質黏土分布。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%，本次調查未發現有層頂埋深大于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個檔次進行統計，軟塑粉質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 軟弱土物理力學指標建議值

通過對本次調查工作所采取土樣的綜合研究，得出了區內各類軟弱土物理力學指標的建議值，詳見表2。

表2 軟弱土物理力學指標建議值Tab.2 Recommended value of physical and mechanical indexes of soft soil

3.4 軟弱土對城市建設及地下空間開發利用的制約作用

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

1）水庫水塘淤泥軟弱土

水庫水塘淤泥軟弱土在東部新區內分布面積小，厚度小，埋深淺，對成都東部新區的城市建設及地下空間開發利用的制約作用小。由于其力學性質極差，在工程建設活動中應全部清除。

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，是區內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域，向溝谷兩側其埋深逐漸減小，直至尖滅。全新統軟弱—中軟強度丘間洼地軟弱土主要分布于20 m以淺（本次調查最深達15.75 m），是工程建設及地下空間開發最集中的區域。丘間洼地軟弱土強度低、壓縮性高，對城市建設及地下空間開發利用的制約主要表現為：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。

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

對于地下空間的利用，勢必要對地層進行開挖，形成深基坑。丘間洼地軟弱土的抗剪強度均比較低，自穩能力較差，深基坑周邊的土體在支護不當的情況下，及易垮塌，造成災害。2019年9月26日，成都市金牛區萬圣新居E地塊4號商業樓西北側基坑邊坡突然發生局部坍塌，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“陽光100”建設項目基坑擋土墻發生坍塌，所幸未造成人員傷亡（蒲南溪，2020）。隨著成都東部新區城市建設對地下空間開發程度的提高，近一段時期內，將會有大量的深大基坑需要進行開挖，保證每一個基坑在施工過程中安全有效地運行，是城市建設及地下空間開發利用的關鍵。“詳細與專業的工程勘察”“經濟合理的基坑支護設計”“科學嚴謹的施工”“施工全過程的監測”以及“及時的質量監管”等措施可以為深大基坑的安全運行保駕護航。

4 結論

1）成都東部新區軟弱土主要包括：第四系全新統軟弱—中軟強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：淤泥質土、泥炭、軟塑粉質黏土、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內的毛井溝水庫、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長型的丘間溝谷內；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。

3）軟塑粉質黏土和軟塑黏土在軟弱土中的占比達到了94%，其中軟塑粉質黏土層厚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簡單，工程建設時容易發現并采取措施進行處理。丘間洼地軟弱土常以透鏡體或帶狀的形態分布于洼地內，深度變化大，分布形態較為復雜，且埋深較大，對工程建設的影響較大。