莫斯科西南部人工填土的物質(zhì)成分與性質(zhì)特征

張 澤，Nikolaeva Svetlana K，陳慧娥

（1.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000；2.羅蒙諾索夫莫斯科國(guó)立大學(xué)地質(zhì)系，俄羅斯聯(lián)邦 莫斯科；3.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026）

隨著人類工程活動(dòng)的進(jìn)度加快人工填土廣泛的分布于整個(gè)城市當(dāng)中，尤其是在一些世界級(jí)的特大城市中，人工填土分布面積大，厚度大，且在地質(zhì)剖面中分層非常清晰，它們?cè)诠こ探ㄖ?dāng)中經(jīng)常被作為建筑物的地基承壓層。近年來(lái)隨著各國(guó)大城市的迅速發(fā)展，城市區(qū)域工程建設(shè)活動(dòng)的逐漸增多，遇到了很多關(guān)于人工填土的一些巖土工程問(wèn)題，如道路地面塌陷、邊坡失穩(wěn)等等一些的問(wèn)題。而對(duì)城市的地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖石性質(zhì)、水文環(huán)境以及地質(zhì)發(fā)展歷程研究得非常透徹。但是所有的這些研究工作，無(wú)論是純地質(zhì)研究還是工程地質(zhì)研究，都很少有人對(duì)人工堆積層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行深入的分析。人工填土的物源比較復(fù)雜，對(duì)其研究比較缺乏，而且工程地質(zhì)的評(píng)價(jià)方法較少，如果對(duì)于人工填土不加以分析和研究就貿(mào)然采用勢(shì)必對(duì)工程建筑帶來(lái)危險(xiǎn)性，如果完全摒棄，不采用則會(huì)造成浪費(fèi)。以莫斯科為例整個(gè)城市96%的面積被人工填土覆蓋，最大厚度可達(dá)到20m。由于莫斯科發(fā)展的局限性和地基處理的難度，人工填土不可避免的作為地基土的組成部分，因此在莫斯科很多建筑的地基持力層在人工填土上。由于人工填土其性質(zhì)不均勻，厚度和密度變化大，壓縮性大，強(qiáng)度低，滲透性不均勻且部分土具有濕陷性，等等。因此人工填土作為地基土，需要做進(jìn)一步的研究，特別是對(duì)人工填土的基本性質(zhì)的研究。所以對(duì)人工填土層的研究有著很大的必要性和重要性。

在此基礎(chǔ)上，作者在俄羅斯聯(lián)邦羅蒙諾索夫莫斯科國(guó)立大學(xué)對(duì)莫斯科市人工填土進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究。以莫斯科市西南部為列，對(duì)其廣泛分布的人工填土的物質(zhì)組成及性質(zhì)特征進(jìn)行分析和闡述。希望在此基礎(chǔ)上能讓國(guó)內(nèi)的研究人員了解俄羅斯在這方面的研究進(jìn)程，從而引起國(guó)內(nèi)對(duì)人工填土的重視，是其更好地為的工程建設(shè)服務(wù)。

1 莫斯科人工填土層的發(fā)展

人工填土—在人類工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)中被改變和運(yùn)移后的天然巖土和在礦產(chǎn)和有機(jī)原料生產(chǎn)過(guò)程中人為產(chǎn)出的固體廢料。人工填土的主要物源來(lái)自于采礦活動(dòng)、工程建筑、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)、公共事業(yè)以及戰(zhàn)爭(zhēng)活動(dòng)等等，因此人工填土的形成與人類活動(dòng)有著緊密的聯(lián)系。人工填土的堆積過(guò)程是始終伴隨著城市發(fā)展的，城市的擴(kuò)張導(dǎo)致耕地、綠地以及森林的消失，在城市化的改造中人工填土逐漸的形成。

莫斯科，現(xiàn)俄羅斯聯(lián)邦首都，也是俄羅斯政治、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)文化及交通中心。莫斯科面積1 081km2，市區(qū)東西長(zhǎng)30 km，南北長(zhǎng)40km，人口1 047.3萬(wàn)人（2007年）。莫斯科建城于1147年，迄今已有860余年的歷史，是世界特大都市之一和歐洲最大的城市。圖1.是從十五世紀(jì)到現(xiàn)今莫斯科城市地區(qū)發(fā)展階段示意圖，在500多年的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，城市的面積增加了5 400倍之多，而人工填土的覆蓋面積也是成這一級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。

隨著城市化的作用莫斯科市區(qū)人工填土層（tIV）慢慢顯露出來(lái)，圖2為莫斯科西南部人工填土層的分布示意圖。從圖中可以看出來(lái)整個(gè)莫斯科西南部大部分地區(qū)都被人工填土所覆蓋。人工填土物質(zhì)的成分很復(fù)雜，厚薄不均勻，強(qiáng)度不同，堆積的時(shí)間長(zhǎng)短不一，堆積方式隨意，有些地方出現(xiàn)反復(fù)多次開(kāi)挖復(fù)添的情況。

由于對(duì)人工填土的研究方法并沒(méi)有理論和方法論作為依據(jù)，因此選取了較具有代表性的三個(gè)地點(diǎn)，選取了從物源和堆積時(shí)間上來(lái)看都屬于不同類型的人工填土，對(duì)其進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究。

2 研究區(qū)域地層分布特性

人工填土的土樣分別取自莫斯科西南部的三個(gè)地點(diǎn)（圖2中a、b、c點(diǎn)）。場(chǎng)地a位于涅任斯卡婭路（Нежинская），場(chǎng)地b位于阿布魯切夫大街（Обручевский），而場(chǎng)地c則位于耶夫列莫娃路上（Ефремова）。下文簡(jiǎn)稱為場(chǎng)地a、b、c。

圖1 莫斯科地區(qū)發(fā)展階段示意圖城市發(fā)展邊界

圖2 莫斯科西南部人工填土分布示意圖

1）場(chǎng)地a。此場(chǎng)地位于謝東河畔，由于人工開(kāi)挖，導(dǎo)致地下水聚集。1949年此場(chǎng)地中心曾變?yōu)檎訚傻?，而?966年起此場(chǎng)地中心又演化成了水塘，后來(lái)被填埋。此后從1976年起a場(chǎng)地在不同時(shí)期被人工填埋，一般為周圍建筑建筑基坑的回填土，以及拆建的建筑渣土、生活垃圾，因此本場(chǎng)地人工填土的時(shí)間已超過(guò)30年。場(chǎng)地a的表層被成分和性質(zhì)復(fù)雜的人工填土（tIV）所覆蓋，厚度為7.5～12.8m。此人工填土層底部為全新世的湖泊沼澤沉積物（IhIV），上部為更新世坡積物（dIII）和下更新世不同成分的冰水沉積物（fIstdns）[7]。不同的深度采取的土樣中均可以看到碎石夾層，并局部含有黑色有機(jī)物及其它雜質(zhì)。

2）場(chǎng)地b。整個(gè)場(chǎng)地b部分區(qū)域?yàn)榛膹U的基坑和停建的建筑地基，以及縱橫交錯(cuò)的地下水管線。人工填土（tIV）占整個(gè)場(chǎng)地面積的75%左右。場(chǎng)地b表層由人工填土（tIV）覆蓋，厚度為0.3～10.5m。堆填土成份非常復(fù)雜，由于崩解原因，基坑幾度坍塌，除粘土和亞粘土之外部分區(qū)域覆蓋有砂土以及碎磚塊兒，碎玻璃等建筑垃圾，除此之外還有生活垃圾，如陶瓷碎片、碎紙片、碎布以及塑料聚乙烯制品。以下地層按順序分別為表層亞粘土（prIII），厚度為0.4～1.90m；冰水沉積亞粘土（fIIms），厚度為0.5～4.6m；冰磧－冰水沉積亞粘土（gIIms），厚度為2.5～18.30m（圖3）。

圖3 阿布魯切夫大街工程勘察場(chǎng)地（場(chǎng)地b）地質(zhì)剖面示意圖[8]

3）場(chǎng)地c。場(chǎng)地c位于莫斯科耶夫列莫娃路旁。場(chǎng)地原為人工湖，后被堆填。在20世紀(jì)60年代末，沿耶夫列莫娃路曾有一條鐵路支線，由此可以推測(cè)，鐵路沿線人工填土堆積的可能性會(huì)更大。工程勘察工作探明了到23m地層，從上到下分別為現(xiàn)代人工填土（tIV）——厚度為1.4～3.0m，粉土并夾雜有建筑垃圾（碎磚塊、瀝青、陶瓷、碎玻璃）；沖積層（a2IIIkl）——厚度1.9～5.0m，灰褐色中砂和灰色細(xì)砂（并帶有粘土夾層）和上侏羅紀(jì)沉積層（J3v，J3ox）——厚度為8.8～10.8m，上部為粉土和綠灰色塑性亞粘土，并含有化石碎片。下部為深灰色和黑色密實(shí)粘土，而且含有化石碎屑。

3個(gè)場(chǎng)地人工填土從堆積時(shí)間與物源分類屬于不同的類型。場(chǎng)地a堆積時(shí)間較長(zhǎng)，超過(guò)30年；場(chǎng)地b曾為建筑工地，堆積物以建筑和生化垃圾為主；場(chǎng)地c為鐵路沿線人工堆積物。

3 人工填土的物質(zhì)組成

驗(yàn)：礦物和化學(xué)成分、粒度與微聚集體成分、土粒密度和水理性質(zhì)的測(cè)試。

3.1 礦物成分

從3個(gè)場(chǎng)地所取15個(gè)土樣主要礦物成分為石英（見(jiàn)表1），含量為48%～92%。此外原生硅酸鹽類礦物有鈉長(zhǎng)石，含量為2%～10% ，微斜長(zhǎng)石（2%～11%）和普通角閃石（1% 或＜1%）。從結(jié)果可以看出在風(fēng)化條件下不同原生硅酸鹽的穩(wěn)定性：石英 ＞微斜長(zhǎng)石 ＞鈉長(zhǎng)石 ＞普通角閃石。碳酸鹽類有方解石（0～5%）和白云石（0～2%）。粘土類礦物含量為1%～17%，其中高嶺石、伊利石、水云母、綠土在每一個(gè)土樣品當(dāng)中都存在不多。其它還有一些礦物，比如綠泥石、蛭石等在土樣中基本小于2%，在有些土樣中缺失。在礦物分析的過(guò)程中還存在一些倫琴射線鑒別不出來(lái)的隱晶物質(zhì)，這些物質(zhì)多半是方解石和硅酸鹽類礦物的隱晶質(zhì)狀態(tài)。

在研究過(guò)程中分別對(duì)這11個(gè)土樣進(jìn)行了以下幾種試

表1 研究區(qū)域礦物成分表

場(chǎng)地b 4個(gè)土樣（MB21– MB24）中粘土類礦物為3組土樣中最高（14.25%），此沉積層形成于建筑過(guò)程中，土樣可能來(lái)自于建筑工地旁挖取的坑道土，可能來(lái)自于其它地方，譬如地鐵建設(shè)中石料、建筑垃圾、挖取的坑道土等等。由于組成成分的復(fù)雜性，其隱晶物質(zhì)同樣為3組中最高的，倫琴射線不能從此土樣中辨別出土壤中物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。

3.2 化學(xué)成分

土樣的碳酸鹽及其有機(jī)成分含量見(jiàn)表2。其結(jié)果比礦物成分中所測(cè)碳酸鹽含量高，但大致相符，主要原因是化學(xué)方法所測(cè)數(shù)據(jù)要更為準(zhǔn)確，而且碳酸鹽可能會(huì)以隱晶狀態(tài)存在于土樣中，倫琴射線不能準(zhǔn)確測(cè)出其含量。碳酸鹽在這些樣品中的含量在0.06%～13.31%之間。

在場(chǎng)地c的樣品中 MG21（13.31%），MG23（7.84%）中碳酸鹽的含量最高，原因可能是在修筑路基時(shí)需要三合土作為基本夯土壩，而三合土的成分為石灰、黏土和細(xì)砂相混夯實(shí)而成的土料，因此樣品中碳酸鹽的含量要高。

在樣品中有機(jī)物的含量小于5%。顏色呈深黑色和棕黑色，在樣品MG21，MG22和MG23中發(fā)現(xiàn)有植物的根莖。從表3中可以看到MG22的燒矢量很高，其原因就是由于MG22中含有較多的有機(jī)物成分。由于有機(jī)物的存在土樣都具有一定的親水性。

表2 碳酸鹽及有機(jī)物成分含量表

取MG22號(hào)樣品做化學(xué)成分分析試驗(yàn)并與俄羅斯板塊第四紀(jì)砂狀土（A）和粘土狀土（B）的平均化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表3）。

在樣品MG22中SiO2中的含量低于A中SiO2的含量，而與B相比較高。Al2O3的含量與B中的含量相差不大，與A相比較小。在B中FeO，TiO2，MnO和SO3缺失，在樣品MG22中有較少的含量。K2O在樣品MG22中的含量比A和B中要少很多。樣品 MG22，A和B的收濕含水量都不高。

總體可以看出樣品MG22的化學(xué)成分與俄羅斯板塊第四紀(jì)粘土狀土的化學(xué)成分很相似，一些微小的差別是跟MG22樣品的成因有著密切的關(guān)系（人工掩埋、建筑垃圾等）。

表3 MG22號(hào)人工填土樣品與俄羅斯板塊第四紀(jì)砂狀土和粘狀土化學(xué)成分對(duì)比

3.3 粒度與微聚集成分分析

粒度分析試驗(yàn)所得結(jié)果（見(jiàn)表4，圖4）根據(jù)樣品采集地可分為三組（場(chǎng)地b－MB、場(chǎng)地a－Z、場(chǎng)地c－MG）。從粒度成分的結(jié)果中以及結(jié)合3個(gè)場(chǎng)地的人為改造歷史，可以大致可以做出以下的分析：

表4 粒度與微聚集成分

場(chǎng)地a的土樣中（Z1－Z5）砂粒級(jí)含量比較多是由于建筑工地廢棄土石砂的長(zhǎng)期堆積而造成的。場(chǎng)地b的粉粒級(jí)與粘粒級(jí)含量比較多，粒度成分與原狀的表層土（prIII）含量比較相似，是因?yàn)橛捎诒澜庠颍訋锥忍?，使得原狀的表層土（prIII）堆積到基坑里面內(nèi)，形成新的堆積物。而場(chǎng)地c砂粒級(jí)含量較高的原因是因?yàn)榻ㄔO(shè)鐵路時(shí)三合土廢棄土料的堆積的原因。

從粒度分析半對(duì)數(shù)坐標(biāo)累計(jì)曲線圖中（圖4），可以看出來(lái)人工填土的粒度成分分散性比較大，這與其復(fù)雜的堆填成份有關(guān)。從表4中平均粒徑的大小也可以對(duì)應(yīng)的看出甚至同一場(chǎng)地的土樣也不盡相同。這一由于粒度成分的相異性較大，高度的不均勻性，從而導(dǎo)致其他工程地質(zhì)性質(zhì)的較大相異性。

圖4 粒度分析半對(duì)數(shù)坐標(biāo)累計(jì)曲線

根據(jù)微聚集成分分別計(jì)算出＜0.005mm和＜0.001mm微粒的聚集（集合）系數(shù)，＜0.005mm的微粒為1.0～4.1；＜0.001mm的微粒為1.0～11.0（表4）。

可以看出樣品MB21和MB24中具有較高含量的粘粒成份（22% 和33%），平均粒徑d50較低（0.015和0.006 mm），粉粒中微聚集體較多，根據(jù) И.М.Горькова[2]的聚集系數(shù)分類屬混合型凝聚膠結(jié)結(jié)構(gòu)。樣品Z1和Z2的平均粒徑d50為0.18mm和0.23mm（均值為0.205mm），Z4和Z5的平均粒徑d50為0.018mm和0.065mm（均值為0.041 5 mm），微聚集體主要集中在砂粒與粉粒中，微聚集系數(shù)不盡相同。樣品MG21、MG23和MG26中具有較高含量的砂粒成份（73%～89%），平均粒徑0.3～0.36mm，微粒的聚集系數(shù)在1.0到1.6之間，聚合體結(jié)構(gòu)非常弱。

4 基本物理性質(zhì)分析（基本物理性質(zhì)）

莫斯科西南部人工填土的物理性質(zhì)見(jiàn)表5。

表5 莫斯科西南部人工填土物理性質(zhì)

由以上的數(shù)據(jù)確實(shí)可以看出莫斯科西南部的人工填土具有較高的分散性。根據(jù)塑性指數(shù)可以將其歸類為粉土（Ip＝6%～7%）和亞粘土（Ip＝11%～16%）。

土樣的活動(dòng)性指數(shù)（Kka）很低，基本屬于相對(duì)不活動(dòng)類型的土，說(shuō)明土樣的親水性比較差。土的活動(dòng)性指數(shù)能夠綜合反映土的塑性，粘粒含量和粘粒礦物親水性之間的關(guān)系。

3個(gè)場(chǎng)地中人工填土的性質(zhì)不盡相同，比如土粒密度在2.44～2.78g／cm3之間，而平均值為2.63g／cm3，與實(shí)際的土粒密度值差別較大，不具有代表性，故在實(shí)際生產(chǎn)中不能采用平均值。

莫斯科西南部人工填土由于其成因和成份的原因，其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相對(duì)較低。在場(chǎng)地b所采樣品 MB12、MB13、MB66、MB67分別在室內(nèi)做壓縮變形試驗(yàn)和剪切測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果樣品MB12和MB13的壓縮模量（E1－2）為2.14MPa和3.31MPa，與莫斯科本地冰磧亞粘土（E1－2＝26～32MPa）和冰水沉積土（E1－2＝15～22MPa）相比要低很多。樣品MB66（w＝15%，ρ＝2.06g／cm3）的內(nèi)摩擦角φ＝16°，粘聚力C ＝0.02MPa；MB67（w＝22%，ρ＝1.77g／cm3）的內(nèi)摩擦角φ＝18°，粘聚力C＝0.01MPa，比莫斯科本地冰磧亞粘土（φ＝19°，C ＝0.06MPa）和冰水沉積土（φ ＝16°，C＝0.055MPa）相比要低。

由此可知莫斯科西南部人工填土與天然土相比具有較差的力學(xué)性質(zhì)，還未形成堅(jiān)實(shí)的土體結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

1）斯科西南部人工填土中含有大量原生硅酸鹽（53%～95%），比如石英、鈉長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石；含有非晶質(zhì)物（0～37%）和少量的碳酸鹽（0～7%）與粘土礦物（1%～17%）。粒度成分與土的成因具有一致性。從試驗(yàn)結(jié)果反映出人工填土具有很強(qiáng)的不均勻性和較低的聚集性。土粒密度在2.44～2.74g／cm3之間，且隨非晶質(zhì)礦物含量增加而降低，土粒密度平均值為2.63g／cm3，與實(shí)際的土粒密度值差別較大，不具有代表性，3個(gè)場(chǎng)地中人工填土的其它性質(zhì)也不盡相同，故在實(shí)際生產(chǎn)中不能采用平均值。莫斯科西南部的人工填土具有較高的分散性。根據(jù)塑性指數(shù)可以將其歸類為粉土（Ip＝6%～7%）和亞粘土（Ip＝11%～16%）。人工填土的活動(dòng)性指數(shù)（Kka）很低，基本屬于相對(duì)不活動(dòng)類型的土，可塑性較低。

2）莫斯科西南部人工填土和天然土相比具有很差的力學(xué)性質(zhì)，人工填埋后未形成堅(jiān)實(shí)的土體結(jié)構(gòu)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，屬于一種軟弱土，或者稱為不良土，一般無(wú)法滿足荷載較高、特殊設(shè)計(jì)條件建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要，因此未經(jīng)過(guò)適當(dāng)，有效處理的人工填土層不宜直接作為建筑物基礎(chǔ)的直接持力層。若用做建筑物地基則需要根據(jù)實(shí)際條件采取不同的應(yīng)用、處理及加固措施。莫斯科西南地區(qū)填土分布較廣，種類很多，物質(zhì)成分及性質(zhì)各不相同，因此在實(shí)際生產(chǎn)中不能采用經(jīng)驗(yàn)性的平均值。

3）由于中國(guó)人工填土層的廣泛分布，但是對(duì)其研究和分析工作做的很少。隨著各項(xiàng)工程建設(shè)的加速上馬，我們應(yīng)提高對(duì)人工填土的認(rèn)識(shí)。人工填土的不均勻性，高壓縮性以及濕陷性會(huì)引發(fā)或?qū)е乱幌盗械膸r土工程問(wèn)題，因此有必要對(duì)其進(jìn)行有效的、深入的研究，針對(duì)具體的問(wèn)題采取對(duì)應(yīng)的防治措施。

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