成都市中心城區(qū)膨脹土工程地質(zhì)特征分區(qū)

摘 要：以成都市中心城區(qū)膨脹土為研究對(duì)象，在全面搜集已有勘察資料基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)外試驗(yàn)，全面刻畫了成都市域內(nèi)膨脹土空間展布特征，對(duì)其結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)特征、脹縮性和裂隙性進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)膨脹土進(jìn)行了分區(qū).研究表明，成都市膨脹土由西向東逐漸增厚，厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m；縱向可劃分為3層，其中Ⅲ層裂隙極發(fā)育，團(tuán)塊狀灰白色黏土增多，局部為灰白色黏土；隙壁灰白色黏土比灰黃色黏土層黏土礦物含量高、含水率高、膨脹性強(qiáng)，其與裂隙的存在劣化了土體力學(xué)性質(zhì)；灰黃色黏土具有弱膨脹潛勢(shì)，黃紅色黏土具有弱—中等膨脹潛勢(shì)，根據(jù)土體膨脹特性，將成都劃分為弱膨脹區(qū)、出露型弱—中膨脹區(qū)和埋藏型弱—中膨脹區(qū)3個(gè)大區(qū).

關(guān)鍵詞：膨脹土；強(qiáng)度；脹縮性；分區(qū)

中圖分類號(hào)：TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

膨脹土具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性，常給工程建設(shè)活動(dòng)帶來巨大危害，是一種多問題的特殊土［1-4］.成都東部臺(tái)地分布黏性土為典型膨脹土，其裂隙發(fā)育，切面光滑，裂隙中充填大量灰白色黏土，在自然條件下呈硬塑狀態(tài)，力學(xué)強(qiáng)度較高，對(duì)干濕氣候變化異常敏感，具有親水性好、水敏性強(qiáng)、低塑限、高液限、遇水膨脹、易塑易滑、失水收縮產(chǎn)生裂隙與反復(fù)脹縮變形的特點(diǎn)［5-15］.

目前，科研人員獲得了很多關(guān)于成都地區(qū)膨脹土的研究成果，并積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但已有成果多集中于特定工程，平面局限于某一工程范圍，縱向局限于工程影響深度.本研究在全面搜集成都市已有勘察資料基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了相應(yīng)鉆探及取樣測(cè)試工作，全面刻畫了成都市域內(nèi)膨脹土空間展布特征和物理力學(xué)特征，重點(diǎn)對(duì)其脹縮性進(jìn)行了總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)膨脹土進(jìn)行了分區(qū).

1 分布特征

成都市膨脹土分布于市域內(nèi)中更新統(tǒng)合江組（Qp2hj）地層，總體為一套黃色和紅黃色黏土，其廣泛分布于中心城區(qū)溪溝及寬谷以外的地表，呈“地毯式”披覆在二級(jí)和三級(jí)的各種階地與丘陵內(nèi)部的一些半封閉與封閉的洼地里，且其多為島形狀分散分布，這些土大多是直接覆蓋在白堊紀(jì)紫紅色砂泥巖上（見圖1）.

本研究通過對(duì)成都市域內(nèi)246份資料中的753處鉆孔資料統(tǒng)計(jì)（見圖2）表明，膨脹土厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m，最大埋深26.9 m，膨脹土自西向東逐漸增厚.其中，塔子山一帶厚4～6 m；二仙橋和龍?zhí)端乱粠Ш?～14 m；鳳凰山一帶厚約10～13 m；最厚位于荊竹社區(qū)周邊，揭露厚度達(dá)24.1 m；最大埋深位于昭覺寺一帶，達(dá)26.9 m.

2 結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)土層顏色、裂隙發(fā)育程度與包含物的差異，成都市中心城區(qū)膨脹土自上而下大致分為3層［4-5，7］.

1）上部灰黃色與褐黃色黏土（Ⅰ層）：粒度較粗，結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)較純，硬塑狀，網(wǎng)狀風(fēng)化裂隙發(fā)育，脈絡(luò)不清，含5%～15%黃白色鈣質(zhì)結(jié)核，核徑一般3～5 cm，多呈星散狀不均勻分布.該層土黏粒含量32.88%～51.99%，黏性較強(qiáng)，硬塑狀，裂隙不甚發(fā)育，厚1～3 m.

2）中部黃色與棕黃色黏土（Ⅱ?qū)樱航Y(jié)構(gòu)致密，局部具花斑狀結(jié)構(gòu)，土質(zhì)均一，硬塑—堅(jiān)硬狀，黏粒含量32.79%～54.88%，微含砂粒，裂隙發(fā)育，間距小于0.5 mm，延伸較長，隙壁有灰白色黏土，黏土細(xì)膩，滑感很強(qiáng)，裂面有擦痕，具蠟狀光澤，層內(nèi)含少量鈣質(zhì)結(jié)核，裂隙主要沿灰白色黏土與母體黏土接觸面發(fā)育，裂面光滑，網(wǎng)狀展布.

3）下部黃紅色與灰白色黏土（Ⅲ層）：團(tuán)塊狀灰白色黏土增多，與黃紅色黏土構(gòu)成花斑狀結(jié)構(gòu)，黏粒含量42.4%～62.3%，其中灰白色黏土黏粒含量60.8%～73%，裂隙極發(fā)育、不規(guī)則、貫通性好，面隙率1～5條/m2，裂面延伸較長，隙間常夾有灰白色黏土條帶，裂面光滑，可見擦痕，蠟狀光澤，有滑感，該層含較多鈣質(zhì)結(jié)核，厚1～3 m.

隨埋置深度增加，膨脹土顏色由灰黃色、褐黃色、黃色和棕黃色，向黃紅色過渡，顏色由暗變亮，土質(zhì)漸純，裂隙漸多，其中Ⅲ層裂隙極發(fā)育，團(tuán)塊狀灰白色黏土增多，局部為灰白色黏土（見圖3）.

3 物理力學(xué)性質(zhì)特征

3.1 物理性質(zhì)

膨脹土的物理性質(zhì)是決定其力學(xué)性質(zhì)的基本因素之一，其中，最主要的是密度、天然含水率和孔隙度.綜合試驗(yàn)及市域內(nèi)搜集的資料分析整理，膨脹土主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1.

從物理指標(biāo)上看，成都膨脹土各層顆粒密度及天然密度變化不大，顆粒密度一般在2.67～2.76 g/cm3，天然密度多介于1.90～2.05 g/cm3，一般均小于2.0 g/cm3.孔隙度一般都較小，均在40%左右，孔隙比多介于0.6～0.7，總的來看，黏土孔隙度較小，與實(shí)際所觀察到的結(jié)構(gòu)密實(shí)的事實(shí)相吻合.

但各土層含水率有較大差異，第Ⅰ層和第Ⅱ?qū)羽ね恋暮蕿?1%～38.5%，有比較大的懸殊，但一般多在24%左右，且與塑限接近，液性指數(shù)很小，呈硬塑狀態(tài)，個(gè)別層位呈可塑或半固態(tài)狀態(tài).第Ⅲ層黏土含水率為23.3%～29.2%，平均值25.4%，灰白色黏性土含水率為22.4%～28.4%，平均值26.3%.從含水率上看，灰白色黏性土平均值大于第Ⅲ層黏土，大于上部的第Ⅰ層和第Ⅱ?qū)羽ば酝?

3.2 水理性質(zhì)

根據(jù)在不同地區(qū)所取土樣進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果，說明成都膨脹土的水理性質(zhì)有著一定程度的差異和規(guī)律性.綜合本次試驗(yàn)及搜集的資料分析整理，成都膨脹土主要水理性質(zhì)指標(biāo)見表2.

由表2可知，第Ⅰ層和第Ⅱ?qū)羽ね了芟拮畲笾禐?0.2%，最小值為18.7%，一般值在20%～24%之間；液限最大值為50%，最小值為35.9%，一般值在37%～42%之間；塑性指數(shù)最大值為20.6，最小值為17.1，一般變化范圍為17～19.第Ⅲ層黏土塑限最大值為22.8%，最小值為18.3%；液限最大值為44.7%，最小值為36%，一般值在39%～41%之間；塑性指數(shù)最大值為23.3，最小值為18.3，一般變化范圍為19～20.灰白色黏性土塑限最大值為22.7%，最小值為20.3%，一般值在20%～21%之間；液限最大值為44.7%，最小值為40.7%，一般值在41%～42%之間；塑性指數(shù)最大值為23.5，最小值為19.7，一般變化范圍為20～21.從試驗(yàn)成果看，灰白色黏性土液限和塑性指數(shù)均比灰黃色和黃紅色黏性土高.

室內(nèi)試驗(yàn)資料所獲取滲透系數(shù)最大為3.84×10-5m/d，最小為6.29×10-7m/d，一般值在4×10-7～2×10-6m/d之間.現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)測(cè)得成都黏土在吸水條件下的滲透系數(shù)結(jié)果為１.15×10-6～2.71×10-4m/d，一般值在5×10-5～1×10-4m/d之間.對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)結(jié)果，室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)較現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)小，原因在于成都黏土的透水性主要因隙裂而增強(qiáng)，但在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)于具有較大裂隙的試樣，無法取得，因而所測(cè)得數(shù)據(jù)必然比天然情況下小.

3.3 力學(xué)性質(zhì)

綜合本次試驗(yàn)及搜集的資料分析整理，成都膨脹土主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表3.

壓縮性試驗(yàn)結(jié)果表明，由于成都膨脹土的壓密性較高，黏土礦物不能大量吸水，因而可壓縮性低，壓縮系數(shù)0.11～0.51 Mpa-1，一般值為0.2～0.4 Mpa-1，壓縮模量4～15 MPa，一般值為5～9 MPa，多為中壓縮性土，個(gè)別試樣為高壓縮性土.如前所述，黏土結(jié)構(gòu)致密，且天然密度較大，原始孔隙比較低，這就決定了這種黏土具有中壓縮性的特征.

成都膨脹土在天然快剪條件下，試驗(yàn)內(nèi)摩擦角Φmax=37.1°，Φmin=7.6°，一般值在15°～20°之間.內(nèi)聚力Cmax=50 kPa，Cmin=10 kPa，一般值在30～40 kPa之間，第Ⅲ層黏性土較表層黏性土抗剪強(qiáng)度低，而灰白色黏土抗剪強(qiáng)度較第Ⅰ層、第Ⅱ?qū)雍偷冖髮羽ね恋?第Ⅲ層土內(nèi)裂隙發(fā)育，由于膨脹土中裂隙存在，其抗剪強(qiáng)度較均質(zhì)土復(fù)雜，是由土塊和裂隙面組成的土體，裂隙面的存在破壞了土的均一性和連續(xù)性，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而影響膨脹土的抗剪強(qiáng)度，膨脹土土體經(jīng)過往復(fù)干縮濕脹效應(yīng)，使原始結(jié)構(gòu)遭受破壞，原生隱微裂隙張開擴(kuò)大，新的脹縮裂隙與風(fēng)化裂隙又不斷產(chǎn)生，土中應(yīng)力集中現(xiàn)象愈來愈發(fā)展，土體強(qiáng)度顯著降低.而第Ⅰ層、第Ⅱ?qū)雍偷冖髮油量辜魪?qiáng)度均較灰白色黏土強(qiáng)度高，是因?yàn)榛野咨珜觾?nèi)蒙脫石含量較其他層位高，土體含水率和孔隙比亦較高，導(dǎo)致灰白色黏土層力學(xué)性質(zhì)弱于周圍黏性土.因此，這類灰白色黏土的存在會(huì)大大劣化其力學(xué)性質(zhì)，尤其是抗剪強(qiáng)度.

圖4和圖5為膨脹土黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線，膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大呈逐漸減小的趨勢(shì).

圖6和圖7為隙壁黏土粘聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線.對(duì)比母體土與隙壁黏土，相同含水率條件下，隙壁黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角均較母體土小，體現(xiàn)了隙壁黏土對(duì)其性質(zhì)的劣化.隙壁黏土內(nèi)摩擦角亦隨著含水率的增大而降低，且斜率較母體土大，表明受含水率影響較大，但隙壁黏土黏聚力與含水率相關(guān)性較小.抗剪強(qiáng)度均隨含水量增加而降低，天然含水量狀態(tài)（一般低于塑限）時(shí)峰值強(qiáng)度極高，干濕循環(huán)后土的結(jié)構(gòu)破壞，含水量增加，抗剪強(qiáng)度隨之衰減.因此，野外工程開挖暴露后的土體在經(jīng)歷往復(fù)干縮濕脹效應(yīng)后，強(qiáng)度會(huì)大幅較低.

4 脹縮特性

根據(jù)測(cè)試成果（見表4），第Ⅰ層和第Ⅱ?qū)羽ね磷杂膳蛎浡蕿?1%～61%，絕大多數(shù)試樣大于40%，膨脹率為-1.7%～0.25%，收縮系數(shù)為0.4～0.58，縮限為9.5%～15.1%，陽離子交換量為170.0～

409.5 mmol/kg，蒙脫石含量為7.59%～28.34%；第Ⅲ層黏土自由膨脹率為58.5%～68.7%，絕大多數(shù)試樣大于65%，膨脹率為0.13%～0.27%，收縮系數(shù)為0.42～0.47，縮限為9.5%～14.4%；灰白色黏土自由膨脹率為70.1%～82.1%，均大于65%，膨脹率為0.33%～0.48%，收縮系數(shù)為0.41～0.47，縮限為12.4%～14.5%.

根據(jù)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》，成都市域內(nèi)試樣多屬弱—中膨脹土，其中，灰白色黏土的自由膨脹率平均在76%左右，具中等膨脹潛勢(shì)，屬于中等膨脹土.第Ⅰ層和第Ⅱ?qū)狱S色黏土的自由膨脹率平均在46.9%左右，具有弱膨脹潛勢(shì)，屬于弱膨脹土.第Ⅲ層黃紅色黏土的自由膨脹率平均在63.7%左右，具有弱—中等膨脹潛勢(shì)，屬于弱—中等膨脹土.由于第Ⅲ層土內(nèi)大量分布灰白色黏性土，導(dǎo)致其自由膨脹率較上部黃色黏土層大.

成都膨脹土中黃色黏土在荷載作用下的膨脹量都比較小，其膨脹率均小于灰白色黏土，試驗(yàn)結(jié)果表明，成都膨脹土中灰白色黏土的膨脹性較黃色黏土的膨脹性要大得多.受灰白色黏土含量影響，含量較高的黃紅色黏土膨脹性較灰黃色黏土強(qiáng).

成都膨脹土收縮系數(shù)值均較大，表明成都膨脹土地基脹縮變形量較大，對(duì)膨脹土地基應(yīng)作相應(yīng)處理.但從收縮系數(shù)的試驗(yàn)值上看，黃色黏土與灰白色黏土的收縮系數(shù)相差不大，表明2種黏土的脹縮變形能力也相差不大.

5 脹縮性分區(qū)

通過對(duì)成都市域內(nèi)246份資料中的753處鉆孔內(nèi)1 656組土樣測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析整理，并結(jié)合本次實(shí)施的22個(gè)鉆孔揭露情況及57組土樣測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，成都中心城區(qū)分布膨脹土面積共163.77 km2，各膨脹土層出露條件各異.根據(jù)膨脹土分布特征、出露條件及膨脹特性，對(duì)成都市域內(nèi)膨脹土進(jìn)行分區(qū)，共劃分為弱膨脹區(qū)（A區(qū)）、出露型弱—中膨脹區(qū)（B區(qū)）和埋藏型弱—中膨脹區(qū)（C區(qū)）3個(gè)大區(qū).對(duì)僅分布Ⅰ層和Ⅱ?qū)尤跖蛎浲恋膮^(qū)域，劃分為弱膨脹區(qū)（A區(qū)）；對(duì)僅分布Ⅲ層弱—中膨脹土的區(qū)域，劃分為出露型弱—中膨脹區(qū)（B區(qū)）；對(duì)上部分布Ⅰ層和Ⅱ?qū)尤跖蛎浲?，下部分布Ⅲ層弱—中膨脹土的區(qū)域劃分為埋藏型弱—中膨脹區(qū)（C區(qū)）.根據(jù)其范圍特征細(xì)分為7個(gè)亞區(qū)，如圖8和圖9所示.各區(qū)特征見表5.

6 結(jié) 論

本研究在全面搜集成都市已有勘察資料的基礎(chǔ)上，全面刻畫了成都市域內(nèi)膨脹土空間展布特征、結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)特征，并重點(diǎn)對(duì)其脹縮性進(jìn)行了總結(jié).主要得到了以下結(jié)論：

1）對(duì)市域內(nèi)246份資料中的753處鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，刻畫了膨脹土三維空間展布特征，膨脹土由西向東逐漸增厚，厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m，最大埋深26.9 m.

2）隨著埋置深度增加，成都膨脹土顏色由暗變亮，土質(zhì)漸純，裂隙漸多，可劃分為3層，其中，第Ⅲ層裂隙極發(fā)育，團(tuán)塊狀灰白色黏土增多，局部為灰白色黏土.

3）成都膨脹土隙壁灰白色黏土比灰黃色黏土層黏土礦物含量高、含水率高、膨脹性強(qiáng)，其與裂隙的存在劣化了土體力學(xué)性質(zhì).

4）灰黃色黏土具有弱膨脹潛勢(shì)，黃紅色黏土具有弱—中等膨脹潛勢(shì)，根據(jù)土體膨脹特性，將成都劃分為弱膨脹區(qū)、出露型弱—中膨脹區(qū)和埋藏型弱—中膨脹區(qū)3個(gè)大區(qū)，進(jìn)一步劃分為7個(gè)小區(qū)，可供相應(yīng)工程借鑒.

參考文獻(xiàn)：

［1］Thorp J，Dye D S.The Chengtu clays-deposits of possible loessial origin in western and northwestern Szechuan Basin.Bull［J］.Acta Geol Sin，1936，15（2）：225-246.

［2］胡卸文，朱春潤，應(yīng)丹琳.成都二級(jí)階地粘土的工程地質(zhì)特性［J］.成都地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，19（2）：86-92.

［3］胡卸文，李群豐，趙澤三，等.裂隙性粘土的力學(xué)特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1994，16（4）：81-88.

［4］張惠英，田金花.成都粘土的脹縮特性［J］.成都地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，17（2）：95-105.

［5］趙翔.成都粘土裂隙成因研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1997，8（4）：40-46.

［6］費(fèi)美高，許國琳，張品萃.成都粘土中的構(gòu)造斷裂現(xiàn)象及其研究意義［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1995，6（3）：24-32.

［7］周緒綸.成都粘土中的鈣質(zhì)結(jié)核［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 1986，30（4）：29-31.

［8］張惠英.從微結(jié)構(gòu)特征對(duì)成都粘土成因的初步探討［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 1986，30（1）：17-19.

［9］汪波，聶前勇，王運(yùn)生，等.也論成都粘土的成因［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)， 2002，13（1）：54-56.

［10］胡兆國，馮金良，鞠建廷.成都粘土中石英的粒度分布及其表面微結(jié)構(gòu)特征［J］.山地學(xué)報(bào)，2010，28（14）：392-406.

［11］彭社琴，趙其華，黃潤秋.成都粘土動(dòng)三軸試驗(yàn)研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2002，13（1）：57-60.

［12］馮金良，趙振宏，趙翔，等.“成都粘土”的成因、物源、時(shí)代及其古環(huán)境問題［J］.山地學(xué)報(bào)，2014，32（5）：513-525.

［13］嚴(yán)國全，許仁安，何兆益.成都龍泉驛地區(qū)膨脹土特性及處治研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23 （2）：102-105.

［14］焦清杰.成都東部地區(qū)膨脹土工程特性及對(duì)軌道交通工程建設(shè)的影響分析［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2014，32（2）：31-33.

［15］任鵬，王鵬，唐印.基于成都黏土蠕變?cè)囼?yàn)的非定常蠕變本構(gòu)模型研究［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，35（3）：118-126.

（實(shí)習(xí)編輯：羅 媛）

Zoning of Expansive Soil Based on Its Engineering Geological Characteristics in Central Urban Area in Chengdu

TONG Longyun1，ZHANG Ji2，XIANG Bo2，LI Qiang2，LI Jiang2，LIU Tao2

（1.Chengdu Hig-Speed Operations Management Co.，Ltd.，Chengdu 611730，China；

2.Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation Group Co.，Ltd.，Chengdu 610072，China）

Abstract：

By taking expansive soil in Chengdu as the research target，based on the comprehensive collection of survey data in Chengdu，and by means of field investigation and test in laboratory and field，the spatial distribution characteristics of the the expansive oil in the urban in Chengdu is depicted，and the structure characteristics，physical and mechanical charactevistics especially the swell-shrink characteristics and the fracture charctensics are systematifcally summarized.Based on what has been mentioned above，the expansive soil is divided into different zones.The studies show that the thickness of expansive soil increases from west to east gradually.Meanwhile the thickness of such oil in Chengdu is 2.64～24.1 m，with an average thickness of 10.8 m.Vertically，it can be divided into three layers，among which the fractures of layer III are extremely developed，the number of massive gray white clay increases，and the gray white clay is locally distributed.The fissure wall clay has higher mineral content，higher water content and higher expansibility than the yellow clay，and the existence of fissures worsens the mechanical properties of the soil;the gray yellow clay has weak expansion potential，and the yellow red clay has weak-medium expansion potential.According to the expansion characteristics of the soil，Chengdu is divided into three regions： weak expansion zone，exposed weak medium expansion zone and buried weak medium expansion zone.

Key words：

expansive soil;strength;swelling-shrinking;zoning

收稿日期：2023-04-13

基金項(xiàng)目：中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（DD20189210）;四川省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFSY0036、2019YJ0595）

作者簡(jiǎn)介：童龍?jiān)疲?986—），男，碩士，從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)研究.E-mail：595844119@qq.com

通信作者：張 繼（1974—），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)研究.E-mail：276582940@qq.com