川西高原濕地軟土工程地質特性與空間分布研究

摘" 要：川西高原濕地區域性沼澤相軟土的工程特性與濱海相河湖相軟土不同，缺乏相關資料，成為高速公路建設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種軟土的區域性分布規律基礎上，通過勘探鉆孔取樣，開展土工試驗研究，厘定各種軟土的關鍵物理力學參數取值，針對各個物理力學強度指標的線性相關性進行分析并建立擬合公式。研究結果能夠為川西高原工程建設中的軟土物理力學參數提供參考，為軟土地基處理方法的選擇提供依據，具有明確的工程實際意義。

關鍵詞：高原軟土；工程特性；分布特征；物理力學指標；相關性分析

中圖分類號：TU447" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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（以下簡稱久馬高速）位于四川省阿壩州，項目穿越近60 km濕地保護區。該區段內廣泛分布著軟土，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質。同時，項目所在區域為季節性凍土區，區域內地層結構復雜，土體強度與變形特性差異大，地基處理難度加大。

針對軟土地基，國內外大量學者開展了有益研究。Brand等[1]系統總結了各國軟土的工程特性并開展了對比研究；陳曉平等[2]以珠江三角洲的軟土實驗結果為基礎，分析了蠕變特性對軟土地基變形和孔壓消散的量化影響；章定文等[3]總結了連云港海相軟土主要物理力學指標之間的相關關系；劉維正等[4]通過固結壓縮試驗和CPTU原位測試，發現長江漫灘相軟土既有高位結構性；梁國錢等[5]通過試驗結果分析研究了浙江沿海軟土地域分布規律和物理指標之間的相互關系；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；桂躍等[7]對高原湖相泥炭土的次固結特性以及機理進行了研究分析。

目前從軟土的研究地區與成因來看，主要圍繞海相、濱海相、三角洲相及部分內陸地區河湖相[8-10]展開，而對于川西高原地區濕地沼澤相季凍區軟土的工程特性的研究工作較少，特別是線性工程區域性軟土，在實際工程中大多還是借鑒其他地區的工程經驗。本文以久馬高速為例，在大量室內土工試驗成果的基礎上，結合地勘資料，系統分析了高原濕地軟土的區域工程地質特性，用于指導各區段內的地基處理，并為今后川西北地區的工程建設提供指導與借鑒作用。

1" 久馬高速沿線概況

1.1" 沿線工程地質概況

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121 km，占全線的55%；3 500至4 000 m段長98 km，占全線的45%。平均海拔高度達到3 300 m以上。在久馬高速沿線范圍內，季凍區軟土占比約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含水率過大的粉質黏土，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，主要以淤泥質土和泥炭質土為主，分布于寬緩坳溝內的濕地、沼澤地帶。地層由老至新分別為中生界三迭系中統扎尕山群（T2zg），厚度1 263 m；中生界三迭系上統西康群侏倭組（T3zh），厚度457～1 449 m；中生界三迭系上統西康群新都橋組（T3x），厚度509～599 m；新生界第四系更新統（Qp），厚度26～90 m；新生界第四系全新統（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為沿線典型地貌實景照片。

1.2" 沿線氣象概況

久馬高速沿線高原氣候特點明顯，空氣稀薄，年平均氣壓僅為665.6 hPa；日照時間長，年均達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749.1 mm；氣候寒冷，年平均氣溫約1～2 ℃，無絕對無霜期，氣溫變幅大，年較差達21.2 ℃；對流天氣多，冰雹年平均達125次，雷雨75.4 d。冬季長達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-36 ℃。氣溫最高月7月平均也僅為10.9 ℃，極端最高溫為26 ℃。

2" 沿線軟土的參數指標分布概況

通過對現場鉆孔軟土樣品的土工試驗分析，測定了沿線各類軟土的基本物理指標，圖3為沿線各標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。這4類軟弱地基土天然含水率都和液限存在正相關關系，兩者值比較接近，處于流動和可塑狀態之間。沿線土類中腐殖土和部分泥炭質土、淤泥質土液限大于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為沿線各標段軟土的孔隙比分布圖，其中多數粉質黏土和部分泥炭質土的孔隙比e在0.5～1之間，全線占比8.3%；少數粉質黏土和大部分泥炭質土、淤泥質土的孔隙比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為沿線各標段軟土的壓縮性與強度指標分布情況，其中大部分粉質黏土的壓縮系數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a接近1.9，這與其高含水率、高孔隙比、低重度等特點直接相關。

圖6、圖7分別為沿線各標段軟土黏聚力和內摩擦角、泥炭質土和淤泥質土的比貫入阻力和基本承載力分布情況，大部分粉質黏土黏聚力c在25～40 kPa之間，內摩擦角φgt;10°；腐殖土、淤泥質土和泥炭質土的黏聚力clt;20 kPa，內摩擦角φlt;10°。根據原位靜力觸探測試和快剪的試驗結果，其中泥炭質土和淤泥質土的靜力觸探比貫入阻力均小于800 kPa，靜力觸探計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，軟土地基會產生較大的沉降，說明其不能直接應用于工程之中。

取沿線淤泥質土進行燒失量試驗，試驗溫度為950 ℃，獲得淤泥質土的平均燒失量為69.79%。這表明淤泥質土的有機物含量高，與泥炭質土相近，在地基處理時可采用化學固化的方式輔助處理。

3" 軟土物理指標相關性特征

3.1" 濕密度ρ與天然含水率w的相關特征

由表1、圖8可以看出，土的密度受含水率影響較大，項目區域粉質黏土、腐殖土、淤泥質土和泥炭質土的濕密度和天然含水率呈顯著線性負相關，相關系數|R|均在0.9以上。

3.2" 孔隙比e與天然含水率w的相關特征

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。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，孔隙比減小，4種土的孔隙比和天然含水量呈現線性正相關關系，相關系數|R|最大可達0.98。

3.3" 塑限wP與液限wL的相關特征

由表3、圖10可以看出，除腐殖土相關性較小外，粉質黏土、淤泥質土、泥炭質土的塑限與液限呈線性正相關關系，相關系數|R|均在0.9以上，其中淤泥質土液、塑限之間的相關性最高。

3.4" 塑性指數IP與液限wL的相關特征

塑性圖是由A Casagrangde于1947年提出的細粒土分類法，是基于眾多地區的大量土樣分析建立的，目前己被許多國家采用[11-12]。由表4、圖11中可見，研究區軟土隨著液限的增大，其塑性指數整體呈增大態勢，液限與塑性指數呈顯著線性相關，相關系數|R|最大達到0.98。在GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》塑性圖[13]上，研究區的軟土數據大都落在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和力學指標之間的相互關系

4.1" 壓縮系數ɑ與天然含水率w的相關特征

土的壓縮性影響著工程結構物的形變，研究其意義重大。將土分類后研究其壓縮系數與天然含水率之間的關系，能更明確每一種軟土的指標，為不同區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種軟土的壓縮系數均增大，含水率與壓縮系數具有較強的線性關系，腐殖土的相關系數|R|最大可達0.97。

4.2" 內摩擦角φCU與天然含水率w的相關特征

由表6、圖13可以看出，粉質黏土、腐殖土、淤泥質土和泥炭質土的內摩擦角均隨著含水率的增大而減小，具有較顯著的負相關關系，相關系數均較高，其中粉質黏土|R|可達0.99。

4.3" 黏聚力cCU與天然含水率w的相關特征

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，具有顯著的線性負相關關系，腐殖土相關系數|R|可達0.99。

5" 軟土地基工程處理措施探討

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

6" 結論

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

久馬高速沿線4種軟土物理力學指標之間存在線性關系，其中孔隙比、壓縮系數與天然含水率呈正相關關系，濕密度、黏聚力和內摩擦角與天然含水率呈負相關關系，并建立了線性回歸方程，可對該地區軟土的物理力學指標進行預測，并為軟基處理方法的選擇提供科學依據。

根據物理力學指標，研究認為川西高原地區軟土地基處理應針對具體軟土類型，在加強排水措施的基礎上，選用適宜的地基處理方法。

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