裂隙粘土的工程地質(zhì)特征

裂隙粘土的工程地質(zhì)特征在第四系更新統(tǒng)的老地層內(nèi)，常有裂隙比較發(fā)育的粘土層，即裂隙粘土,又稱(chēng)“有縫粘土”。這種粘土具有一般粘土沒(méi)有的特殊結(jié)構(gòu)，其工程地質(zhì)特性也不同于一般粘土，在興建水利工程和其他建筑工程時(shí)，常由于對(duì)土的性能認(rèn)識(shí)和重視不夠，工程措施不當(dāng)，給施工和使用帶來(lái)困難與危害。有些渠道邊坡由于土的風(fēng)化剝蝕長(zhǎng)期不能穩(wěn)定，不少渠道邊坡大量坍滑造成渠道堵塞不能使用；有的遂道工程，由于洞體坍塌引起嚴(yán)重破壞；有些地下建筑，也由于同樣原因使工程廢棄。因此，裂隙粘土在渠道、洞室及天然地基等方面引起的問(wèn)題日益引起人們的重視。本文根據(jù)近幾年來(lái)在水利工程和地下建筑工程方面的實(shí)踐，對(duì)河南某些地區(qū)不同類(lèi)型的裂隙粘土進(jìn)行介紹，不當(dāng)之處，望批評(píng)指正。1.0裂隙粘土的分布特征1.1裂隙粘土的分布裂隙粘土在河南南部和西部都有廣泛分布，尤其在山區(qū)和丘陵壟崗地區(qū)分布更為廣泛。由于古地形的起伏及地層所受的侵蝕程度不同，分布高程往往相差很大。同一類(lèi)型的裂隙粘土有的出露于丘陵或壟崗頂部，有的則深埋于其他地層之下。如信陽(yáng)淮河兩岸的裂隙粘土，一般分布于較高的丘陵地帶，在其底部很少見(jiàn)到底礫巖，多與第三系巖層直接接觸。在信陽(yáng)地區(qū)，分布在地層中部的棕黃粘土，多呈團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)，裂隙細(xì)小但較發(fā)育，土體極易碎裂，含有鐵錳質(zhì)結(jié)核。鄭州、洛陽(yáng)地區(qū)的裂隙粘土，分布在中更新統(tǒng)地層下部的棕紅、紫紅色粘土，裂隙短小較發(fā)育成網(wǎng)紋狀，土體易碎裂，含又鐵錳質(zhì)結(jié)核；裂隙內(nèi)沖填白色鈣質(zhì)，人稱(chēng)“雞糞土”；而裂隙面光潔，沖填物為鐵錳質(zhì)氧化物者，人稱(chēng)“油土”。除了出露于丘陵或壟崗頂部外，這些裂隙粘土在黃土地區(qū)常埋藏于上更新統(tǒng)q3黃土以下，在鞏縣西村黃土丘陵地區(qū)的大沖溝中可見(jiàn)到多層裂隙粘土的天然剖面，在每層裂隙粘土底部均有一層排列整齊的鈣質(zhì)結(jié)核層，鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)結(jié)核層由上向下逐漸變大、變厚，在其下部常有較厚的大鈣質(zhì)結(jié)核層及卵石層，鈣質(zhì)結(jié)核直徑一般為10—20厘米，卵石為紫紅色石英巖，多呈零星分布，局部呈透鏡狀。在沖溝底部見(jiàn)有大漂石夾大鈣質(zhì)結(jié)核，漂石為紫紅色石英巖，微風(fēng)化，塊狀、稍具棱角，顯然系搬移力很大，遠(yuǎn)距較近的佐證。裂隙粘土以下為卵石層。另外在偃師、伊川兩地也有不同類(lèi)型的裂隙粘土分布。1.2裂隙粘土的特征裂隙粘土為洪積、坡積相堆積物，一般顏色較深，常見(jiàn)為紅色，有褐黃、棕黃、紅、棕紅、紫紅等色，結(jié)構(gòu)致密，孔隙比小，天然含水量低。多呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)。裂隙粘土是一般粘土的早期堆積物，多出現(xiàn)在中更新統(tǒng)地層內(nèi)，具有較發(fā)育而不規(guī)則的裂隙，其成因類(lèi)型比較復(fù)雜。這種粘土為富含鐵鋁氧化物的風(fēng)化產(chǎn)物，并含有親水性和可溶性物質(zhì)。在高溫多雨的環(huán)境下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期脹縮、溶解和風(fēng)化作用產(chǎn)生裂隙，裂隙產(chǎn)狀錯(cuò)綜復(fù)雜，豎向、水平、斜交各方向均有。由于鐵、鋁氧化物不斷聚集，裂隙充填物多呈棕褐、棕紅及灰綠、灰白色，裂隙面多較粗糙，但有的光滑并具有油脂光澤構(gòu)成土體的軟弱結(jié)構(gòu)面。由于物質(zhì)成分，形成環(huán)境及條件不同，裂隙性狀和發(fā)育程度也不同。一般來(lái)說(shuō)，豎向裂隙發(fā)育的粘土多分布在地層表面和上部，受大氣影響裂隙上大下小，向下逐漸尖滅，裂隙面粗糙，沖填物常為灰綠、灰白色高嶺土，及黑色鐵錳質(zhì)氧化物，這類(lèi)土強(qiáng)度大、變形小、豎向透水性較大。見(jiàn)照片七。而斜交裂隙發(fā)育的粘土常分布于第三系巖層之上，裂隙較寬大，傾角由緩到陡，裂隙面光滑平整。具有擦痕或水漬，充填物多以灰灰白色高嶺土為主，并有一定數(shù)量的黑色鐵錳氧化物。土內(nèi)常含強(qiáng)親水性礦物，常具有高塑性和較強(qiáng)的脹縮性。斜交剪切裂隙越育，脹縮性也越強(qiáng)。這類(lèi)裂隙粘土，在信陽(yáng)二十里河，偃師的劉莊和伊川的寺溝均可見(jiàn)到。土的強(qiáng)度低，變形較大，在斜坡地帶，常引起滑坡或局部滑移。這種粘土由于裂隙的發(fā)育互相切割使土體失去完整性，土體往往被切割成大小不等形狀各異的棱角形塊體，土塊的大小和連結(jié)狀況對(duì)強(qiáng)度、變形和透水性都有直接影響。土的碎裂程度越嚴(yán)重，棱形塊體之間的連接愈弱，其強(qiáng)度愈低，壓縮性愈大，透水性也愈強(qiáng)。棱形土塊表面顏色較深，里面則較淺，塊體本身密度大強(qiáng)度高，裂隙充填物則較軟，塊體之間的連接較弱，因此，裂隙粘土的工程性能不取決于棱形塊體本身，往往取決于塊體之間的軟弱結(jié)構(gòu)面。裂隙粘土在卸荷、臨空或無(wú)壓情況下，在含水量降低時(shí)，都容易引起裂隙張開(kāi)使土的強(qiáng)度大為降低。同時(shí)，水也往往沿著裂隙形成滲透通道。裂隙粘土的天然邊坡很不穩(wěn)定，在天然情況下，可以見(jiàn)到陡直的裂隙邊坡，也可以見(jiàn)到平緩的天然邊坡，但在大氣影響下，土體不斷風(fēng)化，使邊坡由陡變緩。土的天然邊坡與裂隙產(chǎn)狀，氣侯條件有關(guān)，從宏觀剖面上看，豎向裂隙發(fā)育的土常能形成較陡的天然邊坡，斜交和水平裂隙發(fā)育的土的天然邊坡則往往較平緩。同一類(lèi)型的裂隙粘土在氣侯比較干燥的鄭州、洛陽(yáng)地區(qū)，有時(shí)可呈現(xiàn)陡直邊坡，但在多雨的信陽(yáng)地區(qū)則多呈緩坡。從鞏縣西村所見(jiàn)土的天然邊坡演變情況看，在天然條件下，土體逐漸風(fēng)化碎裂，邊坡日漸平緩，可見(jiàn)土的天然邊坡是不穩(wěn)定的。2.0裂隙粘土的工程地質(zhì)特征2.1裂隙粘土的化學(xué)成份及物理性質(zhì)指標(biāo)裂隙粘土的物理力學(xué)特性主要取決于其的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)特征和天然狀態(tài)。根據(jù)信陽(yáng)、鞏縣和偃師各處試樣的分析結(jié)果，土的礦物成分，一般是以伊利石、石英為主，并含有蒙脫石。土的化學(xué)成份，以硅、鋁、鐵為主，硅鋁分子比介于3—4之間，詳見(jiàn)表2.1.1及表2.4。從土的物理性試驗(yàn)結(jié)果表2.1.2來(lái)看，天然含水量一般低于或接近于塑限，鞏縣、偃師兩地的天然含水量偏小，伊川地區(qū)天然含水量則稍高。各地區(qū)裂隙粘土化學(xué)成份統(tǒng)計(jì)表表2.1.1項(xiàng)目sqAI2O3Fe2O3CaOMgO(K2ONaOPh燒失量地區(qū)\(%)(%)(%)(%)%)(%)(%)信陽(yáng)60.5-12.7--4.6--0.5--0.46--2.1--0.54--7.0--7.3--70.817.56.80.91.162.91.188.011.3鞏縣65.3-13.9--5.3--0.88--0.74--2.6--1.07--8.0-7.4-66.914.55.51.06-1.173.21.148.69.0偃師60.9-15.2--5.7--0.84-0.592.8-0.35-7.410.164.316.76.60.883.650..8-7.6各地區(qū)裂隙粘土的物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表表2.1.2地區(qū)及類(lèi)型粘粒含量Wc含水量W孔隙比e飽和度Sr液限WL塑限W▼￥p塑性指數(shù)Ip液性指數(shù)Il%%%%%%信陽(yáng)（1）4019.90.635&636.821.515.3--0.1信陽(yáng)（2）4324.00.7239138.122.016.10.12信陽(yáng)（3）4922.70.6379845.123.921.2--0.06鞏縣3.415.20.6656235.020.015.0--0.32偃師4519.80.6378639.524.115.4--0.28伊川3826.00.7719445.823.522.30.11裂隙粘土的強(qiáng)度和變形特征裂隙粘土在天然條件下，一般處于堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)，密度較大，含水量小，粘粒含量較高，膠結(jié)較好，故強(qiáng)度較高，壓縮性較低。但由于其特殊的裂隙結(jié)構(gòu)，不僅在工程應(yīng)用上應(yīng)考慮土的結(jié)構(gòu)特征對(duì)工程的影響，而且在測(cè)試方法上也應(yīng)考慮因測(cè)試方法不同而對(duì)土的強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。用直剪儀測(cè)定裂隙粘土的抗剪強(qiáng)度，受剪切面的限制，試驗(yàn)結(jié)果不能反應(yīng)土體軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，而三軸剪切試驗(yàn)?zāi)茌^好的反應(yīng)土體軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，但由于往往制樣上的失敗而無(wú)法取得工程所需要的試驗(yàn)結(jié)果。1982年我院試驗(yàn)室研制成功了彈性油壓制樣器，解決了裂隙粘土的制樣問(wèn)題，取得了較好的成果。試驗(yàn)結(jié)果比較如下：天然狀態(tài)的試樣：C值約增大1/4,①值約增大1/3；飽和狀態(tài)的試樣：C值約降低3-13%,①值約增大10-30%；飽和固結(jié)的試樣：C值約降低1/3,碎裂嚴(yán)重的土約降低1/10,①值約增大40%。以上試驗(yàn)結(jié)果比較說(shuō)明,直剪試驗(yàn)結(jié)果在很大程度上反應(yīng)了菱形土塊的強(qiáng)度,用直剪試驗(yàn)確定裂隙粘土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是不適宜的。從表2.2看,各地區(qū)及不同類(lèi)型的裂隙粘土,其壓縮性非常接近,均屬低壓縮性粘土。但土的強(qiáng)度差異卻比較明顯。裂隙粘土的透水特征裂隙粘土的透水性與裂隙產(chǎn)狀和發(fā)育程度有明顯關(guān)系。豎向裂隙發(fā)育的粘土,其垂直方向的透水性明顯增大,裂隙發(fā)育短小的土,其不同方向的透水性差異較小，見(jiàn)表2.3。裂隙粘土的脹縮特征裂隙粘土的脹縮性是土和水相互作用時(shí)所表現(xiàn)的一種特性，取決于土的物質(zhì)組成和天然狀態(tài)，土的粘粒含量愈高，強(qiáng)親水性礦物愈多，則脹縮變形愈大。對(duì)于礦物成分相同的土，含水量愈低，孔隙比愈小，則膨脹性愈強(qiáng)。從土脹縮性的指標(biāo)看(見(jiàn)表2.4)，裂隙粘土一般具脹縮性，但不一定屬于膨脹土，應(yīng)根據(jù)土的礦物成分、化學(xué)成分、土的膨脹性和天然狀態(tài)進(jìn)行判別。在裂隙粘土中，發(fā)育斜交裂隙的硬粘土，一般為高塑性和強(qiáng)脹縮性的粘土,如信陽(yáng)地區(qū)棕紅色裂隙粘土和伊川縣的褐黃色裂隙粘土，具有高塑性和較強(qiáng)的脹縮性。各地區(qū)裂隙粘土的強(qiáng)度和變形指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表表2.2地區(qū)及類(lèi)型直剪不固結(jié)不排水剪固結(jié)不排水剪無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度壓縮系數(shù)壓縮模量C(KPa)①CU(KPa)①UCcu(KPa)①cuqu(KPa)aVEs(MPa)信陽(yáng)(1)5617.8110353470.007232信陽(yáng)(2)6919.48171740.01172信陽(yáng)(3) 6822.981202020.008205鞏縣8927.94810.585242400.007220偃師7520.56310.948313100.02234伊川 355.6 各地區(qū)裂隙粘土滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)表表2.3地區(qū)信陽(yáng)(1)信陽(yáng)(2)鞏縣偃師Kvm/d0.1440.0340.3460.032Khm/d0.0430.0690.281Kv/Khm/d3.40.51.2 各地區(qū)裂隙粘土脹縮性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表 表2.4地區(qū)硅鋁分子比粘粒含量孔隙比液限液性指數(shù)活動(dòng)性指數(shù)吸水指標(biāo)膨脹性指標(biāo)壓實(shí)指標(biāo)WceWl.Il.KaKwKeKd信M3.0-3.1400.63536.8--0.10.500.590.230.60信113.0-4.1430.7233&10.120.560.440.190.72信L<2.5490.63745.1--0.060.660.940.370.76鞏縣3.3-3.5340.66535.0--0.320.430.170.71偃師263.1450.63739.5--0.280.700.271.06伊川380.77145.80.110.930.650.280.813.0結(jié)論1、裂隙粘土大部分為第四系中更新統(tǒng)地層內(nèi)，屬于一般粘土的早期堆積物，出露于丘陵地區(qū)或壟崗頂部，其化學(xué)成分，主要有較強(qiáng)的親水性礦物組成。粘粒含量較高，密度較大，天然含水量小，多低于或接近塑限，孔隙比較小，液性指數(shù)低。裂隙粘土在天然條件下，一般處于堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)。2、裂隙粘土具有較發(fā)育而不規(guī)則的裂隙，在天然狀態(tài)下，致密堅(jiān)硬，強(qiáng)度大，地基承載力高，但在卸荷、臨空的條件下，易引起裂隙張開(kāi)，使土的強(qiáng)度降低，在水的作用下，對(duì)強(qiáng)度的影響尤為嚴(yán)重。各地區(qū)及不同類(lèi)型的裂隙粘土，其壓縮性非常接近，均屬低壓縮性粘土。裂隙粘土的透水性與裂隙產(chǎn)狀和發(fā)育程度有明顯關(guān)系。豎向裂隙發(fā)育的粘土，其垂直方向的透水性明顯增大，裂隙發(fā)育短小的土，其不同方向的透水性差異較小。裂隙粘土一般具脹縮性，但不一定屬于膨脹土，應(yīng)根據(jù)土的礦物成分、化學(xué)成份、土的膨脹性和天然狀態(tài)進(jìn)行判別。在裂隙粘土中，發(fā)育斜交裂隙的硬粘土