洞庭湖区湖相土研究现状

肖兰 魏彦昭

摘 要：本文针对洞庭湖区湖相土的研究历程，简要分析各个方向的已有研究成果，浅谈对洞庭湖区湖湘土发展展望，为今后研究方向提供参考。

关键词：洞庭湖区；湖相土；研究历程

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

0 引言

洞庭湖区水系发达，地下水位高，且常年涝灾，土质松软，严重影响公路稳定性，制约了洞庭湖区域公路的建设和发展。

长期以来，受国内发展政策的影响，学者们的关注重点基本放在海相土，内陆湖相土研究滞后。虽然两者性质多有相同，但也存在较大差异。湖相土以分散结构为主，密度较大，排列不一，具有典型的各向异性。海相土以絮凝结构为主，具有较大的孔隙，对扰动比较敏感，性质比较均匀，且各向同性较好。当两者孔隙比相同时，凝聚结构比分散结构具有较高的强度、较低的压缩性和较大的渗透性。此外海相土与湖相土在有机质含量上也有较大差距[1]，因此湖相土不能完全套用海相土的理论。

洞庭湖区湖相土研究起步较晚，关于其研究发展主要可分為如下几个方面。

1 土质问题发现

早在1995年，熊庆收[2]曾提到在洞庭湖区的安乡大桥表面覆盖了极容易发生液化现象的淤积质砂型软土，在设计缆索吊装面临很大的问题。

1999年，贺建林[3]、李定雄[4]等人提出在治理地方失事时，应当考虑到地质灾害等问题，认识到洞庭湖区的堤防失事的地质原因主要有：（a）当渗透路径不足引起的渗透破坏；（b）压缩性大且具有明显流变性的淤泥、淤泥质软土引起的地基沉降。

显然学者们早已关注到洞庭湖区土质是引发工程事故的重要原因，但是限于条件，并没有结合试验与理论分析。

2 试验分析发展

（1）软土物理力学性质分析。土体三相之间量的比例关系与力学参数反应土体物理力学性质，工程师们在大量调查与试验基础上，探究了洞庭湖区各物理力学指标取值范围与其之间相关关系。

张重杰[5]以某高速公路典型软弱土地层土样为研究对象，开展大量物理力学试验分析，给工程提供了相关物理力学指标参考值，并分析了液限wL与塑性指数Ip之间以及土的孔隙比e与压缩模量E1～2、压缩指数Cc和压缩系数a1～2之间相关性。

吴建宁[6]总结洞庭湖区20多项工程的勘察资料，给出洞庭湖区第四纪地层结构较为完善的分类，为工程提供可供参考的物理力学指标取值范围与地区性经验公式。

左旺[7]以洞庭湖区软土为研究对象，分别采用直剪仪、GDS三轴仪测试了洞庭湖区软土在不同的条件下抗剪强度，试验结果表明洞庭湖区软土抗剪强度较低，且抗剪强度随着固结度的增长呈现先快后慢的增长趋势。

裴竹松[8]利用GDS高级固结系统对洞庭湖软土采用分级加载的方式，先后进行了不同方向排水条件下固结试验、连续加载固结试验，试验结果表明洞庭湖区软土具有压缩性较大，径向排水速率大于竖向排水速率等特点。

洞庭湖区在缓慢的水流下沉积了大量湖泊相土，以更新世地层中软土为主，层厚局部地段达40余m，全新世地层中的软土分布次之，层厚一般小于10m。通常淤泥层夹有薄砂层，主要特征为含水量较高、孔隙比较大、压缩模量大、抗剪强度较低、扰动易发生液化，且砂砾层的存在，常导致渗透路径过短而发生渗透破坏[9-10]。

（2）软土蠕变特性研究。软土具有明显的次固结现象，吴建宁[6]曾提到洞庭湖区某大桥基础沉降变形蠕变现象较强烈，但并有加以探讨。

邓宗伟[11-12]等以洞庭湖区原状软土为研究对象，进行了室内一维固结流变试验，试验结果表明当应力水平低于某应力阈值时，软土的蠕变特性服从Schiffman模型规律，当应力水平高于某应力阈值时，软土的蠕变特性服从西原模型规律。并在其提出的改进西原模型基础上，通过Laplace变换反变换与积分的方法推导了多级加载条件下的统一解析解。

同年曹志伟[13]以三轴试验为研究手段，在围压100kPa条件下，以等差加载方式得到软土蠕变曲线，通过分析得到与邓宗伟类似的蠕变本构模型。

对于已有流变方面研究，笔者有如下自己的见解：（a）土体破坏主要为剪切破坏，一维状态下金属环可提供无限大的侧向压力，因此在400kPa下破坏这一说法有待考究。（b）在一维固结的条件下不存在塑性，之所以会出现试验拟合的结果，是因为在高应力水平下，次固结相对于主固结较小，用数值无法精确表示，当主固结基本完成才显现。（c）应力阈值应是与先期固结压力有关的值。

（3）动力试验。严格来说，大多数荷载都不是静止的，因此静荷载下的试验结果往往不全面，随着人们对土受力特点逐渐了解，动荷载成了学者们新的探索领域。近年来动力试验装置的引进，学者们开展了关于洞庭湖区湖相土动力特性方面的试验。

张莎莎[14]自主研制了可以模拟饱和土体不同固结状态的离心模型试验装置。曾向军[15]、唐葭[16]等考查动应力幅值、振动频率和围压3个因素对土体性质的影响。昌思[17]探究动应力幅值、围压、固结比和加载频率对饱和粉质黏土累积塑性应变的影响。

从已有研究成果来看，洞庭湖区湖相土对动力荷载相对比较敏感，相同土质在不同的动荷载下，或不同的土质在相同动荷载条件下，土体表现出不同物理力学性质，因此选择提供参数的试验方案时应当充分考虑工程施工与使用过程中可能会出现荷载特点。

（4）硬壳层。软土地基表层经过各种物理化学因素长期作用，会逐渐变干形成一层厚度不大但具有较高强度和较好结构性硬壳层，工程中若充分利用其优点，将大大减小工程造价，因此硬壳层的研究是相当有意义的。

杨彬[18]、江唯伟[19]等基于一系列室内试验结合沉降计算提出当洞庭湖区软土硬壳层（粉质黏土层）覆盖于软土层上（淤泥质软黏土）的地基，因硬壳层本身压缩性较小，且上硬下软成层地基的应力扩散作用有利于土体稳定，能够直接加以利用。此外赵燕茹[20]以原位载荷试验结合室内原状土力学实验参数，推导了硬壳层的沉降特性的力学模型以及沉降和应力扩散的理论公式。

3 地基处理发展

根据洞庭湖区土质特征，学者们相继提出多种地基处理和堤坝灾害治理的方法。

刘战辉[21]最早以应力扩散为原理提出采用场地强夯加固处理软土地基，即在洞庭湖区软土及回填土设置强夯垫层，强夯使其形成较厚的较均匀密实硬壳层，形成上层坚硬下层软弱的应力扩散的土层分布状态，从而消除不均匀沉降达到变形要求。

随后学者们根据不同的地质条件提出了砂桩、水泥粉喷桩、振动沉管灌注砂桩、搅拌桩、钻孔灌注桩、防渗墙、塑料排水带、塑料排水板、沉桩、PHC管桩、真空预压排水固结法、动力排水固结法[22-31]等处理方法。各种处理方法都具有其相应的优点，选择处理方案时应结合地质条件与经济性筛选出最合适的方法。

虽然学者们对地基处理种类探讨较多，但对地基处理中具体如何充分利用材料，节省经费和工期，探讨相对较少。就桩基础而言，随着工程对承载要求的提高，桩型趋向于更深、更粗，介于洞庭湖区软土层较深，桩型一般按摩擦型桩设计，如此设计中若选用桩型过粗，则不能达到经济要求；桩型过长则难以达到稳定性要求，因此选用何种类型的桩型与桩长值得探究。当然其他处理方法也有大量可探讨的地方，有待学者去发现。

4 其他

此外近年来随着计算的发展新理论的引进，更多理论分析开始结合数值模拟探讨，如左旺[7]基于试验基础结合ABAQUS模拟三轴试验过程，证明试验结论可靠性。段杰[32]构建ADINA有限元计算模型，得到了沉桩及水位变化对土体沉降的影响规律。计算机的发展减少人为工作量，虽然操作过程死板，但是若能较好的运用，对试验及工程技术的发展都有较大的用途。

5 结论

（1）已有成果表明洞庭湖湖相土的研究，虽涉及方面较广，但相对较少，随着国家经济重心的转移，湖相土的研究逐渐趋于复杂化，从最初的经验之谈到现在的复杂试验、理论引入、土工数值模拟分析，研究手段不断进步，理论不断创新。

（2）该地土质的基本物理力学性质研究相对成熟，而其他方面的研究善存在缺陷，人们对大自然的认识是进步的过程，因此学者们应当勇于提出自己的质疑，才能使得科学进步。

（3）已有研究成果主要着重于宏观方面的研究，微观方面并未涉及。土的结构与矿物质成分对土的物理力学性质有重要影响，相关方面还有待探究。

参考文献：

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作者简介：肖兰（1992-），女，湖南涟源人，硕士研究生在读，主要研究方向：岩土工程。