莫斯科西南部人工填土的物质成分与性质特征

张 泽，Nikolaeva Svetlana K，陈慧娥

（1.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州730000；2.罗蒙诺索夫莫斯科国立大学地质系，俄罗斯联邦 莫斯科；3.吉林大学 建设工程学院，吉林 长春130026）

随着人类工程活动的进度加快人工填土广泛的分布于整个城市当中，尤其是在一些世界级的特大城市中，人工填土分布面积大，厚度大，且在地质剖面中分层非常清晰，它们在工程建筑当中经常被作为建筑物的地基承压层。近年来随着各国大城市的迅速发展，城市区域工程建设活动的逐渐增多，遇到了很多关于人工填土的一些岩土工程问题，如道路地面塌陷、边坡失稳等等一些的问题。而对城市的地貌、地质构造、岩石性质、水文环境以及地质发展历程研究得非常透彻。但是所有的这些研究工作，无论是纯地质研究还是工程地质研究，都很少有人对人工堆积层的结构和性质进行深入的分析。人工填土的物源比较复杂，对其研究比较缺乏，而且工程地质的评价方法较少，如果对于人工填土不加以分析和研究就贸然采用势必对工程建筑带来危险性，如果完全摒弃，不采用则会造成浪费。以莫斯科为例整个城市96%的面积被人工填土覆盖，最大厚度可达到20m。由于莫斯科发展的局限性和地基处理的难度，人工填土不可避免的作为地基土的组成部分，因此在莫斯科很多建筑的地基持力层在人工填土上。由于人工填土其性质不均匀，厚度和密度变化大，压缩性大，强度低，渗透性不均匀且部分土具有湿陷性，等等。因此人工填土作为地基土，需要做进一步的研究，特别是对人工填土的基本性质的研究。所以对人工填土层的研究有着很大的必要性和重要性。

在此基础上，作者在俄罗斯联邦罗蒙诺索夫莫斯科国立大学对莫斯科市人工填土进行了基础性的研究。以莫斯科市西南部为列，对其广泛分布的人工填土的物质组成及性质特征进行分析和阐述。希望在此基础上能让国内的研究人员了解俄罗斯在这方面的研究进程，从而引起国内对人工填土的重视，是其更好地为的工程建设服务。

1 莫斯科人工填土层的发展

人工填土—在人类工业和农业活动中被改变和运移后的天然岩土和在矿产和有机原料生产过程中人为产出的固体废料。人工填土的主要物源来自于采矿活动、工程建筑、农业活动、工业生产、公共事业以及战争活动等等，因此人工填土的形成与人类活动有着紧密的联系。人工填土的堆积过程是始终伴随着城市发展的，城市的扩张导致耕地、绿地以及森林的消失，在城市化的改造中人工填土逐渐的形成。

莫斯科，现俄罗斯联邦首都，也是俄罗斯政治、经济、科学文化及交通中心。莫斯科面积1 081km2，市区东西长30 km，南北长40km，人口1 047.3万人（2007年）。莫斯科建城于1147年，迄今已有860余年的历史，是世界特大都市之一和欧洲最大的城市。图1.是从十五世纪到现今莫斯科城市地区发展阶段示意图，在500多年的发展过程当中，城市的面积增加了5 400倍之多，而人工填土的覆盖面积也是成这一级数增长。

随着城市化的作用莫斯科市区人工填土层（tIV）慢慢显露出来，图2为莫斯科西南部人工填土层的分布示意图。从图中可以看出来整个莫斯科西南部大部分地区都被人工填土所覆盖。人工填土物质的成分很复杂，厚薄不均匀，强度不同，堆积的时间长短不一，堆积方式随意，有些地方出现反复多次开挖复添的情况。

由于对人工填土的研究方法并没有理论和方法论作为依据，因此选取了较具有代表性的三个地点，选取了从物源和堆积时间上来看都属于不同类型的人工填土，对其进行了基础性的研究。

2 研究区域地层分布特性

人工填土的土样分别取自莫斯科西南部的三个地点（图2中a、b、c点）。场地a位于涅任斯卡娅路（Нежинская），场地b位于阿布鲁切夫大街（Обручевский），而场地c则位于耶夫列莫娃路上（Ефремова）。下文简称为场地a、b、c。

图1 莫斯科地区发展阶段示意图城市发展边界

图2 莫斯科西南部人工填土分布示意图

1）场地a。此场地位于谢东河畔，由于人工开挖，导致地下水聚集。1949年此场地中心曾变为沼泽地，而从1966年起此场地中心又演化成了水塘，后来被填埋。此后从1976年起a场地在不同时期被人工填埋，一般为周围建筑建筑基坑的回填土，以及拆建的建筑渣土、生活垃圾，因此本场地人工填土的时间已超过30年。场地a的表层被成分和性质复杂的人工填土（tIV）所覆盖，厚度为7.5～12.8m。此人工填土层底部为全新世的湖泊沼泽沉积物（IhIV），上部为更新世坡积物（dIII）和下更新世不同成分的冰水沉积物（fIstdns）[7]。不同的深度采取的土样中均可以看到碎石夹层，并局部含有黑色有机物及其它杂质。

2）场地b。整个场地b部分区域为荒废的基坑和停建的建筑地基，以及纵横交错的地下水管线。人工填土（tIV）占整个场地面积的75%左右。场地b表层由人工填土（tIV）覆盖，厚度为0.3～10.5m。堆填土成份非常复杂，由于崩解原因，基坑几度坍塌，除粘土和亚粘土之外部分区域覆盖有砂土以及碎砖块儿，碎玻璃等建筑垃圾，除此之外还有生活垃圾，如陶瓷碎片、碎纸片、碎布以及塑料聚乙烯制品。以下地层按顺序分别为表层亚粘土（prIII），厚度为0.4～1.90m；冰水沉积亚粘土（fIIms），厚度为0.5～4.6m；冰碛－冰水沉积亚粘土（gIIms），厚度为2.5～18.30m（图3）。

图3 阿布鲁切夫大街工程勘察场地（场地b）地质剖面示意图[8]

3）场地c。场地c位于莫斯科耶夫列莫娃路旁。场地原为人工湖，后被堆填。在20世纪60年代末，沿耶夫列莫娃路曾有一条铁路支线，由此可以推测，铁路沿线人工填土堆积的可能性会更大。工程勘察工作探明了到23m地层，从上到下分别为现代人工填土（tIV）——厚度为1.4～3.0m，粉土并夹杂有建筑垃圾（碎砖块、沥青、陶瓷、碎玻璃）；冲积层（a2IIIkl）——厚度1.9～5.0m，灰褐色中砂和灰色细砂（并带有粘土夹层）和上侏罗纪沉积层（J3v，J3ox）——厚度为8.8～10.8m，上部为粉土和绿灰色塑性亚粘土，并含有化石碎片。下部为深灰色和黑色密实粘土，而且含有化石碎屑。

3个场地人工填土从堆积时间与物源分类属于不同的类型。场地a堆积时间较长，超过30年；场地b曾为建筑工地，堆积物以建筑和生化垃圾为主；场地c为铁路沿线人工堆积物。

3 人工填土的物质组成

验：矿物和化学成分、粒度与微聚集体成分、土粒密度和水理性质的测试。

3.1 矿物成分

从3个场地所取15个土样主要矿物成分为石英（见表1），含量为48%～92%。此外原生硅酸盐类矿物有钠长石，含量为2%～10% ，微斜长石（2%～11%）和普通角闪石（1% 或＜1%）。从结果可以看出在风化条件下不同原生硅酸盐的稳定性：石英 ＞微斜长石 ＞钠长石 ＞普通角闪石。碳酸盐类有方解石（0～5%）和白云石（0～2%）。粘土类矿物含量为1%～17%，其中高岭石、伊利石、水云母、绿土在每一个土样品当中都存在不多。其它还有一些矿物，比如绿泥石、蛭石等在土样中基本小于2%，在有些土样中缺失。在矿物分析的过程中还存在一些伦琴射线鉴别不出来的隐晶物质，这些物质多半是方解石和硅酸盐类矿物的隐晶质状态。

在研究过程中分别对这11个土样进行了以下几种试

表1 研究区域矿物成分表

场地b 4个土样（MB21– MB24）中粘土类矿物为3组土样中最高（14.25%），此沉积层形成于建筑过程中，土样可能来自于建筑工地旁挖取的坑道土，可能来自于其它地方，譬如地铁建设中石料、建筑垃圾、挖取的坑道土等等。由于组成成分的复杂性，其隐晶物质同样为3组中最高的，伦琴射线不能从此土样中辨别出土壤中物质的晶体结构。

3.2 化学成分

土样的碳酸盐及其有机成分含量见表2。其结果比矿物成分中所测碳酸盐含量高，但大致相符，主要原因是化学方法所测数据要更为准确，而且碳酸盐可能会以隐晶状态存在于土样中，伦琴射线不能准确测出其含量。碳酸盐在这些样品中的含量在0.06%～13.31%之间。

在场地c的样品中 MG21（13.31%），MG23（7.84%）中碳酸盐的含量最高，原因可能是在修筑路基时需要三合土作为基本夯土坝，而三合土的成分为石灰、黏土和细砂相混夯实而成的土料，因此样品中碳酸盐的含量要高。

在样品中有机物的含量小于5%。颜色呈深黑色和棕黑色，在样品MG21，MG22和MG23中发现有植物的根茎。从表3中可以看到MG22的烧矢量很高，其原因就是由于MG22中含有较多的有机物成分。由于有机物的存在土样都具有一定的亲水性。

表2 碳酸盐及有机物成分含量表

取MG22号样品做化学成分分析试验并与俄罗斯板块第四纪砂状土（A）和粘土状土（B）的平均化学成分进行对比（见表3）。

在样品MG22中SiO2中的含量低于A中SiO2的含量，而与B相比较高。Al2O3的含量与B中的含量相差不大，与A相比较小。在B中FeO，TiO2，MnO和SO3缺失，在样品MG22中有较少的含量。K2O在样品MG22中的含量比A和B中要少很多。样品 MG22，A和B的收湿含水量都不高。

总体可以看出样品MG22的化学成分与俄罗斯板块第四纪粘土状土的化学成分很相似，一些微小的差别是跟MG22样品的成因有着密切的关系（人工掩埋、建筑垃圾等）。

表3 MG22号人工填土样品与俄罗斯板块第四纪砂状土和粘状土化学成分对比

3.3 粒度与微聚集成分分析

粒度分析试验所得结果（见表4，图4）根据样品采集地可分为三组（场地b－MB、场地a－Z、场地c－MG）。从粒度成分的结果中以及结合3个场地的人为改造历史，可以大致可以做出以下的分析：

表4 粒度与微聚集成分

场地a的土样中（Z1－Z5）砂粒级含量比较多是由于建筑工地废弃土石砂的长期堆积而造成的。场地b的粉粒级与粘粒级含量比较多，粒度成分与原状的表层土（prIII）含量比较相似，是因为由于崩解原因，基坑几度坍塌，使得原状的表层土（prIII）堆积到基坑里面内，形成新的堆积物。而场地c砂粒级含量较高的原因是因为建设铁路时三合土废弃土料的堆积的原因。

从粒度分析半对数坐标累计曲线图中（图4），可以看出来人工填土的粒度成分分散性比较大，这与其复杂的堆填成份有关。从表4中平均粒径的大小也可以对应的看出甚至同一场地的土样也不尽相同。这一由于粒度成分的相异性较大，高度的不均匀性，从而导致其他工程地质性质的较大相异性。

图4 粒度分析半对数坐标累计曲线

根据微聚集成分分别计算出＜0.005mm和＜0.001mm微粒的聚集（集合）系数，＜0.005mm的微粒为1.0～4.1；＜0.001mm的微粒为1.0～11.0（表4）。

可以看出样品MB21和MB24中具有较高含量的粘粒成份（22% 和33%），平均粒径d50较低（0.015和0.006 mm），粉粒中微聚集体较多，根据 И.М.Горькова[2]的聚集系数分类属混合型凝聚胶结结构。样品Z1和Z2的平均粒径d50为0.18mm和0.23mm（均值为0.205mm），Z4和Z5的平均粒径d50为0.018mm和0.065mm（均值为0.041 5 mm），微聚集体主要集中在砂粒与粉粒中，微聚集系数不尽相同。样品MG21、MG23和MG26中具有较高含量的砂粒成份（73%～89%），平均粒径0.3～0.36mm，微粒的聚集系数在1.0到1.6之间，聚合体结构非常弱。

4 基本物理性质分析（基本物理性质）

莫斯科西南部人工填土的物理性质见表5。

表5 莫斯科西南部人工填土物理性质

由以上的数据确实可以看出莫斯科西南部的人工填土具有较高的分散性。根据塑性指数可以将其归类为粉土（Ip＝6%～7%）和亚粘土（Ip＝11%～16%）。

土样的活动性指数（Kka）很低，基本属于相对不活动类型的土，说明土样的亲水性比较差。土的活动性指数能够综合反映土的塑性，粘粒含量和粘粒矿物亲水性之间的关系。

3个场地中人工填土的性质不尽相同，比如土粒密度在2.44～2.78g／cm3之间，而平均值为2.63g／cm3，与实际的土粒密度值差别较大，不具有代表性，故在实际生产中不能采用平均值。

莫斯科西南部人工填土由于其成因和成份的原因，其力学性质指标相对较低。在场地b所采样品 MB12、MB13、MB66、MB67分别在室内做压缩变形试验和剪切测试，试验结果样品MB12和MB13的压缩模量（E1－2）为2.14MPa和3.31MPa，与莫斯科本地冰碛亚粘土（E1－2＝26～32MPa）和冰水沉积土（E1－2＝15～22MPa）相比要低很多。样品MB66（w＝15%，ρ＝2.06g／cm3）的内摩擦角φ＝16°，粘聚力C ＝0.02MPa；MB67（w＝22%，ρ＝1.77g／cm3）的内摩擦角φ＝18°，粘聚力C＝0.01MPa，比莫斯科本地冰碛亚粘土（φ＝19°，C ＝0.06MPa）和冰水沉积土（φ ＝16°，C＝0.055MPa）相比要低。

由此可知莫斯科西南部人工填土与天然土相比具有较差的力学性质，还未形成坚实的土体结构。

5 结 论

1）斯科西南部人工填土中含有大量原生硅酸盐（53%～95%），比如石英、钠长石、微斜长石；含有非晶质物（0～37%）和少量的碳酸盐（0～7%）与粘土矿物（1%～17%）。粒度成分与土的成因具有一致性。从试验结果反映出人工填土具有很强的不均匀性和较低的聚集性。土粒密度在2.44～2.74g／cm3之间，且随非晶质矿物含量增加而降低，土粒密度平均值为2.63g／cm3，与实际的土粒密度值差别较大，不具有代表性，3个场地中人工填土的其它性质也不尽相同，故在实际生产中不能采用平均值。莫斯科西南部的人工填土具有较高的分散性。根据塑性指数可以将其归类为粉土（Ip＝6%～7%）和亚粘土（Ip＝11%～16%）。人工填土的活动性指数（Kka）很低，基本属于相对不活动类型的土，可塑性较低。

2）莫斯科西南部人工填土和天然土相比具有很差的力学性质，人工填埋后未形成坚实的土体结构，工程地质性质较差，属于一种软弱土，或者称为不良土，一般无法满足荷载较高、特殊设计条件建筑物基础设计需要，因此未经过适当，有效处理的人工填土层不宜直接作为建筑物基础的直接持力层。若用做建筑物地基则需要根据实际条件采取不同的应用、处理及加固措施。莫斯科西南地区填土分布较广，种类很多，物质成分及性质各不相同，因此在实际生产中不能采用经验性的平均值。

3）由于中国人工填土层的广泛分布，但是对其研究和分析工作做的很少。随着各项工程建设的加速上马，我们应提高对人工填土的认识。人工填土的不均匀性，高压缩性以及湿陷性会引发或导致一系列的岩土工程问题，因此有必要对其进行有效的、深入的研究，针对具体的问题采取对应的防治措施。

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