伊犁谷地風(fēng)成黃土程地質(zhì)特性研究

摘 要:伊犁谷地的山麓地段分布有大面積的風(fēng)成黃土，這些形成于0.9-0.6Ma地質(zhì)歷史時(shí)期的風(fēng)成黃土具有含水量低、孔隙比大、濕陷性等級(jí)高的特點(diǎn)，對(duì)伊犁谷地山麓地段的工程建設(shè)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。通過對(duì)伊犁谷地風(fēng)成黃土的分布、工程地質(zhì)特性的初步分析研究，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與工程建設(shè)在場(chǎng)地選擇和地基處理方面提供了指導(dǎo)性意見，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞:伊犁谷地;風(fēng)成黃土;工程地質(zhì)特性;濕陷性;地基處理

中圖分類號(hào):N91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)19-0348-03

0 引言

黃土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)具有區(qū)域性規(guī)律，宏觀上已經(jīng)早有認(rèn)識(shí)，微觀上也已得到證明。如運(yùn)用掃描電子顯微鏡對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，黃土微結(jié)構(gòu)具有區(qū)域性變化規(guī)律，胡瑞林等應(yīng)用分形幾何理論研究黃土濕陷性，黃土顆粒定向分維值表現(xiàn)為明顯的“群類相關(guān)特性”——區(qū)域性特點(diǎn)，黃土濕陷變形機(jī)理的結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，黃土結(jié)構(gòu)骨架的集粒形態(tài)和骨架顆粒間的連結(jié)形式及骨架顆粒的排列方式等有著地區(qū)性變化規(guī)律。故在不同的區(qū)域，黃土展現(xiàn)出不同的特性，從而決定其獨(dú)特的工程地質(zhì)特性。因此，在工程地質(zhì)工作中，只有在有區(qū)別地針對(duì)不同區(qū)域黃土的工程地質(zhì)特性的前提下，才能準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行工程建設(shè)，避免出現(xiàn)工程地質(zhì)問題。

新疆地區(qū)的黃土主要分布于天山北麓、準(zhǔn)噶爾界山西麓、伊犁盆地、塔城盆地及博爾塔拉谷地等處，天山黃土主要分布在天上北坡以及天山內(nèi)部的伊犁——昭蘇谷地和大、小尤爾都斯谷地。天山黃土包括風(fēng)成黃土和二次搬運(yùn)水成黃土。而伊犁盆地黃土則主要為風(fēng)成黃土，故其具有一定的區(qū)域性特征。

1 伊犁盆地風(fēng)成黃土的分布規(guī)律

1.1 地理分布特點(diǎn)

伊犁谷地風(fēng)成黃土是新疆地區(qū)風(fēng)成黃土的重要分布區(qū)，它形成于0.9-0.6Ma地質(zhì)歷史時(shí)期(晚更新世晚期)，是青藏高原隆起和中國(guó)西北及中亞地區(qū)氣候干旱化的結(jié)果。

伊犁谷地的風(fēng)成黃土主要分布在低山、丘陵地區(qū)(圖1)，在伊犁谷地北側(cè)，風(fēng)成黃土披覆于科古琴山和博羅霍洛山南麓的山前地帶，形成長(zhǎng)崗狀地形，厚度2-30米，分布上限西側(cè)1200-1600米，東部1800-2000米。在鞏乃斯谷地，黃土分布順谷地方向由東到西呈透鏡狀，即中間厚兩側(cè)薄。在昭蘇盆地和特克斯谷地，風(fēng)成黃土披覆在低山、丘陵和高階地上，厚度多在5-20米之間，分布上限1900-2100米。在喀什河谷地，風(fēng)成黃土分布在二級(jí)以上的各階地上，厚度幾米到幾十米，在東部的二牧場(chǎng)一帶，黃土厚度大于30米，分布上限1900-2100米。

圖1 伊犁谷地黃土分布圖

1.2 地層接觸關(guān)系

伊犁谷地風(fēng)成黃土的地理分布特點(diǎn)表明，風(fēng)成黃土與黃土之前的地層接觸關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，基本涵蓋了伊犁谷地南北兩側(cè)低山、丘陵出露的所有各時(shí)代的地層，其接觸關(guān)系多為不整合接觸。

黃土與上更新統(tǒng)沖洪積層的接觸表現(xiàn)在河谷高階地，在喀什河、特克斯河、鞏乃斯河的高階地上，黃土直接覆蓋在階地的沖洪積層之上，沒有漸變關(guān)系，而是直接過渡關(guān)系。

黃土與中更新統(tǒng)冰水沉積層的接觸表現(xiàn)在山坡丘陵地帶，在伊寧縣北山坡一帶，黃土直接覆蓋在冰水沉積層上，冰水沉積層只在沖溝處被后期流水沖刷揭露，中更新統(tǒng)冰水沉積層特征明顯。

黃土與新第三系獨(dú)山子組泥巖、砂巖的接觸表現(xiàn)在山麓的低山區(qū)，黃土隨泥巖、砂巖形成的原始地貌直接覆蓋，黃土層的厚度與地形地貌關(guān)系密切，山脊部位厚度小、山梁或山坳地段厚度大。

1.3 風(fēng)成黃土形成的間隙性

伊犁谷地風(fēng)成黃土沉積的間隙性是與地質(zhì)環(huán)境事件相關(guān)的，即0.9-0.6Ma地質(zhì)歷史期間地質(zhì)環(huán)境事件相關(guān)。這種間隙性反映了黃土的沉積環(huán)境改變，黃土沉積厚度的變化。

(1)黃昆運(yùn)動(dòng)第二階段。

黃昆運(yùn)動(dòng)第二階段(0.9-0.8Ma)是指青藏高原再次隆起，亞洲內(nèi)陸地區(qū)的急劇干旱化，沙漠開始擴(kuò)張，全球增強(qiáng)的西風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)把大量沙塵物質(zhì)搬運(yùn)到伊犁谷地，形成黃土堆積，該時(shí)期的黃土堆積厚度比較小。

(2)黃昆運(yùn)動(dòng)第三階段。

黃昆運(yùn)動(dòng)的第三階段(0.65-0.6Ma)是全球氣候變化的重要轉(zhuǎn)折期，青藏高原在原基礎(chǔ)上再次隆起，亞洲內(nèi)陸發(fā)生了一次明顯的干旱化事件，環(huán)流進(jìn)一步明顯增強(qiáng)，沙漠急劇擴(kuò)大，并最終形成今天的干旱環(huán)境格局。伊犁谷地的黃土堆積明顯加快，厚度增大，在山前地段沉積了厚度較大的黃土層。

2 伊犁谷地風(fēng)成黃土的工程地質(zhì)特性

2.1 顆粒組成特點(diǎn)

根據(jù)伊犁谷地風(fēng)成黃土顆粒分析成果表明(圖2)，黃土的顆粒主要以0.01-0.005mm為主，占40-50%，其次為0.075-0.01mm，占30-40%，<0.005mm的約占10-20%，含少量的粉砂，一般為1-3%。

2.2 物質(zhì)組成特點(diǎn)

伊犁谷地風(fēng)成黃土礦物成分比較復(fù)雜，分為碎屑礦物、粘土礦物，碎屑礦物主要為石英、云母和長(zhǎng)石，占碎屑礦物的

圖2 風(fēng)成黃土典型顆粒級(jí)配曲線圖(100個(gè)樣)

80%左右，其次有輝石、角閃石、綠簾石、綠泥石、磁鐵礦等。粘土礦物主要是伊利石、蒙脫石、高嶺石、針鐵礦、含水赤鐵礦等。黃土的化學(xué)成分以SiO2占優(yōu)勢(shì)，其次為Al2O3、CaO，再次為Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、FeO、TiO2和MnO等。

2.3 工程地質(zhì)特性

(1)含水量及滲透性。

伊犁谷地風(fēng)成黃土的含水量低，從含水量與深度的關(guān)系曲線(圖3)反映，表層干燥，含水量一般在2-6%，隨深度有一定的變化，但一般也小于10%。

圖3 含水量隨深度變化曲線圖

黃土的滲透性差，現(xiàn)場(chǎng)的雙環(huán)滲水試驗(yàn)和室內(nèi)原狀樣的滲透試驗(yàn)表明，黃土的滲透系數(shù)k=1.02-2.0×10-4cm/s，個(gè)別可以達(dá)到8-9×10-4cm/s，屬于透水性弱。

(2)密度與比重。

風(fēng)積黃土的濕密度與含水量關(guān)系密切，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，一般在1.33-1.90，平均值1.453，標(biāo)準(zhǔn)差0.099，變異系數(shù)0.068。

風(fēng)積黃土的干密度一般在1.2-1.6，平均值1.37，標(biāo)準(zhǔn)差0.063，變異系數(shù)0.046。

風(fēng)積黃土的比重為2.7，一般變化很小。

(3)孔隙比與孔隙率。

風(fēng)積黃土具有大孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，干燥、易碎。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，孔隙比一般在0.8-1.1，大的可達(dá)到1.8、小的0.7，平均值0.982，標(biāo)準(zhǔn)差0.13、變異系數(shù)0.13?？紫侗入S深度有一定的變化(圖4)，趨勢(shì)是隨深度逐漸變小。風(fēng)積黃土的孔隙度在40-55%，平均值在48-50%，標(biāo)準(zhǔn)差2.3、變異系數(shù)0.05。

圖4 孔隙比隨深度變化曲線圖

(4)液限與縮限指標(biāo)。

風(fēng)積黃土的液、縮限含水量相對(duì)穩(wěn)定，據(jù)統(tǒng)計(jì)，液限含水量在22-25%之間，平均值為23.6，標(biāo)準(zhǔn)差0.55、變異系數(shù)0.023。

風(fēng)積黃土的縮限含水量在15-17.5%之間，平均值為16.5。塑性指數(shù)4.5-7.0，液性指數(shù)小于0。

(5)濕陷性和起始?jí)毫Α＊?/p>

濕陷性是風(fēng)積黃土的最大特性，其主要指標(biāo)為濕陷系數(shù)與自重壓力，自重濕陷系數(shù)與濕陷起始?jí)毫?。?/p>

濕陷程度是濕陷系數(shù)大小的判定參數(shù)，表1是對(duì)86組原狀樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，表明濕陷程度中等——強(qiáng)烈的比例占總數(shù)的74.4%。

表1 濕陷程度統(tǒng)計(jì)表

濕陷系數(shù)(δs)濕陷程度數(shù)量比例(%)

δs<0.015非濕陷性67

0.015≤δs≤0.03輕微1618.6

0.03<δs≤0.07中等2731.4

Δs>0.07強(qiáng)烈3743

濕陷程度與深度關(guān)系較大，從圖5表明①形成時(shí)代具有明顯的間斷性，每次的沉積間歇時(shí)間長(zhǎng)短不一;②越早沉積的黃土濕陷系數(shù)越小，自重濕陷系數(shù)也越小;③受沉積間歇環(huán)境的影響，每個(gè)間歇期黃土表層(1-2米)的濕陷系數(shù)較小，在2-4米達(dá)到高值，隨后是濕陷系數(shù)快速減小。

圖5 濕陷系數(shù)隨深度變化曲線圖

濕陷類型與濕陷等級(jí)是黃土的濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)、厚度的綜合反映，根據(jù)已有資料表明，伊犁谷地風(fēng)成黃土的濕陷類型包括自重濕陷與非自重濕陷，當(dāng)黃土層的分布厚度小于8米時(shí)為非自重濕陷，當(dāng)厚度大于8米時(shí)為自重濕陷。濕陷等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的均有，其中Ⅱ-Ⅲ自重濕陷的約占57%、Ⅰ-Ⅱ非自重濕陷的約占43%。

圖6 濕陷系數(shù)、濕陷起始?jí)毫εc深度關(guān)系圖

濕陷起始?jí)毫κ欠从撤亲灾貪裣蔹S土特性的重要指標(biāo)，具有很高的使用價(jià)值。它與濕陷系數(shù)具有明顯的相關(guān)性(圖6)，即δs越小、Pah越大，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，濕陷起始?jí)毫Ψ植荚?0-200Kpa，主要集中在40-70 Kpa段。

(6)壓縮系數(shù)與壓縮模量。

風(fēng)成黃土的壓縮系數(shù)a1-2位于0.2-0.4MPa-1區(qū)間，平均值為0.32Mpa-1，屬于中壓縮性，相對(duì)應(yīng)的壓縮模量Es值位于3-8MPa。壓縮系數(shù)與壓縮模量隨深度的變化幅度較小。

(7)粘聚力與內(nèi)摩擦角。

風(fēng)成黃土的粘聚力與內(nèi)摩擦角的差異性較大，且隨深度變化幅度較大。粘聚力的變化范圍為1.6-28.8KPa，平均值16Kpa。內(nèi)摩擦角的變化范圍4.5-15°，平均值10°。

3 風(fēng)成黃土與地基處理

3.1 風(fēng)成黃土地段工程建設(shè)地基問題

伊犁谷地風(fēng)成黃土的工程地質(zhì)性質(zhì)顯示，黃土具有大孔隙、中壓縮性，低含水量、濕陷程度等級(jí)高，Ⅱ-Ⅲ級(jí)自重與非自重濕陷性，是工程建設(shè)中不良地基土，對(duì)工程建設(shè)的選址、建設(shè)有制約和控制作用。

由于黃土的濕陷性造成的工程建設(shè)質(zhì)量問題很多，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)勘察方面:一般條件下，在廠址選擇時(shí)往往只重視其他條件，而或略地基這一因素，造成廠址選擇不當(dāng)。由于研究區(qū)風(fēng)成黃土具有其區(qū)域特性，如勘查不仔細(xì)，結(jié)論不準(zhǔn)確將造成濕陷事故;如未經(jīng)過濕陷性試驗(yàn)，就按非濕陷性土對(duì)待;勘察時(shí)不能正確劃分黃土地基土的濕陷類型和濕陷等級(jí)，在評(píng)價(jià)濕陷性土層厚度時(shí)估計(jì)不足，導(dǎo)致濕陷等級(jí)偏低等。故，在該區(qū)域進(jìn)行勘察時(shí)，需特別注重其濕陷性勘察。

(2)設(shè)計(jì)方面:因存在Ⅰ-Ⅱ濕陷性，而沒有按黃土規(guī)范采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施，以及防水措施標(biāo)準(zhǔn)偏低或根本沒有防水措施，由此造成建成的建筑物發(fā)生傾斜、地面凹陷等問題。有些黃土濕陷性等級(jí)為Ⅱ-Ⅲ的自重、非自重濕陷土，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，地基處理深度不夠，造成建筑物傾斜、報(bào)廢等。

(3)施工方面:地基處理質(zhì)量不符合要求，沒有部分或全部消除黃土的濕陷性，導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降、無法使用等。有的防水措施的施工質(zhì)量低劣，散水和地坪填土的質(zhì)量差等，導(dǎo)致地表水、污水侵入地基引起不均勻沉降，造成建筑物破壞。

3.2 地基處理的常用方法

伊犁谷地風(fēng)成黃土分布地段工程建設(shè)的地基處理常用方法主要為強(qiáng)夯和灰土樁。

(1)灰土樁:主要處理地下水位以上、深度在5-15米的濕陷性黃土的一種加固方法，它利用打入鋼管套或振動(dòng)沉管在地基土中成孔，然后在孔中分層填入灰土后夯實(shí)而成灰土樁?；彝翗恫粌H可以消除黃土地基土的濕陷性，還能較大幅度地提高地基土的承載力。2007-2008年，精伊霍鐵路伊寧縣敦麻扎段，采用灰土樁處理濕陷性黃土達(dá)到幾十公里長(zhǎng)，處理深度10-15米，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)強(qiáng)夯:采用重錘對(duì)地基土施加很大的沖擊能，以提高地基承載力，降低土的壓縮性，消除黃土的濕陷性。同時(shí)還能提高土層的均勻程度，減少可能出現(xiàn)的差異沉降。在伊犁谷地，根據(jù)黃土的含水量高低一般采用中等能級(jí)和高能級(jí)強(qiáng)夯。對(duì)于一般住宅建設(shè)或一般的工業(yè)廠房建設(shè)，可以對(duì)黃土先進(jìn)行預(yù)浸水后，采用能級(jí)2000-4000KN.m進(jìn)行強(qiáng)夯，取得了明顯的效果。

對(duì)于黃土區(qū)重要的工程建設(shè)項(xiàng)目，采用高能級(jí)的夯擊能進(jìn)行處理，如新疆慶華55億立方米/年煤制天然氣項(xiàng)目廠區(qū)，采用7000-8000KN.m夯擊能對(duì)黃土進(jìn)行分層處理，處理的最大厚度為26米，處理后地基承載力要求達(dá)到250-300KPa。目前，對(duì)于高能級(jí)的夯擊能直接處理含水量小于10%的風(fēng)成黃土的機(jī)理還在探討過程，等該項(xiàng)目的地基處理檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)語

伊犁谷地風(fēng)成黃土分布廣，形成地質(zhì)歷史延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，具有大孔隙率、中等壓縮性、含水量低、濕陷程度大、自重和非自重濕陷等級(jí)高等特點(diǎn)，給工程建設(shè)的地基處理帶來了較多問題。只有正確認(rèn)識(shí)工作區(qū)風(fēng)成黃土的工程地質(zhì)特性，才能準(zhǔn)確把握工程建設(shè)中面臨的地基處理問題。

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