山西呂梁地區三趾馬紅土的工程地質特性及其工程環境效應研究

儲文靜 付新平 蔡云廷

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

山西呂梁地區三趾馬紅土的工程地質特性及其工程環境效應研究

儲文靜 付新平 蔡云廷

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

山西呂梁地區分布大量三趾馬紅土。試驗分析發現：①三趾馬紅土以黏粒和粉粒(<75 μm)為主，約占總含量的96%以上；主要礦物成分以伊利石為主，平均含量為61%，其次為綠泥石和蒙脫石，為弱—中等膨脹性土；②三趾馬紅土的骨架主要為黏、粉粒聚合而成的團粒和集粒，土體內部微孔隙、裂隙較發育，崩解性強；③三趾馬紅土天然狀態下的體縮變化較小，強度較高，當其由天然狀態變化至飽和狀態時，強度下降明顯，尤其是由塑性含水量狀態變化至飽和狀態時，強度急驟下降，其中黏聚力較內摩擦角下降趨勢更為明顯，為強度變化中的主變量。由于三趾馬紅土本身的物理特性，在外力的作用下，該區域易發生工程地質環境問題。

三趾馬紅土 物質成分 工程地質特性 工程環境效應

山西呂梁地區第四系黃土下層廣泛沉積了一層厚度幾米至幾百米不等的紅色土狀堆積物，德日進、楊忠健(1933)[1]在該層中發現了大量的三趾馬動物化石，將其稱為“三趾馬紅土”。隨著山西煤炭資源不斷開采和外運，在三趾馬紅土層中建設的各種基礎工程項目逐漸增多，由于針對呂梁地區三趾馬紅土的工程地質特征研究較少，因而發生的工程地質問題也愈發增多。

從三趾馬紅土的粒度、礦物成分、化學成分、微觀結構、物理特征以及力學性質進行試驗研究和分析，揭示呂梁地區三趾馬紅土的工程地質特性，分析三趾馬紅土與其相關工程環境問題的關系。

1 三趾馬紅土的物質組成及結構特征

1.1 物質組成

三趾馬紅土的粒度成分、黏土礦物組成、化學成分是決定其工程地質特性的物質基礎，不同黏土礦物的組成，直接決定該土層具不同的物理化學性質。

(1)粒度成分

天然狀態下，三趾馬紅土外表呈棕紅色，裂隙發育，局部夾薄層白色鈣質結核層，切面細膩、光滑，濕土極易搓成細于0.5 mm的長條。室內試驗時，采用Mastersizer2000型激光粒度儀，用濕法測量，對三趾馬紅土粒度進行了測試分析，結果表明(見圖1)，三趾馬紅土以黏粒和粉粒(<75 μm)為主，約占總含量的96%以上，其中粉粒(5<75 μm)含量占優勢；典型斷面土樣的平均中值粒徑8.047 μm，分選系數1.63，分選良好。

(2)礦物成分

研究區三趾馬紅土主要礦物成分為黏土礦物，通過X-Ray衍射分析(見表1)，結果表明，呂梁地區三趾馬紅土的礦物成分由伊利石、蒙脫石和高嶺石這些親水性強和物化性強的礦物組成，其中，三趾馬紅土中的伊利石含量最高，一般在51%～68%之間，平均含量為61%；綠泥石含量的變化范圍在11%～22%之間，平均含量為15%；蒙脫石含量變化范圍在7%～18%之間，平均含量12%；高嶺石含量變化范圍在7%～14%之間，平均含量為11%，其次含有少量的混層礦物。三趾馬紅土中含有部分綠泥石，而綠泥石屬于硅酸鹽類礦物，說明三趾馬紅土天然狀態下有一定的強度。

注：括號中數值為平均含量。

(3)化學成分

土的化學成分是組成土的固相、液相和氣相中的化學元素，化合物種類及其相對含量。通過X-Ray能譜儀對采集的三趾馬紅土樣品的化學成分進行了試驗分析(見圖2)。結果表明：三趾馬紅土的主要化學成分中SiO2含量最高，超過60%，其次是Al2O3、Fe2O3，含量約占30%。土中SiO2、Fe2O3含量較高，一方面與三趾馬紅土中含有大量石英、長石以及硅酸鹽有關，另一方面與三趾馬紅土形成時氣候比較濕熱、氧化和淋濾作用較強有關[2]。

1.2 微觀結構特征

三趾馬紅土中黏、粉粒含量較高，黏土礦物以伊利石、綠泥石以及蒙脫石為主。不同倍數的電鏡掃描試驗結果顯示(見圖3)：三趾馬紅土碎屑顆粒形態為粒狀、不規則，輪廓不太清晰，不易區分骨架顆粒和膠結物；骨架顆粒較小，以2～30 μm為主，構成其骨架的主要為黏、粉粒聚合而成的團粒和集粒。

圖2 三趾馬紅土X射線能譜分析

微觀結構類型主要有絮凝、膠粘結構，結構骨架中微孔隙或微裂隙比較發育，為地下水活動的主要通道[3]。當水入滲時，呈邊-面、面-面緊密接觸的伊利石、蒙脫石黏粒片吸水，水化膜增厚膨脹，反之，水分流失蒸發，黏粒片水化膜收縮[7]。因此，三趾馬紅土具一定的脹縮特性，容易形成微孔隙、微裂隙。

圖3 不同倍數下三趾馬紅土的微觀結構

2 三趾馬紅土的工程地質特征

2.1 物理特性

(1)三趾馬紅土的基本物理性質

根據土工試驗結果分析(表2)，呂梁地區三趾馬紅土的平均天然含水量為14.35%～21.5%，平均值為17.9%，屬中等含水；干密度為1.66～1.77 g/cm3，平均值為1.72 g/cm3；孔隙比0.53～0.64，平均值為0.59；塑限18.2%～19.3%，平均值為18.8%，塑性指數12.7～16.1，平均值為14.4，按工程分類屬于粉質黏土；液性指數0.25%～-0.04%，平均值為-0.01%，按液性指數，其稠度狀態屬于堅硬，飽水后可現硬塑—軟塑狀態。

(2)膨脹特性

表2 三趾馬紅土的物理指標測試結果

注：括號中數據為平均值。

根據《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007)[4]，以及15處土樣的室內試驗分析結果，呂梁地區三趾馬紅土的膨脹潛勢分級結果顯示(見圖4)，三趾馬紅土的自由膨脹率為43%～75%，平均值為59%，蒙脫石含量為12%～20.5%，平均值為16.25%，CEC(NH4+)為267～348 mmol/kg，平均值為307.5%，屬于弱—中等膨脹性土。

圖4 三趾馬紅土的膨脹潛勢分級結果

(3)崩解特性

采用方形試樣，用天然狀態的樣品與110 ℃恒溫烘干后的樣品做崩解對比試驗[5]。試驗結果表明，三趾馬紅土不論天然狀態還是干燥狀態，其崩解性均較強，其中干燥試樣的崩解速度更快，崩解耐久性更差。三趾馬紅土天然試樣在8 h內全部崩解，干燥試樣在1.5 h內全部崩解，試樣邊角處崩解最快。由于三趾馬的黏土礦物多以伊利石和蒙脫石這種親水性強、膨脹性強的礦物為主，且土體中存在不同程度的微孔隙、裂隙，當水滲入孔隙或裂隙時，親水礦物的吸附性水膜會增厚[6]，引起土體體積的膨脹，從而在土體內部產生不同方向的膨脹力，導致土體內部微裂隙增多、變大，繼而導致土顆粒的碎裂解體。

2.2 力學性質

(1)壓縮

對呂梁地區三趾馬紅土進行壓縮試驗，結果表明，三趾馬紅土的壓縮性很小，天然狀態下壓縮系數a1-2=0.031～0.054 MPa-1，為低壓縮性土；其體縮率平均值為7.82%(見表3)，收縮性一般。通常，土體的壓縮性常隨天然含水量增大而增加，隨孔隙率的增大而增大。土體這項特性使土體表層開裂、形成密集的收縮裂隙，為雨水的滲透及水土的相互作用提供條件。

表3 三趾馬紅土的體縮測試結果

注：括號中為平均值。

(2)剪切

本次對典型斷面進行不固結不排水試驗，樣品選用天然含水量狀態、塑限含水量狀態以及飽和狀態分析三趾馬紅土的靜力學特性，試驗結果表明(見圖5～圖7)：①不論天然狀態還是飽和狀態，三趾馬紅土強度較高，黏聚力為219.2～272.5 kPa，內摩擦角10.9°～14°；②三趾馬紅土剪應力-剪切位移曲線為軟化型，應力達到峰值后，應變隨應力的增加而逐漸趨于穩定值。③三趾馬紅土的黏聚力和內摩擦角均隨著含水量的增大而減小，當含水量超過塑限(18.2%～19.3%)時，強度指標C、φ出現突變，其中黏聚力突變的斜率較內摩擦角大，黏聚力為強度變化中的主變量。

圖5 不種狀態下的Mohr-Coulomb強度包線

圖6 三趾馬紅土剪應力與剪切位移曲線

圖7 不同含水量狀態下強度變化情況

3 三趾馬紅土的工程環境效應

3.1 工程環境問題

山西呂梁地區位于黃土高原峁、梁區，三趾馬紅土表層覆蓋厚層黃土層。大量研究表明[7]，該區域大型失穩邊坡的滑動面(不良地質底邊界)多數為三趾馬紅土層頂面；三趾馬紅土作為房屋基礎時，常發生基礎不均勻沉降，導致房屋開裂問題；三趾馬紅土隧道在施工時常發生大變形、塌方冒頂、甚至整體坍塌事故。

3.2 三趾馬紅土與工程環境問題間的關系

山西呂梁地區三趾馬紅土的工程環境問題主要存在天然的外部因素和獨特的內部條件[8-9]。一方面，該區域三趾馬紅土層頂部覆蓋厚層黃土層，在降雨過程中，黃土賦存水的能力較差，雨水均滲透入黃土與三趾馬紅土的交界面處，雨水在兩種土的交界面處賦存，起到一定的浮托作用。另一方面，三趾馬紅土黏粒中的黏土礦物以伊利石、蒙脫石、綠泥石為主，當黏土與親水作用時，親水性較強的黏土礦物表面既能吸引水分子形成吸附層，同時也能吸引陽離子和水化陽離子形成擴散雙電層，導致三趾馬紅土易產生膨脹特性[10]；三趾馬紅土內部微孔隙、裂隙發育，導致土體的完整性較差，在水的作用下，土體膨脹、崩解速率更快，極易形成軟弱面；在開挖擾動后，由于應力的重新分布，內部微裂隙數量增多，裂隙寬度增大，進一步降低了土體的整體性。

4 結論

(1)試驗分析表明，呂梁地區三趾馬紅土顆粒主要由黏粒和粉粒等細顆粒組成，土體中微孔隙、微裂隙較發育，土體以黏性土的團粒和集粒為骨架，為絮凝和膠粘結構，土體崩解性較強。

(2)呂梁地區三趾馬紅土主要礦物成分以伊利石為主，其次為綠泥石、蒙脫石和高嶺石，親水礦物的存在，使得該地區三趾馬紅土在干濕交替作用下物化活性較強，屬弱—中等膨脹土。

(3)強度試驗表明，天然狀態下三趾馬紅土壓縮性一般，強度較高，當其由天然狀態變化至飽和狀態時，強度下降明顯，尤其是由塑性含水量狀態變化至飽和狀態時出現突變，其中黏聚力較內摩擦角的下降趨勢明顯，為強度變化中的主變量。

(4)呂梁三趾馬紅土易受環境的影響，在干濕交替和工程開挖作用下，可導致其工程性質惡化，易發生工程環境問題。

[1] 德日進，楊忠健.山西東南部晚新生代地層之觀察[C]∥中國地質學會會志：12卷.北京：中國地質學會，1933

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[5] TB10012—2007鐵路工程地質勘察規范[S]

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[10]李濱，吳樹仁，等.陜西寶雞市三趾馬紅土工程地質特性及災害效應[J].地質通報，2013，32(12):1923

StudyonEngineeringGeologyCharacteristicsandEngineering-EnvironmentalEffectsofHipparionlateriteinLvliangSanxiProvince

CHU Wen-jin FU Xin-ping CAI Yun-ting

2014-07-03

呂梁山區三趾馬紅土隧道綜合技術研究(鐵三院13-C22)。

儲文靜，男，2006年畢業于中南大學地質工程專業，工學碩士，工程師。

1672-7479(2014)05-0035-04

P642

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