昆明某工程区不同埋深下红土的物理特性研究

2022-02-14罗军尧

贵州大学学报(自然科学版) 2022年1期

朱旭,田林，罗军尧

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650500；2.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500)

红土具有压缩性低、强度高等特殊的工程特性。由于各地气候、水文、地质的差异性，红土具有明显的地域性，红土通常呈砖红色、棕红色、褐黄色[1]。红土在上世纪作为特殊土被列入规范，并且在专家学者的深入研究下已经取得了很多具有价值的成果[2]。

毕庆涛等[3]通过对红土进行直接剪切试验分析了红土的强度与含水率的关系，结果表明，红土的强度明显受含水量的影响。王洋等[4]对残积红黏土的物理化学性质和结构特征进行了研究，通过试验的方法分析了红黏土性质的变异性。其研究成果如下：土体的黏聚力(c)和内摩擦角(φ)值均受含水率的影响，其中对c值的影响程度更显著。柏巍等[5]对厦蓉高速段的红土展开了试验研究，试验表明：红土土层的力学特性与含水率及厚度相关。张瑞敏[6]通过对贵州地区红土固结特性进行研究得出了研究区红土均为中压缩性土。

昆明地区广泛分布着红黏土且其埋深不大，许多工程项目都选址在红黏土地基上，这就使得研究红黏土的物理特性具有现实意义。由本地区的研究资料可知，昆明地区的红黏土一方面因其抗剪强度高和压实性较低的特性，往往在工程中被选作持力层。另一方面，又由于其孔隙大、含水率高、液塑性高的物理特性决定了其具有弱膨胀性、裂缝性，会给工程的安全带来隐患[7]。故而从红黏土的物理特性出发，对昆明地区的红黏土的物理特性展开研究，对工程实践具有较大的指导意义。本文对昆明市某工程的不同深度的地下土进行物理特性研究，对不同深度下的原状土的基本工程特性通过试验进行了深入的分析与探讨。

1 工程地质条件

1.1 位置及地形地貌

研究区位于昆明断陷盆地北部,属于河谷阶地，是由于河流侵蚀堆积成因形成的。该范围地坪标高起伏较大，地形总体为西北高东南低，坡度约在3%～8%之间。现状下场地表部分布有厚层填土(填土厚度最大达11 m)研究区西侧及北侧回填土较厚介于1 912.67～1 923.00 m，相对高差10.23 m。

1.2 水文

昆明某工程研究区所在的滇池流域是三大流域(红河、金沙江和珠江)的分水岭地带。流域内分布有二十余条大小河流汇入滇池，但大部分河流水量小，汇水面积大。其中新河、洛龙河、宝象河、捞鱼河、大河、盘龙江、东大河、柴河等8条的汇水面积都在100 km2以上。东白沙河、西北沙河、红坡等小型水库以及松华坝大型水库和宝象河、松茂、横冲、大河、柴河等5座中型水库都坐落在这些河流上。研究区内分布有一条宽约0.50～1.30 m、深约0.30～0.80 m泄洪渠，该泄洪渠由场地西北方向往东南方向流经场地并汇入距场地110 m远的盘龙江内。勘察期间泄洪渠内水量较小，流速较缓，勘察施工后期，该泄洪渠已被截断改向后不流经场地内。

1.3 区域地质构造

昆明盆地在大地构造上位于扬子准地台康滇古隆起东缘。研究区附近主要发育黑龙潭-官渡断裂，该断裂呈近南北向发育，区域发育长度98 km；断裂北段(即大哨以北)倾向西，倾角32～45°，为压扭性逆断层；该断层的东盘主要是古生界泥盆系至二叠系上统地层；断层的西盘主要是侏罗系中统、古生界奥陶系下统、二叠系上统及中生界三叠系上统地层；断裂南段(即大哨以南)倾向东，倾角52～70°，性质为张扭性正断层；该断层主要分布角砾岩与碎裂岩，碎裂岩带宽120 m，角砾岩带宽30 m；东、西两盘主要是元古界昆阳群及古生界二叠系上统地层。该断裂从研究区附近通过，距离研究区2 km。

研究区区域地壳较不稳定，区域主干断裂及次级断裂挽近期活动是影响区域地壳稳定性的主要因素。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[8]，昆明市抗震设防烈度为8度。

2 红黏土的物理特性

2.1 红黏土的基本工程特性

红黏土具有非常明显的区域性，红黏土在不同地区的的物理特性是不同的[9]。研究典型土样取自南省昆明市某工程的最具有代表性的钻孔中的原状土进行研究。

分别取两个钻孔的不同深度的原状土进行物理特性研究，根据《土工试验方法标准》(GBT50123—2019)进行具体物理试验[10]。表1介绍了ZK1和ZK2的取样深度及基本物理特性试验结果。

表1是室内常规的土工试验得出的红黏土的物理参数。

表1 红黏土的基本物理参数

ZK1-1、ZK1-2及ZK1-3的取样深度分别为30.5～32.7 m、42.5～42.7 m和45.9～46.1 m，ZK2-1、ZK2-2及ZK2-3的取样深度分别为11.3～11.5 m、27.0～27.2 m和32.4～32.6 m。通过表1中的一些物理参数，能够进一步证实红黏土孔隙大、含水率高的物理特性，且可以看出红黏土的孔隙比及含水率随着取样深度的增大而增大；而土粒比重和湿密度则是随着取样深度的增大而减小。

2.2 红黏土的界限含水率

界限含水率在很大程度上决定了土的力学性质。黏土的状态随着土壤含水量由高到低的变化分别为流动态、塑性态、半固态和固态。在工程实际中，准确测定土壤的液塑指标对工程具有很重要的意义，特别是液限能很好的反应出土的物理特性[11]。塑性指数是红黏土特性中的一个重要指标，能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响[12]。

表2是不同深度下红土的液、塑限及液、塑性指数。由表2可得出随着深度的增大，液限和塑限也随之增大。研究区所有红土样品的塑性指数均大于17，进一步证实研究区土壤为黏性土。

表2 红黏土的界限含水率

3 红黏土的载荷试验

3.1 固结试验

固结试验是测定样品压缩性的一个试验，而压缩性也是土的一个重要的指标。将各个点的6.18 cm×2 cm的环刀试样装在单杠杆固结仪上，分别以50、100、200、300、400 kPa加压，记录不同时间内的压缩量。根据数据可以得出红黏土的压缩系数，还可得出压缩变形量与荷载之间的关系，进而得到土的孔隙比与荷载之间的关系，即e-lgp曲线。通常将压力100 kPa与压力200 kPa下的压缩系数作为土体压缩性评价指标。

表3是不同深度下红黏土在不同压力下的压缩系数。

表3 红黏土的压缩系数

可以得出除了取样深度最深(52.9～53.1 m)的样品外，其它所有样品在获得的100～200 kPa之间的压缩系数(α0.1～0.2MPa)均在0.1～0.5 MPa-1(中压缩性土的压缩系数范围)之间(表3)。

图1表示不同深度下红黏土的压缩系数(α0.1～0.2MPa)和压缩模量。可以看出，红黏土在最小取样深度3.3～3.5m的压缩系数为最大值0.45 kPa，在最大取样深度52.9～53.1 m的压缩系数为最小值0.08 kPa。并且红黏土的压缩系数呈现了一个非常明显的规律：红黏土的压缩系数随着取样深度的增大而减小。也就是说，取样深度越深，红黏土的压缩性越差，取样深度越浅，红黏土的压缩性越好。

(a)压缩系数 (b)压缩模量

3.2 剪切试验

直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。根据直剪试验结果和库伦定律可以确定土的抗剪强度参数内摩擦角φ和黏聚力c。黏聚力和内摩擦角是常规土工试验反映土体强度的重要指标[13]。根据试验结果，可以看出最小取样深度11.3～11.5 m的黏聚力为30.5 kPa，最大取样深度45.9～46.1 m的黏聚力为23.2 kPa；而最大粘聚力56.8 kPa的取样深度为27.0～27.2 m，非最大或最小取样深度。同样根据表4可以看出，最小内摩擦角9.3 °的取样深度为42.5～42.7 m，最大内摩擦角12 °的取样深度为27.0～27.2 m；而最大取样深度45.9～46.1 m的内摩擦角为10.5°，非最大或最小内摩擦角。因此红黏土的黏聚力和内摩擦角与深度之间并无明显规律。

表4 红黏土的C、φ值

4 稳定性评价

4.1 不良地质作用和地质灾害

研究区属于地壳较稳定区，区域地质构造稳定性较好。周边分布最近的断裂带为晚更新世的普渡河断裂带，其与普渡河断裂之间的距离大于10 km。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)规定，研究区拟建建筑结构地震动参数可不计入近场影响，可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响。

4.2 稳定性分析与评价

从区域地质资料查证，研究区附近分布着早-中更新世活动性断裂(黑龙潭—官渡断裂)，该断裂距研究区约2 km，研究区10 km范围内无全新世活动断裂通过，研究区区域地壳较不稳定，位于次不稳定区。

研究区地层较复杂，地貌较单一，交通方便，研究区地貌单元为河流侵蚀堆积成因形成的河谷阶地地貌。根据现场调查，研究区附近无滑坡、泥石流、地面塌陷、岩溶、采空区、地下埋藏物等不良地质作用，拟建场地处于昆明断陷湖积盆地北部，地形有一定起伏，原始地貌为山麓斜坡坡积与洪积扇交替地带。根据工程地质测绘、钻探等手段的勘测和已有资料综合分析判断，研究区内无活动断裂通过，地层结构较为复杂，但地层分布相对较为稳定，地势较为平缓，岩土体的工程特性较好。场地内存在人工填土、红黏土、软弱土外，无滑坡、地面塌陷、泥石流等不良地质作用，现状下是稳定的，基本适宜本工程建设。