陜北黃土地層地貌特征及工程特性綜述

杜少少， 洪勃， 王力， 張航泊， 李喜安， 王帥帥， 劉振山

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054； 2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054； 3.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054； 4.陜西碧桂園置業(yè)有限公司，西安 710065； 5.河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，鄭州 450009)

0 引言

陜北地區(qū)地處黃土高原的北部，總體地勢(shì)西高東低，由西北向東南傾斜。該地區(qū)廣泛分布第四系黃土、黃土狀土及風(fēng)積沙過(guò)渡型黃土，黃土堆積厚度大，結(jié)構(gòu)疏松，水土流失嚴(yán)重，溝壑縱橫，地形破碎。獨(dú)特的區(qū)域構(gòu)造使得該地區(qū)的黃土工程特性存在顯著的空間變化，在長(zhǎng)期的工程實(shí)施中，難免遇到黃土工程地質(zhì)問(wèn)題。因此，很多學(xué)者對(duì)陜北黃土工程特性進(jìn)行了研究。孫廣忠等較為籠統(tǒng)地描述了陜北黃土的濕陷性和滲透性等工程特性[1-8]； 劉紹寧等研究了延安新區(qū)壓實(shí)黃土的變形特性[9-12]； 洪勃等[13]研究了延安新區(qū)黃土的滲透特性； 馬濤等對(duì)陜北風(fēng)積沙-黃土過(guò)渡型砂性黃土工程特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[14-17]； 鄭文等[18]對(duì)陜北地區(qū)黃土的抗拉和抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。但是，對(duì)黃土工程特性系統(tǒng)研究的缺失，已經(jīng)給生產(chǎn)建設(shè)帶來(lái)極大的不便，且影響著陜北地區(qū)在西部大開(kāi)發(fā)中的進(jìn)程及“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施。因此，更深層次、更系統(tǒng)、更全面、更科學(xué)地認(rèn)識(shí)陜北黃土的工程特性，合理地安排生產(chǎn)建設(shè)，已成為陜北地區(qū)快速發(fā)展的迫切需要。

1 研究區(qū)概況

按照目前的行政區(qū)劃，陜北地區(qū)涵蓋了榆林市和延安市共25個(gè)縣(區(qū))； 按水文和地貌要素劃分，陜北地區(qū)還包括銅川市(宜君縣大部分地區(qū)、印臺(tái)區(qū)北部地區(qū))和渭南市(富平縣北部地區(qū))。研究區(qū)總面積為8.3×104km2，占陜西省總面積的40%，平均海拔為1 224 m，平均地形坡度為17°，河網(wǎng)密度為0.08 km/km2，城鎮(zhèn)密度為5.0×10-3個(gè)/km2，人口密度為66.0人/km2。

2 研究方法

黃土地層地貌成因復(fù)雜，至今仍沒(méi)有一套系統(tǒng)、全面而又不失實(shí)用性的系統(tǒng)分類，許多地層地貌類型的分類與命名缺乏統(tǒng)一的定義與具體釋義，因而造成了大量概念混淆、錯(cuò)用誤用的現(xiàn)象。本文在對(duì)黃土地層地貌研究的歷史和成因進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外調(diào)查資料以及考慮新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖土性質(zhì)、外營(yíng)力和人類活動(dòng)的影響等，對(duì)陜北地區(qū)的工程地質(zhì)條件進(jìn)行全面、系統(tǒng)地分析總結(jié)。

3 陜北地層與地貌特征

3.1 地層

陜北黃土高原地處鄂爾多斯臺(tái)向斜中段的東翼和東南角，地跨陜甘寧盆地地層分區(qū)和陜甘寧盆緣地層分區(qū)。區(qū)域內(nèi)有奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、新近系及第四系出露，缺失志留系和泥盆系，其中以陸相中生界地層和第四系黃土最為發(fā)育。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)被厚層黃土覆蓋，只有在南部的一些山地、東北部的府谷與神木一帶和區(qū)內(nèi)的一些深切溝谷中，出露著不同時(shí)期的地層。奧陶系僅出露中統(tǒng)海相灰?guī)r。石炭系中、上統(tǒng)出露海陸交互相沉積的灰?guī)r、砂頁(yè)巖并含煤、鐵、鋁土礦等。二疊系及三疊系下統(tǒng)為湖泊、沼澤相含煤砂泥巖沉積以及河湖相紅色碎屑巖。三疊系中、上統(tǒng)—白堊系在區(qū)內(nèi)的一些地段連續(xù)出露，以內(nèi)陸河湖相為主，部分為內(nèi)陸盆地邊緣山麓堆積。三疊系中、上統(tǒng)為紅色砂泥巖及灰綠色含煤、油頁(yè)巖及少量火山碎屑砂泥巖。侏羅系由紅色砂泥巖、煤系地層過(guò)渡為含泥灰?guī)r、油頁(yè)巖的紅色砂泥巖及礫巖。白堊系僅有下統(tǒng)志丹群，為紅色砂巖、礫巖、泥巖及少量泥灰?guī)r，新近系為河湖相含石膏的紅色碎屑沉積。第四系以黃土為主，另有零星的河流、沖積、洪積和湖相等沉積。

受陜北黃土高原地質(zhì)構(gòu)造和古氣候條件影響，地層分布有著極其明顯的地區(qū)差異，日益嚴(yán)重的水土流失和侵蝕作用也嚴(yán)重地影響著陜北地區(qū)黃土地層的出露和分布情況，給該地區(qū)工程勘察等工作帶來(lái)了極大的不便。因此，根據(jù)相關(guān)工程勘察資料以及地層巖性資料，將陜北黃土地層劃分為全新統(tǒng)風(fēng)積沙、上更新統(tǒng)黃土、中更新統(tǒng)黃土、新近系巖石和古近系巖石，陜北黃土地層分布如圖1所示。

圖1 陜北黃土地層區(qū)劃圖

3.2 黃土地貌

200多萬(wàn)a以來(lái)，黃土高原上部沉積了厚度100～300 m的第四系黃土，在后期各種營(yíng)力的作用下，最終形成現(xiàn)存的溝壑縱橫、支離破碎的黃土地貌。沈玉昌[19]按照形態(tài)劃分的原則將黃土地貌劃分為黃土塬、黃土丘陵和黃土溝谷3類； 張宗祜[20]、甘枝茂[21]、王永焱等[22]、張麗萍等[23]、孫建中[7]和柴慧霞等[24]分別根據(jù)成因類型、形態(tài)及地理信息技術(shù)等不同原則對(duì)黃土高原地貌進(jìn)行了分類研究； 劉振山等[25]和李喜安等[26]在對(duì)黃土地貌研究歷史和黃土地貌成因進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外調(diào)查資料，按照成因和形態(tài)相結(jié)合，兼顧地貌分類的全面性、系統(tǒng)性、實(shí)用性原則，將陜北黃土地貌劃分為4大類： ①黃土侵蝕-構(gòu)造堆積地貌，是指黃土覆蓋的山地，即河流階地，斷陷盆地以及黃土高平原和黃土臺(tái)地在侵蝕堆積和構(gòu)造堆積(新構(gòu)造運(yùn)動(dòng))單獨(dú)或交互作用下形成的黃土地貌； ②黃土現(xiàn)代構(gòu)造(變形)地貌，是指黃土堆積過(guò)程中或黃土堆積完成后的構(gòu)造作用形成的地貌，為了與黃土堆積前的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái)，將其稱為現(xiàn)代構(gòu)造(變形)地貌，如黃土構(gòu)造節(jié)理、裂縫、溝槽以及黃土斷層臺(tái)階； ③黃土濕陷地貌，是由于黃土濕陷而形成的濕陷地貌，如黃土碟、濕陷坑和濕陷裂縫等； ④黃土侵蝕地貌，是指在廣義侵蝕作用下形成的地貌，包括地表水侵蝕地貌(如切溝、沖溝、跌穴等)、地下水潛蝕地貌(如黃土陷穴、暗穴)、蝕余地貌(如黃土柱、黃土橋、黃土崾崄等)和黃土重力侵蝕地貌(如黃土滑坡、黃土崩塌、黃土泥流等)。

從區(qū)域地形地貌角度看，陜北地區(qū)可以分為風(fēng)沙過(guò)渡區(qū)和黃土高原區(qū)2個(gè)地貌類型，其中北部為毛烏素沙漠風(fēng)沙過(guò)渡區(qū)，南部為黃土高原區(qū)。而考慮到土地利用、水土保持及基礎(chǔ)建設(shè)等方面的需要，以地標(biāo)物質(zhì)組成、下伏基巖古地形和現(xiàn)代地貌過(guò)程為指標(biāo)，又可將風(fēng)沙過(guò)渡區(qū)地貌細(xì)分為沙丘沙地、沙丘草灘、沙丘黃土梁和草灘盆地,將黃土高原區(qū)地貌細(xì)分為黃土梁塬墹地、黃土殘塬、片沙黃土梁峁、黃土梁狀丘陵、黃土梁峁丘陵、黃土峁梁丘陵、黃土寬梁殘塬、黃土塬、薄層黃土覆蓋的石質(zhì)丘陵和石質(zhì)低山丘陵[27-28](圖2)。

圖2 陜北黃土地貌區(qū)劃圖[27-28]

黃土地貌類型的劃分對(duì)于黃土相關(guān)的理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用有著重要的參考意義。在生產(chǎn)實(shí)踐中，黃土地貌與其他工程地質(zhì)條件是相輔相成、密不可分的。同時(shí)，不同的黃土地貌類型并不是相互獨(dú)立的，地貌之間存在著相互依存、相互影響的關(guān)系。

4 陜北黃土工程特性

4.1 濕陷性

陜北地區(qū)黃土的工程特性與其成因時(shí)代、埋藏深度和地貌類型等密切相關(guān)。

按黃土地層巖性來(lái)說(shuō)，地層時(shí)代越老，地層越深，其濕陷起始?jí)毫υ酱螅瑝嚎s系數(shù)(a1-2)越小，壓縮模量(E1-2)越大。因而，中更新統(tǒng)黃土(老黃土)具有良好的工程特性，土質(zhì)致密、低壓縮性、強(qiáng)度高、弱濕陷性或無(wú)濕陷性。而上更新統(tǒng)黃土(新黃土)有濕陷性或強(qiáng)烈濕陷性，強(qiáng)度一般，分布廣泛。全新統(tǒng)黃土(新近堆積黃土)土質(zhì)疏松，可壓縮性高，濕陷性變化范圍較大，強(qiáng)度也較低。

按地貌類型來(lái)說(shuō)，黃土梁、塬、峁區(qū)的濕陷性大于河谷階地，且濕陷土層厚度也較厚。定邊、靖邊、橫山北部和榆陽(yáng)區(qū)、神木、府谷西北部為全新世風(fēng)積沙地貌，地層巖性多為細(xì)砂、中砂，該地區(qū)地層基本不具有濕陷性。神木北部，黃陵、宜君西南部及黃龍、宜川東南部為石質(zhì)丘陵地貌，地層巖性為新近系，巖石亦不具濕陷性。而其他大部黃土覆蓋地區(qū)均具有不同程度的濕陷性，且濕陷系數(shù)大體上從西北向東南逐漸增大，在洛川地區(qū)濕陷系數(shù)可達(dá)0.103，其最大濕陷土層厚度也達(dá)到了25.0 m(表1)。

表1 陜北地區(qū)黃土物理力學(xué)性質(zhì)匯總[29-48]

注： 表中資料來(lái)自于長(zhǎng)慶勘察設(shè)計(jì)研究院、長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)調(diào)查研究院、西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院和西安地質(zhì)調(diào)查中心。

4.2 滲透性

黃土的滲透性不僅對(duì)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及實(shí)際工程中施工質(zhì)量有著重要影響，而且還會(huì)引起土體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的變化，進(jìn)而造成一系列的工程事故。由于各地區(qū)巖性、地層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分以及顯微結(jié)構(gòu)的不同，不同地區(qū)黃土的滲透性也有著較大的差異。如榆林橫山地區(qū)Q3黃土的滲透系數(shù)一般為1.25×10-1m/d，而在洛川一帶Q3黃土的滲透系數(shù)一般為9.34×10-2m/d，其滲透系數(shù)南北相差近14倍，這種差異與黃土的粒度從西北向東南由粗變細(xì)的規(guī)律相一致(表2)。同時(shí)陜北地區(qū)黃土的滲透性也具有各向異性，表現(xiàn)為垂直方向上的滲透系數(shù)是水平方向上的數(shù)倍，這主要是由于良好的垂直節(jié)理和大孔隙發(fā)育所致，而且黃土層中滲透水流以薄膜水運(yùn)動(dòng)方式為主，水氣相互作用也是導(dǎo)致這種差異的重要影響因素。

表2 陜北地區(qū)黃土的粒度組成及滲透性統(tǒng)計(jì)[30，42-43，49-50]

注： 表中數(shù)據(jù)來(lái)源于陜北黃土工程地質(zhì)勘察資料。

4.3 力學(xué)特性

黃土的強(qiáng)度與其形成時(shí)代、成因類型呈正相關(guān)，時(shí)代越老,其力學(xué)強(qiáng)度越大(表1)。

延安地區(qū): Q4黃土的黏聚力C=14.4～29.0 kPa，φ=13.2°～27.9°； Q3黃土的黏聚力C=15.6～46.6 kPa，φ=11.1°～27.3°； Q2黃土的黏聚力C=40.2～66.1 kPa，φ=21.4°～24.2°。

榆林地區(qū)： Q4黃土的黏聚力C=11.0～50.6 kPa，φ=11.7°～23.2°； Q3黃土的黏聚力C=11.0～25.3 kPa，φ=21.3°～22.0°； Q2黃土的黏聚力C=17.0～59.8 kPa，φ=23.1°～24.7°。

5 結(jié)論與展望

近年來(lái)，隨著陜北地區(qū)各類資源的不斷勘探與開(kāi)發(fā)，各類工程建設(shè)風(fēng)起云涌，該地區(qū)工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性也使得在工程建設(shè)中遇到越來(lái)越多前所未有的技術(shù)難題。該綜述取得的如下成果將有助于問(wèn)題的解決。

(1)對(duì)陜北黃土地層地貌進(jìn)行了系統(tǒng)、全面地分析，將陜北黃土地層劃分為全新統(tǒng)風(fēng)積沙、上更新統(tǒng)黃土、中更新統(tǒng)黃土、新近系巖石和古近系巖石4類，將陜北黃土地貌劃分為黃土侵蝕-構(gòu)造堆積地貌、黃土現(xiàn)代構(gòu)造(變形)地貌、黃土濕陷地貌和黃土侵蝕地貌4大類。

(2)陜北黃土工程性質(zhì)(包括濕陷性、滲透性以及力學(xué)特性)南北差異較大。濕陷性大體上從西北向東南逐漸增大，在洛川地區(qū)濕陷系數(shù)可達(dá)0.103，其最大濕陷土層厚度達(dá)25 m； 滲透性南北相差近14倍； 由于沉積年代以及賦存環(huán)境不同，即便同一地層其力學(xué)特性南北也存在差異。

本文雖較為全面地對(duì)陜北地層、地貌以及工程特性進(jìn)行了綜述，但是由于該地區(qū)為干旱、半干旱氣候，多數(shù)情況下黃土屬于非飽和土，工程特性特殊、復(fù)雜，仍有許多方面需要深入研究和探索，因而利用非飽和土力學(xué)理論研究該地區(qū)黃土的工程特性也是黃土研究領(lǐng)域的前沿課題。