山西吕梁地区三趾马红土的工程地质特性及其工程环境效应研究

2014-07-25储文静付新平蔡云廷

铁道勘察 2014年5期

关键词：红土工程地质黏土

储文静付新平蔡云廷

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

山西吕梁地区三趾马红土的工程地质特性及其工程环境效应研究

储文静付新平蔡云廷

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

山西吕梁地区分布大量三趾马红土。试验分析发现：①三趾马红土以黏粒和粉粒(<75 μm)为主，约占总含量的96%以上；主要矿物成分以伊利石为主，平均含量为61%，其次为绿泥石和蒙脱石，为弱—中等膨胀性土；②三趾马红土的骨架主要为黏、粉粒聚合而成的团粒和集粒，土体内部微孔隙、裂隙较发育，崩解性强；③三趾马红土天然状态下的体缩变化较小，强度较高，当其由天然状态变化至饱和状态时，强度下降明显，尤其是由塑性含水量状态变化至饱和状态时，强度急骤下降，其中黏聚力较内摩擦角下降趋势更为明显，为强度变化中的主变量。由于三趾马红土本身的物理特性，在外力的作用下，该区域易发生工程地质环境问题。

三趾马红土物质成分工程地质特性工程环境效应

山西吕梁地区第四系黄土下层广泛沉积了一层厚度几米至几百米不等的红色土状堆积物，德日进、杨忠健(1933)[1]在该层中发现了大量的三趾马动物化石，将其称为“三趾马红土”。随着山西煤炭资源不断开采和外运，在三趾马红土层中建设的各种基础工程项目逐渐增多，由于针对吕梁地区三趾马红土的工程地质特征研究较少，因而发生的工程地质问题也愈发增多。

从三趾马红土的粒度、矿物成分、化学成分、微观结构、物理特征以及力学性质进行试验研究和分析，揭示吕梁地区三趾马红土的工程地质特性，分析三趾马红土与其相关工程环境问题的关系。

1 三趾马红土的物质组成及结构特征

1.1 物质组成

三趾马红土的粒度成分、黏土矿物组成、化学成分是决定其工程地质特性的物质基础，不同黏土矿物的组成，直接决定该土层具不同的物理化学性质。

(1)粒度成分

天然状态下，三趾马红土外表呈棕红色，裂隙发育，局部夹薄层白色钙质结核层，切面细腻、光滑，湿土极易搓成细于0.5 mm的长条。室内试验时，采用Mastersizer2000型激光粒度仪，用湿法测量，对三趾马红土粒度进行了测试分析，结果表明(见图1)，三趾马红土以黏粒和粉粒(<75 μm)为主，约占总含量的96%以上，其中粉粒(5<75 μm)含量占优势；典型断面土样的平均中值粒径8.047 μm，分选系数1.63，分选良好。

(2)矿物成分

研究区三趾马红土主要矿物成分为黏土矿物，通过X-Ray衍射分析(见表1)，结果表明，吕梁地区三趾马红土的矿物成分由伊利石、蒙脱石和高岭石这些亲水性强和物化性强的矿物组成，其中，三趾马红土中的伊利石含量最高，一般在51%～68%之间，平均含量为61%；绿泥石含量的变化范围在11%～22%之间，平均含量为15%；蒙脱石含量变化范围在7%～18%之间，平均含量12%；高岭石含量变化范围在7%～14%之间，平均含量为11%，其次含有少量的混层矿物。三趾马红土中含有部分绿泥石，而绿泥石属于硅酸盐类矿物，说明三趾马红土天然状态下有一定的强度。

注：括号中数值为平均含量。

(3)化学成分

土的化学成分是组成土的固相、液相和气相中的化学元素，化合物种类及其相对含量。通过X-Ray能谱仪对采集的三趾马红土样品的化学成分进行了试验分析(见图2)。结果表明：三趾马红土的主要化学成分中SiO2含量最高，超过60%，其次是Al2O3、Fe2O3，含量约占30%。土中SiO2、Fe2O3含量较高，一方面与三趾马红土中含有大量石英、长石以及硅酸盐有关，另一方面与三趾马红土形成时气候比较湿热、氧化和淋滤作用较强有关[2]。

1.2 微观结构特征

三趾马红土中黏、粉粒含量较高，黏土矿物以伊利石、绿泥石以及蒙脱石为主。不同倍数的电镜扫描试验结果显示(见图3)：三趾马红土碎屑颗粒形态为粒状、不规则，轮廓不太清晰，不易区分骨架颗粒和胶结物；骨架颗粒较小，以2～30 μm为主，构成其骨架的主要为黏、粉粒聚合而成的团粒和集粒。

图2 三趾马红土X射线能谱分析

微观结构类型主要有絮凝、胶粘结构，结构骨架中微孔隙或微裂隙比较发育，为地下水活动的主要通道[3]。当水入渗时，呈边-面、面-面紧密接触的伊利石、蒙脱石黏粒片吸水，水化膜增厚膨胀，反之，水分流失蒸发，黏粒片水化膜收缩[7]。因此，三趾马红土具一定的胀缩特性，容易形成微孔隙、微裂隙。

图3 不同倍数下三趾马红土的微观结构

2 三趾马红土的工程地质特征

2.1 物理特性

(1)三趾马红土的基本物理性质

根据土工试验结果分析(表2)，吕梁地区三趾马红土的平均天然含水量为14.35%～21.5%，平均值为17.9%，属中等含水；干密度为1.66～1.77 g/cm3，平均值为1.72 g/cm3；孔隙比0.53～0.64，平均值为0.59；塑限18.2%～19.3%，平均值为18.8%，塑性指数12.7～16.1，平均值为14.4，按工程分类属于粉质黏土；液性指数0.25%～-0.04%，平均值为-0.01%，按液性指数，其稠度状态属于坚硬，饱水后可现硬塑—软塑状态。

(2)膨胀特性

表2 三趾马红土的物理指标测试结果

注：括号中数据为平均值。

根据《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)[4]，以及15处土样的室内试验分析结果，吕梁地区三趾马红土的膨胀潜势分级结果显示(见图4)，三趾马红土的自由膨胀率为43%～75%，平均值为59%，蒙脱石含量为12%～20.5%，平均值为16.25%，CEC(NH4+)为267～348 mmol/kg，平均值为307.5%，属于弱—中等膨胀性土。

图4 三趾马红土的膨胀潜势分级结果

(3)崩解特性

采用方形试样，用天然状态的样品与110 ℃恒温烘干后的样品做崩解对比试验[5]。试验结果表明，三趾马红土不论天然状态还是干燥状态，其崩解性均较强，其中干燥试样的崩解速度更快，崩解耐久性更差。三趾马红土天然试样在8 h内全部崩解，干燥试样在1.5 h内全部崩解，试样边角处崩解最快。由于三趾马的黏土矿物多以伊利石和蒙脱石这种亲水性强、膨胀性强的矿物为主，且土体中存在不同程度的微孔隙、裂隙，当水渗入孔隙或裂隙时，亲水矿物的吸附性水膜会增厚[6]，引起土体体积的膨胀，从而在土体内部产生不同方向的膨胀力，导致土体内部微裂隙增多、变大，继而导致土颗粒的碎裂解体。

2.2 力学性质

(1)压缩

对吕梁地区三趾马红土进行压缩试验，结果表明，三趾马红土的压缩性很小，天然状态下压缩系数a1-2=0.031～0.054 MPa-1，为低压缩性土；其体缩率平均值为7.82%(见表3)，收缩性一般。通常，土体的压缩性常随天然含水量增大而增加，随孔隙率的增大而增大。土体这项特性使土体表层开裂、形成密集的收缩裂隙，为雨水的渗透及水土的相互作用提供条件。

表3 三趾马红土的体缩测试结果

注：括号中为平均值。

(2)剪切

本次对典型断面进行不固结不排水试验，样品选用天然含水量状态、塑限含水量状态以及饱和状态分析三趾马红土的静力学特性，试验结果表明(见图5～图7)：①不论天然状态还是饱和状态，三趾马红土强度较高，黏聚力为219.2～272.5 kPa，内摩擦角10.9°～14°；②三趾马红土剪应力-剪切位移曲线为软化型，应力达到峰值后，应变随应力的增加而逐渐趋于稳定值。③三趾马红土的黏聚力和内摩擦角均随着含水量的增大而减小，当含水量超过塑限(18.2%～19.3%)时，强度指标C、φ出现突变，其中黏聚力突变的斜率较内摩擦角大，黏聚力为强度变化中的主变量。

图5 不种状态下的Mohr-Coulomb强度包线

图6 三趾马红土剪应力与剪切位移曲线

图7 不同含水量状态下强度变化情况

3 三趾马红土的工程环境效应

3.1 工程环境问题

山西吕梁地区位于黄土高原峁、梁区，三趾马红土表层覆盖厚层黄土层。大量研究表明[7]，该区域大型失稳边坡的滑动面(不良地质底边界)多数为三趾马红土层顶面；三趾马红土作为房屋基础时，常发生基础不均匀沉降，导致房屋开裂问题；三趾马红土隧道在施工时常发生大变形、塌方冒顶、甚至整体坍塌事故。

3.2 三趾马红土与工程环境问题间的关系

山西吕梁地区三趾马红土的工程环境问题主要存在天然的外部因素和独特的内部条件[8-9]。一方面，该区域三趾马红土层顶部覆盖厚层黄土层，在降雨过程中，黄土赋存水的能力较差，雨水均渗透入黄土与三趾马红土的交界面处，雨水在两种土的交界面处赋存，起到一定的浮托作用。另一方面，三趾马红土黏粒中的黏土矿物以伊利石、蒙脱石、绿泥石为主，当黏土与亲水作用时，亲水性较强的黏土矿物表面既能吸引水分子形成吸附层，同时也能吸引阳离子和水化阳离子形成扩散双电层，导致三趾马红土易产生膨胀特性[10]；三趾马红土内部微孔隙、裂隙发育，导致土体的完整性较差，在水的作用下，土体膨胀、崩解速率更快，极易形成软弱面；在开挖扰动后，由于应力的重新分布，内部微裂隙数量增多，裂隙宽度增大，进一步降低了土体的整体性。