基于变异性分析的滇池泥炭土的小范围空间分布规律及物理力学性质

张 蕾，闫吉祥，曹 净，桂 跃

（昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500）

引言

泥炭质土是有机质含量大于或等于10%且小于或等于60%的土，它是由各类植物残体在生物分解作用下形成的有机质与无机矿物，后经漫长的沉积作用最终形成。泥炭质土多分布在湿地、湖泊、沼泽、滩涂等含腐植物丰富地域［1-2］。该类土层具有较高的含水量、压缩性、密度较小，通常呈现软塑～流塑状态。泥炭质土在昆明滇池流域广泛分布，对工程的安全施工有着极大的影响，在工程中通常作为特殊土处理［3-4］。国内外发生过多起由泥炭土地基引发的工程事故，例如Robert［5］报道一起房屋开裂工程事故，由泥炭土地基不均匀沉降高达10 cm。Pichan［6］报道了爱尔兰某地河堤泥炭土地基沉降量高达1.0 m，严重影响了防洪能力及堤坝的安全性。

除对工程建设有较大影响外，泥炭土对农学、植物学和环境科学领域也有较大影响，例如，在泥炭沼泽地区排水造田时，有机质降解导致的次压缩量甚至超过了主固结沉降量，给农田规划、利用和管理带来较大影响［7］。Franzen［8］在瑞士Komosse Bog 地区观测到的泥炭沼泽地面沉降的速率超过3.5 mm/a，诱发因素包括气候变化、地下水作用和营养物质供应等。

昆明作为云南省会城市，在不断向新一线城市迈进的同时，也在不断加快现代化城市的基础建设，以高层建筑和地下轨道为代表的重要基础设施建设在昆明掀起了建设的大潮。目前虽已形成较多的软土层处理等相关研究成果［9～11］，但由于滇池泥炭质土广泛分布，且形成时间较短，多具有上覆盖层较薄、固结程度较低等不良地质特点，引发过多起泥炭土地基工程事故。于1997 年建成的昆明老广福路使用一年即产生了500 mm 的沉降；云南省农牧渔业厅13层牧工商大楼建成近一年的时间平均沉降达256 mm［12］。昆明市南市区近滇池区域存在两个明显沉降槽，监测数据显示，1987～1998年间沉降量高达67.8～282.4 mm，平均8.6～25.7 mm/a［13］。目前云南已有108个县区对泥炭土的分布有所揭露［14］，泥炭土不良地基现已成为昆明地区地下建设工程中首要解决的地质问题及难点。

汇总众多泥炭土的研究成果发现［14～22］，多数对泥炭土的研究成果仅针对工程所在地的小范围个别指标进行分析，研究成果较为零散，对工程建设无法起到有效的参考借鉴意义，针对滇池流域泥炭质土全面统计分析的成果更是严重缺乏［23］。泥炭质地基土是昆明地区建设工程中地基问题关注的重点，其土体参数指标的合理选取对工程建设具有重要的指导意义。基于此，文中收集整理31个昆明市多地的泥炭质地基土工程的地勘报告，对泥炭土的物理力学指标进行统计分析，基于统计结果研究滇池泥炭质土层的分布规律及泥炭土主要物理力学指标的影响规律。

1 滇池泥炭土分布规律

1.1 滇池泥炭土空间分布特征

泥炭土形成时间漫长，经历晚更新世（Q3）、全新世初期（Q41）、全新世中期（Q43）3 个时期［1］，距今有9.3 万年历史。对于滇池流域而言，泥炭质土多分布在第四系湖沼层（Qal+pl、Ql+h）、冲洪层之中。

滇池地处云贵高原中部，昆明市总体趋势北高南低，位于金沙江、南盘江、红河流域的分水岭地带，属金沙江流域滇池水系，包括盘龙江、金汁河、宝象河、白沙河等多条河流，其中以盘龙江为主要供水来源，多条河流汇集下形成了水气封闭、气候湿润的滇池流域，为泥炭质土的发育提供了良好的环境条件。西山区、官渡区、五华区、盘龙区作为昆明市主城区，建筑密度大，人员分布密集，也是泥炭质土分布及整治的重点区域。

蒋忠信［1］在对滇池沿线进行地质勘探研究中发现，在滇池南北部区域与临近滇池东部的官渡区、呈贡区以及滇池西岸海口部分地区的地质勘探孔中均揭露泥炭质土层。文中对滇池周边31 个泥炭土地基项目的场地勘察资料进行统计分析，获得滇池泥炭土局部分布规律，将项目分布地点及滇池泥炭土分布图进行绘制，如图1～图2所示。

图1 工程项目分布图Fig.1 Project distribution map

图2 滇池泥炭土分布图Fig.2 Distribution map of peat soil in Dianchi lake

由图2可知昆明市西山区、官渡区、五华区、呈贡区、晋宁县、盘龙区6个片区沿滇池由北向南依次分布，其中盘龙区位于滇池东北部，距离滇池最远。

1.2 泥炭质土物理力学指标分布规律统计

鉴于西山区、官渡区是泥炭土分布的重点区域，将西山区及官渡区的统计结果列表，如表1～表2所示。

表1 西山区泥炭质土物理力学指标参数Table 1 Physico-mechanical parameters of peat soil in Xishan District

表2 官渡区泥炭质土物理力学参数Table 2 Physico-mechanical parameters of peat soil in Guandu District

笔者对所收集工程资料的数千个钻孔勘察数据进行整理统计，选取泥炭土物理指标：天然重度γ、土粒比重Gs、天然含水量w、饱和度Sr、孔隙比e、液限wL、塑限wp、塑限指数Ip、液限指数IL、有机质含量Wu；选取泥炭土力学指标：压缩系数a1-2、压缩模量Es1-2、室内直剪试验粘聚力c与内摩擦角φ，将各统计结果列表，如表3 所示。为了解滇池流域泥炭土主要物理力学指标的分布规律，对各区域分布的泥炭土的主要参数指标的变异系数进行统计，如图3～图5所示。

图3 γ、Gs、Sr变异系数曲线Fig.3 Coefficient variation curves of γ，Gs，Sr

图5 w、a1－2、Wu、c、φ变异系数曲线Fig.5 Coefficient variation curves of w，a1-2，Wu，c，φ

分析表1～表3的统计结果发现统计样本的泥炭土主要具有以下特征：

（1）物理特性方面：泥炭土的平均天然重度较小、土粒比重较小、孔隙比大、含水量大、饱和度高。西山区、官渡区、呈贡区、晋宁县4 个地区泥炭土平均含水量高、饱和度均超过100%；五华区、盘龙区平均含水量分别为75.79%和89.12%。

（2）力学性能方面：泥炭土强度低、压缩性高。各区域泥炭土的压缩系数平均值范围为0.5 MPa-1～3.79 MPa-1，具有较高的压缩性；液限指数平均值范围为0.35～1.52，在勘探过程中多表现为软塑至流塑状；c、φ的平均值变化范围分别为13.36 kPa～25.47 kPa和3.31°～14.46°，抗剪强度较差。

（3）其他方面：有机质含量较高，现场观察呈灰黑色，易染手，同时散发出较大的腥臭味，如图6所示。有机质含量平均值范围为14.45%～33.08%，由植物腐烂产生的腐殖质含量较多。

图4 e、wL、wp、Ip、IL、Es1－2变异系数曲线Fig.4 Coefficient variation curves of e，wL，wp，Ip，IL，Es1-2

图6 泥炭土场地表现性状Fig.6 Performance of peat soil

由图3～图5 可知，在昆明市各6 个不同区、县内泥炭土物理力学指标变异系数存在显著差异。主要分析结果如下：

（1）泥炭土的饱和度变异系数δ＜0.1，说明6 个片区泥炭土饱和度大小相对集中，离散程度低。从图2 可知，6个片区分布于滇池周边，形成环抱滇池的地理格局。充足的水气来源，导致滇池流域地下水分布丰富，使得泥炭土饱和度普遍较高。泥炭土天然重度γ、土粒比重Gs变异系数分布0.1＜δ＜0.25，表明6 个片区中的泥炭土天然重度、土粒比重两个物理指标虽有一定程度的离散，但离散程度相对较小。

（2）泥炭土的孔隙比e、液限wL、塑限wP、塑限指数IP、液限指数IL、压缩模量Es1-2的变异系数均在0.25＜δ＜0.8范围内，离散程度较大，其中晋宁县压缩模量变异系数最大，为0.79。

（3）泥炭土的含水量w、有机质含量Wu、压缩系数a1-2、粘聚力c、内摩擦角φ的变异系数在0.5＜δ＜1.2范围内，指标离散程度较大。

对比昆明市6 个片区数据发现，除饱和度外，泥炭土的主要物理力学指标变异系数存在明显差异，其中呈贡区的各指标变异系数相对较小。将6 个区域放在一起进行统计的方法不合理，各区县泥炭土参数指标的离散性较大，这样无法对工程设计施工提供有利参考数据，需要将统计区域缩小。

2 西山区小范围的泥炭土分布规律

为获得较为集中的泥炭土指标分布数据，对位于西山区的工程的泥炭土样本进行整理统计，剔除掉离散性较大的数据，将变异系数控制在0.15 范围内，统计样本不少于100 个。控制变异系数筛选指标，通过指标反推指标所属项目位置，结合前文的统计结果，获取西山区局部小范围作为主要研究区域。

2.1 不同埋深泥炭土的物理力学指标分布规律

图8 统计样本所处位置（埋深10～20 m）Fig.8 Statistical samples location（buried depth 10～20 m）

将获得的西山区小范围的泥炭土样本按埋置深度不同进行统计分析，埋置深度区间分为：小于10 m、10～20 m、20～30 m、大于30 m，统计结果列表如表4～表7 所示。按埋置深度将对应项目地点及数据进行汇总，标于图上，如图7～图10所示。

图7 统计样本所处位置（埋深小于10 m）Fig.7 Statistical samples location（buried depth less than 10 m）

表7 埋深大于30 m范围的物理力学指标Table 7 Physical-mechanical indexes with buried depth greater than 30 m

图9 统计样本所处位置（埋深20～30 m）Fig.9 Statistical samples location（buried depth 20～30 m）

图10 统计样本所处位置（埋深大于30 m）Fig.10 Statistical samples location（buried depth greater than 30 m）

表4 埋深小于10 m范围的物理力学指标Table 4 Physico-mechanical parameters with buried depth less than 10 m

表5 埋深10 m～20 m范围的物理力学指标Table 5 Physico-mechanical parameters in the range of 10 m～20 m depth

表6 埋深20 m ～30 m范围的物理力学指标Table 6 Physico-mechanical parameters in the range of 20 m～30 m depth

分析表4～表7统计结果可知，不同埋置深度范围内的泥炭土具有以下特征：

（1）浅层泥炭土含水量及有机质含量较高、孔隙比较大。对比4个不同深度区间内泥炭土物理力学指标均值可发现，在埋深小于10 m 范围内，泥炭土的天然含水量w 及有机质含量Wu 最大，其它深度区间泥炭土天然含水量较小，但随埋深增大，泥炭土天然含水量及有机质含量出现增涨趋势。昆明地区贯穿盘龙江、金汁河等多条河流，地表水丰富，不仅有利于浅层新沉积泥炭土的形成，也是导致浅层泥炭土含水量偏大的主要原因。

（2）土粒比重小、饱和度大。对比4个不同深度区间，土粒比重均值均小于2.4，与常见粘性土相比，土粒比重较小；受地下水影响，饱和度较大，普遍在80%以上。

（3）与上海典型淤泥土［24～25］相比，滇池泥炭土重度小，天然含水量较高，孔隙比较大，压缩模量较大，有机质含量较多，粘聚力较大，内摩擦角较小。

2.2 泥炭土主要指标随深度的变化规律

由图11～图14可知，各指标随埋深增加呈一定变化规律，具体如下：

图11 平均孔隙比e与深度关系Fig.11 Relationship betweenaverage e and depth

图14 平均内摩擦角φ与深度关系Fig.14 Relationship between average φ and depth

（1）随埋深的加深，泥炭土的孔隙比的平均值呈现出递减趋势，但不是线性降低，孔隙比最小的位置在10 m～20 m位置。压缩模量的变化规律与孔隙比刚好相反，随埋深逐渐增大，但也不是线性增大，在10 m～20 m 位置有一个拐点。这一现象符合压缩模量与孔隙比成反比的规律。通过对比西山区各项目地层剖面发现，在10 m～20 m 范围内泥炭土上部普遍存在粉质黏土，其自身结构及粘粒的存在，形成一层半隔水层，阻碍了水的渗流路径，在土的前期固结力作用下，10 m～20 m 深度处的泥炭土孔隙被压缩，导致孔隙比相对较小，压缩模量相对较大，该层泥炭土结构相对较密。

（2）粘聚力在20 m 埋深范围内平均值基本相对，约为21 kPa。超过20 m 深度，粘结力随埋深的增加而增大。

（3）内摩擦角随埋深的增加而增大，但不是线性增大，在20 m～30 m位置有一个下降的拐点。泥炭土内摩擦角的大小不仅与土颗粒表面粗糙度、密实度等有关，与颗粒间的胶结存在一定联系。在10 m～30 m 范围内，滇池盆地在全新世晚期与在晚更新世晚末期早发育的泥炭土，二者相差约22.9万年［11］，泥炭土发育年代的巨大差异，是导致新老泥炭土的固结度不同的直接原因，在数万年历史沉积下作用下，深层泥炭土固结程度相比浅层泥炭土较高、较密，统计结果与其形成规律相符。

图12 平均压缩模量Es1-2与深度关系Fig.12 Relationship between average Es1-2 and depth

图13 平均粘聚力c与深度关系Fig.13 Relationship between average c and depth

3 结论

文中对昆明市31个泥炭质土地基工程的地质勘探资料及滇池泥炭土相关文献进行统计整理，分析滇池泥炭土的空间分布规律，基于变异系数分析西山区小范围内泥炭土的主要物理力学指标的分布规律。主要研究结论如下：

（1）昆明市泥炭土分布以滇池为中心向四周发散，其中西山区、官渡区、五华区、呈贡区、晋宁县5个片区在靠近滇池一侧均存在泥炭土，其中泥炭土分布厚度以西山区最大，依次为官渡区、五华区、呈贡区、晋宁县逐渐递减，泥炭土厚度由西向东依次递减。

（2）对昆明市各区、县场地的泥炭土的主要物理力学指标进行统计整理。统计结果显示，除饱和度外，其他指标都存在较大的离散度。

（3）缩小统计范围，将泥炭土的主要参数指标的异系数控制在0.15范围内，通过指标的所属项目地返推获得局部集中的小范围作为研究区域。根据埋置深度的不同对小范围内的泥炭土指标进行分析。孔隙比随埋深增加而降低，压缩模量随埋深增加而增大，但并非为线性关系，在10 m～20 m 位置均存在一个拐点；粘聚力在20 m 埋深范围内平均值基本相对，约为21 kPa，超过20 m 深度，粘结力随埋深的增加而增大；内摩擦角随埋深的增加而增大，但不是线性增大，在20 m～30 m位置有一个下降的拐点。