探究大同地區(qū)濕陷性黃土與黏性土孔洞的形成

高戰(zhàn)鎖

(大同市勘察測繪院，山西大同 037006)

0 引言

大同地處山西省北部，屬中溫帶半干旱氣候區(qū)，當(dāng)?shù)貜暮暧^地質(zhì)地貌確定為盆地，地質(zhì)成因主要為沖湖積形成。在城市建設(shè)工程實踐中，我們往往接觸到很多第四紀(jì)的松散堆積物，如砂類土、粉土、黏性土等。局部地區(qū)如大同縣周士莊、杜莊，渾源縣、廣靈縣存在原生濕陷性黃土等，市區(qū)大部分地區(qū)應(yīng)為次生黃土，或稱為濕陷性粉土。實際工作中，我們常常會見到有關(guān)孔隙的描述，如蟲孔、植物根孔、孔隙直徑2 mm～5 mm等。這都是我們眼睛能直接看到的，事實上土中還有很多看不到的孔隙，通過對所取得的原狀土樣進(jìn)行化驗分析得到驗證。在這里，我對近年來所看到和領(lǐng)悟到的濕陷性黃土與黏性土孔洞的形成做一個探究。

1 濕陷性黃土孔洞的形成

在大同縣杜莊，有一個小有名氣的旅游景點，稱為“土林”，與“石林”可以相媲美。它也是大自然的神功杰作。其實這就是黃土內(nèi)在的性質(zhì)造就的外在表象。在渾源縣、廣靈縣也并不鮮見，只是還沒有形成體量而已。

濕陷性黃土的形成現(xiàn)在大部分人認(rèn)可風(fēng)積形成。想想這些年的沙塵暴，大家也就不難理解。沙塵暴應(yīng)該是一種氣溶膠，在春天干燥的季節(jié)里，它把空氣中的粉塵、微小砂粒、粘粒、煙塵、花粉、枝葉和其他有機(jī)物等等混雜在一起，在春風(fēng)的搬運(yùn)下，自西北向東南漂移，遇到雨水或低壓區(qū)，逐漸消散沉積下來。

由于地質(zhì)的形成年代漫長，在第四紀(jì)上更新世(Q3)及全新世(Q4)的沉積年代2百萬年～3百萬年以來，在這些不斷堆積的粉塵(黃土)上，有著植物與動物的生存與繁衍，新陳代謝，就形成了植物根孔，含有炭化植物殘根，走向大致向下，也有斜向延伸的。當(dāng)然，這樣的根孔有大有小，小的有0.5 mm，大的偶見50 mm～100 mm。有的成為小蟲子的安家立命的生活場所，有的成為小動物的遮風(fēng)避雨的理想空間。有些蟲子自身有掘洞的生存本能，而有一些蟲子依靠原始的孔洞(根孔)經(jīng)過深加工，形成自己的安樂窩。還有些孔洞也較大，這些孔洞沒有發(fā)現(xiàn)蟲子爬行過的痕跡，也沒有發(fā)現(xiàn)植物的殘根，但能看到水流流過的痕跡，說明這些孔洞經(jīng)受過雨水的潛蝕，兼之黃土本身結(jié)構(gòu)及組成成分的特性，這些孔洞傾向于垂直貫穿，或在溶蝕中攜帶較多的粉粒、砂粒，而水量較少，流經(jīng)到一定距離后，沉積下來把孔洞阻塞，形成一個封閉的洞，側(cè)壁有流水痕跡。這樣的內(nèi)部細(xì)微構(gòu)造，導(dǎo)致了濕陷性黃土的垂直節(jié)理發(fā)育。

經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)還有很多小孔分布、排列都沒有規(guī)律可循，孔徑基本較小，土孔顏色與周邊土質(zhì)顏色一致。這些應(yīng)該是土質(zhì)形成過程中的自然孔隙。這些孔隙的形成決定于其特殊的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，其中最重要的是粒間排列及連接形式。土粒連接方式包括點點連接(粒狀架空結(jié)構(gòu))，并且接觸點的連接形式主要為可溶的粒狀鹽晶膠結(jié);點面連接，連接形式為可溶的粒狀鹽晶膠結(jié)與非可溶的凝塊狀黏土片膠結(jié)。面面連接，連接形式主要為非可溶的凝塊狀黏土片膠結(jié)。這樣小孔的分布及形成就比較雜亂，而且很多并不貫通。

在工程實踐中，濕陷性黃土的土樣孔隙比往往較大，數(shù)值介于0.85 ～1.20 之間，天然濕容重介于 1.45 g/cm3～1.67 g/cm3之間。

2 黏性土孔洞的形成

大同地質(zhì)成因主要為沖湖積形成，有“大同湖”之稱。大同地區(qū)第四紀(jì)以來地下除分布著很好的沖積形成的砂層外，還分布著厚度不等的湖積形成的黏性土，在工地基槽開挖過程中，我們常常會看到土中含有很多孔隙，那么這些湖相沉積的黏性土孔隙又是如何形成的。

土是由固態(tài)相的土粒、液態(tài)相的水、氣態(tài)相的空氣三部分組成。土粒起著骨架作用居于主導(dǎo)地位，也是相對最穩(wěn)定、變化最小的成分。土粒之間為孔隙部分，孔隙被水和氣體所充填。在大同盆地所沉積的黏性土中先期都處于飽和狀態(tài)，黏性土在湖底不單純只是機(jī)械的沉積，而是發(fā)生著肉眼難以覺察的物理化學(xué)變化:粗顆粒的分化溶解、細(xì)小顆粒形成的原生礦物及次生礦物，部分有機(jī)質(zhì)的腐化分解，這些既改變了原有土質(zhì)結(jié)構(gòu)，又產(chǎn)生了新的物質(zhì)(如高嶺石組黏土礦物、蒙脫石組黏土礦物、水云母組黏土礦物)和氣體(如二氧化碳、沼氣及硫化氫氣體)。

隨著水分的蒸發(fā)、滲透、流失，水位逐漸下降，滄海變成了桑田。變成了我們現(xiàn)在賴以生存的，可以安身立命的生活區(qū)、休閑地、勞作場。人類有記載的文明也就5 000年，但對于滄海變桑田的200萬年～300萬年歷史，也只占2‰。況且工程地質(zhì)的研究也只是近300年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展才有了較快的發(fā)展，所以研究的程度還是相當(dāng)粗淺的。這也是為什么很多工程的勘察結(jié)論要結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?jīng)驗而制定。因此，我對黏性土的孔洞形成原因也只是一家之言。

黏性土的顏色大部分為褐黃色，土質(zhì)也較均勻，但是在孔洞位置顏色發(fā)青。尤其在大的孔洞周邊，不僅顏色發(fā)青，而且濃度較深，細(xì)小的孔隙也很少。用眼直觀孔洞側(cè)壁，光滑，用手捻摸，細(xì)膩光滑。這是由于土中固體顆粒的沉積形成了骨架結(jié)構(gòu)，孔隙中既有液體，又有氣體。由于氣體會不斷地產(chǎn)生，不斷地向壓力小的大孔匯集或向地表上涌，同時在上升的過程中會不斷地匯集小氣泡變成大氣泡，順著骨架間較大的孔隙通向大氣中。由于在小氣泡不斷地擠出匯集變成大氣泡的過程中，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了微量的震蕩重組，粗顆粒(粉粒、砂粒)受重力的影響繼續(xù)下沉，土體變得密實，細(xì)顆粒(粘粒)受氣泡的運(yùn)動或破裂產(chǎn)生的動力發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移時由于其自身比重比粗顆粒的小，比氣體的大，只能附著在氣孔的通道周圍沉積。另外，由于經(jīng)年累月的不斷堆積、固結(jié)，其強(qiáng)度基本與粗顆粒(粉粒、砂粒)形成的土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大小一樣，氣泡的運(yùn)動或破裂產(chǎn)生的動力不足以再讓其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，這樣一個大孔就產(chǎn)生了。導(dǎo)致了我們現(xiàn)在看到的氣孔周邊的土體細(xì)膩光滑，孔隙較少。

那么為何在大的孔洞周邊，不僅顏色發(fā)青，而且濃度較深，這是由于土中的氣體主要為空氣和水氣(汽)，有時含有較多的二氧化碳、沼氣及硫化氫氣體，這些孔隙中富集在一起的氣體相對來說某種氣體物質(zhì)的含量較大，在與孔壁周圍的粘粒緩慢的發(fā)生著物理化學(xué)變化，以至于粘粒變成了凝膠狀，自孔隙內(nèi)向孔隙外滲透，導(dǎo)致了大的孔洞周邊顏色發(fā)青，不同于周邊土體顏色。如果大家見過燜大米飯的過程，這些就很好理解了。

3 探究孔洞形成的意義

1)起到知微見著的效果，能更好的理解一些宏觀的地質(zhì)成因及現(xiàn)象。比如大同縣杜莊鄉(xiāng)的“土林地貌”的形成，渾源山上的溝壑縱橫，都與土中孔洞的多少、分布有著直接的關(guān)系。

2)起到指導(dǎo)實際工程的效果，能有效地減少一些不必要的工作量。在大同地區(qū)，由于目前地下水位較低，大部分地區(qū)地下水位埋深大于40 m。很多工程需要開挖探井，一些技術(shù)人員包括圖審人員不考慮地基土的成因，要求是土就要挖探井，但化驗結(jié)果是沒有濕陷性，他們不相信，認(rèn)為土樣不是從探井中人工采取，而是用取土器取的樣，擠密了，但沒有想到土樣在湖里已經(jīng)浸泡了幾萬年～幾十萬年，早就濕陷完成了，而且水位已下降，土質(zhì)已固結(jié)。前段時間工地驗槽，一位從事結(jié)構(gòu)設(shè)計多年的工程師看到基底土有孔隙，看勘察報告沒有濕陷性，總是耿耿于懷，感覺有濕陷性，要求再補(bǔ)挖2個探井做試驗，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理鑒證，取回土樣化驗，還是沒有濕陷，才釋懷踏實。我把這組數(shù)據(jù)列于表1中，以增強(qiáng)說服力。

表1 巖土參數(shù)表

同時也說明，如果對于有當(dāng)?shù)亟ㄖ?jīng)驗地區(qū)，一些基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級或丙級的建筑，可以不挖或少挖探井，以減少不必要的工作量。

3)起到處理問題的有效合理性，能很好的避免一些無用的施工措施。

我們知道，土體在天然含水量大于土的塑限時，并不表現(xiàn)為塑性狀態(tài)，仍呈半固態(tài);當(dāng)天然含水量大于土的液限時，也不表現(xiàn)為液流狀態(tài)。只有天然結(jié)構(gòu)被破壞后才表現(xiàn)為塑態(tài)或流態(tài)。自然界中黏性土的這種現(xiàn)象稱為潛塑狀態(tài)或潛流狀態(tài)。當(dāng)沒有外力破壞土質(zhì)結(jié)構(gòu)時，較多的水分可以通過蒸發(fā)、滲透、孔隙的貫通而流走，使土仍舊保持原有的結(jié)構(gòu)不變，甚至于土的原有高度都不會降低分毫。

2011年夏天，大同一工地當(dāng)基槽開挖后遇大雨，基坑被淹，基坑占地面積(65×11)m2，水位有15 cm。基底土為粉質(zhì)黏土層，厚度約5 m，當(dāng)時設(shè)計單位要求挖集水坑盡快排水，但施工人員一下去就陷進(jìn)去10多厘米，挖坑中和成了泥，好不容易才挖成一個1 m見方的積水坑，采用一臺流量13 m3/h清水泵抽水，由于使用不當(dāng)，水泵抽了三個多小時就壞了，由于已經(jīng)到了晚上11點多，不便于工作，準(zhǔn)備第二天再抽。但第二天發(fā)現(xiàn)水已滲完了，只有集水坑中有水。晾曬兩天后，基槽標(biāo)高、土質(zhì)基本與剛開挖時無異，只是釬探時擊數(shù)略有降低，土體含水量增加，而集水坑中依然還是軟泥。說明當(dāng)沒有外力破壞土質(zhì)結(jié)構(gòu)時，較多的水分可以通過蒸發(fā)、滲透、孔隙的貫通而流走，使土仍舊保持原有的結(jié)構(gòu)不變。當(dāng)受到外力破壞土質(zhì)結(jié)構(gòu)時，土的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生了重新的組合排列，孔隙破壞，水分難以排干，再次固結(jié)需要一個相當(dāng)長的過程。最后把集水坑中軟泥挖除進(jìn)行了換填2∶8灰土的處理。

這就提醒我們當(dāng)基槽遭遇雨水浸泡時，不要著急想著排水而擾動了基槽底部土質(zhì)，應(yīng)當(dāng)先阻止外來水的流入，再想辦法把水抽干，盡量不要人為或機(jī)械擾動基底土。在基底排盡水后(很大一部分依靠其自身的孔洞排盡)，基底土的工程力學(xué)性質(zhì)可按先前勘察報告提供的成果使用。