陇东黄土工程地质分层及其物理特性

2018-07-26李同录江睿君蔺晓燕长安大学地质工程与测绘学院陕西西安70054西安石油大学地球科学与工程学院陕西西安70065

水文地质工程地质 2018年4期

习羽，李同录，江睿君，蔺晓燕(.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 70054；. 西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 70065)

近二十多年来，随着黄土地区城市和交通的发展，高层建筑、大跨度桥梁及隧道工程的作用范围已远远超过了湿陷性黄土地层，如位于董志塬的庆阳市、位于渭北台塬上的铜川新区，30层以上的新建建筑已很普遍，桩基础深度可达30m，附加应力的影响深度超过100m[1]；已建的西安—太原、西安—兰州高铁，拟建的西安—银川高铁、西安—韩城城际铁路以大量桥隧形式跨沟穿梁通过黄土地区；已建西安—铜川高速、西安—禹门口高速和拟建的西安—银川高速也有大量桥隧工程。目前高层建筑的基础及附加应力范围往往扩散到Q2及以上黄土地层，大跨度桥梁基础可穿透整个黄土地层，隧道则穿越Q1～Q3不同层位的黄土地层。

当工程涉及的黄土地层不厚时，习惯上将黄土和古土壤层作为基本的地层单位。特别是中更新世以来的黄土和古土壤层厚度较大，标志明显，易于辨别。但是当黄土层很厚时，黄土和古土壤层数很多，但若按基本古气候地层单元, 典型黄土剖面上最多可分出将近70个地层单位，这在工程上很难逐层给出评价指标。若按传统的时代及岩性地层划分，一个分层包含多个黄土和古土壤层，二者性质差异大，则过于粗糙。为此可在现有古气候分层的基础上，将工程地质性质相近的地层单元合并，提出一个可行的工程地质分层方案，以便于工程应用。

1 黄土的古气候地层、岩性地层和年代地层

黄土最基本的地层单位就是相间出现的黄土-古土壤序列。由于黄土-古土壤反映的气候变化与极地冰芯和海底岩芯同位素气候曲线及冰期-间冰期记录能很好吻合，表明它反映的是全球性气候的变化，习惯上将黄土-古土壤序列称为古气候地层。

早在上世纪60年代，刘东生等[2]在野外考察时，根据黄土在剖面上出露的外观特征，提出了黄土的岩性地层方案，即所谓马兰黄土、离石黄土和午城黄土，习惯上将其和后来确定的晚、中、早更新世对应。

随着对陕西洛川黑木沟[3]、甘肃兰州九州台[4]及其它一些典型黄土剖面[5～8]利用古地磁、同位素、ESR及14C等测年，并和海洋岩芯同位素剖面对比，确定了黄土的年代地层。其中全新世的下界在1.1万年左右，位于黑垆土(S0)的底面；晚更新世底界为12.8万年，位于第一层古土壤(S1)的底界；中更新世的下界为73.0万年，位于第八层黄土中，此处也是古地磁的B/M界限，为了便于野外识别，将其定在第八层黄土和第八层古土壤分界处；把第四纪的底界定在黄土和三趾马红土的分界处，此处位于古地磁G/M上部不远处，G/M界限的年龄为248万年，因此我国习惯上将第四纪下界定在250万年左右。

岩性地层便于野外识别，马兰黄土以色浅、均匀、疏松、垂直节理发育为特征，具有黄土的典型特征。离石黄土是以厚层黄土和薄层古土壤互层为特征，其中第九层和第十五层黄土厚度大，颗粒粗，分别称为上粉砂层和下粉砂层；第五层古土壤最厚，由三层古土壤中间夹两薄层黄土构成，习惯称“红三条”，上、下粉砂层及红三条在野外很好辨认，是黄土地层中的标志层。午城黄土是由密集的钙质结核层夹薄层黄土构成，结核层是由古土壤层退化而成，其中黄土中的钙质含量也很高，胶结强，习惯称之为“石质黄土”。

2 研究区剖面的黄土特征

研究的黄土剖面位于陇东黄土高原东部的正宁县蔡峪村二组，子午岭西麓，海拔1 420 m，陇东塬黄土层厚度最大达1 700 m。在该黄土塬边缘深切的冲沟侧壁可清晰地辨别出自全新世到早更新世的黄土和古土壤层，地层连续完整。图1为塬顶的部分露头，清晰地显示出L1-S5黄土-古土壤序列。

图1 正宁黄土塬边出露的L1-S5地层Fig.1 Loess layers L1-S5 outcropping in the Zhengning loess profile

在该塬顶，当地村民于上世纪60年代开挖了一口饮用水井，直径0.8 m，深100 m，水位深97 m，人工用辘轳提水。20世纪90年代，政府为当地引入了自来水，该井被废弃。本文沿该井壁对黄土地层做了详细编录并采样。井水位以下至井底部分依据标志层移到露头剖面编录和采样。

图2 正宁黄土剖面柱状图Fig.2 Logging of the Zhengning loess profile

首先沿井壁对黄土地层进行了详细编录，在井壁93.0 m深处，可辨别出L15顶部的钙板层，该钙板层以下由于地下水浸泡，井壁坍塌，被虚土覆盖，在塬边的剖面上找到该标志层，继续向下测量编录，得到一个完整的黄土地层剖面。将剖面测量结果和洛川、西峰标准剖面对比，确定了其磁性地层、年代地层、岩性地层和气候地层单元的分界位置和年代，结果综合在图2中。可以看出，该剖面黄土厚174.8 m，时代地层自Q4至Q1，岩性地层自黑垆土、马兰黄土、离石黄土至午城黄土，层序完整。自黑垆土S0到离石黄土底部L15共可以划分出30个古气候地层单元，L15底界以下为午城黄土。由于午城黄土钙质含量高，有密集的结核层，该层黄土性质变异不大，将其并为一层。顶层的黑垆土厚度一般不足2 m，对工程没有影响，在工程分层中可不考虑。这样整个黄土剖面共有30个古气候地层单元。显然工程上按这么多的地层单元进行物理力学指标统计是不现实的。如果按岩性或时代地层单元分别划分为三层，则把性质明显不同的古土壤层和黄土层作为一层也不合理[9]。为此，基于物理指标对其进行工程地质分层。

3 黄土物理特性及工程地质分层

正宁剖面黄土在粒度三角图和塑性图上的位置如图3、图4所示。在土的物理指标中，土粒比重的变异性小，孔隙比、孔隙度和干密度高度相关，其中任一指标都可反映其结构密实度。含水状态指标中，含水率、饱和度和液性指数是显著相关的指标，如图5所示，但三者的物理意义不同，可互相印证；土的稠度指标和其成分密切相关，黏性土细粒含量对土的稠度有影响，但黄土中粉粒为主，黏粒含量占少数，稠度和黏粒含量相关性不是很显著。

图3 正宁剖面黄土在粒度在三角图上的位置Fig.3 Position on the triangle diagram of particle size component for the loess in the Zhengning profile

图4 正宁剖面黄土在塑性图上的位置Fig.4 Position on the plastic diagram for the loess in the Zhengning profile

根据以上分析，选出主要物理参数，包括黏粒(<0.005 mm)含量、塑限、液限、塑性指数、干密度、含水率、饱和度和液性指数，作出这些参数随深度变化曲线，并和古气候地层单元对应，如图6所示。除取样、测试引起的不确定性因素和土样本身的变异性外，可以看出各指标曲线与古气候地层单元显示出良好的相关性。首先，黏粒含量在黄土中普遍出现低值，而在古土壤中出现高值。马兰黄土(L1)和上粉砂层(L9)中都夹有若干层弱发育的古土壤层，第二层古土壤(S2)中间夹一层黄土，这在剖面上不易分辨，但在黏粒分布曲线上有明显的反映。其中黏粒含量最少的是下粉砂层(L15)，在剖面的露头上该层颜色最浅，最易辨认，是该地区的主要含水层。

图5 正宁剖面黄土液性指数、饱和度和含水率的关系Fig.5 Relationship between liquid indexes, saturation degree and water contents for the loess in the Zhengning profile

图6 正宁剖面黏粒含量及主要黄土物理特性指标Fig.6 Logging curves of clay particle content and main physical indexes for the loess in the Zhengning profile

液限在古土壤中增高，在黄土中降低；而塑限则相反；塑性指数是二者的差值，和液限变化趋势一致。黄土和古土壤成分的分异是由于气候环境的差异所致，这一点早有定论。稠度指标是细粒含量的间接反映，和黏粒含量的变化趋势相关，但不如黏粒含量敏感度高。

黄土的干密度是其结构密实度的反映，从干密度曲线可以看出，古土壤的干密度明显高于黄土。这不仅反映出其结构的差异，而且与其成分有关。黄土和古土壤都具有架空结构，黄土中的细粒含量少，大孔隙多，结构疏松；古土壤在湿热气候条件下成壤作用强烈，次生作用形成的细粒物质充填于大孔隙中，使其结构比黄土密实。从黄土干密度随深度的变化看，自上而下有增大的趋势，说明了固结压力的压密作用。

含水率、饱和度和液性指数是共同反映土含水状态的指标，三者具有显著相关性，其中含水率与饱和度正相关，与液性指数正相关(图5)。沿剖面可以看出，含水率和饱和度同步变化，在L2～L4之间有趋势性的增大，L2以上，L4以下，只是在一定范围内波动。含水率在黄土中低，在古土壤中高。若观察二者在单层黄土和古土壤中的变化趋势，则发现一个共同的规律，即自黄土层的顶面到底面，含水率和饱和度由高降低；而古土壤则相反，自顶面到底面，由低增高。这是由于水在非饱和带运移中的界面效应所产生的。当水分自水力梯度低的黄土进入梯度高的古土壤时，水分滞留，黄土底面、古土壤顶面含水率增高；相反，自水力梯度高的古土壤进入梯度低的黄土时，水分疏散，古土壤底面、黄土顶面含水率降低。液性指数和含水率、饱和度的变化趋势、规律相同。

黄土和古土壤成分与物理性质指标沿剖面的变化特点表明，其搬运介质风和沉积环境形成了其成分和结构，成分和结构决定了其物理性质[10]。黄土和古土壤基本地层单元与其物理性质的变化是对应的。可以在此基础上，将物理性质相近的单元合并。由于含水率、饱和度和液性指数是显著相关的，而液性指数不仅反映了土的含水状态，也包含了土的塑性的影响，因此这三个指标中取液性指数作为土的工程地质分层依据。干密度反映土的结构密实程度，与液性指数不相关。为此工程地质分层主要依据干密度和液性指数。从这两个指标曲线沿垂直方向的变化特点可以看出，自L1～L5中各层黄土和古土壤参数分异明显，可按气候地层单位分层；S8～S9和S9～S14两个岩性段参数差异不明显，在小范围内波动，各自并为一层。其中的L9和L15分别是上粉砂层和下粉砂层，厚度大，颗粒粗，干密度低，可单独分层。午城黄土钙质含量高，干密度大，虽然位于地下水位以下，但结构致密坚硬，可作为一层，不再细分。由此可将整个黄土划分为16个工程地质层。

按以上分层方案也便于在露头和钻孔中划分地层。由于不同层位的黄土或古土壤很相像，单凭土样的表观特征难以确定其所在层位。黄土中，S0，S1，S5，L9和L15是已经公认的标志层，它们的顶、底界也是工程地质层的界限，只要确认了这些标志层，其间的工程地质层则很容易划分。