伊犁谷地風成黃土程地質特性研究
2010-12-31 00:00:00葉義生陳萍莉
現代商貿工業 2010年19期
摘 要:伊犁谷地的山麓地段分布有大面積的風成黃土，這些形成于0.9-0.6Ma地質歷史時期的風成黃土具有含水量低、孔隙比大、濕陷性等級高的特點，對伊犁谷地山麓地段的工程建設產生了嚴重的影響。通過對伊犁谷地風成黃土的分布、工程地質特性的初步分析研究，為工農業生產與工程建設在場地選擇和地基處理方面提供了指導性意見，具有較強的實際意義。
關鍵詞:伊犁谷地;風成黃土;工程地質特性;濕陷性;地基處理
中圖分類號:N91
文獻標識碼:A
文章編號:1672-3198(2010)19-0348-03
0 引言
黃土的物理性質和力學性質具有區域性規律，宏觀上已經早有認識，微觀上也已得到證明。如運用掃描電子顯微鏡對黃土微結構進行研究，黃土微結構具有區域性變化規律，胡瑞林等應用分形幾何理論研究黃土濕陷性，黃土顆粒定向分維值表現為明顯的“群類相關特性”——區域性特點，黃土濕陷變形機理的結構理論認為，黃土結構骨架的集粒形態和骨架顆粒間的連結形式及骨架顆粒的排列方式等有著地區性變化規律。故在不同的區域，黃土展現出不同的特性，從而決定其獨特的工程地質特性。因此，在工程地質工作中，只有在有區別地針對不同區域黃土的工程地質特性的前提下，才能準確無誤地進行工程建設，避免出現工程地質問題。
新疆地區的黃土主要分布于天山北麓、準噶爾界山西麓、伊犁盆地、塔城盆地及博爾塔拉谷地等處，天山黃土主要分布在天上北坡以及天山內部的伊犁——昭蘇谷地和大、小尤爾都斯谷地。天山黃土包括風成黃土和二次搬運水成黃土。而伊犁盆地黃土則主要為風成黃土，故其具有一定的區域性特征。
1 伊犁盆地風成黃土的分布規律
1.1 地理分布特點
伊犁谷地風成黃土是新疆地區風成黃土的重要分布區，它形成于0.9-0.6Ma地質歷史時期(晚更新世晚期)，是青藏高原隆起和中國西北及中亞地區氣候干旱化的結果。
伊犁谷地的風成黃土主要分布在低山、丘陵地區(圖1)，在伊犁谷地北側，風成黃土披覆于科古琴山和博羅霍洛山南麓的山前地帶，形成長崗狀地形，厚度2-30米，分布上限西側1200-1600米，東部1800-2000米。在鞏乃斯谷地，黃土分布順谷地方向由東到西呈透鏡狀，即中間厚兩側薄。在昭蘇盆地和特克斯谷地，風成黃土披覆在低山、丘陵和高階地上，厚度多在5-20米之間，分布上限1900-2100米。在喀什河谷地，風成黃土分布在二級以上的各階地上，厚度幾米到幾十米，在東部的二牧場一帶，黃土厚度大于30米，分布上限1900-2100米。
圖1 伊犁谷地黃土分布圖
1.2 地層接觸關系
伊犁谷地風成黃土的地理分布特點表明，風成黃土與黃土之前的地層接觸關系相對復雜，基本涵蓋了伊犁谷地南北兩側低山、丘陵出露的所有各時代的地層，其接觸關系多為不整合接觸。
黃土與上更新統沖洪積層的接觸表現在河谷高階地，在喀什河、特克斯河、鞏乃斯河的高階地上，黃土直接覆蓋在階地的沖洪積層之上，沒有漸變關系，而是直接過渡關系。
黃土與中更新統冰水沉積層的接觸表現在山坡丘陵地帶，在伊寧縣北山坡一帶，黃土直接覆蓋在冰水沉積層上，冰水沉積層只在沖溝處被后期流水沖刷揭露，中更新統冰水沉積層特征明顯。
黃土與新第三系獨山子組泥巖、砂巖的接觸表現在山麓的低山區，黃土隨泥巖、砂巖形成的原始地貌直接覆蓋，黃土層的厚度與地形地貌關系密切，山脊部位厚度小、山梁或山坳地段厚度大。
1.3 風成黃土形成的間隙性
伊犁谷地風成黃土沉積的間隙性是與地質環境事件相關的，即0.9-0.6Ma地質歷史期間地質環境事件相關。這種間隙性反映了黃土的沉積環境改變，黃土沉積厚度的變化。
(1)黃昆運動第二階段。
黃昆運動第二階段(0.9-0.8Ma)是指青藏高原再次隆起，亞洲內陸地區的急劇干旱化，沙漠開始擴張，全球增強的西風環流系統把大量沙塵物質搬運到伊犁谷地，形成黃土堆積，該時期的黃土堆積厚度比較小。
(2)黃昆運動第三階段。
黃昆運動的第三階段(0.65-0.6Ma)是全球氣候變化的重要轉折期，青藏高原在原基礎上再次隆起，亞洲內陸發生了一次明顯的干旱化事件，環流進一步明顯增強，沙漠急劇擴大，并最終形成今天的干旱環境格局。伊犁谷地的黃土堆積明顯加快，厚度增大，在山前地段沉積了厚度較大的黃土層。
2 伊犁谷地風成黃土的工程地質特性
2.1 顆粒組成特點
根據伊犁谷地風成黃土顆粒分析成果表明(圖2)，黃土的顆粒主要以0.01-0.005mm為主，占40-50%，其次為0.075-0.01mm，占30-40%，<0.005mm的約占10-20%，含少量的粉砂，一般為1-3%。
2.2 物質組成特點
伊犁谷地風成黃土礦物成分比較復雜，分為碎屑礦物、粘土礦物，碎屑礦物主要為石英、云母和長石，占碎屑礦物的
圖2 風成黃土典型顆粒級配曲線圖(100個樣)
80%左右，其次有輝石、角閃石、綠簾石、綠泥石、磁鐵礦等。粘土礦物主要是伊利石、蒙脫石、高嶺石、針鐵礦、含水赤鐵礦等。黃土的化學成分以SiO2占優勢，其次為Al2O3、CaO，再次為Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、FeO、TiO2和MnO等。
2.3 工程地質特性
(1)含水量及滲透性。
伊犁谷地風成黃土的含水量低，從含水量與深度的關系曲線(圖3)反映，表層干燥，含水量一般在2-6%，隨深度有一定的變化，但一般也小于10%。
圖3 含水量隨深度變化曲線圖
黃土的滲透性差，現場的雙環滲水試驗和室內原狀樣的滲透試驗表明，黃土的滲透系數k=1.02-2.0×10-4cm/s，個別可以達到8-9×10-4cm/s，屬于透水性弱。
(2)密度與比重。
風積黃土的濕密度與含水量關系密切，根據統計數據顯示，一般在1.33-1.90，平均值1.453，標準差0.099，變異系數0.068。
風積黃土的干密度一般在1.2-1.6，平均值1.37，標準差0.063，變異系數0.046。
風積黃土的比重為2.7，一般變化很小。
(3)孔隙比與孔隙率。
風積黃土具有大孔隙結構特點，干燥、易碎。根據統計資料表明，孔隙比一般在0.8-1.1，大的可達到1.8、小的0.7，平均值0.982，標準差0.13、變異系數0.13。孔隙比隨深度有一定的變化(圖4)，趨勢是隨深度逐漸變小。風積黃土的孔隙度在40-55%，平均值在48-50%，標準差2.3、變異系數0.05。
圖4 孔隙比隨深度變化曲線圖
(4)液限與縮限指標。
風積黃土的液、縮限含水量相對穩定，據統計，液限含水量在22-25%之間，平均值為23.6，標準差0.55、變異系數0.023。
風積黃土的縮限含水量在15-17.5%之間，平均值為16.5。塑性指數4.5-7.0，液性指數小于0。
(5)濕陷性和起始壓力。
濕陷性是風積黃土的最大特性，其主要指標為濕陷系數與自重壓力，自重濕陷系數與濕陷起始壓力。
濕陷程度是濕陷系數大小的判定參數，表1是對86組原狀樣進行統計的結果，表明濕陷程度中等——強烈的比例占總數的74.4%。
表1 濕陷程度統計表
濕陷系數(δs)濕陷程度數量比例(%)
δs<0.015非濕陷性67
0.015≤δs≤0.03輕微1618.6
0.03<δs≤0.07中等2731.4
Δs>0.07強烈3743
濕陷程度與深度關系較大，從圖5表明①形成時代具有明顯的間斷性，每次的沉積間歇時間長短不一;②越早沉積的黃土濕陷系數越小，自重濕陷系數也越小;③受沉積間歇環境的影響，每個間歇期黃土表層(1-2米)的濕陷系數較小，在2-4米達到高值，隨后是濕陷系數快速減小。
圖5 濕陷系數隨深度變化曲線圖
濕陷類型與濕陷等級是黃土的濕陷系數、自重濕陷系數、厚度的綜合反映，根據已有資料表明，伊犁谷地風成黃土的濕陷類型包括自重濕陷與非自重濕陷，當黃土層的分布厚度小于8米時為非自重濕陷，當厚度大于8米時為自重濕陷。濕陷等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的均有，其中Ⅱ-Ⅲ自重濕陷的約占57%、Ⅰ-Ⅱ非自重濕陷的約占43%。
圖6 濕陷系數、濕陷起始壓力與深度關系圖
濕陷起始壓力是反映非自重濕陷黃土特性的重要指標，具有很高的使用價值。它與濕陷系數具有明顯的相關性(圖6)，即δs越小、Pah越大，從統計數據看，濕陷起始壓力分布在30-200Kpa，主要集中在40-70 Kpa段。
(6)壓縮系數與壓縮模量。
風成黃土的壓縮系數a1-2位于0.2-0.4MPa-1區間，平均值為0.32Mpa-1，屬于中壓縮性，相對應的壓縮模量Es值位于3-8MPa。壓縮系數與壓縮模量隨深度的變化幅度較小。
(7)粘聚力與內摩擦角。
風成黃土的粘聚力與內摩擦角的差異性較大，且隨深度變化幅度較大。粘聚力的變化范圍為1.6-28.8KPa，平均值16Kpa。內摩擦角的變化范圍4.5-15°，平均值10°。
3 風成黃土與地基處理
3.1 風成黃土地段工程建設地基問題
伊犁谷地風成黃土的工程地質性質顯示，黃土具有大孔隙、中壓縮性，低含水量、濕陷程度等級高，Ⅱ-Ⅲ級自重與非自重濕陷性，是工程建設中不良地基土，對工程建設的選址、建設有制約和控制作用。
由于黃土的濕陷性造成的工程建設質量問題很多，主要表現在以下幾個方面:
(1)勘察方面:一般條件下，在廠址選擇時往往只重視其他條件，而或略地基這一因素，造成廠址選擇不當。由于研究區風成黃土具有其區域特性，如勘查不仔細，結論不準確將造成濕陷事故;如未經過濕陷性試驗，就按非濕陷性土對待;勘察時不能正確劃分黃土地基土的濕陷類型和濕陷等級，在評價濕陷性土層厚度時估計不足，導致濕陷等級偏低等。故，在該區域進行勘察時，需特別注重其濕陷性勘察。
(2)設計方面:因存在Ⅰ-Ⅱ濕陷性，而沒有按黃土規范采用相應的結構措施，以及防水措施標準偏低或根本沒有防水措施，由此造成建成的建筑物發生傾斜、地面凹陷等問題。有些黃土濕陷性等級為Ⅱ-Ⅲ的自重、非自重濕陷土，在進行基礎設計時，地基處理深度不夠，造成建筑物傾斜、報廢等。
(3)施工方面:地基處理質量不符合要求，沒有部分或全部消除黃土的濕陷性，導致建筑物基礎不均勻沉降、無法使用等。有的防水措施的施工質量低劣，散水和地坪填土的質量差等，導致地表水、污水侵入地基引起不均勻沉降，造成建筑物破壞。
3.2 地基處理的常用方法
伊犁谷地風成黃土分布地段工程建設的地基處理常用方法主要為強夯和灰土樁。
(1)灰土樁:主要處理地下水位以上、深度在5-15米的濕陷性黃土的一種加固方法，它利用打入鋼管套或振動沉管在地基土中成孔，然后在孔中分層填入灰土后夯實而成灰土樁。灰土樁不僅可以消除黃土地基土的濕陷性，還能較大幅度地提高地基土的承載力。2007-2008年，精伊霍鐵路伊寧縣敦麻扎段，采用灰土樁處理濕陷性黃土達到幾十公里長，處理深度10-15米，取得了較好的社會效益和經濟效益。
(2)強夯:采用重錘對地基土施加很大的沖擊能，以提高地基承載力，降低土的壓縮性，消除黃土的濕陷性。同時還能提高土層的均勻程度，減少可能出現的差異沉降。在伊犁谷地，根據黃土的含水量高低一般采用中等能級和高能級強夯。對于一般住宅建設或一般的工業廠房建設，可以對黃土先進行預浸水后，采用能級2000-4000KN.m進行強夯，取得了明顯的效果。
對于黃土區重要的工程建設項目，采用高能級的夯擊能進行處理，如新疆慶華55億立方米/年煤制天然氣項目廠區，采用7000-8000KN.m夯擊能對黃土進行分層處理，處理的最大厚度為26米，處理后地基承載力要求達到250-300KPa。目前，對于高能級的夯擊能直接處理含水量小于10%的風成黃土的機理還在探討過程，等該項目的地基處理檢驗結果進一步驗證。
4 結語
伊犁谷地風成黃土分布廣，形成地質歷史延續時間較長，具有大孔隙率、中等壓縮性、含水量低、濕陷程度大、自重和非自重濕陷等級高等特點，給工程建設的地基處理帶來了較多問題。只有正確認識工作區風成黃土的工程地質特性，才能準確把握工程建設中面臨的地基處理問題。
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