印度尼西亞西爪哇島火山堆積層工程地質(zhì)特性研究

馬百財

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

印度尼西亞西爪哇島分布有大量火山。該地區(qū)的火山堆積層以更新統(tǒng)為主,具松散性,未成巖,其特殊的工程特性國內(nèi)罕見[1-3]。在該地區(qū)修建鐵路等工程時,火山堆積層特性對工程措施及施工工藝選取影響較大。查清火山堆積層的工程地質(zhì)特性,為設(shè)計提供合理的巖土參數(shù)及切實可行的工程措施建議,是地質(zhì)工程師必須面對的問題[4-8]。目前,許多學(xué)者從成因、粒度分布、形貌特征等方面對火山堆積層進(jìn)行研究[9-15]。

以下基于前人的研究,采用綜合勘探手段并結(jié)合現(xiàn)場施工情況,深入研究火山堆積層工程地質(zhì)特性及其主要工程地質(zhì)問題。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

雅加達(dá)至萬隆地勢逐漸增高,地貌單元依次有沖積平原、沖洪積平原、丘前緩坡、丘陵、低山及山間盆地等,其中,丘陵及低山區(qū)表層被不同時期火山噴發(fā)的薄厚不一的火山堆積層所覆蓋。

2.2 氣象特征

該地區(qū)屬熱帶雨林氣候,終年炎熱潮濕,按降雨量分為旱季、雨季。11月到來年3月為雨季(西北季風(fēng)期),多雨多云;4～10月為旱季(東南季風(fēng)期),晴天多而雨量少。歷年各月平均氣溫23.1～27.1℃、極端最高氣溫為37.8℃、極端最低氣溫11.2℃;平均相對濕度為78.9%～79.2%;年平均降水天數(shù)為188.7～223d,日極端最大降水量為2011.2mm,年平均降水量為2347.7～2415.8mm。集中于雨季的充沛降雨對火山堆積層的工程地質(zhì)特性影響較大。

2.3 地層巖性

本地區(qū)表層以火山堆積層為主,物質(zhì)來源為火山灰和火山碎屑。不同時期、不同沉積環(huán)境下,火山堆積層厚度差異大(層厚0～600m)?；鹕蕉逊e層下伏為新生代第三系中-基性火山巖和沉積巖。本地區(qū)主要火山堆積地層巖性見表1。

表1 地層巖性

由表1可知,火山堆積層以火山灰、火山碎屑及火山彈形成的黏性土、砂類土、碎石為主,普遍呈膠結(jié)和半成巖狀(見圖1),其物理力學(xué)性質(zhì)、膠結(jié)程度及強(qiáng)度分布極其不均。

圖1 典型巖性照片

3 火山堆積層工程地質(zhì)特性

3.1 室內(nèi)試驗指標(biāo)

根據(jù)大量的現(xiàn)場測試及室內(nèi)試驗成果,各火山堆積層黏土層的主要指標(biāo)見表2。

表2 物理指標(biāo)統(tǒng)計

3.2 工程地質(zhì)特性

根據(jù)外業(yè)調(diào)查、鉆探巖芯情況、現(xiàn)場施工揭露情況及室內(nèi)試驗統(tǒng)計結(jié)果,認(rèn)為火山堆積層具有以下獨特的巖土性質(zhì)。

(1)分布不規(guī)律?；鹕蕉逊e層分布凌亂、不均勻,薄厚不均,厚度變化較大,根據(jù)鉆孔揭示,最大深度可超過100m。

(2)土層錯綜復(fù)雜。包含黏性土、粉土、砂類土、碎石類土,且土性不純,相互摻雜,局部夾塊石、孤石,其中砂類土顆粒部分為火山灰膠結(jié)物,其顆粒強(qiáng)度較低,對工程性質(zhì)影響較大。

(3)細(xì)粒土礦物成分較為復(fù)雜。根據(jù)巖礦鑒定及全巖分析結(jié)果(見圖2),主要礦物成分為黏土礦物、斜長石、角閃石、輝石、方解石、石英、磷灰石等,其中黏土礦物含量較高(見圖3),根據(jù)X射線衍射黏土礦物分析結(jié)果,黏土礦物以蒙脫石和高嶺石為主,具膨脹性,且保水性好,不易失水。

圖2 薄片鑒定照片(放大20倍)

圖3 全巖分析結(jié)果

(4)軟硬不均。一般土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大,尤其是堅硬、半成巖的火山堆積層,其標(biāo)貫擊數(shù)高,但其含水率高,孔隙比大,主要受其特殊的火山碎屑、火山灰物質(zhì)組成和熱帶氣候所構(gòu)成的地質(zhì)沉積環(huán)境影響。部分巖芯呈柱狀,具有一定的膠結(jié)作用,局部具半成巖作用。巖土定名時,宜將具有一定巖石結(jié)構(gòu)特征但成巖時間較短、強(qiáng)度遠(yuǎn)高于一般土層的火山堆積地層定為巖類(見圖4)。

圖4 半成巖巖芯照片

(5)天然含水量高、天然孔隙比大、液限高。根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計,火山堆積層黏土層天然含水量范圍值為12.6%～168%,平均值為38.3%～63.4%;天然孔隙比范圍值為0.348～4.641,平均值為1.086～1.722;液限范圍值為19.2%～197%,平均值為63.0%～77.3%。

(6)壓縮性高。黏土層的壓縮系數(shù)α0.1-0.2范圍值在0.07～2.07MPa-1之間。平均值在0.26～0.54MPa-1。

(7)沿線火山堆積層黏性土普遍具有膨脹性,多為弱-中等膨脹性,自由膨脹率為40%～80%。

(8)物理指標(biāo)與實際狀態(tài)有偏差。土工試驗物理指標(biāo)顯示,火山堆積層中黏性土天然含水量高、孔隙比大、液限高,根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行定名、判定稠度狀態(tài),將會出現(xiàn)大量軟土及流塑狀態(tài)的土層,但實際土層位于陡坡,邊坡穩(wěn)定未發(fā)生溜滑現(xiàn)象。主要原因為火山堆積層普遍含有火山灰物質(zhì),在濕熱環(huán)境下,顆粒間化學(xué)膠結(jié)作用使土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng),為結(jié)構(gòu)性土。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場描述和土工試驗指標(biāo),綜合判定土的稠度狀態(tài)。

(9)滲透系數(shù)偏大。根據(jù)鉆孔水文試驗結(jié)果,部分地段黏性土的滲透系數(shù)可達(dá)到0.264～0.405m/d。這是由火山堆積層巖土礦物構(gòu)成和特有的大孔隙比等特性造成的。

4 主要工程地質(zhì)問題

火山堆積層具有分布不均勻、層厚不一、軟硬不均、砂類土顆粒強(qiáng)度較低、黏性土天然含水量高、天然孔隙比大、液限高、普遍具膨脹性、膠結(jié)作用、滲透系數(shù)偏大等特性,這就造成多種工程地質(zhì)問題,其中,邊坡穩(wěn)定性是其主要工程地質(zhì)問題。在自然狀態(tài)下,火山堆積地區(qū)邊坡大多穩(wěn)定。但當(dāng)在工程實施時,在水、重力及人工作用下,易形成滑坡、滑塌等邊坡變形問題。通過現(xiàn)場調(diào)查,認(rèn)為有以下原因。

(1)部分邊坡開挖后未及時支護(hù)。

(2)巖土體內(nèi)存在不利結(jié)構(gòu)面。主要為巖層面、節(jié)理面、土層和土石界面、風(fēng)化層分界面等。

(3)特殊的巖土體特性。沿線黏性土及其下伏泥巖地層普遍具膨脹性,失水收縮開裂,吸水膨脹、軟化、崩解,土體強(qiáng)度大大降低(見圖5)。加之泥巖易風(fēng)化,在開挖暴露后短時間內(nèi)及干濕交替作用下風(fēng)化加速,強(qiáng)度衰減較快。

圖5 旱季和雨季地層性狀

(4)氣候特殊。印尼當(dāng)?shù)亟邓星矣炅看?按降雨量分為雨季旱季兩個季節(jié)。路塹邊坡在雨季受降雨影響,滑面附近土體受水浸泡,造成土體軟化后發(fā)生滑塌(見圖6)。

圖6 土石界面處滲水

(5)在自然邊坡上方堆載,當(dāng)超過一定壓力后,土體天然結(jié)構(gòu)遭到破壞,產(chǎn)生變形位移、強(qiáng)度降低,隨地表水、地下水作用更加弱化土體強(qiáng)度,產(chǎn)生工程滑坡。

路塹或基坑邊坡的變形往往是在以上因素的共同作用下發(fā)生的。例如某處滑塌體(見圖7),寬約25m,長約6m,厚0.5～1.0m?；嫖挥谕潦缑妗⑷L(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化分界面附近。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,滑塌主要原因為路塹邊坡開挖后,坡體前部失去支撐;泥巖上覆土層變薄,旱季表層膨脹土層收縮裂縫直接貫通至泥巖層面,雨季雨水沿裂縫直接滲流至地層分界面?；娓浇细餐翆踊蛉L(fēng)化泥巖受雨水浸泡,持續(xù)軟化,抗剪強(qiáng)度大大降低,加之該處泥巖存在順層現(xiàn)象,最終導(dǎo)致開挖邊坡發(fā)生滑動。

圖7 某路塹邊坡滑塌

5 結(jié)論

(1)因其獨特的地質(zhì)環(huán)境、沉積環(huán)境,火山堆積層具特殊性,西爪哇島火山堆積層具分布不均勻、薄厚不均、軟硬不均、砂類土顆粒強(qiáng)度較低、黏性土天然含水量高、天然孔隙比大、液限高、普遍具膨脹性、膠結(jié)作用、滲透系數(shù)偏大等特性。

(2)邊坡穩(wěn)定性是火山堆積層地區(qū)主要工程地質(zhì)問題。工程地質(zhì)勘察時,除常規(guī)物理力學(xué)試驗外,應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充部分殘剪、飽和剪試驗和原位測試。鑒于室內(nèi)試驗的局限性,關(guān)于滑動面附近土層的抗剪強(qiáng)度試驗,很難通過室內(nèi)試驗客觀獲得,建議根據(jù)失穩(wěn)情況通過反算求得,也可視現(xiàn)場情況,通過現(xiàn)場原位測試獲得。

(3)因火山堆積層黏性土普遍具膨脹性,移挖作填時,必須經(jīng)過改良才可使用。邊坡開挖時,應(yīng)分級開挖,需通過檢算采取合理的支護(hù)措施,及時加強(qiáng)坡面防護(hù),防止邊坡滑塌;應(yīng)考慮地下水及地表水對工程的影響,采取必要的措施,做好防水、降水、排水、止水措施,盡量避免雨季施工。

(4)應(yīng)對火山堆積層的人工邊坡穩(wěn)定性引起足夠的重視,對各種分界面有變化、新發(fā)現(xiàn)的不利結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層等存在失穩(wěn)風(fēng)險地段,及時檢算邊坡穩(wěn)定性,動態(tài)設(shè)計。