刚果金南部地区矿山湿陷性土形成机理分析

张诏飞，闻 磊，刘志亮

（1.廊坊市中铁物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000；2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043）

湿陷性土是矿山工程建设中最常见的特殊岩土之一，科研人员通过大量的调查和试验分析工作，从分布区气候条件、岩土体微观结构、受力变形特征等方面入手，同时这种分析也了解地质结构的形成机理及成因。我国许多科研人员对地质结构的形成机理进行了归纳总结；提出了地质结构变形机理的结构学说；从非饱和土力学的角度出发，完善了地质结构机理的研究；分析了不同地质结构度指标与其压缩结构屈服应力之间的关系。非洲地区的湿陷性土，在微观结构、形成条件、地质结构变形特征等方面与我国有所不同，国内开展的研究和讨论极少。

本文基于工程实际，采用现场调查分析、电子显微镜、岩矿鉴定、力学试验、现场载荷试验等方法，分析刚果（金）南部区域分布矿山地质结构形成原因和湿陷机理，为该地区矿业工程的施工和设计提供依据。

1 刚果（金）南部区域地质结构发育特征

刚果（金）地处非洲中部，属热带雨林/热带草原气候，全年分干旱季和雨季，雨林和草原覆盖面积广，土壤多为富含铁氧化物的红壤。

在南部地区的CML矿、MKM矿、SCM矿以及BSG水电站等项目调查发现，湿陷性土主要分布在雨林或草丛中，地表有植被覆盖；分布深度一般为2m～4m，在个别沟谷中深度较大；在湿陷性土与基岩风化面之间，常分布非湿陷性的地质过渡带。所调查的地质结构发育具有以下特征：①硅含量低，铁、铝含量高，缺乏碱金属；②易溶盐含量较低，铁、铝成分多以难溶氧化物的形式存在；③其颜色以黄褐色为主，有时呈红褐色；④地质结构较为疏松，生物孔洞发育，呈不规则状，直径在0.1mm～5.0mm之间，孔隙内部未被充填；⑤以地质矿物为主，占比60%以上，大部分土颗粒粒径在0.1mm～0.25mm。

上述特征与国内地质结构发展有所不同：颜色偏褐色；粒径稍大，粒度范围窄，级配较差；矿物含量普遍较高，碳酸盐类含量不稳定。

2 试验测试

2.1 岩矿鉴定

岩矿鉴定结果见表1及图1。从结果看，所取土样的主要成分为黏土矿物（以高岭矿体为主），矿物粒径多小于0.005mm；土粒多呈粒团状集中，颗粒分析的主要粒组为细砂粒组，含量占50%以上；难溶的铝氧化物在结晶过程中层层包覆于黏粒外，并形成一个个粒团；样品内部孔隙发育，孔隙呈不规则状，平均孔径自0.1mm至5mm不等，孔隙内部未被充填。

图1 电子显微镜10倍原始图像

表1 岩矿鉴定结果

2.2 常规力学试验

从室内压缩试验结果见表2，所研究地质结构的湿陷系数δs多在0.20～0.70之间，自重湿陷系数δzs多小于0.15，属非自重湿陷性土，湿陷性中等。因其分布厚度不大，实际湿陷量不大，通常小于300mm。

表2 室内压缩试验数据

比较快剪和固结快剪两种试验结果，试样完成固结后黏聚力显著增大，内摩擦角增大相对较少。从地质矿体微观结构分析，固结过程中矿体被压密，可同时提高黏聚力和内摩擦角；骨架团粒表面氧化膜破坏，团粒分散开后矿体粒粒径变小，降低颗粒之间的咬合力，颗粒接触面积增大，提高黏聚力。

表3 室内剪切试验数据

2.3 现场平板载荷试验

地质结构矿层典型平板载荷试验结果见图2。从p-s曲线上看，在荷载240kPa之前，每一级压力下，承压板的下沉量呈增大趋势，但总量较小；维持荷载过程中下沉量增长缓慢，且p-s曲线平滑，无明显拐点；荷载240kPa后，下沉量迅速增大，维持荷载过程中下沉量仍有显著增长，达到稳定标准所需时间较长，且p-s曲线出现明显拐点。试验结果表明在较低压力水平下，所研究湿陷性土具有稳定的承载能力，当某一级压力土体结构性承载能力之后，变形迅速增加，矿体出现局部剪切破坏。

图2 平板载荷试验成果图（无浸水）

图3是同一场地、同一矿层临近点的单线法静载荷试验，在天然湿度下分级加压至200kPa（对应压力为50kN），下沉稳定后向试坑内浸水至饱和状态，承压板下沉量迅速增大，矿体发生湿陷变形，稳定后继续加压至240kPa。上述对比试验表明，慢速维持荷载试验中相同荷载下浸水土体的沉降量比天然湿度状态下的沉降量明显增大，相同变形下土体强度显著降低。

图3 浸水平板载荷试验成果图

3 湿陷性地质结构成机理分析

3.1 地质结构形成原因分析

从调查结果来看，刚果（金）南部发育的湿陷土来源主要为基岩风化后留在原地的残积物，年代多为新近纪（N），其厚度一般较小，属于残积红土；在一些沟谷中，原生地质结构经冲洪积作用形成沉积厚度较大的次生湿陷性土。这种残积土具有多孔隙、多裂缝的特征，在雨季淋滤条件下，降雨易入渗，发生脱硅富铁、富铝过程和生物富集作用，难溶的铝氧化物在反复淋滤之后留下，矿产结晶后形成薄膜覆盖与矿物颗粒之外，发育成结构性团粒。旱季时，气温较低，土颗粒遇冷收缩，矿体孔隙增大，土颗粒密度增大，颗粒间胶凝作用增大；同时土体含水量降低，基质吸力增大。在旱、湿两季的周期性变换过程中，最终形成矿体的发育结构[5]。这种团粒式的架空架构是矿体发生湿陷变形的先决条件。

3.2 湿陷机理分析

根据以上测试分析结果，研究区域矿体在天然状态下的颗粒较粗，矿体稳定主要依靠骨架颗粒的支撑，矿物粒间氧化物的胶凝作用，以及孔隙水弯月面等因素形成的基质吸力等。

在自重应力下浸水时，团粒在外覆氧化膜的保护下保持原状，基质吸力减小造成粒间联结力削弱，团粒之间通过滑动实现再平衡，在骨架颗粒强度和粒间胶凝作用下，矿体仅出现一定程度的陷落；当受附加应力时，矿体在固结过程中团粒外覆氧化膜被逐步破坏，细颗粒增加，颗粒级配逐步变化。浸水后，粒间胶凝作用减弱，基质吸力减弱，土颗粒之间发生滑动实现再平衡，同时一部分细颗粒将从骨架颗粒中逃逸，在此条件下，矿体将产生较大程度的陷落。

3.3 工程地质分析与评价

研究区域内地质结构的厚度较小，一般在2m～4m，湿陷性轻微～中等，评价湿陷等级一般为Ⅰ级非自重湿陷，对于深埋的地质结构施工及浅埋的低等级地质结构基础影响较小，对于浅埋的高等级地质施工工程、动力设备、浸水条件地质结构等基础影响较大，在附加应力下浸水时，将产生不可忽视的湿陷变形。

对于尾矿坝等柔性基础的雍水构筑物，在坝体堆积过程中，地基土逐步发生湿陷变形，但柔性基础对变形敏感程度较低，且湿陷程度在坝体内侧较高，外侧较低，造成坝体向库内倾斜，一定程度上提高了坝体的稳定性，湿陷变形对坝体影响较小。

同时，在尾矿坝运行初期，湿陷性坝基土体级配较差，有发生低强度管涌破坏的可能。

在个别沟谷中，湿陷性土深度较大，评价湿陷等级可达Ⅱ级（中等）非自重湿陷，对地质结构发展影响较大，应采取地基处理措施以消除其影响。

4 结论

（1）刚果（金）南部地质结构发展为新近纪（N）形成的残积类土，属于非黄土类的湿陷性土，多为残积土经反复淋滤形成，矿产颗粒以砂粒组为主，孔隙大，含水量低，具有铝氧化物薄膜包裹形成的团粒，和以此为骨架形成的团粒结构。

（2）刚果（金）南部湿陷性土的发生湿陷的机理主要为固结过程中团粒外覆氧化膜破坏，团粒间胶凝作用减弱，矿体颗粒之间发生滑动实现再平衡。

（3）在自重条件下浸水时，在骨架颗粒强度和粒间胶凝作用下，矿体陷落程度不大。

（4）刚果（金）南部地质结构一般分布厚度2m～4m，多为非自重湿陷，湿陷性轻微-中等，对于深埋的地质结构发展基础影响较小；对浅埋的动力设备、浸水条件建构筑物等基础影响较大，在附加应力下浸水时，将产生不可忽视的湿陷变形；对于尾矿坝稳定性影响较小，但在尾矿坝运行初期，湿陷性坝基土体级配较差，有发生低强度管涌破坏的可能。