江寧下蜀黃土的成因及工程地質(zhì)性質(zhì)★

盛海洋

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州 350007)

0 引言

在南京江寧的一些崗地、溝谷以及眾多人工開挖的基坑中常常見到這種黃色的下蜀土層，它是該地區(qū)重要的地基土層。前人研究表明，不同地點(diǎn)、不同區(qū)域的下蜀土，其工程地質(zhì)性質(zhì)有所不同，而且在物理力學(xué)性質(zhì)方面存在較大差異。由于這種差異性的存在，有可能對工程設(shè)施產(chǎn)生不利影響。本次研究是在前人工作的基礎(chǔ)上，選取江寧具有代表性的剖面，并結(jié)合寧杭高速公路南京施工段下蜀土的工程地質(zhì)性質(zhì)研究入手，初步探討出江寧下蜀土的成因及工程地質(zhì)特征(見圖1)，為下蜀土分布區(qū)的工程建設(shè)提供一些科學(xué)數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。

圖1 野外現(xiàn)場照片

1 下蜀土成因年代與環(huán)境

1．1 成因年代

下蜀土沉積時代，以往籠統(tǒng)定為晚更新世，也曾有人定為中更新世—晚更新世，但均沒有定量測試證據(jù)。據(jù)最近幾年來各家對下蜀土中鈣核14C測年結(jié)果:南京老虎山下蜀黃土上部第一層鈣核14C測定為(16620±200)年，第二層鈣核14C測定為(30900±1080)年;泰山新村下蜀黃土上層為(16470±200)年，下層(24190±550)年;燕子磯東山笆斗山下蜀黃土為(12190±200)年。這些年齡數(shù)據(jù)相當(dāng)于北方馬蘭黃土成土?xí)r期，從10余萬年延續(xù)至一萬多年之前的末次冰期，包含了整個晚更新時期。

1．2 宏觀特征

研究區(qū)下蜀土具有較為清晰的黃土—古土壤序列。顏色呈土黃或淺桔紅色，主要由粉砂碎屑組成，質(zhì)地均勻、結(jié)構(gòu)松散、富含鈣質(zhì)結(jié)核、宏觀層理不顯、垂直節(jié)理發(fā)育，并具有一定的濕陷性。在重力滑塌等外營力作用下，時常含有礫石漂礫、尖棱角狀巖塊等混入物。古土壤層厚0．2 m～0．3 m，呈淺土黃色，含有密集的鈣質(zhì)淋漓脈及豐富的介殼層。古土壤—黃土互層，還出現(xiàn)了明顯的多次水流改造成因的次生黃土。

1．3 粒度和礦物分析

沉積物的粒度大小是受外營力控制的，與沉積環(huán)境關(guān)系密切。在江寧下蜀土剖面中共測試了8塊樣品。根據(jù)粒度數(shù)據(jù)繪制的粒度分布概率累計曲線，可劃分出3個直線段分別代表滾動、跳躍和懸移3個總體。其中懸移總體的重量占總量的93%～97%，在懸移總體中，粉砂占71%～82%。與黃土高原相比，江寧下蜀土平均粒徑略小，分選極差。但總的看來，研究區(qū)與黃土高原黃土堆積相比粒度特征基本一致，即黃土層中粗粉砂含量大于古土壤層，粘粒含量則相反，揭示了黃土堆積時期冬季風(fēng)勢力強(qiáng)大、古土壤形成時期夏季風(fēng)占優(yōu)勢的規(guī)律，反映了其風(fēng)成屬性。下蜀土的礦物，經(jīng)鑒定其結(jié)果以石英、長石、伊利石、云母、方解石等輕礦物為主，占樣品總重量的96%左右。重礦物含量低(僅4%左右)，主要礦物有磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦、角閃石、普通輝石、綠簾石、透閃石、透輝石等。

1．4 石英顆粒掃描電鏡特征

通過對石英顆粒的掃描電鏡觀察及顆粒形態(tài)統(tǒng)計，總體上不存在明顯的差別，石英顆粒表面結(jié)構(gòu)特征為:顆粒形態(tài)多以次棱角狀和次球狀顆粒為主，碟形坑、撞擊坑、V形坑發(fā)育，有貝殼斷口、平行擦痕和撞擊溝。從以上統(tǒng)計分析結(jié)果來看，顆粒表面出現(xiàn)大量的月牙形、碟形坑及硅質(zhì)沉淀，它們反映了石英顆粒在風(fēng)蝕作用條件下經(jīng)歷的循環(huán)，即當(dāng)跳躍發(fā)生時，表面出現(xiàn)磨蝕，當(dāng)顆粒靜止時，出現(xiàn)硅質(zhì)溶解和沉淀。同時，在石英表面還有大量主要反映流水、冰川等機(jī)械作用形成的V形坑以及解理、擦槽、擠壓坑。石英顆粒的上述特征證明江寧下蜀土的風(fēng)成物質(zhì)主要來源于黃土高原。

1．5 孢粉

在江寧方山下蜀土剖面中，進(jìn)行了3塊孢粉樣品鑒定分析。結(jié)果僅發(fā)現(xiàn)了少量孢粉，松屬Pinus 3粒、蓼科Polygonum 1粒、毛莨科Ranunculaceae 1粒、莎草科Cyperaceae 2粒。

綜上，通過野外調(diào)查下蜀土的產(chǎn)狀和物質(zhì)組成，從宏觀上肯定了分布于江寧區(qū)的下蜀土堆積屬于風(fēng)成黃土，其中間夾有被水流改造的次生黃土。另外，對下蜀土堆積物中的粒度、孢粉分別進(jìn)行了測試和鑒定分析，并對下蜀土堆積物中的石英顆粒表面形態(tài)特征進(jìn)行了掃描電鏡觀察，從而獲得了下蜀土成因的微觀證據(jù)。

2 下屬土物理力學(xué)性質(zhì)

2．1 研究剖面

江寧方山地質(zhì)公園位于江寧大學(xué)城，山頂標(biāo)高約156 m，山體主要由燕山三期火山活動形成的氣孔狀玄武巖構(gòu)成。在山坡坡麓出露有下蜀黃土，由于近代山體滑坡，山體西南坡形成了一處完整的地層剖面(見圖2)，出露地層厚20多米，剖面由上至下明顯分成四個小層:①灰黃色粉質(zhì)粘土層:頂部為一鈣質(zhì)結(jié)核層，結(jié)核小而密，結(jié)核層厚約0．3 m～0．5 m，其下為質(zhì)地均勻的厚層黃土，柱狀節(jié)理發(fā)育，層厚約6．4 m。②黃褐色粉質(zhì)粘土層:該層土細(xì)膩、粘性大，土塊呈棱塊狀，層厚約4．3 m。③灰黃色粉質(zhì)粘土層:上部發(fā)育鈣質(zhì)結(jié)核，結(jié)核大而稀疏，分布厚度約0．7 m。其下為質(zhì)地均勻的厚層黃土，柱狀節(jié)理發(fā)育，層厚約為3．6 m。④黃褐色粉質(zhì)粘土層:該層土細(xì)膩、粘性大，土塊呈棱塊狀，層厚約3．5 m，均勻的厚層黃土，柱狀節(jié)理發(fā)育，層厚約4．8 m。

圖2 江寧方山下蜀黃土地層剖面

由上可見，①與③為同種類型土，②與③為同種類型土。

差熱分析和X射線粉晶衍射分析鑒定結(jié)果以及土的硅鋁率表明，四個小層粘土礦物種類無明顯區(qū)別，主要為蒙脫石和少量伊利石?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果表明，黃褐色土的Fe2O3含量明顯高于灰黃色土，而FeO的含量則相反;黃褐色土的CaO含量大大低于灰黃色土，說明黃褐色土遭受過氧化和淋溶作用(見表1)。

表1 方山下蜀土化學(xué)成分分析成果 %

2．2 物理力學(xué)性質(zhì)

上述灰黃色土與黃褐色土在顆粒組成、化學(xué)成分及微結(jié)構(gòu)方面的差異必然反映在土的工程地質(zhì)性質(zhì)上，四個小層原狀土樣的土工試驗結(jié)果很好地顯示了這種差異。

1)土樣的孔隙比與干密度有著良好的對應(yīng)關(guān)系，灰黃色土的孔隙比大于黃褐色土，因此前者干密度也小于后者。

2)灰黃色土的天然壓縮系數(shù)小于0．1 MPa－1，屬于低壓縮性土;黃褐色土大于0．1 MPa－1，屬于中等壓縮性土，飽和狀態(tài)下，兩種土的壓縮系數(shù)急劇增大，灰黃色土的這種變化較之黃褐色土更加明顯。在200 kPa壓力下，測得灰黃色土的濕陷系數(shù) δs=0．035～0．039，大于黃土濕陷性判別性指標(biāo)，屬中等濕陷性黃土;黃褐色土濕陷系數(shù)δs=0．012～0．014，略小于濕陷性判別指標(biāo)，基本屬非濕陷性土。

3)土的抗剪強(qiáng)度受含水量影響，土3含水量過低，天然狀態(tài)為硬塊狀，故其抗剪強(qiáng)度大于正常值。從土1，土2，土4三個土樣的抗剪強(qiáng)度比較來看，灰黃色土的抗剪強(qiáng)度小于黃褐色土的抗剪強(qiáng)度。方山下蜀土與其他地區(qū)的下蜀土在主要方面有共性，上述結(jié)論應(yīng)具有一定的意義。

其結(jié)論如下:

a．方山下蜀土地層發(fā)育有黃色和黃褐色兩種土層。兩種土層不僅顏色、顆粒組成、微結(jié)構(gòu)特征不同，而且工程地質(zhì)特性也存在差異。

b．兩種土在工程地質(zhì)性質(zhì)上的差異性可能造成基礎(chǔ)的不均勻沉降。土的濕陷性則有可能危害建筑物的安全。

2．3 下蜀土的脹縮特性

下蜀黃土是一種超固結(jié)土，據(jù)對下蜀粘土和粉質(zhì)粘土兩種土的原狀重塑試樣在初始含水量相近和不同的兩種條件下進(jìn)行的測試結(jié)果表明:當(dāng)下蜀粘土和粉質(zhì)粘土的含水量相近時，膨脹穩(wěn)定后二者含水量相近，其水平膨脹率大于垂向膨脹率。粘土重塑樣的自由膨脹率幾乎是粉質(zhì)粘土的2倍，且膨脹率大于線縮率，而粉質(zhì)粘土的膨脹率和線縮率的差異并不顯著;當(dāng)二者初始含水量不同時，如取含水量更大一些(由18．6%～24．1%)粘土試樣，其自由膨脹率仍大于粉質(zhì)粘土，但小于初始含水量較低的粘土樣，由34．0%降至23．0%，即自由膨脹率隨初始含水量增大而變小，而且垂向和水平方向兩個方向的差異性縮小甚至消失，雖線縮率略有增大，但體縮率和線縮率的比值(esv/esl)減小;為充分體現(xiàn)各自的膨脹能，不考慮天然含水量的影響，將試樣達(dá)縮限后再進(jìn)行膨脹，粉質(zhì)粘土的膨脹能仍低于粘土，原高含水量粘土的膨脹率大于原低含水量試樣，即收縮至縮限后的膨脹率與初始含水量成正比關(guān)系。

2．4 水質(zhì)分析

水質(zhì)分析成果表明(見表2):區(qū)內(nèi)地下水為“HCO3·SO4·Cl—Ca·Mg”型水，礦化度 328．07 mg/L ～1 178．30 mg/L，屬淡水，水質(zhì)較好，pH值為6．98 ～7．85，呈中性，總硬度為 234．91 mg/L ～719．86 mg/L，屬硬水，侵蝕性 CO2＜1 mg/L，對鋼筋混凝土無侵蝕性;河水水質(zhì)類型為“HCO3·SO4·—Ca·Na”型水，礦化度269．06 mg/L ～485．80 mg/L，屬淡水，水質(zhì)較好，pH 值為 7．36 ～9．81，呈中性略偏弱堿性，總硬度為 142．44 mg/L ～239．86 mg/L，屬硬水，侵蝕性CO2＜1．13，對鋼筋混凝土無碳酸鹽侵蝕性。

表2 水質(zhì)分析成果

3 結(jié)語

1)通過對下蜀土的粒度組分、石英砂的表面結(jié)構(gòu)以及其他地質(zhì)現(xiàn)象的綜合研究，對下蜀土成因進(jìn)行了探討。在下蜀土的概率累計曲線上，躍進(jìn)組分和懸移組分反映明顯，以懸移組分為主。對下蜀土掃描電鏡觀察和石英顆粒表面特征的統(tǒng)計分析，反映出氣流搬運(yùn)的特點(diǎn)，以發(fā)育碟形坑為其主要標(biāo)志，具有風(fēng)成環(huán)境的表面特征組合。下蜀土中孢粉稀少。根據(jù)上述特征分析出研究區(qū)下蜀土應(yīng)為風(fēng)成黃土。沉積時代為晚更新時期。

2)下蜀土的粒度以粉砂含量最多，礦物成分主要是石英、長石，粒土礦物以伊利石為主;其次是蒙脫石，高嶺石含量少?；瘜W(xué)成分分析說明黃褐色土遭受過氧化和淋溶作用。

3)下蜀土地層發(fā)育有黃色粉質(zhì)粘土和黃褐色粘土兩種土層，不僅顏色、顆粒組成、微結(jié)構(gòu)特征不同，而且工程地質(zhì)特性及脹縮特性也存在差異，這種差異性可能造成基礎(chǔ)的不均勻沉降。部分下蜀黃土具有中等濕陷性，有可能危害建筑物的安全。

4)水質(zhì)分析成果表明研究區(qū)內(nèi)地下水及河水均對鋼筋混凝土無侵蝕性。

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