成都东部红层丘陵地区软弱土性质及赋存特征

于许兵，黄颉，刘星，邓东，谢鹏程

（四川兴蜀工程勘察设计集团有限公司，四川 成都 610072）

四川盆地是中国四大盆地之一，总面积约26万km2，自西向东分为成都平原、川中丘陵和川东平行岭谷，因地表岩石主要为紫红色泥岩、砂岩和页岩，这类岩石极易风化发育成紫红色土，故川中丘陵地区属于红层丘陵地区。随着城市人口规模不断扩大，向地下要土地、要空间已成为城市历史发展的必然（钱七虎，1998；吴立新等，2022）。中国城市地下空间的建设规模和速度已居世界首位（朱合华等，2019）。“十二五”时期，我国城市地下空间建设年均增速达20%以上（王成善等，2019）。各个地区存在的独特的地质环境问题，在城市规划和建没过程中，要针对性地采取措施，趋利避害（朱耀琪，1990）。在红层丘陵地区，丘间洼地十分发育，其中赋存了大量的软弱土。目前世界上各个城市的地下空间开发深度主要集中在地下30 m以浅，而软弱土主要分布于地下20 m以浅，所以软弱土对城市建设及地下空间开发利用具有明显的制约作用。成都东部新区定位为国家向西、向南开放新门户，成渝地区双城经济圈建设新平台，成德眉资同城化新支撑，新经济发展新引擎，彰显公园城市理念新家园（涂伟，2020）。随着成都天府国际机场的建成通航，成都东部新区的建设正在如火如荼地展开。研究区自2019年开始开展了地下空间资源地质调查，其中一项重要的地质问题就是软弱土。为了避免软弱土对成都东部新区城市建设和地下空间开发利用的限制，同时将软弱土对东部新区工程活动的危害降到最低，特开展软弱土的调查工作。本次研究在规划建设区的关键位置布置了179个勘探孔，并通过多种手段基本查明了软弱土的空间分布特征、类型、工程特性及参数，为后期的工程活动提供了大量的地质资料和科学依据。

1 研究区概况

成都东部新区地处成都市东南部，管理面积920 km2，地形地貌类型主要为丘陵，仅有新区西部的龙泉山区属低山地貌。区内出露的基岩地层主要为白垩系下统苍溪组（K1c）、侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）。苍溪组（K1c）岩性以砂岩为主；蓬莱镇组上段（J3p2）岩性由砂泥岩互层构成，砂岩占比较多；蓬莱镇组下段（J3p1）岩性以泥岩为主，局部夹砂岩透镜体。区内丘间洼地发育，气候湿润多雨，洼地内地层渗透性低且排水不畅。在这种特殊环境地质条件下，红层基岩风化物经搬运、沉积于丘间洼地内，形成了比较发育的软弱土（卿三惠，2007）。

2 研究方法

本次软弱土研究方法主要包括：资料搜集、地面调查、常规钻探及背包钻取样、探针、原位测试和室内试验等。具体工作量为地面调查248 km2，钻探179孔，静力触探201.9 m，旁压试验21次，标准贯入试验86次，抽水试验154台班，渗水试验14台班，水样测试146组，土工试验130组。

1）资料收集

针对性地收集了大量有关调查区的区域地质、水工环勘查、物探、规划及区内大型的工程活动相关的勘查资料及科研成果。对区内软弱土的性状、分布特征、规划建设的可利用情况有了初步的认识。

2）地面调查

采用遥感解译、野外调查与现场访问相结合的方式，充分利用城市工程建设开挖形成的断面、基坑和探槽等人工露头，对各个调查点进行了深入调查与编录。

3）常规钻探及取样

采用XY-2型与XY-4型钻机对地层进行全断面钻孔取心，现场技术人员对岩心进行拍照、编录，并手绘素描图。

4）背包钻

软弱土主要分布于场地内的丘间洼地、河流两岸及水塘沟渠中，在调查区的空间分布依地形而变化，“遇沟则通，遇山则终”，常规钻探的布置间距无法满足查明软弱土空间结构的精度要求，因此在参考工作区规划的基础上，在丘间洼地布置了背包钻钻孔。

5）探针

探针是一种比较原始的探测软土层厚度的方法，通过人力将锥状探头压入软土中，该方法在探测鱼塘及沟渠底部淤泥情况时比较实用。本次调查期间，项目部使用探针并结合地面调查较好地查明了鱼塘及沟渠区域淤泥及淤泥质土的分布及埋深情况。

6）原位测试

针对软弱土进行了标准贯入试验、静力触探试验，同时搜集了大量十字板剪切试验和浅层平板载荷试验的数据资料。

7）室内试验

针对软弱土进行了常规物理性质试验、颗分试验、固结试验、剪切试验、击实试验、承载比试验、渗透试验和胀缩性试验。

3 结果与讨论

3.1 软弱土地层结构特征

天然情况下的软弱土具有“强度低，压缩性高，透水性差”的工程特性。区内软弱土隶属全新统软弱—中软强度坡洪积黏性土岩组，主要包括：水库水塘淤泥软弱土、丘间洼地软弱土。

1）水库水塘淤泥软弱土

淤泥①：灰色，流塑—软塑，主要分布于水库、水塘及沟渠底部，呈点状分布。该层土厚度一般较小，水库底部约2～5 m，沟渠底部一般约0.5～1.0 m，水塘底部一般2.2～2.8 m（草池街道同盟村）。该地层工程性质极差，孔隙比e≥1.5，含水率w≥wL（液限含水率），具有“三高两低”的特性：高含水量、高压缩性、高流变性、低强度、低渗透性。在工程建设过程应挖除或进行相应的地基处理。

2）丘间洼地软弱土

淤泥质土②1：灰色、深灰色，软塑，以黏性土为主，夹少量有机质及腐殖质，无摇振反应。区内分布较少，主要位于丘间洼地内，下伏于可塑黏土之下，呈透镜状分布，层厚2～5 m。草池街道罗家村QZK39号钻孔揭露的淤泥质土位于地表下4.8～9.2 m段。

泥炭②2：灰色，松散，呈软塑状，土质较轻，无光泽，有机质（腐殖质）含量达到60%～80%。区内分布较少，主要位于丘间洼地内，夹于可塑黏土之间，呈透镜状，厚度1 m左右。草池街道芦永村QZK92号钻孔揭露的泥炭土位于地表下4.2～5.1 m段。

软塑粉质黏土②3：灰棕色，软塑，韧性低—中等，无摇振反应，可见少量植物残渣。该层在区内普遍分布，层厚一般1.0～6.5 m，在玉城街道秀才沟村的一个背包钻孔中揭露的软塑粉质黏土的层厚为5.4 m。

软塑黏土②4：青灰色、深灰色，部分为灰棕色，软塑，韧性高，无摇振反应，局部含淡黄色浸染物，偶夹少量植物残渣。该层在区内局部分布，层厚一般1.9～5.5 m，在草池街道芦永村的一个背包钻孔中揭露的软塑黏土层厚为5.5 m。

3.2 软弱土赋存特征

通过本次调查工作，区内软弱土分布面积较少，主要分布表现为在丘间洼地内呈透镜状分布，软弱土底板最大分布深度为14.3 m，最大厚度为10.3 m。下面将从平面分布特点与竖向分布特点2个方面分别论述。

3.2.1 软弱土的平面分布

1）水库水塘淤泥软弱土

主要分布于三岔湖水库、毛井沟水库、龙河埝水库、董家埂水库、龙云水库以及区内的水塘、沟渠底部，呈点状分布。

2）丘间洼地软弱土

在本次调查工作中，主要通过钻探、背包钻以及静力触探试验揭露丘间洼地软弱土。在本次调查工作中布置的179个勘探孔（含背包钻）中，共有69个勘探孔中揭露出软弱土。丘间洼地软弱土主要分布于丘间槽谷地带，呈树枝状在工作区内分布，是区内分布占比最大的软弱土。调查工作中布置的丘间洼地软弱土分布主要有2个特点：一是丘间洼地软弱土主要分布于细长型的丘间沟谷内；二是在丘间洼地软弱土主要分布于与绛溪河、海螺河直接连通且存在常年流水沟渠的丘间沟谷内（图1）。

图1 研究区软弱土平面分布图Fig.1 Plane distribution of soft soil in the study area

3.2.2 软弱土的垂向分布

1）水库水塘淤泥软弱土

研究区地处红层丘陵区，水库和灌溉沟渠广泛分布；大量水塘、鱼塘呈点状散布。水库水塘淤泥软弱土的分布范围仅限于水库、水塘内，由于静水环境更易形成淤泥、淤泥质土，水库底部软弱土较水塘底部软弱土的厚度要大。经调查，典型淤泥软弱土厚度分布：毛井沟水库底部2～5 m，水塘底部一般2.2～2.8 m（草池街道同盟村）。水库水塘淤泥软弱土厚度最大点一般处于地表水体的中心区域，向四周厚度逐渐变小，至水库或者水塘边界处尖灭。综上，淤泥软弱土常形成“地表水体—淤泥软弱土—丘间洼地黏性土夹软弱土透镜体—基岩”的垂向空间结构，典型分布形态见图2。

图2 水库水塘淤泥软弱土垂向分布示意图Fig.2 Spatial distribution diagram of silt and soft soil in reservoir pond

2）丘间洼地软弱土

区内丘间谷地众多，气候湿润多雨，排水不畅，在这种特殊环境地质条件下，红层软岩风化物经搬运沉积于丘间洼地或沟谷，便形成了场地内比较发育的丘间洼地软弱土。通过现场钻探、背包钻调查及走访当地居民发现，丘间洼地软弱土厚度最大地段一般分布于沟谷的中心区域，向沟谷两侧其厚度逐渐减小，直至尖灭。本次调查布置的179个勘探孔（含背包钻）中，共有69个勘探孔中揭露出软弱土，岩性分别有：淤泥质土、泥炭、软塑粉质黏土、软塑黏土，典型勘探孔揭露的丘间洼地软弱土空间分布情况见表1。丘间洼地软弱土一般以透镜体状、条带状分布于丘间洼地黏性土中间，形成“耕植土—丘间洼地黏性土—丘间洼地软弱土—丘间洼地黏性土—基岩”的垂向空间结构，见图3。

图3 丘间洼地软弱土垂向分布示意图Fig.3 Spatial distribution diagram of soft soil in inter Hill depression

表1 典型勘探孔揭露软弱土的空间分布Tab.1 Spatial distribution of soft soil exposed by typical exploration holes

3.2.3 软弱土空间分布统计

水库水塘软弱土常以淤泥的形式富存于地表，分布形态简单，工程建设时容易发现并采取措施进行处理。丘间洼地软弱土常以透镜体或带状的形态分布于洼地内，深度变化大，分布形态较为复杂，且深度较深，对工程建设的影响较大，故此处主要对丘间洼地软弱土的分布特征进行统计分析。

对研究区各钻孔揭露的中丘间洼地软弱土分布特征的统计分析表明，区内的丘间洼地软弱土主要有淤泥质土、泥炭、软塑粉质黏土、软塑黏土，其中揭露软塑黏土的钻孔占总钻孔数的53%，揭露软塑粉质黏土的钻孔占总钻孔数的41%，揭露淤泥质土的钻孔占总钻孔数的3%，揭露泥炭的钻孔占总钻孔数的3%。

淤泥质土和泥炭这2类软弱土在软弱土中仅占6%，其中：淤泥质土有2个钻孔揭露，层厚3～5 m，层顶埋深4.8～5.6 m，层底埋深8.8～9.2 m；泥炭有2个钻孔揭露，层厚小于3 m，层顶埋深1.2～4.2 m，层底埋深1.5～5.1 m。软塑粉质黏土和软塑黏土在软弱土中的占比达到了94%。对占比大、分布复杂的软塑粉质黏土和软塑黏土这2类软弱土的厚度、层顶埋深、层底埋深分别进行统计分析，结果如下：

1）分布厚度

软塑粉质黏土层厚0.3～9.6 m，软塑黏土层厚为0.7～10.3 m。按层厚≤3 m、＞3～5 m、＞5-10 m、＞10 m共4个档次进行统计，软塑粉质黏土和软塑黏土这2类软弱土的层厚分布情况分别如图4-a和图4-b所示。由图4-a可见，软塑粉质黏土中层厚≤3 m的占60%，层厚＞3～5 m的占23%，层厚＞5～10 m的占17%，本次未发现有厚度大于10 m的软塑粉质黏土分布。如图4-b所示，软塑黏土中层厚≤3 m的占41%，层厚＞3～5 m的占33%，层厚＞5～10 m的占23%，层厚＞10 m的占3%。

图4 主要软弱土体厚度分布情况Fig.4 Thickness distribution of main soft soil

2）层顶埋深

软塑粉质黏土层顶埋深0.25～9.4 m，软塑黏土层顶埋深0.5～6.6 m。按层顶埋深≤3 m、＞3～5 m、＞5～10 m、＞10 m共4个档次进行统计，软塑粉质黏土和软塑黏土这两类软弱土的层顶埋深分布情况分别如图5-a和图5-b所示。由图5-a可见，软塑粉质黏土中层顶埋深≤3 m的占60%，层顶埋深＞3～5 m的占27%，层顶埋深＞5～10 m的占13%，本次调查未发现有层顶埋深大于10 m的软塑粉质黏土分布。如图5-b所示，软塑黏土中层顶埋深≤3 m的占87%，层顶埋深＞3～5 m的占5%，层顶埋深＞5～10 m的占8%，本次调查未发现有层顶埋深大于10 m的软塑黏土分布。

图5 主要软弱土体层顶埋深分布情况Fig.5 Distribution of top buried depth of main soft soil layers

3）层底埋深

软塑粉质黏土层底埋深1.2～14.3 m，软塑黏土层底埋深0.5～6.6 m。按层底埋深≤3 m、＞3～5 m、＞5～10 m、＞10 m共4个档次进行统计，软塑粉质黏土和软塑黏土这两类软弱土的层底埋深分布情况分别如图6-a和图6-b所示。由图6-a可见，软塑粉质黏土中层底埋深≤3 m的占23%，层底埋深＞3～5 m的占30%，层底埋深＞5～10 m的占37%，层底埋深＞10 m的占10%。由图6-b可见，软塑黏土层底埋深≤3 m的占18%，层底埋深＞3～5 m的占31%，层底埋深＞5～10 m的占43%，层底埋深＞10 m的占8%。

图6 主要软弱土体层底埋深分布情况Fig.6 Distribution of bottom buried depth of main soft soil layers

3.3 软弱土物理力学指标建议值

通过对本次调查工作所采取土样的综合研究，得出了区内各类软弱土物理力学指标的建议值，详见表2。

表2 软弱土物理力学指标建议值Tab.2 Recommended value of physical and mechanical indexes of soft soil

3.4 软弱土对城市建设及地下空间开发利用的制约作用

目前世界上各个城市的地下空间开发深度主要集中在地下30 m以浅。成都东部新区作为一个城市建设和地下空间开发近于空白的区域，近一段时期的工程建设和地下空间开发也将集中在30 m以浅，大量的工程活动也将在近一段时期内如火如荼地展开。根据各软弱土的空间分布特征，分别论述其对城市建设及地下空间开发利用的制约作用。

1）水库水塘淤泥软弱土

水库水塘淤泥软弱土在东部新区内分布面积小，厚度小，埋深浅，对成都东部新区的城市建设及地下空间开发利用的制约作用小。由于其力学性质极差，在工程建设活动中应全部清除。

2）丘间洼地软弱土

丘间洼地软弱土主要分布于丘间槽谷地带，呈树枝状分布，是区内分布占比最大的软弱土。丘间洼地软弱土层最大埋深地段一般分布于沟谷的中心区域，向沟谷两侧其埋深逐渐减小，直至尖灭。全新统软弱—中软强度丘间洼地软弱土主要分布于20 m以浅（本次调查最深达15.75 m），是工程建设及地下空间开发最集中的区域。丘间洼地软弱土强度低、压缩性高，对城市建设及地下空间开发利用的制约主要表现为：过量沉降引起的建筑物下沉、不均匀沉降引起建筑物倾斜、深大基坑坍塌。

建构筑物的基础放在深厚软弱土上时，由于其较大的压缩性，建构筑物将产生一定的沉降变形；丘间洼地软弱土“中间厚，两边薄”的竖向分布特点，更容易引起建构筑物的不均匀沉降。成都天府国际机场建设过程中，在丘间洼地软弱土上进行堆载预压及强夯置换处理后，原始地面最大沉降达到755.6 mm，最大沉降速率达到6.225 mm·d-1（刘天安，2019；文静，2019）。所以在进行建设时，应根据工程特点合理选择建设场地，当无法避免在丘间洼地软弱土上修建建筑物时，应根据建筑物重要性、荷载大小及允许变形的限值要求，采取必要的地基补强措施。地基处理无法满足要求时，可直接采用桩基础。

对于地下空间的利用，势必要对地层进行开挖，形成深基坑。丘间洼地软弱土的抗剪强度均比较低，自稳能力较差，深基坑周边的土体在支护不当的情况下，及易垮塌，造成灾害。2019年9月26日，成都市金牛区万圣新居E地块4号商业楼西北侧基坑边坡突然发生局部坍塌，事故共造成3人死亡（刘忠俊，2020）。2020年7月10日，位于四川省南充市南部县桂博西路侧“阳光100”建设项目基坑挡土墙发生坍塌，所幸未造成人员伤亡（蒲南溪，2020）。随着成都东部新区城市建设对地下空间开发程度的提高，近一段时期内，将会有大量的深大基坑需要进行开挖，保证每一个基坑在施工过程中安全有效地运行，是城市建设及地下空间开发利用的关键。“详细与专业的工程勘察”“经济合理的基坑支护设计”“科学严谨的施工”“施工全过程的监测”以及“及时的质量监管”等措施可以为深大基坑的安全运行保驾护航。

4 结论

1）成都东部新区软弱土主要包括：第四系全新统软弱—中软强度坡积黏性土岩组中的水库水塘淤泥软弱土、丘间洼地软弱土（包括：淤泥质土、泥炭、软塑粉质黏土、软塑黏土）。

2）水库水塘淤泥软弱土的赋存特征为：呈点状分布于研究区内的毛井沟水库、水塘底部。丘间洼地软弱土赋存特征主要有2个特点：一是丘间洼地软弱土主要分布于细长型的丘间沟谷内；二是丘间洼地软弱土主要分布于与绛溪河、海螺河直接连通且存在常年流水沟渠的丘间沟谷内。

3）软塑粉质黏土和软塑黏土在软弱土中的占比达到了94%，其中软塑粉质黏土层厚0.3～9.6 m，以小于3 m为主；层顶埋深0.25～9.4 m，以小于3m为主；层底埋深1.2～14.3 m，以3～5 m为主；软塑黏土层厚0.7～10.3 m，以小于3 m为主；层顶埋深0.5～6.6 m，以小于3 m为主；层底埋深1.2～10.8 m，以3～5 m为主。

4）水库水塘软弱土分布形态简单，工程建设时容易发现并采取措施进行处理。丘间洼地软弱土常以透镜体或带状的形态分布于洼地内，深度变化大，分布形态较为复杂，且埋深较大，对工程建设的影响较大。