昆明市某场地不同埋深下泥炭质土物理力学指标统计规律研究

程 豪，田 林

(昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500)

泥炭质土是软土的一类，是一种特殊土，具有非常明显的区域性。泥炭质土物理性质较差，具有高含水率、大孔隙比、低密度、低强度、高压缩性等物理力学指标[1-7]。由于其具有的物理性质往往会带来许多工程问题，例如，地基沉降带来建筑物倾斜、路面开裂等。而随着城市的不断发展，在该软土土层修建高层建筑、开发地下空间已经成为必须面临的选择。同时，目前对滇池泥炭质土这种软土研究较少，因此，对昆明市泥炭质土的物理性质进行充分研究具有非常重大的理论意义和实用价值[8]。

目前，国内外学者对于泥炭质土的物理性质已经进行了大量研究，并取得了大量的成果。何仕娟等[9]通过一系列直剪蠕变试验，研究了不同固结压力下剪应变随剪应力与时间的变化规律，以及长期强度与短期强度之间的关系；张路等[10]通过室内对比试验，说明了昆明市泥炭质土孔隙比、含水率均很大，但力学强度并不是很差，不宜用普通土工试验测定其物理性质；张帆舸等[11]通过研究发现泥炭质土有机物含量与力学指标之间具有较好的相关性；刘鹏等[12]研究得出标贯修正击数与孔隙比及液限具有较好的统计多元线性相关性；此前，徐其富[13]已经根据数个典型场地的地勘资料，系统分析了泥炭质土的物理力学指标，但重点分析了有机质及其成分对于泥炭质土工程特性的影响；裴利华等[14]具体研究了有机物含量以及泥炭质土所含组分对于力学性质的研究。针对泥炭质土埋深与力学性质之间的综合统计分析研究还未见报道。因此，论文将以昆明市某场地泥炭质土作为研究对象，分析其物理力学指标的统计规律，为该地区工程设计、施工等各环节提供参考。

1 工程地质条件与地质构造

昆明市气候类型属于亚热带高原山地气候，同时昆明市三面环山，内有云南最大的高原湖泊。独特的地理环境和气候、降雨条件使其发育形成了独特的泥炭质土层。该土层中含有大量还未经完全分解的腐殖质，有机物含量较高，泥炭质土颜色大体上呈现为灰色乃至黑色。

就大地构造学说而言，昆明盆地位于扬子准地台康滇古隆起东缘[15]。研究区周围存在多条断裂：普渡河断裂(西山断裂)，断裂总体向南北方向延伸，倾向为东，倾角70～80°，存在宽约400 m的碎裂带；黑龙潭-官渡断裂，南北走向，倾向也为东，隶属于西山断裂束的其中之一；白邑-横冲断裂，南北走向，倾向东,断裂倾角60～85°；小江断裂，北起四川，在云南境内约300 km2，宽度大体为5～20 km，以左旋走滑的形式运动。综合分析研究区所存在的断裂，发现大部分断裂距离场地较远，有的断裂不属于发震断裂，对于场地影响较小，场地较为稳定。

2 泥炭质土物理力学指标及其相关性分析

2.1 物理力学指标统计量特征

昆明市该研究区泥炭质土呈灰色乃至黑色，从几米到六十多米的深度均有分布。本文以昆明市某场地岩土工程勘察钻孔资料，以取样深度在7～50 m的50组试样数据为基础，统计分析研究区泥炭质土的物理力学指标。选取的物理指标有试样深度、天然含水率、重力密度、土粒比重、天然孔隙比、液限、塑限、液化指数、塑性指数、压缩系数、压缩模量、有机质含量。取样覆盖了研究区泥炭质土的整个深度范围，因此，试验分析结果是具有代表性的。对所得到50组筛分后的数据进行统计分析，得到研究区泥炭质土的物理指标统计参数特征值如表1。

2.2 研究区泥炭质土物理力学指标特征值分析

结合表1研究区泥炭质土物理力学指标进行分析，可以得出以下几个结果：

(1)有机物含量高

由表1可知研究区有机质含量均值为26.5%，最大值为54.2%。对于泥炭质土，在国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)[16]中有了明确定义，规定有机质含量在10%～60%的软土才可以称为泥炭质土，这一依据说明研究区为泥炭质土，且有机质含量较高。

(2)天然含水率高

研究区泥炭质土天然含水率的范围为53%～334%，与饱和软黏土(如淤泥)的含水率 ≥60%相比，研究区泥炭质土的含水率高。表二为国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)[17]关于黏性土的状态按液性指数的划分。

表1 研究区泥炭质土物理力学指标统计表Tab.1 Statistics of physical and mechanical indicators of peat soil in the study area

表2 黏性土的状态按液性指数划分Tab.2 The state of cohesive soil is divided by liquid index

其中，研究区泥炭质土液性指数均值为0.62，最大值为1.04，根据国家标准说明研究区泥炭质土土质很软，土体大部分处于可塑、软塑状态，且有一部分已经处于流塑状态，这一指标从侧面说明了研究区泥炭质土含水率之高。

(3)天然重度、土粒比重小

研究区泥炭质土的天然重度范围为10.1～16.3 kN/m3，均值为12.7 kN/m3，与水的重度10 kN/m3接近。研究区土粒比重范围为1.66～2.61 g/cm3，最大值为2.61 g/cm3与砂土的土粒比重2.65 g/cm3接近。同时，研究区泥炭质土的天然重度和土粒比重的变异系数0.13是所有统计参数中最小的。

(4)孔隙比大、压缩性高

研究区的天然孔隙比范围为1.44～6.13，最大值为6.13，要比一般无机质土要高好多。压缩系数均值达到2.42 MPa-1,说明了其压缩性极高。

综上所述，研究区泥炭质土物理力学性质可以总结为：有机质含量高、天然含水率高、孔隙比大、重度小、压缩性高。

2.3 物理力学指标相关性研究

在工程项目中，有一部分土工试验需要耗费大量的时间，且试验数据也相对难以得到。因此，在此研究区，论文使用已知的物理力学参数指标进行拟合，为项目提供一定的理论支持。表3给出了研究区泥炭质土11个物理力学指标间的Pearson相关系数。

表4给出了判断变量相关性强度的取值范围。结合表3和表4可知，所统计部分物理力学指标之间相关性较好。其中，液限与塑限、液限与塑性指数、含水率与孔隙比等的相关性极强，而饱和度与液性指数相关性极弱。总体来说，研究区泥炭质土各力学指标与含水率的相关性最高。因此，本文以已有统计数据为基础，对研究区泥炭质土含水率与孔隙比(极相关)、饱和度(弱相关)、压缩系数(中等强度相关)、重度(非线性相关)进行了数据拟合分析，得出了如图1所示的关系。

由图1(a)可知，研究区泥炭质土含水率与压缩系数成线性正相关，拟合方程为α=0.023ω-0.22，R2=0.695。由图1(b)可知，研究区泥炭质土含水率与重度呈对数函数关系，拟合函数为γ=-3.542lnω+29.599,且两者之间的对数关系呈良好的负相关，R2=0.888，结合散点图可以看出随着含水率的增大，重度逐渐减小后，在10 kN/m3趋于稳定状态，图示拟合曲线出现下降的原因可能为含水率在250%之后的数据较少导致。根据图1(c)可知，研究区泥炭质土含水率与孔隙比也呈线性正相关的关系，拟合方程为e=0.640ω+0.071,其中含水率与孔隙比的相关系数高达0.969 4。根据图1(d)可知，研究区泥炭质土的含水率与饱和度呈线性负相关，拟合方程为Sr=-0.017ω+94.739，R2=0.095，说明饱和度与研究区泥炭质土的含水率相关性较弱。从这些曲线与拟合方程来说，可以从侧面反映出研究区泥炭质土所具有的一系列性质及其变化规律。

表3 研究区泥炭质土物理力学指标的Pearson相关系数Tab.3 Pearson correlation coefficient of physical and mechanical indexes of peat soil in the study area

表4 变量相关性取值范围Tab.4 Value range of variable correlation

3 埋深及其有机物含量对于研究区泥炭质土物理力学指标影响

3.1 埋深对于研究区泥炭质土物理力学指标影响

为了研究不同埋深对于研究区泥炭质土物理力学指标的影响，根据相关性强度，选取了上一小节所选取的指标(含水率、重度、饱和度、孔隙比、压缩系数)分析了其与泥炭质土深度之间的关系。得到了图2研究区泥炭质土埋深与各物理力学指标间散点图。

图1 研究区泥炭质土含水率与各物理指标相关性曲线图Fig.1 Correlation curve of peat soil moisture content and various physical indicators in the study area

图2 研究区泥炭质土埋深与物理力学指标散点图Fig.2 Scatter plot of peat soil burial depth and physical and mechanical indicators in the study area

从图2(a)、(b)、(c)可以看出，研究区泥炭质土埋深与含水率、孔隙比、压缩系数有一定的相关性。随着研究区泥炭质土埋深的增加，含水率、孔隙比、压缩系数逐渐较小后趋于稳定，同时可以看出其三者与埋深变化规律相似。而通过对研究区泥炭质土埋深与重度、饱和度的分析与拟合，重度和饱和度与研究区泥炭质土的埋深呈线性正相关，但是通关分析其Pearson相关系数分别为0.28和0.22,说明这两个指标与研究区泥炭质土的埋深相关性很弱。通过此处的分析，可以为工程提供一定的数据支持，泥炭质土作为特殊土体在浅埋深下是无法作为工程持力层的，需要进行特殊处理，而随着深度增加达到一定程度，泥炭质土也可以作为地基持力层。

3.2 有机质含量对于研究区泥炭质土物理力学性质的影响

由于研究区泥炭质土具有高有机物含量的特点，通过数据拟合分析了研究区泥炭质土有机物含量与含水率、饱和度、颗粒比重、孔隙比之间的关系。它们之间的关系如图3所示。

从图3(a)可知，有机物含量与含水率呈线性正相关，拟合方程为ω=3.98ωu+22.63,R2为0.743。图3(b)可知，有机物含量与饱和度呈线性负相关，拟合公式为Sr=-0.124ωu+95.837,R2为0.279。图3(c)显示研究区泥炭质土有机物含量与颗粒比重之间呈线性负相关，拟合公式为Gs=-0.021ωu+2.688,R2为0.967,对于这两个参数的研究，徐其富[13]也有类似的结论，但其R2要比本文小得多。图3(d)关于泥炭质土有机物含量与孔隙比的研究，裴利华[14]和徐其富[13]同样得到了类似的结论，研究区泥炭质土有机物含量与孔隙比呈线性正相关。从此处可以看出昆明市不同地区的泥炭质土的性质具有相似性。

4 结论

通过对昆明市某场地区域地质分析、泥炭质土的物理力学各指标相关性研究，以及研究区泥炭质土不同埋深及有机物含量对于各物理力学指标影响的相关性分析，得出了以下几个结论：

1)研究区泥炭质土具有高含水率、大孔隙比、较高有机物含量、重度低、压缩性高的特点。

2)研究区泥炭质土的压缩系数、孔隙比与含水率呈线性正相关，重度与含水率呈对数关系，随含水率增加重度逐渐减小后趋于稳定，饱和度与含水率呈线性负相关。

3)研究区泥炭质土的含水率、孔隙比、压缩系数随泥炭质土埋深逐渐减小后趋于稳定，三个指标随埋深的变化规律相似，研究区泥炭质土的重度、饱和度与埋深线性正相关。

4)研究区泥炭质土含水率、孔隙比与有机物含量呈线性正相关，饱和度、颗粒比重与有机物含量呈负相关。