印度尼西亞西爪哇島火山堆積層工程地質特性研究

馬百財

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

1 概述

印度尼西亞西爪哇島分布有大量火山。該地區的火山堆積層以更新統為主,具松散性,未成巖,其特殊的工程特性國內罕見[1-3]。在該地區修建鐵路等工程時,火山堆積層特性對工程措施及施工工藝選取影響較大。查清火山堆積層的工程地質特性,為設計提供合理的巖土參數及切實可行的工程措施建議,是地質工程師必須面對的問題[4-8]。目前,許多學者從成因、粒度分布、形貌特征等方面對火山堆積層進行研究[9-15]。

以下基于前人的研究,采用綜合勘探手段并結合現場施工情況,深入研究火山堆積層工程地質特性及其主要工程地質問題。

2 地質概況

2.1 地形地貌

雅加達至萬隆地勢逐漸增高,地貌單元依次有沖積平原、沖洪積平原、丘前緩坡、丘陵、低山及山間盆地等,其中,丘陵及低山區表層被不同時期火山噴發的薄厚不一的火山堆積層所覆蓋。

2.2 氣象特征

該地區屬熱帶雨林氣候,終年炎熱潮濕,按降雨量分為旱季、雨季。11月到來年3月為雨季(西北季風期),多雨多云;4～10月為旱季(東南季風期),晴天多而雨量少。歷年各月平均氣溫23.1～27.1℃、極端最高氣溫為37.8℃、極端最低氣溫11.2℃;平均相對濕度為78.9%～79.2%;年平均降水天數為188.7～223d,日極端最大降水量為2011.2mm,年平均降水量為2347.7～2415.8mm。集中于雨季的充沛降雨對火山堆積層的工程地質特性影響較大。

2.3 地層巖性

本地區表層以火山堆積層為主,物質來源為火山灰和火山碎屑。不同時期、不同沉積環境下,火山堆積層厚度差異大(層厚0～600m)。火山堆積層下伏為新生代第三系中-基性火山巖和沉積巖。本地區主要火山堆積地層巖性見表1。

表1 地層巖性

由表1可知,火山堆積層以火山灰、火山碎屑及火山彈形成的黏性土、砂類土、碎石為主,普遍呈膠結和半成巖狀(見圖1),其物理力學性質、膠結程度及強度分布極其不均。

圖1 典型巖性照片

3 火山堆積層工程地質特性

3.1 室內試驗指標

根據大量的現場測試及室內試驗成果,各火山堆積層黏土層的主要指標見表2。

表2 物理指標統計

3.2 工程地質特性

根據外業調查、鉆探巖芯情況、現場施工揭露情況及室內試驗統計結果,認為火山堆積層具有以下獨特的巖土性質。

(1)分布不規律。火山堆積層分布凌亂、不均勻,薄厚不均,厚度變化較大,根據鉆孔揭示,最大深度可超過100m。

(2)土層錯綜復雜。包含黏性土、粉土、砂類土、碎石類土,且土性不純,相互摻雜,局部夾塊石、孤石,其中砂類土顆粒部分為火山灰膠結物,其顆粒強度較低,對工程性質影響較大。

(3)細粒土礦物成分較為復雜。根據巖礦鑒定及全巖分析結果(見圖2),主要礦物成分為黏土礦物、斜長石、角閃石、輝石、方解石、石英、磷灰石等,其中黏土礦物含量較高(見圖3),根據X射線衍射黏土礦物分析結果,黏土礦物以蒙脫石和高嶺石為主,具膨脹性,且保水性好,不易失水。

圖2 薄片鑒定照片(放大20倍)

圖3 全巖分析結果

(4)軟硬不均。一般土體結構強度較大,尤其是堅硬、半成巖的火山堆積層,其標貫擊數高,但其含水率高,孔隙比大,主要受其特殊的火山碎屑、火山灰物質組成和熱帶氣候所構成的地質沉積環境影響。部分巖芯呈柱狀,具有一定的膠結作用,局部具半成巖作用。巖土定名時,宜將具有一定巖石結構特征但成巖時間較短、強度遠高于一般土層的火山堆積地層定為巖類(見圖4)。

圖4 半成巖巖芯照片

(5)天然含水量高、天然孔隙比大、液限高。根據物理力學指標統計,火山堆積層黏土層天然含水量范圍值為12.6%～168%,平均值為38.3%～63.4%;天然孔隙比范圍值為0.348～4.641,平均值為1.086～1.722;液限范圍值為19.2%～197%,平均值為63.0%～77.3%。

(6)壓縮性高。黏土層的壓縮系數α0.1-0.2范圍值在0.07～2.07MPa-1之間。平均值在0.26～0.54MPa-1。

(7)沿線火山堆積層黏性土普遍具有膨脹性,多為弱-中等膨脹性,自由膨脹率為40%～80%。

(8)物理指標與實際狀態有偏差。土工試驗物理指標顯示,火山堆積層中黏性土天然含水量高、孔隙比大、液限高,根據以上數據進行定名、判定稠度狀態,將會出現大量軟土及流塑狀態的土層,但實際土層位于陡坡,邊坡穩定未發生溜滑現象。主要原因為火山堆積層普遍含有火山灰物質,在濕熱環境下,顆粒間化學膠結作用使土的結構強度增強,為結構性土。應結合現場描述和土工試驗指標,綜合判定土的稠度狀態。

(9)滲透系數偏大。根據鉆孔水文試驗結果,部分地段黏性土的滲透系數可達到0.264～0.405m/d。這是由火山堆積層巖土礦物構成和特有的大孔隙比等特性造成的。

4 主要工程地質問題

火山堆積層具有分布不均勻、層厚不一、軟硬不均、砂類土顆粒強度較低、黏性土天然含水量高、天然孔隙比大、液限高、普遍具膨脹性、膠結作用、滲透系數偏大等特性,這就造成多種工程地質問題,其中,邊坡穩定性是其主要工程地質問題。在自然狀態下,火山堆積地區邊坡大多穩定。但當在工程實施時,在水、重力及人工作用下,易形成滑坡、滑塌等邊坡變形問題。通過現場調查,認為有以下原因。

(1)部分邊坡開挖后未及時支護。

(2)巖土體內存在不利結構面。主要為巖層面、節理面、土層和土石界面、風化層分界面等。

(3)特殊的巖土體特性。沿線黏性土及其下伏泥巖地層普遍具膨脹性,失水收縮開裂,吸水膨脹、軟化、崩解,土體強度大大降低(見圖5)。加之泥巖易風化,在開挖暴露后短時間內及干濕交替作用下風化加速,強度衰減較快。

圖5 旱季和雨季地層性狀

(4)氣候特殊。印尼當地降水集中且雨量大,按降雨量分為雨季旱季兩個季節。路塹邊坡在雨季受降雨影響,滑面附近土體受水浸泡,造成土體軟化后發生滑塌(見圖6)。

圖6 土石界面處滲水

(5)在自然邊坡上方堆載,當超過一定壓力后,土體天然結構遭到破壞,產生變形位移、強度降低,隨地表水、地下水作用更加弱化土體強度,產生工程滑坡。

路塹或基坑邊坡的變形往往是在以上因素的共同作用下發生的。例如某處滑塌體(見圖7),寬約25m,長約6m,厚0.5～1.0m。滑面位于土石界面、全風化和強風化分界面附近。根據現場調查,滑塌主要原因為路塹邊坡開挖后,坡體前部失去支撐;泥巖上覆土層變薄,旱季表層膨脹土層收縮裂縫直接貫通至泥巖層面,雨季雨水沿裂縫直接滲流至地層分界面。滑面附近上覆土層或全風化泥巖受雨水浸泡,持續軟化,抗剪強度大大降低,加之該處泥巖存在順層現象,最終導致開挖邊坡發生滑動。

圖7 某路塹邊坡滑塌

5 結論

(1)因其獨特的地質環境、沉積環境,火山堆積層具特殊性,西爪哇島火山堆積層具分布不均勻、薄厚不均、軟硬不均、砂類土顆粒強度較低、黏性土天然含水量高、天然孔隙比大、液限高、普遍具膨脹性、膠結作用、滲透系數偏大等特性。

(2)邊坡穩定性是火山堆積層地區主要工程地質問題。工程地質勘察時,除常規物理力學試驗外,應適當補充部分殘剪、飽和剪試驗和原位測試。鑒于室內試驗的局限性,關于滑動面附近土層的抗剪強度試驗,很難通過室內試驗客觀獲得,建議根據失穩情況通過反算求得,也可視現場情況,通過現場原位測試獲得。

(3)因火山堆積層黏性土普遍具膨脹性,移挖作填時,必須經過改良才可使用。邊坡開挖時,應分級開挖,需通過檢算采取合理的支護措施,及時加強坡面防護,防止邊坡滑塌;應考慮地下水及地表水對工程的影響,采取必要的措施,做好防水、降水、排水、止水措施,盡量避免雨季施工。

(4)應對火山堆積層的人工邊坡穩定性引起足夠的重視,對各種分界面有變化、新發現的不利結構面、軟弱夾層等存在失穩風險地段,及時檢算邊坡穩定性,動態設計。