南四湖地區(qū)結(jié)構(gòu)性粘土成因分析

雷 文,陳 亮,張紅宇,趙小龍,王亞坤,李劍超,丁小闖

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京210098;2.河海大學 巖土工程研究所,江蘇 南京 210098)

山東省境內(nèi)的黃河沖積平原,占全省面積的41%以上[1]。區(qū)域內(nèi)廣泛分布著裂隙粘土,據(jù)統(tǒng)計此類粘土一般分布在地表以下10 m范圍內(nèi),深者一般不超過15 m。山東地區(qū)裂隙粘土可分為四個沉積區(qū),即魯西南沖積平原沉積區(qū)、魯西北沖積平原沉積區(qū)、山前沖洪積平原與黃河沖積平原交接洼地沉積區(qū),以及黃河三角洲沉積區(qū),魯西南和魯西北平原區(qū)的裂隙粘土具有3～4層的多層結(jié)構(gòu)分布特征,而交接洼地區(qū)和黃河三角洲區(qū)一般呈單一薄層結(jié)構(gòu)的特征,南四湖裂隙粘土則屬于魯西南沖積平原沉積區(qū)。筆者在西姚與李戶兩個站點對南四湖地區(qū)粘土的結(jié)構(gòu)發(fā)育進行了解,發(fā)現(xiàn)主要有裂隙和孔洞兩種,粘土結(jié)構(gòu)性的存在使得湖西大堤的滲透性較大,為了能夠更好的對當?shù)卣惩恋臐B透特性有客觀上的理解認識,有必要對粘土裂隙與孔洞的形成原因進行分析,南四湖結(jié)構(gòu)性粘土已有研究如下:

廖濟川[2]指出裂隙粘土大都處于超固結(jié)狀態(tài),土體內(nèi)部的裂隙發(fā)育形態(tài)沒有固定的規(guī)則,因此某一部分土樣的抗剪強度并不能代表整個土體的抗剪強度。鑒于此,作者先用反算法確定了現(xiàn)場抗剪強度指標,然后用殘余系數(shù)表達裂隙土的強度衰減問題。張穎鈞[3]指出,超固結(jié)裂隙粘土由于裂隙性、膨脹性和超固結(jié)性,塹坡的設計比一般粘土塹坡要求更高,作者分析研究了超固結(jié)應力作用下,裂隙粘土塹坡的滑動規(guī)律,從而得出了比較合理的坡高和坡率,并對已有的粘土斜坡進行了檢驗。傅傳元[4]認為裂隙粘土土體中裂隙性質(zhì)、類型及分布規(guī)律是多種多樣的,這是由裂隙的成因不同決定的。風化作用是粘土形成裂隙的主要原因,風化作用形成的裂隙多呈微張開狀,形態(tài)和產(chǎn)狀多較雜亂,其分布亦常在地表及接近地表的1 m、2 m范圍內(nèi)。王志偉[5]等鑒于裂隙粘土性質(zhì)的特殊性,指出一般的極限平衡法對其穩(wěn)定性分析有一定的差異,并用FLAC模型對其邊坡的漸進破壞和整體穩(wěn)定性進行模擬,取得了較好的效果。趙中秀[6]等研究了超固結(jié)狀態(tài)下裂隙粘土的強度特性,并指出了粘土原位抗剪強度線、凝聚力、內(nèi)摩擦角的確定方法以及計算公式。徐瑞蘭[7]等指出了裂隙粘土具有容重低、結(jié)構(gòu)疏松,孔隙比大、壓縮性高、液限高、承載力低、粘粒含量高等特點。以上研究分別從裂隙粘土的強度特性,組成成分等方面進行研究,也提到了裂隙粘土的一些典型特性,但并沒有對此種特性的形成原因進行深層次的說明,為了能對裂隙粘土的形成原因有一個全面的了解,本文特對山東省南四湖地區(qū)的粘土裂隙及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成進行分析,指出粘土結(jié)構(gòu)形成的主客觀因素。

1 應力原因分析

1.1 前期固結(jié)應力

首先考慮結(jié)構(gòu)性粘土中裂隙的發(fā)育是否是由于應力原因,由土力學[8]得知,土體的現(xiàn)有應力小于其應力歷史中的最大應力,即前期固結(jié)應力,那么土體處于超固結(jié)狀態(tài),若現(xiàn)有應力大于前期固結(jié)應力,那么土體便處正常固結(jié)即欠固結(jié)狀態(tài)。知道了土體所處的應力狀態(tài),也能定位出土體應力在結(jié)構(gòu)性粘土裂隙形成過程中所起的作用。

為了求出現(xiàn)場土體的前期固結(jié)應力,分別于西姚站壩頂1號鉆孔2.3 m深度以及李戶站點3號鉆孔2.3 m深度各取兩組土樣進行土的固結(jié)壓縮特性試驗。之后根據(jù)得出的e-logp曲線,得出前期固結(jié)應力。

表1為西姚站點壩頂部位k①中的2號試樣所做的固結(jié)壓縮試驗。

根據(jù)上述數(shù)據(jù),確定土體的前期固結(jié)應力Pc。用卡薩格蘭德方法,利用依據(jù)室內(nèi)壓縮特征建議的經(jīng)驗圖解法,求出前期固結(jié)應力的大小。

首先,求出室內(nèi)壓縮的e-logp曲線,如圖1所示。

求出曲線上曲率最大的點A,過A點做水平線A1,切線 A2,然后做角A1AA2的角平分線 A3,將壓縮曲線下部的直線段向上延伸交 A3于B點,之后找出B點對應的橫坐標Pc,可以得出 Pc點所對應的值為logp=1.86,求出 p=72.97 kPa,則可以得出土樣的前期固結(jié)應力為73.0 kPa。

表2為李戶站點壩頂部位k③中的2號試樣所做的固結(jié)壓縮試驗。

同上例,求出室內(nèi)壓縮曲線的e-lgp曲線如圖2所示。同理可以得出土樣的前期固結(jié)應力為72.1 kPa。

表1 西姚站點土體固結(jié)壓縮試驗

圖1 西姚站點土樣室內(nèi)壓縮e-lgp曲線

圖2 李戶站點土樣室內(nèi)壓縮e-lgp曲線

表2 李戶站點土體固結(jié)壓縮試驗

1.2 應力計算

上述土樣K①002取自西姚站點壩頂下2.3 m處。K③002取自李戶站點壩后2.3 m處。由室內(nèi)試驗可以得出,土樣的干濕密度詳見表3。現(xiàn)場資料顯示,鉆孔K①的地下水位深度為5.0 m,K③的地下水位深度為0.44 m,計算可得兩個鉆孔在2 m處的土體應力分別為:

表3 土體物理性質(zhì)指標

由于三號鉆孔取樣位置位于地下水位以下,所以對其進行土體應力計算時,應該分兩層分別求解,二者之和為所研究對象的土體應力。

1.3 計算結(jié)果

計算結(jié)果整理見表4。

由表4可以看出,兩個站點處所研究土樣的現(xiàn)有土體應力均小于前期最大固結(jié)應力,屬于弱超固結(jié)土?？梢娡馏w在應力歷史中已經(jīng)完成了固結(jié),并且此地區(qū)粘性土體在受力過程中存在應力釋放,一定程度上也會引起土體內(nèi)部形成孔隙。但是據(jù)現(xiàn)場觀察資料顯示,土體內(nèi)部裂隙分布較多,參差不齊,沒有一定的規(guī)律性,并且裂隙內(nèi)部與周圍土體存在一定的色澤差異。假若土體裂隙是由應力原因引起,那么裂隙的分布排列應具有一定的規(guī)律性,并且長度應具有連貫性,而現(xiàn)場土體中的裂隙長度大都在10 cm左右,裂隙之間的連接間斷性普遍,且裂隙的走向、傾向紊亂。因此可以推測,南四湖地區(qū)粘土結(jié)構(gòu)性的存在并不是由于應力原因。

表4 應力分析結(jié)果

2 水文地質(zhì)原因

2.1 地質(zhì)年代確定

為了能夠更好的了解山東省南四湖地區(qū)結(jié)構(gòu)性粘土的形成機理,需要得出現(xiàn)場土體的地質(zhì)演變歷史?，F(xiàn)場鉆孔分析資料顯示,研究區(qū)域的粘性土層下分布有一層1 m～2 m厚度不等的黑色粘土,可以通過對此層黑色粘土的形成原因進行分析,進而判斷其上部結(jié)構(gòu)性粘土的形成機理。

資料顯示[1],裂隙粘土主要分布在泛濫洼地內(nèi),在自然堤邊緣部分上部也有薄層裂隙粘土分布,一般以透鏡體狀穿插在砂壤土或粉細砂層中?，F(xiàn)場觀察可以看出,粘土層主要分布于黑色粘土之上,假若我們能夠確定黑色粘土的形成年代,那么對于粘土的存在歷史也便可以有一個準確的定位。

據(jù)陳孝燕在《山東省第四系》一書中介紹[9],山東省在歷史上發(fā)生過一次比較重大的海侵現(xiàn)象,海侵始于公元前9 500—9 000年左右,結(jié)束于公元前2 500年左右,形成一個完整的海水進退旋回。因此我們可以推測,黑色粘土形成于公元前2 500年前左右。

2.2 成因分析

裂隙粘土主要分布于黑色粘土之上,黑色粘土主要為當時南四湖湖底的淤泥質(zhì)土體固結(jié)而成,在黑色粘土形成之后,南四湖內(nèi)部湖水位不可避免的發(fā)生升降變化。在此過程中,水流速度逐漸由急變緩,直至幾乎停止,形成大片積水洼地。水中懸浮顆粒的沉積堆積由于水流沖擊力的慣性作用,也按照水流減緩的過程,按照斯托克斯沉降規(guī)律[10],較粗顆粒的土先行沉積,然后較細顆粒、細顆粒土依次沉積,以粘粒(粒徑不大于 5 μm的顆粒)和膠粒(粒徑不大于2 μm的顆粒)成分為主的裂隙粘土隨著水流的停滯最后沉積下來(在南四湖大堤加固、湖下游抽攜湖水在洼地造田的過程中可以很好的觀察到這種沉積現(xiàn)象)。含沙濃度、級配、粒徑、邊界條件等因素對顆粒及顆粒群沉降速度也有很大的影響[11],上述因素使得土顆粒在水流中的沉積規(guī)律很復雜,本文將濟寧市南四湖地區(qū)的結(jié)構(gòu)性粘土當做一個普遍存在的整體,重點分析整層粘土在水位升降中的結(jié)構(gòu)變化,因此忽略了濃度、級配、粒徑、邊界條件等的影響。

根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗,可以看出在三角圍堰中,土顆粒以一種懸浮的膠體狀態(tài)分布于抽出水體中。而在幾千年的生活實際中,當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)活動對整個南四湖湖內(nèi)土體結(jié)構(gòu)的影響也是不可忽略的。隨著抽水淤背或造田抽水的結(jié)束,湖內(nèi)水位停滯,最后在先行沉積的砂壤土和輕壤土的頂部就形成了一層厚度數(shù)厘米到數(shù)十厘米的高液限粘土,當南四湖水位下降時,壩后潛水層降低,位于水位以下的粘土彰顯出膨脹土的特性,由于原有土體飽和時,土體膨脹,水位下降時,土體收縮干裂,形成具有一定隙寬的裂隙,隨著時間的累積,該土層多次經(jīng)受此循環(huán),使裂隙不斷發(fā)育,形成具有不同裂隙發(fā)育程度的結(jié)構(gòu)性粘土。通過對孔洞的觀察可以看到,孔洞的孔壁呈現(xiàn)灰白色,且為硬塑狀態(tài),并且孔洞壁較為光滑,說明孔壁經(jīng)受了一定的徑向擠壓力,而不是簡單地由于水流把細顆粒帶走而形成孔洞的管涌通道,通過現(xiàn)場土體裂隙圖片及灌注示蹤劑可以發(fā)現(xiàn):部分孔洞里存在已經(jīng)腐爛但沒完全腐爛的植物根系,這些孔洞的孔壁上可以看到植物根系的表皮;在探坑周邊進行灌注示蹤劑發(fā)現(xiàn),示蹤劑總是沿著植物根表皮流入探坑,少數(shù)是通過發(fā)育良好的孔洞流出。

綜上所述,隨著湖水水位的升高與降低,使得南四湖粘性土體內(nèi)部形成裂隙并不斷發(fā)育。同時,南四湖湖內(nèi)原有的大量水生植物較多,根系發(fā)育較好,由于植物根系的延伸、生長及腐爛,內(nèi)部殘留的腐殖質(zhì)被逐步帶出土體或者分解,使該裂隙土體內(nèi)部形成了孔洞,經(jīng)受長時間的水流沖刷作用,使裂隙和孔洞貫通,最終形成了裂隙與孔洞交叉,具有較大滲透系數(shù)的結(jié)構(gòu)性粘土。

2.3 土 性

膨脹力按下式計算:

式中:Pc為膨脹力(kPa);W為施加在試樣上的總平衡荷載(N);A為試樣面積(cm2)。

實驗結(jié)果如表5所示。

表5 膨脹力分析結(jié)果

對該結(jié)構(gòu)性粘土成份進行分析知:該結(jié)構(gòu)土蒙脫石類占到30%;且裂隙發(fā)育,常有光滑面和擦痕,有的裂隙中充斥著灰白色粘土,地形平緩,無明顯自然陡坎;實驗得到的自由膨脹率在40%左右;根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ 112-87)[12]知,此南四湖結(jié)構(gòu)性土體可以認定為膨脹土。

3 結(jié) 論

通過對表層埋深2 m左右的結(jié)構(gòu)性粘土進行相關(guān)的現(xiàn)場與室內(nèi)試驗,論述了水土相互作用以及膨脹力等因素在研究區(qū)域的關(guān)系,初步得到了此區(qū)域結(jié)構(gòu)性粘土的基本特性,總結(jié)如下:

(1)南四湖地區(qū)粘土為弱超固結(jié)土,其應力歷史的變化并沒有對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成起到直接的影響作用。粘土裂隙與孔洞復合型結(jié)構(gòu)的形成,不是由于應力原因。

(2)結(jié)構(gòu)性粘土下層黑粘土所在部位為3 500年前南四湖的湖底部位,至今的幾千年中,由于湖內(nèi)水位的升降變化,致使黑粘土上層形成了一層厚度2 m左右的粘土層,而其內(nèi)部也堆積了大量原有的或者新生的植物根莖。

(3)現(xiàn)場土體內(nèi)部孔洞與裂隙的發(fā)育程度較高,是影響該結(jié)構(gòu)土滲透性的主要因素,現(xiàn)場探坑開挖可以看出空孔洞滲水量非常大,裂隙滲水次之。裂隙與孔洞的存在導致了南四湖湖西大堤整體滲透性能的增加,致使壩后地下水位太高,嚴重影響了當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活。

在現(xiàn)場進行工民建、堤壩、梯田、灌溉工程設施等的施工過程中,應充分考慮結(jié)構(gòu)性粘土滲透性大,并且具有一定膨脹性的特點。采取經(jīng)濟實惠安全牢固的地基處理方案,做好相應的排水措施。對其結(jié)構(gòu)性形成原因的分析,得出其滲透性的具體參數(shù)值,有利于當局有針對性的進行區(qū)域工程維護。同時,也能使南四湖更好的為民所用,一定程度上大大的改善當?shù)氐沫h(huán)境狀況。

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