南水北調(diào)中線(xiàn)工程須水河段裂隙粘性土的工程地質(zhì)特性

張?zhí)烊A，張 楊，劉香蘭，陳平貨

（1.河海大學(xué)，江蘇 南京 411100；2.河南省土地整理中心，河南 鄭州 450000；3.河南永固巖土工程有限公司，河南 開(kāi)封 475000；4.河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450003）

1 概況

南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程總干渠須水河段樁號(hào)SH197+498～SH217+793，位于豫西崗丘區(qū)，地形起伏，西北部高，東南低，地面高程128～135m。工程區(qū)勘探范圍內(nèi)共分3層，第①層黃土狀中粉質(zhì)壤土（Q3）：黃褐、褐黃色，可塑，含鈣質(zhì)結(jié)核，層厚6m左右。第②層重粉質(zhì)壤土（Q2）：棕黃色，稍濕，硬塑，裂隙發(fā)育，寬度一般3～5mm，充填黃色粉土，見(jiàn)鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，局部含礫石，其成分為石英砂巖、石英巖，含量5%～10%。該層土厚7.3～9.3m，西薄東厚，頂面高程116.6～117.3m。第③層粉質(zhì)粘土（Q2）：棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，硬塑—堅(jiān)硬，見(jiàn)黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)。裂隙發(fā)育，寬度一般3～5mm，充填黃色粉土，巖性不均，局部含中細(xì)砂粒，底部見(jiàn)粗砂、礫石。該層厚4.1～4.8m，頂面高程108～110m，向東微傾。

工程區(qū)的裂隙粘性土第②層和第③層，埋藏于上更新統(tǒng)（Q3）黃土狀土之下，呈多層狀分布，在每層裂隙粘性土頂部都有一層排列整齊的鈣質(zhì)結(jié)核層。裂隙是由于土體單元在濕熱交替的氣候環(huán)境下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期脹縮形成的。裂隙產(chǎn)狀錯(cuò)綜復(fù)雜，豎向、斜交、水平各方向均有存在。

2 裂隙粘性土物理化學(xué)特性

2.1 裂隙粘性土的化學(xué)成分

裂隙粘性土屬第四系中更新統(tǒng)（Q2）地層，巖性一般為重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土，裂隙發(fā)育，多呈網(wǎng)絡(luò)狀，無(wú)層理。富含鐵鋁氧化物、含親水性和可溶性物質(zhì)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 土體單元的化學(xué)成分表

2.2 分布特征

裂隙粘性土分布在河南西部，尤其是山區(qū)和丘陵壟崗地區(qū)分布更為廣泛。由于古地形的起伏，地層的強(qiáng)烈侵蝕，分布高程往往相差很大，同一類(lèi)型的裂隙粘性土也有的出露于丘陵或壟崗頂部，有的則深埋于其他土層之下。裂隙粘性土的底部多與第三系巖層直接接觸。在每層裂隙粘性土底部均有一層排列整齊的鈣

質(zhì)結(jié)核層由上向下逐漸變大變厚。在地層下部常有較厚的大鈣質(zhì)結(jié)核層，鈣質(zhì)結(jié)核直徑一般為10～20cm。

2.3 土體單元的物理化學(xué)特征

根據(jù)野外原位測(cè)試，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，經(jīng)統(tǒng)計(jì)、分析、整理，各巖土體單元物理力學(xué)性成果見(jiàn)表2、表3，場(chǎng)區(qū)地基各土體單元的物理力學(xué)特征如下：

表2 土體物理性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果表

表3 土體力學(xué)性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果表

①黃土狀中粉質(zhì)壤土（alplQ3）：天然干密度ρd平均值1.49g/cm3；液性指數(shù)IL平均值-0.01；壓縮系數(shù)α1-2平均值0.3MPa-1；濕陷系數(shù)δs范圍值-0.011～0.0155；標(biāo)貫擊數(shù)。N平均值15擊；故該土層為具中等壓縮性的硬土，局部具弱濕陷性。承載力標(biāo)準(zhǔn)值fK為170kPa。

②重粉質(zhì)壤土（dlplQ2）：天然干密度ρd平均值1.63g/cm3；液性指數(shù)IL平均值0.03；；壓縮系數(shù)α1-2平均值0.15MPa-1；標(biāo)貫擊數(shù)N平均值22擊；故該土層為具中等壓縮性的硬土。承載力標(biāo)準(zhǔn)值fK為280kPa。

③粉質(zhì)粘土（dlplQ2）：天然干密度ρd平均值1.63g/cm3；液性指數(shù)I L平均值-0.08；標(biāo)貫擊數(shù)N平均值22擊，為中等壓縮性的硬土。承載力標(biāo)準(zhǔn)值fK為300kPa。

2.4 裂隙粘性土的工程特征

（1）裂隙粘性土為沖洪積、坡積堆物，富含鐵鋁氧化物，一般顏色較深，以紅色為最常見(jiàn)，有褐黃、棕黃、紅、棕紅、紫紅等色，結(jié)構(gòu)致密，孔隙比小。天然含水量低，多呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)。裂隙粘性土多出現(xiàn)在中更新統(tǒng)地層內(nèi)，具有較發(fā)育而不規(guī)則的裂隙。富含鐵鋁礦物，并含有親水性和可溶性物質(zhì)，在高溫多雨的環(huán)境下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期溶解和風(fēng)化作用產(chǎn)生裂隙，裂隙產(chǎn)狀錯(cuò)綜復(fù)雜，豎向、水平、斜交各方向均有，由于物質(zhì)成分，形成環(huán)境及條件不同，裂隙性狀和發(fā)育程度也不同。

（2）裂隙粘性土由于裂隙互相切割使土體失去完整性，土體往往被切割成大小不等形狀各異的棱角形塊體，土塊的大小和連結(jié)狀況對(duì)強(qiáng)度變形和透水性都有直接影響，土的碎裂程度越嚴(yán)重，棱形塊體之間的連結(jié)愈弱，其強(qiáng)度愈低，壓縮性愈大，透水性也愈強(qiáng)。

（3）裂隙粘性土在卸荷、臨空或無(wú)側(cè)壓情況下，在含水量降低時(shí)，都容易引起裂隙張開(kāi)使土的強(qiáng)度大為降低。同時(shí)，水也往往沿著裂隙形成滲流通道。在水的作用下，由于鐵鋁氧化物不斷聚集，裂隙充填物多呈黃、棕紅及灰綠灰白色，裂隙面多數(shù)粗糙，但有的光滑并具有油脂光澤，為土體的軟弱結(jié)構(gòu)面。

3 裂隙粘性土的工程危害

裂隙粘性土具有一般粘性土所沒(méi)有的特殊結(jié)構(gòu)，它的工程地質(zhì)特性也不同于一般粘性土。在興建水利工程和其他建筑工程時(shí)，常由于對(duì)土的性能認(rèn)識(shí)和重視不夠。工程措施不當(dāng)。有時(shí)給施工和使用帶來(lái)困難與危害，有些渠道邊坡由于土的風(fēng)化剝蝕長(zhǎng)期不能穩(wěn)定，不少渠道因邊坡大量坍滑造成渠道堵塞不能使用；有的隧洞工程，由于洞體坍塌引起嚴(yán)重破壞；有些地下建筑，也由于同樣原因使工程廢棄。工程危害主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）裂隙粘性土的天然邊坡很不穩(wěn)定，在天然情況下可以看到陡直的裂隙粘性土剖面，也可以看到平緩的天然邊坡。天然狀態(tài)下，土體不斷風(fēng)化，使邊坡由陡變緩，土的自然邊坡與裂隙產(chǎn)狀、氣候條件有關(guān)，從宏觀剖面上看，豎向裂隙發(fā)育常能形成較陡的天然邊坡，斜交和水平裂隙發(fā)育的土體天然邊坡則往往較平緩。同一類(lèi)型的裂隙粘性土，在氣候比較干燥的地區(qū)，可呈現(xiàn)陡直邊坡；但在多雨的地區(qū)則多呈緩坡。在天然條件下，土體逐漸風(fēng)干碎裂，邊坡日漸平緩，可見(jiàn)裂隙粘性土體的天然邊坡是不穩(wěn)定的。

（2）豎向裂隙發(fā)育的粘性土多分布在地層表部和上部，受大氣影響裂隙上大下小，向下逐漸尖滅，裂隙面粗糙，充填物常為黃色粉土、灰綠灰白色高嶺土及黑色鐵錳質(zhì)氧化物，這類(lèi)土體的強(qiáng)度大，變形小，豎向透水性較大。但在卸荷、臨空的情況下，土的強(qiáng)度常顯著降低，在邊坡開(kāi)挖和洞室工程施工中常產(chǎn)生掉塊和坍塌，對(duì)工程的穩(wěn)定不利。斜交裂隙發(fā)育的裂隙粘性土常分布于第三系巖層之上，裂隙較寬大，傾角由緩到陡，裂隙面光滑平整，具有擦痕或水漬，充填物多以灰綠灰白色高嶺土為主，并有一定數(shù)量的黑色錳氧化物，土內(nèi)常含強(qiáng)親水性礦物，具有高塑性和較強(qiáng)的脹縮性，斜交剪切理裂隙越發(fā)育，脹縮性也越強(qiáng)，這類(lèi)裂隙粘性土的強(qiáng)度低，變形較大，在斜坡地帶，常引起滑坡或局部滑移。

4 結(jié)語(yǔ)

裂隙粘性土多屬超固結(jié)粘性土，致密堅(jiān)硬，強(qiáng)度高。但發(fā)育有不規(guī)則的裂隙，土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不均勻，對(duì)土體的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生不利影響。工程區(qū)地下水的存在對(duì)土體的工程地質(zhì)的影響尤為重要，主要表現(xiàn)在地下水沿土體中的裂隙活動(dòng)，可引起土體的軟化、強(qiáng)度降低，從而使邊坡變形和失穩(wěn)。因此，裂隙粘性土在渠道、洞室及天然地基等方面日益引起人們的注意和重視。