山西呂梁地區(qū)三趾馬紅土的工程地質(zhì)特性及其工程環(huán)境效應(yīng)研究

儲(chǔ)文靜 付新平 蔡云廷

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

山西呂梁地區(qū)三趾馬紅土的工程地質(zhì)特性及其工程環(huán)境效應(yīng)研究

儲(chǔ)文靜 付新平 蔡云廷

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

山西呂梁地區(qū)分布大量三趾馬紅土。試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：①三趾馬紅土以黏粒和粉粒(<75 μm)為主，約占總含量的96%以上；主要礦物成分以伊利石為主，平均含量為61%，其次為綠泥石和蒙脫石，為弱—中等膨脹性土；②三趾馬紅土的骨架主要為黏、粉粒聚合而成的團(tuán)粒和集粒，土體內(nèi)部微孔隙、裂隙較發(fā)育，崩解性強(qiáng)；③三趾馬紅土天然狀態(tài)下的體縮變化較小，強(qiáng)度較高，當(dāng)其由天然狀態(tài)變化至飽和狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度下降明顯，尤其是由塑性含水量狀態(tài)變化至飽和狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度急驟下降，其中黏聚力較內(nèi)摩擦角下降趨勢(shì)更為明顯，為強(qiáng)度變化中的主變量。由于三趾馬紅土本身的物理特性，在外力的作用下，該區(qū)域易發(fā)生工程地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

三趾馬紅土 物質(zhì)成分 工程地質(zhì)特性 工程環(huán)境效應(yīng)

山西呂梁地區(qū)第四系黃土下層廣泛沉積了一層厚度幾米至幾百米不等的紅色土狀堆積物，德日進(jìn)、楊忠健(1933)[1]在該層中發(fā)現(xiàn)了大量的三趾馬動(dòng)物化石，將其稱為“三趾馬紅土”。隨著山西煤炭資源不斷開(kāi)采和外運(yùn)，在三趾馬紅土層中建設(shè)的各種基礎(chǔ)工程項(xiàng)目逐漸增多，由于針對(duì)呂梁地區(qū)三趾馬紅土的工程地質(zhì)特征研究較少，因而發(fā)生的工程地質(zhì)問(wèn)題也愈發(fā)增多。

從三趾馬紅土的粒度、礦物成分、化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、物理特征以及力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析，揭示呂梁地區(qū)三趾馬紅土的工程地質(zhì)特性，分析三趾馬紅土與其相關(guān)工程環(huán)境問(wèn)題的關(guān)系。

1 三趾馬紅土的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

1.1 物質(zhì)組成

三趾馬紅土的粒度成分、黏土礦物組成、化學(xué)成分是決定其工程地質(zhì)特性的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同黏土礦物的組成，直接決定該土層具不同的物理化學(xué)性質(zhì)。

(1)粒度成分

天然狀態(tài)下，三趾馬紅土外表呈棕紅色，裂隙發(fā)育，局部夾薄層白色鈣質(zhì)結(jié)核層，切面細(xì)膩、光滑，濕土極易搓成細(xì)于0.5 mm的長(zhǎng)條。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，采用Mastersizer2000型激光粒度儀，用濕法測(cè)量，對(duì)三趾馬紅土粒度進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明(見(jiàn)圖1)，三趾馬紅土以黏粒和粉粒(<75 μm)為主，約占總含量的96%以上，其中粉粒(5<75 μm)含量占優(yōu)勢(shì)；典型斷面土樣的平均中值粒徑8.047 μm，分選系數(shù)1.63，分選良好。

(2)礦物成分

研究區(qū)三趾馬紅土主要礦物成分為黏土礦物，通過(guò)X-Ray衍射分析(見(jiàn)表1)，結(jié)果表明，呂梁地區(qū)三趾馬紅土的礦物成分由伊利石、蒙脫石和高嶺石這些親水性強(qiáng)和物化性強(qiáng)的礦物組成，其中，三趾馬紅土中的伊利石含量最高，一般在51%～68%之間，平均含量為61%；綠泥石含量的變化范圍在11%～22%之間，平均含量為15%；蒙脫石含量變化范圍在7%～18%之間，平均含量12%；高嶺石含量變化范圍在7%～14%之間，平均含量為11%，其次含有少量的混層礦物。三趾馬紅土中含有部分綠泥石，而綠泥石屬于硅酸鹽類(lèi)礦物，說(shuō)明三趾馬紅土天然狀態(tài)下有一定的強(qiáng)度。

注：括號(hào)中數(shù)值為平均含量。

(3)化學(xué)成分

土的化學(xué)成分是組成土的固相、液相和氣相中的化學(xué)元素，化合物種類(lèi)及其相對(duì)含量。通過(guò)X-Ray能譜儀對(duì)采集的三趾馬紅土樣品的化學(xué)成分進(jìn)行了試驗(yàn)分析(見(jiàn)圖2)。結(jié)果表明：三趾馬紅土的主要化學(xué)成分中SiO2含量最高，超過(guò)60%，其次是Al2O3、Fe2O3，含量約占30%。土中SiO2、Fe2O3含量較高，一方面與三趾馬紅土中含有大量石英、長(zhǎng)石以及硅酸鹽有關(guān)，另一方面與三趾馬紅土形成時(shí)氣候比較濕熱、氧化和淋濾作用較強(qiáng)有關(guān)[2]。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

三趾馬紅土中黏、粉粒含量較高，黏土礦物以伊利石、綠泥石以及蒙脫石為主。不同倍數(shù)的電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果顯示(見(jiàn)圖3)：三趾馬紅土碎屑顆粒形態(tài)為粒狀、不規(guī)則，輪廓不太清晰，不易區(qū)分骨架顆粒和膠結(jié)物；骨架顆粒較小，以2～30 μm為主，構(gòu)成其骨架的主要為黏、粉粒聚合而成的團(tuán)粒和集粒。

圖2 三趾馬紅土X射線能譜分析

微觀結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要有絮凝、膠粘結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)骨架中微孔隙或微裂隙比較發(fā)育，為地下水活動(dòng)的主要通道[3]。當(dāng)水入滲時(shí)，呈邊-面、面-面緊密接觸的伊利石、蒙脫石黏粒片吸水，水化膜增厚膨脹，反之，水分流失蒸發(fā)，黏粒片水化膜收縮[7]。因此，三趾馬紅土具一定的脹縮特性，容易形成微孔隙、微裂隙。

圖3 不同倍數(shù)下三趾馬紅土的微觀結(jié)構(gòu)

2 三趾馬紅土的工程地質(zhì)特征

2.1 物理特性

(1)三趾馬紅土的基本物理性質(zhì)

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果分析(表2)，呂梁地區(qū)三趾馬紅土的平均天然含水量為14.35%～21.5%，平均值為17.9%，屬中等含水；干密度為1.66～1.77 g/cm3，平均值為1.72 g/cm3；孔隙比0.53～0.64，平均值為0.59；塑限18.2%～19.3%，平均值為18.8%，塑性指數(shù)12.7～16.1，平均值為14.4，按工程分類(lèi)屬于粉質(zhì)黏土；液性指數(shù)0.25%～-0.04%，平均值為-0.01%，按液性指數(shù)，其稠度狀態(tài)屬于堅(jiān)硬，飽水后可現(xiàn)硬塑—軟塑狀態(tài)。

(2)膨脹特性

表2 三趾馬紅土的物理指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

注：括號(hào)中數(shù)據(jù)為平均值。

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)[4]，以及15處土樣的室內(nèi)試驗(yàn)分析結(jié)果，呂梁地區(qū)三趾馬紅土的膨脹潛勢(shì)分級(jí)結(jié)果顯示(見(jiàn)圖4)，三趾馬紅土的自由膨脹率為43%～75%，平均值為59%，蒙脫石含量為12%～20.5%，平均值為16.25%，CEC(NH4+)為267～348 mmol/kg，平均值為307.5%，屬于弱—中等膨脹性土。

圖4 三趾馬紅土的膨脹潛勢(shì)分級(jí)結(jié)果

(3)崩解特性

采用方形試樣，用天然狀態(tài)的樣品與110 ℃恒溫烘干后的樣品做崩解對(duì)比試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)結(jié)果表明，三趾馬紅土不論天然狀態(tài)還是干燥狀態(tài)，其崩解性均較強(qiáng)，其中干燥試樣的崩解速度更快，崩解耐久性更差。三趾馬紅土天然試樣在8 h內(nèi)全部崩解，干燥試樣在1.5 h內(nèi)全部崩解，試樣邊角處崩解最快。由于三趾馬的黏土礦物多以伊利石和蒙脫石這種親水性強(qiáng)、膨脹性強(qiáng)的礦物為主，且土體中存在不同程度的微孔隙、裂隙，當(dāng)水滲入孔隙或裂隙時(shí)，親水礦物的吸附性水膜會(huì)增厚[6]，引起土體體積的膨脹，從而在土體內(nèi)部產(chǎn)生不同方向的膨脹力，導(dǎo)致土體內(nèi)部微裂隙增多、變大，繼而導(dǎo)致土顆粒的碎裂解體。

2.2 力學(xué)性質(zhì)

(1)壓縮

對(duì)呂梁地區(qū)三趾馬紅土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，三趾馬紅土的壓縮性很小，天然狀態(tài)下壓縮系數(shù)a1-2=0.031～0.054 MPa-1，為低壓縮性土；其體縮率平均值為7.82%(見(jiàn)表3)，收縮性一般。通常，土體的壓縮性常隨天然含水量增大而增加，隨孔隙率的增大而增大。土體這項(xiàng)特性使土體表層開(kāi)裂、形成密集的收縮裂隙，為雨水的滲透及水土的相互作用提供條件。

表3 三趾馬紅土的體縮測(cè)試結(jié)果

注：括號(hào)中為平均值。

(2)剪切

本次對(duì)典型斷面進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn)，樣品選用天然含水量狀態(tài)、塑限含水量狀態(tài)以及飽和狀態(tài)分析三趾馬紅土的靜力學(xué)特性，試驗(yàn)結(jié)果表明(見(jiàn)圖5～圖7)：①不論天然狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，三趾馬紅土強(qiáng)度較高，黏聚力為219.2～272.5 kPa，內(nèi)摩擦角10.9°～14°；②三趾馬紅土剪應(yīng)力-剪切位移曲線為軟化型，應(yīng)力達(dá)到峰值后，應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而逐漸趨于穩(wěn)定值。③三趾馬紅土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著含水量的增大而減小，當(dāng)含水量超過(guò)塑限(18.2%～19.3%)時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)C、φ出現(xiàn)突變，其中黏聚力突變的斜率較內(nèi)摩擦角大，黏聚力為強(qiáng)度變化中的主變量。

圖5 不種狀態(tài)下的Mohr-Coulomb強(qiáng)度包線

圖6 三趾馬紅土剪應(yīng)力與剪切位移曲線

圖7 不同含水量狀態(tài)下強(qiáng)度變化情況

3 三趾馬紅土的工程環(huán)境效應(yīng)

3.1 工程環(huán)境問(wèn)題

山西呂梁地區(qū)位于黃土高原峁、梁區(qū)，三趾馬紅土表層覆蓋厚層黃土層。大量研究表明[7]，該區(qū)域大型失穩(wěn)邊坡的滑動(dòng)面(不良地質(zhì)底邊界)多數(shù)為三趾馬紅土層頂面；三趾馬紅土作為房屋基礎(chǔ)時(shí)，常發(fā)生基礎(chǔ)不均勻沉降，導(dǎo)致房屋開(kāi)裂問(wèn)題；三趾馬紅土隧道在施工時(shí)常發(fā)生大變形、塌方冒頂、甚至整體坍塌事故。

3.2 三趾馬紅土與工程環(huán)境問(wèn)題間的關(guān)系

山西呂梁地區(qū)三趾馬紅土的工程環(huán)境問(wèn)題主要存在天然的外部因素和獨(dú)特的內(nèi)部條件[8-9]。一方面，該區(qū)域三趾馬紅土層頂部覆蓋厚層黃土層，在降雨過(guò)程中，黃土賦存水的能力較差，雨水均滲透入黃土與三趾馬紅土的交界面處，雨水在兩種土的交界面處賦存，起到一定的浮托作用。另一方面，三趾馬紅土黏粒中的黏土礦物以伊利石、蒙脫石、綠泥石為主，當(dāng)黏土與親水作用時(shí)，親水性較強(qiáng)的黏土礦物表面既能吸引水分子形成吸附層，同時(shí)也能吸引陽(yáng)離子和水化陽(yáng)離子形成擴(kuò)散雙電層，導(dǎo)致三趾馬紅土易產(chǎn)生膨脹特性[10]；三趾馬紅土內(nèi)部微孔隙、裂隙發(fā)育，導(dǎo)致土體的完整性較差，在水的作用下，土體膨脹、崩解速率更快，極易形成軟弱面；在開(kāi)挖擾動(dòng)后，由于應(yīng)力的重新分布，內(nèi)部微裂隙數(shù)量增多，裂隙寬度增大，進(jìn)一步降低了土體的整體性。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)分析表明，呂梁地區(qū)三趾馬紅土顆粒主要由黏粒和粉粒等細(xì)顆粒組成，土體中微孔隙、微裂隙較發(fā)育，土體以黏性土的團(tuán)粒和集粒為骨架，為絮凝和膠粘結(jié)構(gòu)，土體崩解性較強(qiáng)。

(2)呂梁地區(qū)三趾馬紅土主要礦物成分以伊利石為主，其次為綠泥石、蒙脫石和高嶺石，親水礦物的存在，使得該地區(qū)三趾馬紅土在干濕交替作用下物化活性較強(qiáng)，屬弱—中等膨脹土。

(3)強(qiáng)度試驗(yàn)表明，天然狀態(tài)下三趾馬紅土壓縮性一般，強(qiáng)度較高，當(dāng)其由天然狀態(tài)變化至飽和狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度下降明顯，尤其是由塑性含水量狀態(tài)變化至飽和狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)突變，其中黏聚力較內(nèi)摩擦角的下降趨勢(shì)明顯，為強(qiáng)度變化中的主變量。

(4)呂梁三趾馬紅土易受環(huán)境的影響，在干濕交替和工程開(kāi)挖作用下，可導(dǎo)致其工程性質(zhì)惡化，易發(fā)生工程環(huán)境問(wèn)題。

[1] 德日進(jìn)，楊忠健.山西東南部晚新生代地層之觀察[C]∥中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)會(huì)志：12卷.北京：中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)，1933

[2] 曹家欣，吳瑞金.晉東南“R”紅土的成因與時(shí)代[J] .北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1984(5):88-96

[3] 鹿化煜.黃土高原紅黏土與黃土古土壤粒度特征對(duì)比—紅黏土風(fēng)成成因的新證據(jù)[J].沉積學(xué)報(bào)，1999，17(2):226-232

[4] 趙景波.西安、山西保德第三紀(jì)晚期紅土的研究[J].沉積學(xué)報(bào)，1989，7(3):113-120

[5] TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[6] 陳丹玲.三趾馬紅黏土的粒度組成特征及其地質(zhì)意義[J].西北地質(zhì)科學(xué)，1996，17(2):1-5

[7] 蘇生瑞，彭建兵.西北地區(qū)重大工程地質(zhì)問(wèn)題研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2003，11(1):107

[8] 曲永新，張永雙，等.三趾馬紅土與西北黃土高原滑坡[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1999，7(3):257-265

[9] 張啟龍，楊剛.西寧盆地第三系地層對(duì)工程的影響[J].鐵道勘察，2010(3):32-33

[10]李濱，吳樹(shù)仁，等.陜西寶雞市三趾馬紅土工程地質(zhì)特性及災(zāi)害效應(yīng)[J].地質(zhì)通報(bào)，2013，32(12):1923

StudyonEngineeringGeologyCharacteristicsandEngineering-EnvironmentalEffectsofHipparionlateriteinLvliangSanxiProvince

CHU Wen-jin FU Xin-ping CAI Yun-ting

2014-07-03

呂梁山區(qū)三趾馬紅土隧道綜合技術(shù)研究(鐵三院13-C22)。

儲(chǔ)文靜，男，2006年畢業(yè)于中南大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2014)05-0035-04

P642

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