宿州市北部第四系土層的工程特性研究

(宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000)

0 引 言

宿州市在地理上屬于黃淮平原的一部分，研究區(qū)內(nèi)除丘陵地區(qū)出露震旦亞界青白口系、奧陶系等地層，其余地表部分第四系發(fā)育且第四系覆蓋層海拔一般在20-45m左右。市內(nèi)主要分布有濉河、新汴河等河流，其中圍繞新汴河的宿州市北部現(xiàn)今成為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，隨著工程規(guī)模越來越大，很多單位對(duì)地層進(jìn)行了大量的勘探研究以取得地層的數(shù)據(jù)資料，為工程建設(shè)提供服務(wù)。根據(jù)鉆孔資料顯示，研究區(qū)地表第四系地層以粉質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)土和砂土為主，其中粉質(zhì)壤土是工程建設(shè)中淺基礎(chǔ)地基主要的處理對(duì)象之一，因此展開區(qū)域內(nèi)地表第四系土層的物理力學(xué)性質(zhì)研究對(duì)生產(chǎn)開發(fā)有著積極的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)地層屬于華北地層區(qū)中的兩淮地層分區(qū)[1]，區(qū)域內(nèi)地層時(shí)代從太古界到第四系除了華北地層典型的上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)缺失外，其余地層在研究區(qū)域內(nèi)都有發(fā)育，但是只有震旦系和奧陶系有部分出露，剩余區(qū)域都被第四系地層覆蓋，宿州市內(nèi)構(gòu)造以北北東向?yàn)橹?，代表性的有閘河復(fù)向斜、蕭縣復(fù)背斜、蘆嶺向斜和桃園背斜等[2]，此外在埇橋區(qū)內(nèi)還發(fā)育有飛來峰的地質(zhì)現(xiàn)象，被當(dāng)?shù)孛麨楹诜鍘X飛來峰。研究區(qū)整體構(gòu)造單元屬于魯西隆起區(qū)的西南段，有一東西向的斷裂即符離集斷裂將該市分為南北兩個(gè)部分，其中北邊地勢(shì)高于南邊。從巖石學(xué)的角度上研究區(qū)域內(nèi)巖漿活動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在宿州市東北部的欄桿-解集一帶有基性的輝綠巖發(fā)育，而在宿州市的西部巖漿巖的巖性以閃長巖以及花崗巖為主，兩地巖漿巖出露規(guī)模一般不大。

從水文地質(zhì)的角度分析研究區(qū)屬于淮河水系[3]，市內(nèi)主要地表河流包括汴河、新汴河、沱河以及三八河、環(huán)城河等，水流自西北向東南注入淮河和洪澤湖。由于區(qū)域內(nèi)氣候?yàn)闇貛О霛駶櫄夂?，秋冬季少雨，地下水資源并不豐富[4]，據(jù)統(tǒng)計(jì)宿州市人均地下水資源僅有安徽省人均值的一半左右[14]，且地下水類型根據(jù)埋藏條件看主要為承壓水，根據(jù)埋藏場(chǎng)所來看為孔隙水。這種孔隙承壓水主要賦存于砂巖之中，主要受大氣降水及河水等地表水補(bǔ)給，與地表水有一定的水力聯(lián)系。

根據(jù)勘探資料的分析顯示第四系地層進(jìn)一步細(xì)分由上到下共分為4層：

1層重粉質(zhì)壤土，灰黃色，處于塑性狀態(tài)，部分為中粉質(zhì)壤土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核。

2層砂壤土，灰黃色，孔隙小而壓縮性高，滲透性好且密實(shí)度較高，夾粉質(zhì)壤土。

3層重、中粉質(zhì)壤土，灰黃色，處于可塑狀態(tài)，壓縮性中等且滲透性較差，密實(shí)度中等。

4層重粉質(zhì)壤土，淺黃色，可塑狀態(tài)，部分為中粉質(zhì)壤土，密實(shí)度與壓縮性中等且含鐵錳質(zhì)結(jié)核。

2 物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)及選取

根據(jù)勘探資料分析，結(jié)合各層土樣的室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)區(qū)域內(nèi)各土層進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)原則為：在剔除離差較大的數(shù)值后，計(jì)算出最小值、最大值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)值，其中物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)采用平均值，各土層物理力學(xué)性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 研究區(qū)各土層物理力學(xué)性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

在統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探和已有工程經(jīng)驗(yàn)，提出各土層主要參數(shù)建議值見下表2。

表2 研究區(qū)各土層主要參數(shù)建議值表

3 分 析

3.1 物理力學(xué)性質(zhì)分析

依據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域內(nèi)土層的物理指標(biāo)分析如下：4層土的含水率分別為24.3%，23.5%，32.5%，25.4%，據(jù)資料顯示，黏土的最佳含水量約相當(dāng)于該黏土的塑限，而非黏性土的最優(yōu)含水量的值為該黏土的液限乘以0.65[6]。詳細(xì)范圍值如下：砂土最佳含水量為8%-12%，黏土為15%-25%，用這些數(shù)值與實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值比對(duì)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土層的含水量較最優(yōu)含水量稍高，密度從數(shù)據(jù)上看屬于一般黏性土范圍，液性指數(shù)在0-1之間，說明土自身處于可塑狀態(tài)，塑性指數(shù)8-13之間，與紅黏土接近，說明含水量變化時(shí)處于塑性狀態(tài)的范圍較小，土的整體工程地質(zhì)性質(zhì)中等。結(jié)合壓縮實(shí)驗(yàn)觀察壓縮系數(shù)在0.1-0.5之間，屬于中壓縮性土，根據(jù)同等條件下，土的孔隙比越大，地基基礎(chǔ)的允許承載力越小的原則[7]，用砂的孔隙比(e)來判斷砂的密實(shí)度；例如粗砂與中砂，其孔隙密實(shí)的e< 0.60，中密的0.60 ≤e≤ 0.75，稍密的0.75 0.85；細(xì)砂、粉砂密實(shí)的e< 0.70，中密的0.70 ≤e≤ 0.85，稍密的0.850.95；結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，該區(qū)域砂的孔隙比為0.633，屬于中等密實(shí)范圍。從滲透系數(shù)的角度上看，4層土中1、3、4層粘土的的滲透系數(shù)5.00E-06 cm/s-1.00E-06 cm/s之間，此范圍符合黏土以及粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)的特征，而第2層土的數(shù)據(jù)2.00E-04cm/s符合砂質(zhì)土的特征，再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的數(shù)據(jù)粘土在10-15之間，砂土在15-25之間，又可以判斷出研究區(qū)土層的密實(shí)度中等。土的剪切實(shí)驗(yàn)得出的參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角的值主要與土的性質(zhì)有關(guān)，砂土的粘聚力為0，內(nèi)摩擦角多數(shù)集中在28°-40°之間[8]，粘土的粘聚力的值一般在10kPa-100kPa之間或更高，內(nèi)摩擦角大致為0°-30°[9]，根據(jù)四層土的直接剪切實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果分析，第1、2、4層土符合粘性土的特征而第3層土符合砂質(zhì)土的特征，上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)了區(qū)域第四系土層分層的準(zhǔn)確性，并基本上判別土體的工程性質(zhì)中等。

3.2 水文地質(zhì)條件分析與評(píng)價(jià)

從表1和表2中滲透系數(shù)的數(shù)值可以看出第1層重粉質(zhì)壤土、第3層重、中粉質(zhì)壤土以及第4層重粉質(zhì)壤土具有微透水性而第2層砂壤土透水性稍強(qiáng)，可視為中等。研究區(qū)區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙水，根據(jù)地下水補(bǔ)給、徑流以及排泄的不同，又可在孔隙水的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分為孔隙潛水和孔隙承壓水[10]。根據(jù)水文地質(zhì)學(xué)中關(guān)于潛水和承壓水的區(qū)別結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況可以分析出孔隙潛水埋藏較淺，主要分布于上部粉質(zhì)壤土中，受大氣降水影響并接受地表水補(bǔ)給，由于與地表水水力聯(lián)系的因素導(dǎo)致水位隨季節(jié)變化較大?？紫冻袎核癫剌^深，在研究區(qū)內(nèi)主要賦存于第2層砂壤土中，與河水有密切的水力聯(lián)系?？碧狡陂g測(cè)得地下水位埋深2.60-4.60m，高程24.37 m -25.41 m，根據(jù)研究區(qū)附近水質(zhì)分析報(bào)告可知研究區(qū)地表水、地下水對(duì)混凝土、對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均無腐蝕性。

3.3 工程地質(zhì)條件分析與評(píng)價(jià)

通過查閱地震資料-《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》得出研究區(qū)地震關(guān)鍵參數(shù)即動(dòng)峰值加速度為重力加速度的0.05倍，該加速度對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，可不進(jìn)行地基的液化判別和處理。經(jīng)勘察得知該區(qū)域內(nèi)建筑物基礎(chǔ)均位于第2層砂壤土和第1層重粉質(zhì)壤土中，此兩層地基土承載力均較高，因此可以采用天然地基也能夠保證建筑物荷載不會(huì)超過地基承載力；但是針對(duì)這種現(xiàn)象需要考慮建筑物位于不同土層中易產(chǎn)生不均勻沉降問題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施。兩側(cè)墻體荷載較大，應(yīng)復(fù)核其荷載對(duì)地基承載力的要求，當(dāng)承載力不滿足要求時(shí)，可采用加大底板寬度和埋深等處理措施。第1層重粉質(zhì)壤土中夾有砂礓，對(duì)開挖有一定影響，第2層砂壤土滲透性較強(qiáng)，屬中等透水層，且抗沖性能較差，地基土易產(chǎn)生滲透變形影響基礎(chǔ)穩(wěn)定，建議對(duì)地基土進(jìn)行防滲、抗沖處理。研究區(qū)內(nèi)建筑物基坑開挖深度多在4.2-7.2 m之間，土質(zhì)以第1和第2層土的巖性為主，其中第2層砂壤土位于基坑中下部，且已經(jīng)判定為承壓水含水層，含水量較豐富且具有承壓性，基坑開挖時(shí)，建議采取一定的降排水措施，防止產(chǎn)生基坑突涌對(duì)基坑開挖不利，建議采用1:1.5-2.0放坡處理，在坡度比較陡的時(shí)候?yàn)楸ＷC施工安全采用分級(jí)放坡的方式。

4 結(jié) 語

(1)研究區(qū)地層自上而下分為4層，整體含水量較最優(yōu)含水量略高，土體處于可塑狀態(tài)，塑性指數(shù)與紅粘土接近，中等壓縮性，孔隙比較小，密實(shí)度中等，滲透系數(shù)符合分層后砂質(zhì)壤土和粉質(zhì)壤土的特征。

(2)第1、3、4層粉質(zhì)壤土具微透水性而第2層砂質(zhì)壤土具中等透水性，根據(jù)地下水補(bǔ)、徑、排條件的不同可分為孔隙潛水和孔隙承壓水，其中承壓水主要賦存在砂壤土中，且根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果顯示地表水和地下水均無腐蝕性或具有極弱的腐蝕性。

(3)該區(qū)域地震基本烈度為Ⅵ度，可不進(jìn)行液化判別和處理，地基土承載力均較高，但第2層砂壤土滲透性較強(qiáng)，地基土易產(chǎn)生滲透變形影響基礎(chǔ)穩(wěn)定，建議對(duì)地基土進(jìn)行防滲、抗沖處理。