武漢地鐵工程勘察中對紅黏土特性的認識

張三定，陶文濤

（1.長江巖土工程總公司，武漢 430010；2.武漢地鐵集團有限公司，武漢 430030）

0 概 述

武漢地區(qū)自北向南分布有多條埋藏型灰?guī)r（可溶巖）條帶，呈近東西向。武漢市軌道交通二號線卓刀泉至光谷廣場站、三號線客運中心站至王家灣站、四號線漢陽火車站至鐘家村站等多條在建或規(guī)劃地鐵線路區(qū)間通過上述灰?guī)r條帶。與灰?guī)r條帶相對應(yīng)，其上部多分布有紅黏土地層。紅黏土為碳酸鹽巖系巖石，在亞熱帶濕熱條件下，經(jīng)風(fēng)化、淋濾和紅土化作用形成高塑性黏土。通過區(qū)內(nèi)大量鉆孔揭露和對灰?guī)r面上覆廣泛分布的第四系土層室內(nèi)試驗成果，以卓刀泉地區(qū)為例，對其代表性土層自上而下分述如下：

粉質(zhì)黏土（10-1）：沖洪積，黃褐色，灰褐色，結(jié)構(gòu)緊密，硬塑狀，含少許鐵、錳質(zhì)結(jié)核，一般層厚2～9m。該層共取樣124組，其中有6組為45%≤WL＜50%，占4.8%，2組WL≥50%，占1.6%。綜合判定該層土不是紅黏土。

黏土夾礫石（10-2）：沖洪積，棕紅色、磚紅色，偶夾灰綠色條帶或團塊，結(jié)構(gòu)緊密，硬塑狀，裂隙較發(fā)育，裂面光滑，具燭狀光澤。含少許碎石、鐵錳質(zhì)氧化物及結(jié)核，一般層厚10～15m。該層共取樣129組，其中有37組為45%≤WL＜50%，占29.0%，29組WL≥50%，占22.6%。綜合判定該層土為次生紅黏土。

黏土（10-3）：殘坡積，位于基巖面附近。黃褐、棕紅色，夾灰綠色條帶或團塊。結(jié)構(gòu)緊密，可塑狀，裂隙發(fā)育，裂面光滑，具燭狀光澤，含少許鐵錳氧化物及結(jié)核，局部含少量碎石（10-4），一般層厚3～15m。該層共取樣198組，其中有28組為45%≤WL＜50%，占14.1%，109組WL≥50%，占55.1%。綜合判定該層土為原生紅黏土。

1 裂隙、均勻性及復(fù)浸水特性

與云南、貴州、廣西等大規(guī)模巖溶發(fā)育地區(qū)紅黏土相比，本地區(qū)紅黏土一般位于老黏性土底部，隨可溶性碳酸鹽巖呈條帶狀分布且分布局限，長大裂隙不發(fā)育。土層中含次棱角狀的黑色小碎石（灰?guī)r殘留物）混雜其間，底部含灰?guī)r碎塊石，局部在巖土界面或基巖面低洼處變軟，局部高嶺土富集處表現(xiàn)為軟塑狀態(tài)［1］。

據(jù)統(tǒng)計，土的狀態(tài)以硬塑—堅硬為主。根據(jù)液性指數(shù)確定土的狀態(tài)為硬塑—堅硬的約占85.6%，為可塑的約占14.4%。根據(jù)含水比確定土的狀態(tài)為軟塑的占2.7%，為可塑的有9組，占15.4%，為硬塑—堅硬的占81.9%。該土的物理力學(xué)指標見表1。

表1 代表性紅黏土（硬塑狀）基本物理力學(xué)指標

從表1可以看出，本區(qū)紅黏土與一般膨脹土在常規(guī)物理力學(xué)指標上十分相似。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001），紅黏土的復(fù)浸水特性類別均為Ⅰ類，其復(fù)浸水特性為：收縮后復(fù)浸水膨脹，能恢復(fù)到原位［3］。

2 膨脹性

區(qū)內(nèi)紅黏土中含有大量親水性黏土礦物，其物質(zhì)組成、地貌形態(tài)、工程特性等與膨脹土有許多相同或相似之處，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮特性，膨脹規(guī)律完全相同。膨脹性試驗成果及與云貴一帶紅黏土試驗成果比較見表2。其中粉質(zhì)黏土（10-1）具弱膨脹潛勢；黏土夾礫石（10-2）具弱—中等膨脹潛勢；黏土（10-3）具中等膨脹潛勢；粉質(zhì)黏土夾碎石（10-4）具弱膨脹潛勢，膨脹力較大。較之云貴地區(qū)分布的紅黏土，膨脹性明顯要強，但收縮性相當［4］［5］。

表2 膨脹土試驗成果表

3 基礎(chǔ)選擇及承載力

表層老黏土厚度一般2～9m，性狀穩(wěn)定，承載力高，宜優(yōu)先作為地鐵車站附屬輕型建筑物天然地基。

紅黏土一般具上硬下軟的特點，上部紅黏土一般可作為天然地基。對于位于基巖面附近的紅黏土，一般具軟硬不一、易脹縮變化的特性，地下水位在該土層與下伏基巖交界面處頻繁升降變化，產(chǎn)生真空吸附作用和潛蝕作用，還可能造成部分土體流失，故不排除在地鐵運營期間于局部地段形成土洞的可能性，存在安全隱患。下部紅黏土與基巖接觸部位，一般溶溝溶槽發(fā)育，作為地基屬嚴重的不均勻地基，地基易產(chǎn)生不均勻沉降，一般不宜直接作為天然地基，需采取注漿等方式對土巖結(jié)合面進行加固處理后可作為復(fù)合地基。如基礎(chǔ)以下紅黏土厚度不大，建議清除，直接利用基巖作為地鐵建筑物持力層。

根據(jù)《巖土工程勘察工作規(guī)程》（DB42／169-2003）附錄P中表P.0.20，按武漢地鐵二號線卓豹路段紅黏土的含水比和液塑比分別查得各紅黏土層承載力特征值為222k Pa、243 k Pa、214 k Pa和264 k Pa。如根據(jù)含水比和孔隙比，按膨脹土考慮，查表P.0.21，則各紅黏土層承載力特征值為200kPa、221 k Pa、195 k Pa和242 k Pa。表明，承載力取值時按膨脹土考慮，對工程偏于安全。

同一場地分布的紅黏土稠度狀態(tài)變化較大，一般呈硬塑—可塑狀態(tài)—軟塑狀態(tài)，力學(xué)性質(zhì)相差很大，且各處高嶺土含量及灰?guī)r殘留物不一，紅黏土層力學(xué)性質(zhì)受地下水及巖溶作用的影響很大，同時紅黏土裂隙以及裂隙發(fā)展和復(fù)浸水可能使其承載力下降。建議如按紅黏土考慮地基承載力綜合取值時，宜按偏低值考慮［1］。

4 有關(guān)紅黏土問題工程實例

2011年6月5日，武漢地鐵二號線廣虎區(qū)間左線隧道在初支完成后突然發(fā)生較大變形，誘發(fā)地面沉降后導(dǎo)致附近1棟3層樓房墻體開裂。現(xiàn)場綜合分析認為：（1）隧洞洞身地質(zhì)結(jié)構(gòu)為半土半巖，土巖結(jié)合面為軟弱結(jié)構(gòu)面，對圍巖穩(wěn)定不利；（2）基巖面附近土體為10-3和10-4層老黏土（或稱紅黏土），天然狀態(tài)呈硬塑—可塑狀，具弱—中等膨脹潛勢，有失水干縮和遇水膨脹的特性，膨脹力較大；（3）隧洞上方存在一高層建筑深基坑和樁基，深基坑和人工挖孔樁施工對隧洞上方土體有一定擾動，且由于基坑回填土質(zhì)量較差、沒有采取防止地表水入滲的止水封閉措施，形成向隧道內(nèi)大量滲水的通道；（4）出險前武漢地區(qū)遭遇60年一遇極端干旱氣候，并突遇降雨，從而導(dǎo)致包括隧洞土體在內(nèi)的大范圍土體干裂后急劇軟化和膨脹，并造成隧道內(nèi)圍巖壓力增大，最終導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)變形和地面沉降。險情發(fā)生后施工方及時采取了洞內(nèi)支撐加固措施和地面變形監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在加固一天后隧道拱頂下沉及變形速度仍未得到有效控制，表明洞內(nèi)采取的支撐加固結(jié)構(gòu)在圍巖大變形后產(chǎn)生的巨大上覆圍巖壓力和土體膨脹壓力下，已無法支擋。在專家組指導(dǎo)下，隨后迅速采取了增設(shè)2m厚的混凝土墻、洞內(nèi)回填混凝土及砂袋、地表裂縫及基坑回填土的防水封閉等一系列措施，使險情得以最終控制。

上述實例表明，無論是紅黏土還是膨脹土，遇水軟化或脹縮變形均致土層抗剪強度迅速下降，并可能導(dǎo)致圍巖坍塌或增加對支護結(jié)構(gòu)的壓力。如采用礦山法隧道施工或明挖法車站深基坑施工時，應(yīng)考慮地下水活動對膨脹土或紅黏土的水穩(wěn)性和工程性能的影響，應(yīng)采取防水保濕措施，防止浸水軟化、膨脹或邊坡失水干縮產(chǎn)生變形。

5 結(jié) 語

根據(jù)近年來對武漢地區(qū)大量鉆孔巖芯鑒別、室內(nèi)試驗和地鐵隧洞和車站施工開挖揭示，認為本區(qū)紅黏土雖液限大于50%，但總體不具備紅黏土的典型特征，由于其自由膨脹率一般為40%～75%，且具有典型膨脹土地貌、顏色、裂隙發(fā)育等特點，此類土定名時不宜判定為紅黏土，應(yīng)按膨脹土對待，則工程設(shè)計時可將紅黏土的大部分工程性能和缺陷作為膨脹土的共性缺陷考慮進去，結(jié)果偏于安全，更加合理。

在武漢地鐵勘察、測試工作中，當紅黏土達到膨脹土標準時，宜按膨脹土進行勘察布置、測試和場地評價，不必過分強調(diào)紅黏土危害。當紅黏土為非膨脹土?xí)r，應(yīng)根據(jù)紅黏土結(jié)構(gòu)特征、軟弱夾層分布、地裂等特征進行場地評價，必要時可在隧道施工時進行施工地質(zhì)勘察，準確查明紅黏土尤其是軟塑土的分布范圍，采取有效措施進行處理。

本區(qū)紅黏土一般具弱—中等膨脹潛勢，土體遇水膨脹易產(chǎn)生較大的膨脹壓力。據(jù)室內(nèi)試驗成果，其垂向膨脹壓力可達到15～67 k Pa，據(jù)工程經(jīng)驗，其水平向膨脹壓力可達到垂向膨脹壓力的10倍左右，可能對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。

［1］羅 坤，官善友，蒙核量.武漢地區(qū)紅黏土地基承載力確定方法的探討［J］.城市勘測，2008，（2）.

［2］劉連喜，陳 浩，錢 午，等.巖土工程勘察工作規(guī)程（DB42／169-2003）［S］.

［3］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.武漢市軌道交通二號線一期工程Ⅴ標段街道口——光谷廣場站區(qū)間巖土工程勘察報告［R］.2008年6月.

［4］劉振波，易聲義，胡志東.云南紅黏土工程特性及巖土工程問題［J］.云南電力技術(shù)，2005，（4）.

［5］徐榴勝.紅黏土在巖土工程應(yīng)用中的若干問題［J］.貴州地質(zhì)，1993，（3）.