南四湖地区结构性粘土成因分析

雷 文,陈 亮,张红宇,赵小龙,王亚坤,李剑超,丁小闯

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;2.河海大学 岩土工程研究所,江苏 南京 210098)

山东省境内的黄河冲积平原,占全省面积的41%以上[1]。区域内广泛分布着裂隙粘土,据统计此类粘土一般分布在地表以下10 m范围内,深者一般不超过15 m。山东地区裂隙粘土可分为四个沉积区,即鲁西南冲积平原沉积区、鲁西北冲积平原沉积区、山前冲洪积平原与黄河冲积平原交接洼地沉积区,以及黄河三角洲沉积区,鲁西南和鲁西北平原区的裂隙粘土具有3～4层的多层结构分布特征,而交接洼地区和黄河三角洲区一般呈单一薄层结构的特征,南四湖裂隙粘土则属于鲁西南冲积平原沉积区。笔者在西姚与李户两个站点对南四湖地区粘土的结构发育进行了解,发现主要有裂隙和孔洞两种,粘土结构性的存在使得湖西大堤的渗透性较大,为了能够更好的对当地粘土的渗透特性有客观上的理解认识,有必要对粘土裂隙与孔洞的形成原因进行分析,南四湖结构性粘土已有研究如下:

廖济川[2]指出裂隙粘土大都处于超固结状态,土体内部的裂隙发育形态没有固定的规则,因此某一部分土样的抗剪强度并不能代表整个土体的抗剪强度。鉴于此,作者先用反算法确定了现场抗剪强度指标,然后用残余系数表达裂隙土的强度衰减问题。张颖钧[3]指出,超固结裂隙粘土由于裂隙性、膨胀性和超固结性,堑坡的设计比一般粘土堑坡要求更高,作者分析研究了超固结应力作用下,裂隙粘土堑坡的滑动规律,从而得出了比较合理的坡高和坡率,并对已有的粘土斜坡进行了检验。傅传元[4]认为裂隙粘土土体中裂隙性质、类型及分布规律是多种多样的,这是由裂隙的成因不同决定的。风化作用是粘土形成裂隙的主要原因,风化作用形成的裂隙多呈微张开状,形态和产状多较杂乱,其分布亦常在地表及接近地表的1 m、2 m范围内。王志伟[5]等鉴于裂隙粘土性质的特殊性,指出一般的极限平衡法对其稳定性分析有一定的差异,并用FLAC模型对其边坡的渐进破坏和整体稳定性进行模拟,取得了较好的效果。赵中秀[6]等研究了超固结状态下裂隙粘土的强度特性,并指出了粘土原位抗剪强度线、凝聚力、内摩擦角的确定方法以及计算公式。徐瑞兰[7]等指出了裂隙粘土具有容重低、结构疏松,孔隙比大、压缩性高、液限高、承载力低、粘粒含量高等特点。以上研究分别从裂隙粘土的强度特性,组成成分等方面进行研究,也提到了裂隙粘土的一些典型特性,但并没有对此种特性的形成原因进行深层次的说明,为了能对裂隙粘土的形成原因有一个全面的了解,本文特对山东省南四湖地区的粘土裂隙及其内部结构的形成进行分析,指出粘土结构形成的主客观因素。

1 应力原因分析

1.1 前期固结应力

首先考虑结构性粘土中裂隙的发育是否是由于应力原因,由土力学[8]得知,土体的现有应力小于其应力历史中的最大应力,即前期固结应力,那么土体处于超固结状态,若现有应力大于前期固结应力,那么土体便处正常固结即欠固结状态。知道了土体所处的应力状态,也能定位出土体应力在结构性粘土裂隙形成过程中所起的作用。

为了求出现场土体的前期固结应力,分别于西姚站坝顶1号钻孔2.3 m深度以及李户站点3号钻孔2.3 m深度各取两组土样进行土的固结压缩特性试验。之后根据得出的e-logp曲线,得出前期固结应力。

表1为西姚站点坝顶部位k①中的2号试样所做的固结压缩试验。

根据上述数据,确定土体的前期固结应力Pc。用卡萨格兰德方法,利用依据室内压缩特征建议的经验图解法,求出前期固结应力的大小。

首先,求出室内压缩的e-logp曲线,如图1所示。

求出曲线上曲率最大的点A,过A点做水平线A1,切线 A2,然后做角A1AA2的角平分线 A3,将压缩曲线下部的直线段向上延伸交 A3于B点,之后找出B点对应的横坐标Pc,可以得出 Pc点所对应的值为logp=1.86,求出 p=72.97 kPa,则可以得出土样的前期固结应力为73.0 kPa。

表2为李户站点坝顶部位k③中的2号试样所做的固结压缩试验。

同上例,求出室内压缩曲线的e-lgp曲线如图2所示。同理可以得出土样的前期固结应力为72.1 kPa。

表1 西姚站点土体固结压缩试验

图1 西姚站点土样室内压缩e-lgp曲线

图2 李户站点土样室内压缩e-lgp曲线

表2 李户站点土体固结压缩试验

1.2 应力计算

上述土样K①002取自西姚站点坝顶下2.3 m处。K③002取自李户站点坝后2.3 m处。由室内试验可以得出,土样的干湿密度详见表3。现场资料显示,钻孔K①的地下水位深度为5.0 m,K③的地下水位深度为0.44 m,计算可得两个钻孔在2 m处的土体应力分别为:

表3 土体物理性质指标

由于三号钻孔取样位置位于地下水位以下,所以对其进行土体应力计算时,应该分两层分别求解,二者之和为所研究对象的土体应力。

1.3 计算结果

计算结果整理见表4。

由表4可以看出,两个站点处所研究土样的现有土体应力均小于前期最大固结应力,属于弱超固结土。可见土体在应力历史中已经完成了固结,并且此地区粘性土体在受力过程中存在应力释放,一定程度上也会引起土体内部形成孔隙。但是据现场观察资料显示,土体内部裂隙分布较多,参差不齐,没有一定的规律性,并且裂隙内部与周围土体存在一定的色泽差异。假若土体裂隙是由应力原因引起,那么裂隙的分布排列应具有一定的规律性,并且长度应具有连贯性,而现场土体中的裂隙长度大都在10 cm左右,裂隙之间的连接间断性普遍,且裂隙的走向、倾向紊乱。因此可以推测,南四湖地区粘土结构性的存在并不是由于应力原因。

表4 应力分析结果

2 水文地质原因

2.1 地质年代确定

为了能够更好的了解山东省南四湖地区结构性粘土的形成机理,需要得出现场土体的地质演变历史。现场钻孔分析资料显示,研究区域的粘性土层下分布有一层1 m～2 m厚度不等的黑色粘土,可以通过对此层黑色粘土的形成原因进行分析,进而判断其上部结构性粘土的形成机理。

资料显示[1],裂隙粘土主要分布在泛滥洼地内,在自然堤边缘部分上部也有薄层裂隙粘土分布,一般以透镜体状穿插在砂壤土或粉细砂层中。现场观察可以看出,粘土层主要分布于黑色粘土之上,假若我们能够确定黑色粘土的形成年代,那么对于粘土的存在历史也便可以有一个准确的定位。

据陈孝燕在《山东省第四系》一书中介绍[9],山东省在历史上发生过一次比较重大的海侵现象,海侵始于公元前9 500—9 000年左右,结束于公元前2 500年左右,形成一个完整的海水进退旋回。因此我们可以推测,黑色粘土形成于公元前2 500年前左右。

2.2 成因分析

裂隙粘土主要分布于黑色粘土之上,黑色粘土主要为当时南四湖湖底的淤泥质土体固结而成,在黑色粘土形成之后,南四湖内部湖水位不可避免的发生升降变化。在此过程中,水流速度逐渐由急变缓,直至几乎停止,形成大片积水洼地。水中悬浮颗粒的沉积堆积由于水流冲击力的惯性作用,也按照水流减缓的过程,按照斯托克斯沉降规律[10],较粗颗粒的土先行沉积,然后较细颗粒、细颗粒土依次沉积,以粘粒(粒径不大于 5 μm的颗粒)和胶粒(粒径不大于2 μm的颗粒)成分为主的裂隙粘土随着水流的停滞最后沉积下来(在南四湖大堤加固、湖下游抽携湖水在洼地造田的过程中可以很好的观察到这种沉积现象)。含沙浓度、级配、粒径、边界条件等因素对颗粒及颗粒群沉降速度也有很大的影响[11],上述因素使得土颗粒在水流中的沉积规律很复杂,本文将济宁市南四湖地区的结构性粘土当做一个普遍存在的整体,重点分析整层粘土在水位升降中的结构变化,因此忽略了浓度、级配、粒径、边界条件等的影响。

根据现场抽水试验,可以看出在三角围堰中,土颗粒以一种悬浮的胶体状态分布于抽出水体中。而在几千年的生活实际中,当地居民的生产活动对整个南四湖湖内土体结构的影响也是不可忽略的。随着抽水淤背或造田抽水的结束,湖内水位停滞,最后在先行沉积的砂壤土和轻壤土的顶部就形成了一层厚度数厘米到数十厘米的高液限粘土,当南四湖水位下降时,坝后潜水层降低,位于水位以下的粘土彰显出膨胀土的特性,由于原有土体饱和时,土体膨胀,水位下降时,土体收缩干裂,形成具有一定隙宽的裂隙,随着时间的累积,该土层多次经受此循环,使裂隙不断发育,形成具有不同裂隙发育程度的结构性粘土。通过对孔洞的观察可以看到,孔洞的孔壁呈现灰白色,且为硬塑状态,并且孔洞壁较为光滑,说明孔壁经受了一定的径向挤压力,而不是简单地由于水流把细颗粒带走而形成孔洞的管涌通道,通过现场土体裂隙图片及灌注示踪剂可以发现:部分孔洞里存在已经腐烂但没完全腐烂的植物根系,这些孔洞的孔壁上可以看到植物根系的表皮;在探坑周边进行灌注示踪剂发现,示踪剂总是沿着植物根表皮流入探坑,少数是通过发育良好的孔洞流出。

综上所述,随着湖水水位的升高与降低,使得南四湖粘性土体内部形成裂隙并不断发育。同时,南四湖湖内原有的大量水生植物较多,根系发育较好,由于植物根系的延伸、生长及腐烂,内部残留的腐殖质被逐步带出土体或者分解,使该裂隙土体内部形成了孔洞,经受长时间的水流冲刷作用,使裂隙和孔洞贯通,最终形成了裂隙与孔洞交叉,具有较大渗透系数的结构性粘土。

2.3 土 性

膨胀力按下式计算:

式中:Pc为膨胀力(kPa);W为施加在试样上的总平衡荷载(N);A为试样面积(cm2)。

实验结果如表5所示。

表5 膨胀力分析结果

对该结构性粘土成份进行分析知:该结构土蒙脱石类占到30%;且裂隙发育,常有光滑面和擦痕,有的裂隙中充斥着灰白色粘土,地形平缓,无明显自然陡坎;实验得到的自由膨胀率在40%左右;根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ 112-87)[12]知,此南四湖结构性土体可以认定为膨胀土。

3 结 论

通过对表层埋深2 m左右的结构性粘土进行相关的现场与室内试验,论述了水土相互作用以及膨胀力等因素在研究区域的关系,初步得到了此区域结构性粘土的基本特性,总结如下:

(1)南四湖地区粘土为弱超固结土,其应力历史的变化并没有对其内部结构的形成起到直接的影响作用。粘土裂隙与孔洞复合型结构的形成,不是由于应力原因。

(2)结构性粘土下层黑粘土所在部位为3 500年前南四湖的湖底部位,至今的几千年中,由于湖内水位的升降变化,致使黑粘土上层形成了一层厚度2 m左右的粘土层,而其内部也堆积了大量原有的或者新生的植物根茎。

(3)现场土体内部孔洞与裂隙的发育程度较高,是影响该结构土渗透性的主要因素,现场探坑开挖可以看出空孔洞渗水量非常大,裂隙渗水次之。裂隙与孔洞的存在导致了南四湖湖西大堤整体渗透性能的增加,致使坝后地下水位太高,严重影响了当地居民的生产生活。

在现场进行工民建、堤坝、梯田、灌溉工程设施等的施工过程中,应充分考虑结构性粘土渗透性大,并且具有一定膨胀性的特点。采取经济实惠安全牢固的地基处理方案,做好相应的排水措施。对其结构性形成原因的分析,得出其渗透性的具体参数值,有利于当局有针对性的进行区域工程维护。同时,也能使南四湖更好的为民所用,一定程度上大大的改善当地的环境状况。

[1]欧钊元.山东省裂隙粘土成因及水利工程应用研究[D].青岛:中国海洋大学,2006.

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[5]王志伟,王庚荪.裂隙性粘土边坡渐进性破坏的FLAC模拟[J].岩土力学,2005,26(10):1637-1640.

[6]赵中秀,王小军.超固结状态下裂隙粘土的强度特性[J].中国铁道科学,1995,16(4):56-62.

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[12]中华人民共和国城乡建设环境保护部,中华人民共和国国家计划委员会.GBJ 112-87.膨胀土地区建筑技术规范[S].北京:中国计划出版社,1988:4-5.