北京沙河—八仙庄地面沉降区粘土矿物分析

田 芳，罗 勇，杨 艳，姜 媛，周 毅

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.中科院地质与地球物理研究所，北京 100029；3.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871）

0 引言

弱透水粘性土层是北京地面沉降的主要压缩层。如以地面沉降监测站F3站中各分层标2008－2010年的压缩变形量占3年总沉降量的百分比为例，F3-7监测层位64.5～82.3m的岩性主要为粘土和粉粘，比值为20%，F3-5监测层位102～117m，基本上是厚层的粉质粘土，比值为29.9%，而F3-8监测层位48.5～64.5m以细砂和粗砂为主，比值仅为0.8%。因此，粘性土层的变形特征应作为北京地面沉降基础研究中的一个重要组成部分。压缩层的粘粒含量和矿物成分是土层形变的微观信息，分析研究这些微观信息的作用特点，有助于定性或定量了解地面沉降的范围、速率和幅度[1]。粘性土压缩层的矿物成分以次生的粘土矿物为主。目前，粘土矿物分析应用广泛，主要包括古环境古气候研究[2～4]、石油地质研究[5～6]和污染环境修复研究[7～8]等，但在地面沉降领域中的研究并不多见。有研究认为粘土矿物含量、组合和土体微结构类型是在相同外界条件下引起地面沉降差异的主要因素。本文从沙河—八仙庄地面沉降区内的四个钻孔取粉质粘土样共计20件，进行了X射线衍射实验，从粘土矿物成分和含量入手探讨了其对地面沉降的影响。

1 粘土矿物对地面沉降的影响研究

室内试验和原位分层压密测量表明，在较低的有效应力增长条件下，粘土层的压密在地面沉降中起主要作用[9]。主要原因在于粘性土层的颗粒组成中以细粒为主，孔隙率较高，容易被压缩。试验结果表明，在同一级压力和初始含水率相近的条件下，随着粘粒含量增大，压缩性显著增大。因而，粘粒含量的多寡是粘性土层固结压缩性的主要影响因素之一。粘土矿物是土中粘粒的主要矿物成分，颗粒极细，一般粒径小于2μm，尽管在土中的相对含量不大，但是对土的工程性质有极大的影响[10]。

粘土矿物对地面沉降研究的意义，在于其层状晶格结构不同而表现出不同的物理力学性质（吸水性、释水性、可塑性、压缩性和渗透性等）。粘土主要类型有伊利石、高岭石、蒙脱石和绿泥石等。高岭石的水稳性好，可塑性低，压缩性低，亲水性差。蒙脱石具有高塑性、高压缩性、低强度、低渗透性。伊利石的性质介于高岭石和蒙脱石之间，属于较不稳定的中间产物，可塑性较低，遇水膨胀和脱水收缩的能力低于蒙脱石。伊/蒙混层矿物也是一种常见的粘土矿物，是伊利石和蒙脱石两个端源矿物之间的过渡矿物，也具有较强的亲水性。

有关“粘土矿物与地面沉降”的文献主要涉及以下内容的研究。①粘土矿物类型、含量及分布特征。蒙脱石、伊利石和高岭石含量上的差异会导致释水后土层的压缩性有所不同。如淮南新集地区以伊利石为主的粘性土的压缩性明显高于以石英+高岭石为主的粘性土[11]，衡水市沉降区漏斗中心黏性土样品中伊利石和绿泥石等黏土矿物质量分数较高的土样压缩系数也较大，而石英和长石质量分数较高的土样其压缩系数较低[12]。薛传东等（2001）研究了昆明盆区第四系粘性土中粘土矿物的矿物学、微结构等特征，认为粘土矿物含量、组合和土体微结构类型是在相同外界条件下引起地面沉降差异的主要因素[13]。②蒙脱石的脱水作用对地面沉降的影响。Liu等（2001）通过对台湾云林地区蒙脱石脱水的模拟计算，认为蒙脱石脱水所造成的土体体积的减少量约占主固结量的50%[14]。杨献忠等（2003，2005，2006）较为系统的研究了对蒙脱石脱水作用对地面沉降的影响，用蒙脱石层间水化状态修正了土壤孔隙率的计算方程，以此建立蒙脱石层间脱水作用所产生的次要地面沉降量的数学表达式，并对无锡石塘湾地面沉降区进行了模拟计算。他们假设蒙脱石残余层间水全部释出，预测无锡石塘湾地区可能有117.39cm的地面沉降空间，结果对下一步地面沉降灾害的治理、防治具有一定的警示作用[15～17]。

从上可以看出，获得粘性土中粘土矿物的类型和含量是进行粘土矿物对地面沉降影响研究的基础。因此，本次工作从包含北京市累积沉降量最大点的沙河—八仙庄地面沉降区内取粘性土样做X射线衍射测试，获取该沉降区内100m以浅地层内粘性土的粘土矿物成分及含量。

2 环境地质背景及采样

测试样品来自于昌平沙河—八仙庄地面沉降区1#、2#、3#和4# 4个钻孔（图1），共20个样品，取样深度为10～100m。从第四纪地层分区来看，1#孔和2#孔都位于温榆河冲洪积扇，其中前者位于马池口次区，后者位于小汤山次区。3#和4#孔都位于潮白河冲洪积扇的怀柔次区，靠近潮白河冲洪积扇和温榆河冲洪积扇的交界部位。整体来看，这4个孔所在地区第四纪地层发育齐全，第四系厚度大于100m。谢振华等曾经在北京平原区15眼钻孔0～15m深度内取样做过粘土矿物实验，结果表明，所有样品的粘土矿物类型均为伊利石/蒙脱石混层矿物+伊利石+高岭石+绿泥石的组合，即北京市平原区整体沉积环境相同，同属于一个沉积系统[18]。

样品采集所在的沙河—八仙庄地面沉降区（图2）形成时期大约在上世纪70年代末到80年代初。到1999年底，该沉降区最大累计沉降量达到688mm，2012年则达到1414mm，是平原区累计沉降量最大点。近几年，该沉降区向西部扩展明显，尤其是海淀山后苏家坨地区2011年和2012年的年沉降速率都超过了100mm/a。尽管沙河—八仙庄沉降区形成时间相对较晚，但是沉降速率大、沉降范围扩展明显。在此沉降区内采集粘性土样做粘土矿物分析，将有助于从微观层面上分析区内土体变形特征。

图1 取样点在北京市第四系地层分区内的位置

图2 取样点所在地区的累计地面沉降量（1955～2012）分布

3 结果分析

各孔样品测试结果及矿物相对含量见表1,粘土矿物总量及相对含量随深度变化见图3～6。

综合这4个孔的测试数据可以发现：所有样品，尽管取样地点和取样深度不同，但是粘土矿物组合形式均为伊利石/蒙脱石混层矿物（I/S）+伊利石（I）+绿泥石（C）+高岭石（K），以伊蒙混层矿物占绝对主导，同一类型的粘土矿物相对含量的变化范围相差不大。这与前人在北京平原区开展的粘土矿物测试获得的结论是一致的[18]。伊蒙混层矿物和伊利石都具有很强的亲水性，能够形成的结合水膜愈厚，尤其在饱和可塑的状态下，则土的压缩量越大，固结较慢。高岭石矿物本身的结构稳定，与水的作用较弱，由其组成的土体结构稳定，工程性质较好。因此，从所采集样品粘土矿物的类型和含量来看，沙河—八仙庄地面沉降区内100m以浅深度范围内的粉质粘土有利于土的压缩。

4 结论

图3 1#孔粘土矿物总量及相对含量随深度的变化

图4 2#孔粘土矿物总量及相对含量随深度的变化

图5 3#孔粘土矿物总量及相对含量随深度的变化

图6 4#孔粘土矿物总量及相对含量随深度的变化

表1 样品测试结果及矿物相对含量表

北京沙河—八仙庄地面沉降区10～100m深度内共采集了20个粉质粘土样进行了X衍射实验，结果表明它们的粘土矿物组合形式均为伊/蒙混层矿物（I/S）+伊利石（I）+绿泥石（C）+高岭石（K），并以伊蒙混层矿物占绝对主导。这样的粘土矿物组成是有利于地面沉降形成和发展的。本文只从粘土矿物含量和成分的角度分析了其对地面沉降的影响，下一步还需结合地面沉降监测站内分层标监测数据研究粘性土的固结压缩特征。

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