（地质工程专业论文）昆明南市区软土物理力学参数相关性分析与模拟.pdf

摘要 摘要 昆明南市区软土是内陆断陷盆地型软土的一个典型代表。随着城市建设不断 向高、深发展，软土对工程稳定性的影响程度日趋明显，也是南市区地面沉降的 重要控制因素之一。要有效研究、预防和治理软土的危害，必须先弄清软土的类 型，并对其物理力学性质进行研究。 本文认为，昆明南市区软土形成的地质背景特殊，表现在：濒临现代滇池水 体，是典型的高原断陷盆地型软土，与滨海地区和泛滥平原区软土明显不同；软 土区地下水埋藏浅；第四系地层结构变化大，湖积软土体年代新、固结程度低， 尤其是粘性土体的各向异性显著；软土分布严格受新构造运动控制，主要分布于 盆地内的两个次级断块洼陷带内。这是研究区软土在成因、分布、物理力学性质 及工程地质问题上具有特殊性的地质因素。 本文依据矿物颗粒大小、粘粒含量、 亚糨土、粕土、有机质土、淤泥等五类。 有机质含量等将区内软土分为亚砂土、 应用因子分析和相关分析对软土的物理 力学参数进行深入分析，证明各类型软土的主控物理力学参数均为孔隙比和含水 量，并提出它们与其他参数之间存在的各种线性关系。其中，孔隙比、含水量、 天然密度、液限、塑限、塑性指数、有机质含量之间的相关性较好( 相关系数大 于o 7 5 ) ，取样深度、珏缩模量、内聚力、内摩擦角之间的相关性一般( 相关系 数阃于o 6 5 o 7 5 之间) 。与国内其他地区软土物理力学参数相关研究成果比 较，昆明南市区软土具有孔隙比更大、含水量更高的特征。 在阐明昆明南市区软土类型和物理力学参数相关性的基础上，本文对南市区 软土研究的下步工作提出了建议。 关键词：软土形成背景物理力学参数相关性分析南市区昆明 1 i i 昆明理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es o f ts o i li ns o u t hc i t yo fk u n m i n gi sat y p i c a li n t e r n a lc o n t i n e n t a l t y p es o f ts o i l i t se n d a n g e r i n gi sb e c o m i n gb i g g e ra n db i g g e r ，a l o n gw i t h t h e c i t yc o n s t r u c t i o nd e v e l o p m e n t ，w h i c hm a k e sh u g er e g i o n a l s u r f a c e s e d i m e n t a t i o n ，b e s i d e sa f f e c t i n go ng e n e r a le n g i n e e r i n gs a f e t y i no r d e rt o s t u d y ，p r e v e n ta n dt r e a tt h e s o f ts o i l e n d a n g e r i n g ，w es h o u l di n i t i a l l y m a k ec l e a ro nt h es o f ts o i lt y p ea n ds t u d yo ni t sp h y s i c a lm e c h a n i c s f e a t u r e t h es o u t hc i t yo fk u n m i n gi sc l o s e dt ot h ew a t e rb o d yo fl a k ed i a n c h i a n dt h eu n d e r g r o u n dw a t e ri ss h a l l o wt ot h es u r f a c e ：t h es t r u c t u r ec h a n g e s g r e a t l ya tq u a t e r n a r ys t r a t a ，t h ec o n s o l i d a t i o ni n t e n s i t y o fn o n - b e l t e d l a k es e d i m e n t a t i o nf a c i e ss e d i m e n ts o i li sv e r yl o w ，i t sc l a ys o i lf e a t u r e a n dd i f f e r e n t i a t i o na r ep r e d o m i n a n t ，t h ee n g i n e e r i n gf e a t u r eo fs h a l l o w l a y e rs o i lb o d yi sl i m i t e da n dt h i sa r e ai sd e f i n i t e l yc o n t r o l l e db yi t sn e w s t r u c t u r ea c t i o n s u c hh y d r o - g e o l o g i c a le n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o ni s t h eg e o l o g i c a ls o u r c eo fs o f ts o l lp r o b l e ma n da l s oa ni n n e rr e a s o no f c o n t r o l l i n gs o f ts o l le n d a n g e r i n g t h es o f ts o i lp h y s i c a lm e c h a n i c sf e a t u r e ，a ts o u t hc i t yo fk u n m i n g ，i s d e t e r m i n e db yi t sc h e m i c a lc o m p o s i t ea n ds t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h e m i n e r a lg r a n u l a rs i z e ，c l a yg r a i np e r c e n t a g ea n do r g a n i c sp e r c e n t a g e ，t h e s o f ts o i l ，i nt h i sa r e a ，i sd i v i d e di n t os u b s a n d - s o i l ，s u b - c l a y ，c l a y ，o r g a n i c s o i la n ds i l t ，t o t a l l yf i v et y p e s b a s e do nu s i n grt y p eg e n ea n a l y s i sm e t h o dt o c o r r e c tt h ei n s i d e e x p e r i m e n t a l d a t ao ns o i l ，t h em a i nc o n t r o l l i n gp h y s i c a l m e c h a n i c s p a r a m e t e ro ft h ev a r i o u st y p es o f ts o i li st o t a l l yp o r o u sr a t i o a n dh y d r a p e r c e n t a g e ，b u tt h e o t h e rp a r a m e t e r sh a v ec e r t a i nr e l a t i o n s h i pw i t ht h e u p p e rt w o o n e so rc a nb em a d eo u tb yf o r m u l a a c c o r d i n gt o t h e s i m u l a t i n gr e s u l t ，b ys m a l l e s tt w o m u l t i p l ym e t h o d ，o nt h ep h y s i c a l m e c h a n i c s p a r a m e t e rp e r t i n e n c ea m o n gt h e v a r i o u st y p es o f ts o i l ，t h e p e r t i n e n c e ，a m o n gp o r o u sr a t i o ，h y d r ap e r c e n t a g e ，n a t u r a ld e n s i t y ，h y d r a l i m i t a t i o n ，p l a s t i cl i m i t a t i o n ，p l a s t i cs t r e s si n d e xa n do r g a n i c sp e r c e n t a g e ， i s g o o d ，w h i l et h ep e r t i n e n c e ，a m o n gs a m p l i n gd e p t h ，p r e s s u r em o d e l g r a d e ，i n n e rc o n v e r g i n gp o w e ra n di n n e rf r i c t i o na n g l e ，i sj u s ts o a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i n gr e s u l to np h y s i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e r p e r t i n e n c ee q u a t i o nb e t w e e ns o u t hc i t yo fk u n m i n ga n do t h e rn a t i v ea r e a ， t h es o f ts o i li ns o u t hc i t yo fk u n m i n gh a sb i g g e rp o r o u sr a t i oa n dh i g h e r h y d r ap e r c e n t a g ep r o p e r t i e st h a nt h eo n e si no t h e rn a t i v ea r e a f i n a l l y ，b a s e do nt h es t a t e m e n to fs o f ts o i lt y p ea n dp h y s i c a lm e c h a n i c s p a r a m e t e rp e r t i n e n c ei ns o u t hc i t yo fk u n m i n g ，t h en e x td e e p e rs t u d y d i r e c t i o no ns o f ts o i ns o u t hc i t yo fk u n m i n gi st a k e no u ti nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：s o f t s o i l ，f o r m a t i v eb a c k g r o u n d ，p h y s i c a lm e c h a n i c s p a r a m e t e r ，a n a l y s i so fp e r t i n e n c e ，s o u t ho fc i t y ，k u n m i n g v 前言 1 选题依据和研究意义 月j j 菁 软土问题是当今工程界面临的最常见而又危害最大的地质灾害之一，对工程 安全、城市建设、环境保护、经济发展和人民生活构成的威胁越来越突出。因此， 在任何存在软土问题的地区，都不容忽视。 软土物理力学参数是研究软土工程性质的重要依据。昆明南市区的软土是我 国内陆断陷盆地软土的典型代表，具有孔隙比大、含水量高、工程性质变化范围 大的特征。然而研究工作起步较晚，原始数据采集难度大并且在区内分布不均匀， 且许多研究仅针对某具体工程场地开展工作，缺乏系统全面的研究；也从未采用 统计学的方法对整个区内软土物理力学参数进行分析处理，对软土类型及其物理 力学参数的主控因素和相互关系不清楚，致使在工程中经常因处理方法未能针对 其特点而效果不好。其研究明显滞后于“一湖四片”大昆明建设的需要。本文特 以昆明南市区软土物理力学参数作为研究对象，探讨其相关性，为软土工程性质 的研究和实际工程处理提供理论依据。 在明确昆明南市区软土类型和各类软土物理力学参数相关性的基础上，可以 对工程中的土体进行类型划分，并根据已有某些物理力学参数值计算与其相关性 较好的其他物理力学参数值，从而在减少勘察费用、时间的情况下对区内软土类 型和物理力学性质有较全面的了解，具有理论意义和实际价值。 2 工作概况 2 1 准备工作阶段( 2 0 0 3 3 2 0 0 4 3 ) 1 查阅、收集和整理已有的大量相关资料，包括南市区大量的岩土测试资料， 部分深钻孔资料，土样化学成分测试资料。( 完成工作量见表1 ) 2 通过中科院武汉文献情报中心、昆明理工大学图书馆、国土资源工程学院 资料室查阅了国内外近二十年来的相关文献资料。为顺利完成课题研究作好充分 的前期准备工作。 2 2 室内研究工作及论文编写( 2 0 0 3 3 2 0 0 5 1 ) 由于昆明南市区软土问题研究程度低，数据多而控制性参数不明确，采用的 昆明理工大学硕士学位论文 研究手段和方法因具体工程要求的不同差异很大，遵从常规的技术路线很难完成 系统的研究工作。本文引入r 型因子分析法、最小二乘模拟法等相关理论对南市 区软土进行了较为系统的研究。 表1 本次工作完成工作量一览表 工程名称( 工程性质)钻孔数量( 个)试件数量( 件)勘察单位作者参与情况 | 昆安高速公路( 线) 3 2 41 6 7 9云南省公路规划勘察设计院参加勘察 广福路( 线) 2 1 61 4 8 3 云南省工程地质勘察院收集 高海公路( 线) 1 2 54 3 1云南省公路规划勘察设计院收集 东三环路f 线) 3 8 21 4 7 2 云南省工程地质勘察院 参加勘察 南坝路( 线) 1 3 15 3 4昆明勘察研究院收集 其他工程散点 8 5 72 5 4 3西南有色昆明勘测设计研究院部分参加勘察 总计2 0 3 5 8 1 4 2 i i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 莎羲 i 1 7 3中细粒石英砂岩夹页岩 奥陶系 下统 汤池组o f t 1 5 0 i 1 0 4含云母粉砂岩，细粒长石石英砂岩夹页岩 双龙上部粉砂岩及页岩；中下部粉晶白云岩夹 潭组 e2 s 5 4 9 i 0 0 。7 砂屑灰岩、粉砂岩 中统 陡坡 e2 d 4 6 9 5 6 1 粉砂质白云母质页岩、页岩、云母质粉砂 寺组岩夹硅质灰岩、薄层自云岩 龙王粉品质白云岩，舍砂屑泥质白云岩，顶部 寒武系 庙组 e 1 1 3 9 5 1 4 0 0 夹页岩，细粒石英砂岩 沧浪粉砂质泥岩，含云母碎片页岩夹泥质粉砂 下统 e l c 1 3 7 7 3 7 6 9 铺组 岩，下部石英杂砂岩，含长石石英砂岩 筇竹泥岩、含粉砂岩，底部为炭质泥岩，粉砂 寺组 el q 9 7 2 3 2 0 6 质页岩，海绿石砂岩和黑色页岩 上 灯影组z 2 d n3 6 9 3 6 2 6 7 隐粉晶自云岩、硅质白云岩夹致密纯灰 兀 震旦系上统 岩；中部含硅质泥质泥粗晶白云岩 古 陡山 界z 2 d 6 5 o 1 5 1 2中细粒石英砂岩夹自云质砂岩及自云岩 沱组 古中昆阳柳坝 、“、 、 p t 2 l 1 3 6 7 2 4 5 8 黑紫色板岩及粉砂质板岩，炭质板岩夹硅 界元 群塘组 质扳岩，粉砂岩等，底部砾岩夹铁矿层 0 第二章 昆明南市区软土形成的地质背景 下更新统( q ，)包括松华坝组( q 。) 、滇池组( q 。) ，出霈于松华坝一带， 为一套河湖相、沼泽相的灰、灰白色等杂色粘土，夹灰黑色粘土、细砂、砾粉砂 质粘土、炭质粘土、泥炭及褐煤，与下伏上新统茨营组呈不整合接触。由下而上 分为三个由粗到细的粒序层，每个粒序层底部均是由灰白色砂砾石组成；中部由 灰白色细砂、粉砂组成夹少量细砾石，其中冲刷面、大型槽状交错层相当发育； 上部以灰白、灰色粘土夹粉砂粘土为主，属湖岸坡带的冲洪积相沉积。与下伏上 新统茨营组呈角度不整合接触，厚7 - 4 5 0 m 。出露于松华坝一龙头街一线以西的 下更新统为冲洪积相沉积( q ，8 “) 。 下更新统湖积层分布于龙头街一羊方凹带，并见于盆地内深钻之中，为一 套河湖相沼泽相杂色粘土、粉砂质粘土，夹黑色粘土、炭质粘土及褐煤，含丰富 的动植物化石。 中更新统中营组( q 。：)分布于滇池北、晋城五里铺及滇池东岸盆地边缘一 带，盆地边缘一带中更新统地层以冲积、冲洪积为主，盆地内据钻孔揭露以湖相 地层为主，厚6 - 1 5 0 r a 。其中，冲积层总体以杂色砾石层和黄、灰白色砂质粘土、 粘土组成，可见三个由粗到细的韵律层，下部无分选，磨圆度差，上部略有分选， 磨圆度较好，具有典型的二元结构；洪积层以含砾粘土、粗砂、粉砂、粘土相间 出现，不具成层性，冲刷面普遍存在，砾石层中具急流型大型交错层；湖积层为 含炭砂质粘土、褐灰色块状粘土，夹硅藻土和粉砂互层。 上更新统官渡组( q 。)出露于滇池北、东岸海拔1 8 8 0 - 1 9 0 0 m 的坝区，为河 湖相、局部岸滩一三角洲相沉积。据钻孔资料，厚度大于7 8 2 m 。上部为灰、褐 灰色砾石层夹含砾砂岩，含螺壳碎片；中下部为灰绿色、暗灰色细砂、粉砂夹褐 色粘土，含菱化石及植物残迹。 全新统海埂组( q t “)分布于1 8 8 0 m 以下的盆区及滇池水域，为一套正在沉积 的湖沼相沉积。岩性为浅绿、灰至灰黑色含砾石细至粉砂，夹褐色炭质粘土、淤 泥及革煤层，含螺蚌化石，厚0 3 0 m 。另有分布范围局限的全新统冲积砂、砥 及泥层( q 。“) 、冲洪积岩块、砂砾及泥砾层( q 。”1 ) ，坡积岩块、岩屑及砂泥层( q 。“) ， 残坡积粘土、红土及岩屑层( q “1 ) 等三角洲相沉积。区内该组地层最新，固结 程度相对最差，受潜水及地表水影响最明显，软土主要发育于这一层。 2 2 ，3 构造 本区位于小江断裂带与普渡河一西山断裂带夹持的“康演菱形活动断块”经 向构造带的南中部( 图2 2 a ) ，处在康演地轴与滇东台褶带的交汇部位，小江西 支断裂所构成的边缘走滑带位于昆明东部。在区域构造应力反复作用下，先期构 昆明理工大学硕士学位论文 囡， 团9 圈 园m 园s 圈 回 回 1 2 图2 2 a昆明盆地区域地质略图”2 23 ( 据- 云- 南省地矿局1 9 8 5 年资料，由孟国涛修改) 1 一第四系；2 一上第三系；3 一下第三系；4 一中生界：5 一古生界：6 一上二叠统蛾眉山玄武岩 组：7 一元古界；8 一地质界限；9 一地层不整合界限；1 0 一第四纪活动断裂编号( f 4 - 莲花池 断裂；f t - 西山一普渡河断裂；p g - 大观楼断裂；f lo - 蛇山断裂；f i3 - 盘龙江断裂；f 14 一黑龙 潭一官渡断裂；f 2 0 - 呈贡一富民断裂；f 2 5 - 白邑一横冲断裂；f 2 6 - 杨方凹断裂；f 2 8 - 孙家一巫 家坝断裂；f 3 1 - 海口一石头山断裂；f 3 6 - 福保断裂) ；1 卜正逆断裂；1 2 一滇池水体及边界 1 2 田园囤回 第二章昆明南市区软土形成的地质背景 造被改造，不同方向、类型的构造形迹呈现反接、斜接或截接复合的区域构造图 像。区内构造以南北向断裂为主，一般规模巨大，延长十数百公里，断裂延深数 十公里，沿断裂带多有岩浆岩侵入或溢出。罗茨一易门断裂带、西山断裂带和小 江断裂带纵贯区内，其中普渡河一西山断裂带和黑龙潭一官渡断裂带及其次级断 裂控制了盆地的形成、发展、演化和水文地质条件。东西向构造连续性差，主要 为东西向宽缓的古隆起和一系列的逆掩断裂、高角度逆冲断裂及短轴褶皱组成， 与南北向构造的关系为互相包容，互不穿越，或为挽近期活动强烈的南北向断裂 所错断。 2 2 3 1 南北向构造 普渡河一西山断裂带与小江断裂带均里南北向分布，属硅铝层断裂，延伸长， 对昆明盆地的形成、发展和演化起着控制性作用。其中普渡河一西山断裂东侧为 断陷沉积区，新生界广泛发育；断裂西侧抬升，两侧地形相对高差一般大约为 4 0 0 m 。该断裂对第四纪沉积环境及环境亦有明显的控制作用，地震震级一般低于 5 0 级，频度高。小江断裂带位于盆区东部，该断裂的新构造运动迹象明显，多 次发生6 0 级及以上震级的强烈地震，是一条多期活动的深断裂。盆地内，普及 一大观楼、盘龙江和黑龙潭一官渡等活动断裂分别控制了普及、九甲和龙头街坳 陷的边界，官渡地区的第三系均被该断裂切错。由此可以看出，南北向构造对昆 明盆地软土地区稳定性和工程安全具有主控作用。 2 2 3 2 东西向构造 东西向构造的形成受前震旦系的安宁一宜良东西向基底隆起构造的控制，形 成安宁一昆明东西向断裂构造带和马金铺近东西向构造带，由于形成年代早，后 遭受多期次构造作用，因而地层岩性较破碎。该构造带位于盆地边缘山地，活动 性不明显，加之第四系不发育，因而对昆明南市区软土的影响较小。 2 3 新构造运动 区内新构造运动的总体特点是大幅度的升降。但因受南北向主干断裂的复活 和控制作用的影响，不同时间各地运动方式、强度有较大差异。 2 3 1 新构造运动迹象 断块差异活动与间歇升降上新世中期以后，区内被断裂切割成不同方向、 大小的断块，它们间因各断裂的幅度不一产生差异性升降活动( 表2 2 ) ，而造 成地势明显差异，高原面解体而高低不一，地势北高南低、西高东低。一系列的 断块差异性活动的不均一性破坏了统一的高原面，形成了不同比高的断陷盆地。 昆明理工大学硕士学位论文 某些先期沉积亦在断块抬升中经历了先发生倾斜升起，而后又下降，最后为洪、 湖积层所覆盖的过程。 翁地内东西向河流较短，纵坡降大，下切侵蚀作用明显；而南北向河流长度 大，纵坡降缓，堆积作用明显。这样的水系格局表明盆地四周山地上升比较剧烈， 盆地基底下陷比较迅速，以升降运动为主要形式。区内河流袭夺现象明显，河流 阶地类型复杂，多层溶洞呈阶梯式分布，都反映本区处于间歇性抬升阶段。 分布于黑龙潭、普吉等地谷盆边缘山麓地带的叠置状冲洪积扇( 裙) ，因侵蚀 作用而新老嵌套。西山断裂西侧发育小型洪积锥，直抵崖底，说明北部、薅部上 升幅度较大。其它地带及沉积中心，老冲洪积扇( 裙) 分布位置较低，新冲、洪积 扇裙呈叠置式覆盖于老洪积扇阶地上，说明其沉陷幅度增大。沉陷区多接受近现 代沉积，其产物固结程度低，加之地下水位高，因此，沉陷区的软土分布较广， 危害比较突出。 表2 - 2昆明盆地普渡河断裂带各断块的升降特征统计表”。 断块位置 时限性质 平均速率 西盘东盘 ( m m a ) 活动性资料来源 西山地区滇池湖盆 n 2 - q 4 西升东降o 5 - 0 ，5 0 9 ( + + 1较强 九甲坳陷0 2 7 ( 一) 较强 云南省地矿 南市区 q i - q 4 沉降局第一水工 草海坳陷 0 3 3 ( _ 一) 较强 大队，1 9 8 9 西山地区 3 3 3 3 ( + ) 强 梁王山地区 q 3 - q 4 2 2 2 2 ( + ) 强 上升 昆阳古城 3 0 0 ( + ) 强 云南省地震 官渡、晋宁 q 3 ，q ( 相对上升) 较强 局，1 9 8 9 1 5 0 - 1 8 0 ( + ) 海宝山 78 0 ( + ) 强烈 注+ 上升一下降 2 3 2 新构造运动型式及分区 昆明盆地内，沿普吉一大观楼断裂带、黑龙潭断裂带形成两个断陷槽及西山、 蛇山两个断块隆起，并于普吉、龙头街、小庄、草海及九甲等地形成沉陷中心。 区内新构造运动主要为断块式隆升及沉陷。据各断块运动方式及幅度，将本区划 分为以下类型构造区( 图2 2 b ) ： 斜升强隆区位于西山断裂以西地区。升幅约8 5 0 m 。上新世以来，断裂带 两侧基底面相差最大达1 6 0 0 余米，西盘沿断裂面发生斜向抬升。 掀升隆起区分布在蛇山一带，蛇山断裂南、北两端不均匀升降，升幅 5 0 0 8 5 0 m 。早期蛇山一海埂相对上升，后期南段则相对下降，形成断拗下陷区， 但其上升幅度不及西部地区。 掀升微隆区分布于东部松华坝至呼马山一带，其东部缓慢上升，西部则 相对下降，相对高差1 0 0 5 0 0 m ，主要受黑龙潭东支断裂及金殿一呈贡断裂控制。 1 4 第二章 昆明南市区软土形成的地质背景 图2 2 b 太华山一老爷山新构造运动剖面略图”“1 1 地层代号；2 * 断裂；3 - 相对上升区 断拗下陷区广泛分布于盆地内，受南北向及东西向断裂带控制。各地断 陷幅度有所差异，下陷幅度5 0 一1 0 0 0 m ，普吉、松华坝、草海及九甲等地形成断 陷中心。总体上南部下陷幅度大，北部相对较小，西部大而东部小。断陷区由于 高程小，水流汇入强烈，因此，该区第四系厚度非常大，最深可达9 0 0 m 以上。 由于各断块运动方式及幅度的差异，盆地内第四系厚度变化很大。总的来说， 在断块抬升区，其厚度一般较小甚至为零；在断块下陷区，其厚度很大，在下陷 最强烈地区，其厚度最大。所以，断块下陷区软土分布广、厚度大危害严重。 2 3 3 地震 由于新构造活动强烈，活动断裂多，区内地震活动的频率和强度大。据资料， 自公元8 8 6 一1 9 9 8 年期间，昆明共发生震级为4 7 5 级以上地震1 5 次，地震活动 频繁。从历史地震资料看，普渡河断裂带控制了5 o 级地震的分布，小江断裂带 的地震震级可大于7 0 级，而黑龙潭一官渡等小断裂发震震级一般小于5 0 级。 这些地震对盆区稳定性和工程安全影响很大，尤其是在软土厚度较大的地区，更 易诱发地基失效、基础破坏等灾害。 表2 - 3 昆明盆区地段南北向主干断裂的微震次数监测统计表“8 1 ( 19 6 6 4 19 9 89 ) 震级( m l ) 4 0 5 03 0 4 02 0 3 01 0 2 00 4 1 0 合计 普渡河一西山断裂带 224 12 l06 6 小江断裂带 l58 72 2 61 63 3 5 2 4 盆地的演化与软土的形成 结合盆区新生界沉积相特征、控盆断裂活动方式及活动时代等分折，昆明盆 地演化托“1 ( 图2 3 ，2 - 4 ) 与第四系的形成大致分为三个阶段： 昆明理工大学硕士学位论文 图2 3 古滇池湖岸线变迁图图2 - 4 近代滇池湖岸线变迁图 盆地初期上新世时，受区域构造影响，“康滇菱形活动地块”向南东方向 移动使北西一南东向压应力增大，受普渡河一西山断裂控制的昆明次级断块向北东 方向移动，强烈的差异升降运动致使高原砸陷落而形成昆明盆地的雏形。上新世 中、晚期表现为非常缓慢的升降，盆地的沉降速度与沉积物堆积速度基本一致。 此时，盆地地势平坦，汇水量不大，沉积环境多变，以河流相为主，仅在地势低 凹地段形成孤立的沼泽，形成厚度不大的沼泽相、河流相含煤的砂泥质沉积。 盆地扩张期更新世时，盆区整体不断间歇性下降，基底各断块间则相对 运动和倾斜，北、东、南三面山区沟谷和入湖河流逐渐发育，汇水量增大，孤立 的沼泽汇聚形成统一的沼泽湖；西侧则逐渐高耸。随着入湖水量的增加，北、东、 南三面产生湖侵，形成多个沉降中心。早更新世时，随着湖面的扩大，开始形成 较厚的湖相、河口湖湾相、水下三角洲相、沼泽相沉积；而在凸起区以及靠东部 的坳陷区，除湖相沉积外，还出现厚度变薄、泥炭层减少的水上三角洲、河流相 沉积，即滇池组；中更新世时，湖侵扩大，至晚期滇池湖达鼎盛时期，湖相沉积 范围最大，但总厚度小于早更新世沉积，即以湖相沉积为主的中营组；晚更新世 时，整个盆地区处于区域抬升的相对下降部位，为幅度较小的震荡式升降，滇池 在海口形成排泄口，湖水的溢出及东边的抬升，使湖面缩小，除西部及中部的测 区外，南部、北部及最靠东部则以湖湾、沼泽、三角洲相沉积为主，且向湖心推 进。此期沉积以湖沼相为主，即官渡组。 f 6 第二章昆明南市区软土形成的地质背景 退缩期全新世时，区域性抬升活动趋势再次加剧，使得盆地发生向西掀 斜作用，各个次断块向级北移动的能力减弱，加之北西向富民一呈贡断裂的影响， 盆地内沉积中心向西转移，湖面逐渐缩小。湖岸退缩地带及湖湾形成湖沼相含泥 炭的砂泥质沉积，其余为河流相的陆上三角洲相砂、泥、砾石沉积，仅厚3 0 余 米，即海埂组。 由于区内断块差异性活动明显，而滇池的形成时间相对较晚，故其沉积物固 结程度相对较差，加之地下水和地表水的影响，具备了软土发育的基本条件，致 使区内软土分布范围广，危害明显。 2 5 水文地质条件 2 5 1 地下水类型 地下水条件是软土形成必备的要素。昆明盆地地下水的赋存、分布和运动， 受该区地层岩性、地质构造、地貌和新构造运动的综合控制。盆地最低径流基准 面是滇池湖水面。盆地边缘山区是主要补给区，地下水向滇池方向径流和排泄， 因此其对盆地内软土的物理性状和工程性质影响很大。孔隙水、裂隙水和岩溶水 三类型地下水分述如下m ”： 1 、孔隙水 孔隙水主要赋存在盆地内晚新生代松散沉积层的孔隙中，含水层岩相较复 杂，具多层结构，大都呈不连续分布。可以粗略地分为上下两个含水单元组：上 部为第四系砂、砾石含水层，大致沿盘龙江河谷和普吉梁家河河谷地带分布， 厚度1 3 l m ，水位o 7 3 ，3 m ，主要靠大气降水和地表河流补给，具有近河富水强， 远河富水性降低的特点。下部为第三系砂( 砾石) 、粉细砂含水层，厚度o - 4 0 0 m 。 砂砾石层中含承压水或自流孔隙水，厚度3 5 。6 7 3 m ，水位+ o ，1 8 4 4 3 m ，为多元 水，水质较差。 2 、裂隙水 裂隙水赋存在各时代的基岩岩层中，受岩石性质和构造裂隙的发育情况控 制，可分为层状裂隙水和带状裂隙水及风化裂隙水三类。层状裂隙水一般赋存在 层状脆性岩石中，主要受岩性和构造控制，多为承压水；带状裂隙水沿断裂带分 布，尤以脆性岩石中的张性、张扭性断裂带及断裂交汇带较为富集，柔性岩层及 软硬相间岩层中的断垄带富水性较差；风化裂隙水赋存于受地形控制的砂页岩、 玄武岩等基岩风化带中，分布位置浅，直接受大气降水补给，沿沟谷切割处排泄， 地下水动态变化较大，富水性较弱。 昆明理工大学硕士学位论文 8 0 7 6 6 06 8 昆明市区地下水资源分布图 o123 k m 【i 、一j 6 8 6 0 1 8 圈 i i 关普吉 西园 海 隧圈 西山。 罗丈村 海埂 0 滇 。渔户村 衄燃嚣罾凇豁 水文地质 单元瓷漂衷 匿勿基岩 牵詈麓 镇 乏二二7 乡 金 昔自 k 删j 匿噩圈翌嚣l _ 、_ 娄 = ：占 q 舞邑头街 ? 磷 渺= 8 4 矣六乡、= 3 i 一 。臣翮 k王家蕾。 池三 6 08 46 87 2 图2 5 昆明市地下水资源分布图 7 6 6 8 6 0 第二章昆明南市区软土形成的地质背景 3 、岩溶水 岩溶水赋存在古生代碳酸盐岩岩层中，具有分布面积广、厚度大、富水性较 强的特点，是昆明地区最重要的地下水类型。其埋藏深度受构造和地貌控制，一 般是山区谷地较浅，而盆地较深，在盘龙江上游地段通常为1 0 0 15 0 m ，滇池东 部台地区最深可达2 0 0 m ，而昆明盆地内部则可达1 0 0 0 m 以上。 2 5 2 水文地质单元及富水块段概述 据区内地下水的补给、径流、排泄条件和含水层的结构特征、边界条件与开 采条件可将地下水分为黑龙潭一市中区单元( i ) 、海源寺单元( i i ) 、马街单元 ( ) 、西山单元( ) 、羊方凹一呈贡单元( v ) 等5 个水文地质单元1 9 个富水 块段”3 ( 图2 - 5 ) 。 昆明南市区主要位于黑龙潭一市中区单元( i ) ，包含马街单元( i i i ) 、西山 单元( i v ) 的东部和羊方凹一呈贡单元( v ) 的西部，属地下水排泄区，既有承压 水又有潜水出露。 昆明盆地内地表水和地下水都很丰富，地表径流和地下水的运动方向受构造 控制迹象明显，流动方向总体上从盆地周缘山地向盆中汇集。地表水和地下水联 系紧密，滇池不仅控制地表水的最低径流面，而且控制盐地内潜水面。昆明南市 区处于盆地中央，地表水和地下水的水力梯度小，潜水位高，决定了区内第四系 孔隙比大、含水量高的特征，加之内陆断陷湖泊沉积的差异性，致使区内第四系 空问分布具有不均一性。总的来看，区内地表水和地下水是形成软土的基本前提 条件。 昆明理工大学硕士学位论文 第三章昆明南市区工程地质条件和软土类型划分 3 1 工程地质条件 3 1 1 南市区土层结构 昆明南市区及周边部分地区均位于滇池湖盆北缘的湖沼沉积平原地貌单元 上，属于古滇池、玩积区，其由湖泊演变为陆地的历史不长。区内整套第四系“5 “3 厚度在o 一5 0 0 余米，最厚处甚至达9 0 0 米。 1 、早更新世沉积物( q 1 ) 该期沉积物岩性以粘土、粉质粘土为主，夹泥灰岩，含螺壳、鱼与介形虫等 生物化石，厚15 0 3 0 0 米。为昆明盆地稳定下陷时期的湖泊相沉积。 2 、中、晚更新世沉积物( q 2 + 3 ) 该期沉积物岩性以粘土、粉质粘土为主，夹多层褐煤层，含介形虫、鱼骨、 螺蚌等生物化石，厚7 0 2 0 0 余米不等。为盆地抬升、萎缩阶段的湖泊与三角洲 相沉积。 3 、全新世沉积物( q ) 在盆地边缘以砂、砾石层为主。盒地内部沉积物较为复杂，岩性以粘土、粉 细砂、砾砂为主，自下而上沉积物粒度逐渐变粗，夹多层褐煤，顶部具泥炭层， 厚3 - 2 0 m 。为盆地继续抬升，滇池湖开始走上消亡阶段的河流相、河湖交替三角 洲和湖泊沼泽相沉积。 3 1 。2 土性控制因素特征 由于土体的地质成因、成分和结构等因素是土体性状控制因素，所以首先阐 明土性控制因素的特征如下： 3 1 2 1 土体的地质成因 据南市区钻孔资料绘制的第四系土层剖面图( 图3 1 ，图3 2 ) 饵”，湖相沉 积占整个剖面地层厚度的一半以上，沉积物主要是呈悬浮状态搬运的泥，整个剖 面除了湖相沉积外，在剖面上部和下部三角洲沉积亦有大量的潮湾、三角洲沼泽 相沉积。特殊的地质成因，使得这套地层的结构构造在纵横向上均存在复杂相变， 滑塌等各种同生形变构造和潜穴扰动构造也广为发育。总体上，整个第四系地层 是一套固结程度低的松散堆积。 第三章昆明南市区工程地质条件和软土类型划分 1 3 0 3 3 0 1 1 1 ：h 庄房 橘海柯 q o 周家地 范家厂 粱 oo jl2h l l l l l i j _ j 匿圈砂、砾层匿圈粗砂固细、精砂团粘土 例团粉质粘土露蚕淤泥质土圈坭炭质土 坠：- 图3 - 1 南市区第四系剖面图1 0 斗需 墨一 羹 歹 蓁 芝芝蛙岂 墓霍 锄墨 o 铂 露 形 q s 皇碰出 q 2 ，雾q 2 j 0 土 辛参簪 毫暑毫 i 宣二e 酋宣崮 糍 q 2 蓁 雾 、 囊 q 2 冀 如 ；# s 车眷 蹇 夕弋| | 荔 零 鍪 q 1 差奎 q l 霾 ul2 h n t _圈网砂、砾屡i l l 弱粗砂网细、粉砂匠羽帖土 一一一l z 二j “k 二t ：d 倒匿习粉质粘土圈翁融掘质土# i 圉扼嵌厦土 图3 - 2 南市区第四系剖面图2 1 0 0 2 1 1 0 0 昆明理工大学硕士学位论文 从滇池湖岸线持续变化图看，湖岸线不断退缩( 图2 - 3 ，2 - 4 ) 。民族村，官渡 一带的南市区在元朝初还属湖区，软土分布最广的南市区浅表层土体时代新，以 湖沼相沉积为主，各向异性特征明显，固结程度甚低，软土特征显著，工程地质 性质差。 3 1 2 2 物质成分 土体的性质取决于矿物成分、化学成分、颗粒组成及其排列和沉积后的环境 影响。其中，矿物成分及其与液相的相互作用决定了土的液塑性、膨胀性、压缩 性、强度和水的传导性等方面的性状特征。这是软土压缩和地基失效、破坏的内 在因素。所以，分析土体的粘土矿物成分及含量特征，对了解软、粘土的塑性及 压缩特性十分必要。 南市区粘性士样的粉晶x 衍射和扫描电子显微镜测试结果“们表明，该区粘 性土中含石英、褐铁矿、氢氧化铝及少量的氢氧化铁、氢氧化锰、硫酸盐、碳酸 盐、长石、云母及有机质等，而粘土矿物主要有高岭石、伊利石、绿泥石、蒙脱 石及少量的蛭石等。 研究区不同沉积物中的粘土矿物组合明显不同( 表3 - 1 ) 。湖积区和冲洪积粘 性土中高岭石、伊利石较多，并高含蒙脱石。河流沉积物中除高岭石、伊利石较 多外，绿泥石明显增多。据典型钻孔资料，蒙脱石含量会随埋藏深度的加大而显 著增高，表层一般2 3 ，埋深几米以下即增加到1 0 3 0 ，埋深5 0 米以下可达 4 0 7 0 以上，高岭石、伊利石等则相应减少。 样 粘土矿物古量( ) 产状地段 藏脱石伊利石 挹层矿 数 高峙石伊利石绿泥石羹脱石 物 潮积层竹固村 3d l3 25l2 少量 冲泱积属陈森庵2 3 7 4 431 4微 河流沉积物盘龙江 l32 3 3 64 5 5 41 6 2 9l g 滇池底耗淤泥滇 电 4 92 0 5 0t 5 2 0t 一5 ；生：卜据云雨省蝇矿局贾科r19 9 0 此外，该区湖沼相沉积中大量出现淤泥质土、泥炭质土和泥炭等( 富) 有机 质土。据钻孔揭示，沉降区整套松散层中夹7 2 0 层、层厚o 5 2 6 6 m 的泥炭与褐 煤层，最多可达2 7 层。 可见，区内土体的蒙脱石和伊利石含量高，含有机质土层多，大量土层属高 孔隙率的软土。 第三章昆明南市区工程地质条件和软土类型划分 31 2 3 结构特征 在所有土性控制因素中，土的结构是最重要的因素，因为土的结构是沉积环 境、各种沉积力、土粒性质及土颗粒表面力、以及沉积后各种地质力的作用因素 综合作用的最终产物，可以说土的结构在某种程度上反映了土的成分和土的历史 的所有方面，同时反应了土体的应力状态及应力历史等特征。 昆明南市区粘性土孔隙中水溶液主要为c a ”、m 9 2 + 、n a + 、k + 、h c o 扎、s 0 4 2 等离子，矿化度多小于o 8 9 l 。这些离子含量的增加造成粘土矿物结构单元层的 压缩和颗粒间静电引力的增加，促进粘粒絮凝作用，使得区内粘性土多为疏松的 絮凝结构。 絮凝结构的土体在固结压缩中，土粒间发生相对滑移到较密实状态以及扁平 土粒在压力下产生扰动变形两方面引起的压缩量非常大，而荷载作用致使颗粒间 的水膜被挤薄引起的压缩量较小。因此，软、粘絮凝结构使得土体具有高孔隙 比、高压缩性的特性。 3 2 南市区软土的类型划分 昆明南市区软土类型属高原内陆湖相软土，与沿海软土相比，分属不同成因 类型。滇池为一老年期内陆断陷湖泊，水域面积不断缩小，湖岸线不断向中心方 向推进，故而近现代沉积作用明显。滇池接受盘龙江、明通河、宝象河、官房河、 呈贡大河等河流的注入，无论从横向和纵向沉积物类型在空间上的差异性显著。 在河道尤其是古河道附近，具河相、三角洲相沉积特征，沉积物主要为砂、砾石， 间夹少量薄层亚砂土、亚粘土，沿河流流向沉积物的粒径逐渐变小，向湖内过渡 为滨湖相、湖相沉积物，反映了水动力条件由强变弱的特征；在湖湾内，则主要 呈沼湖相、湖相沉积特征，沉积物主要以亚粘土、粘土、淤泥质粘土、泥炭土为 主，反映了水动力条件较弱的特征，易形成软土。 由于软土主要分布在地表浅部，与表生环境关系密切。由于昆明南市区孔隙 水位埋生浅，沉积物压实和脱水程度低，使得软土普遍具有含水量大、饱和度高 的特点，粘土、亚粘土、亚砂土多里软塑一流塑状，部分呈可塑状。淤泥、有机 质士主要呈软塑、流塑状，局部里流动状态。浅层土体中除了亚砂土为压缩性中 等外，其余土层都为高孔隙比、高压缩性土层。区内软土的液塑限区间较大，塑 性高，含水量靠近液限而偏离塑限。淤泥、有机质土的含水量大于液限，呈流动 状态。其中有机质土；淤泥等软土层的欠固结特征突出。 昆明理工大学硕士学位论文 3 2 1 南市区软土划分标准和类型 本次研究，对昆明市南市区范围内昆安、昆石高速公路和广福路三线( 三条 长剖面) 以及南市区3 0 余个工程点( 见彩图1 ) ，总共2 0 0 0 多个钻孔、8 0 0 0 余 件土样的岩土测试原始资料及数十个深孔资料”进行了综合分析和统计，按照加 权层次分析、统计得出o 8 0 m 深度范围内土体物理力学参数，较系统地阐明了 土层结构及各类型土的物理力学性质参数( 表3 - 2 ) ，为区内软土研究提供参数条 件，是探讨软土物理力学性质及其相互关系的依据。参照公路工程地质勘察规 范和公路设计手册。”n “，按细粒成分的含量、塑性指数、有机质含量等 指标，将区内软土划分为亚砂土、亚粘土、粘土、有机质土、淤泥等5 种类型。 3 2 2 各类型软土的物理力学性质 1 、亚砂土 亚砂土为塑性指数在3 7 之间的细粒土，也称为粉土。该类软土属于从砂 土向粘性土的过渡类型，其中粉砂质成分含量相对较高，粘粒成分含量相对较低， 其孔隙比较小，含水量较低，一般情况下，孔隙比小于1 ，而含水量在3 5 以下； 一般不含有机质成分。亚砂土在昆明南市区范围内较常见，主要