裂隙粘土的工程地质特征

裂隙粘土的工程地质特征在第四系更新统的老地层内，常有裂隙比较发育的粘土层，即裂隙粘土,又称“有缝粘土”。这种粘土具有一般粘土没有的特殊结构，其工程地质特性也不同于一般粘土，在兴建水利工程和其他建筑工程时，常由于对土的性能认识和重视不够，工程措施不当，给施工和使用带来困难与危害。有些渠道边坡由于土的风化剥蚀长期不能稳定，不少渠道边坡大量坍滑造成渠道堵塞不能使用；有的遂道工程，由于洞体坍塌引起严重破坏；有些地下建筑，也由于同样原因使工程废弃。因此，裂隙粘土在渠道、洞室及天然地基等方面引起的问题日益引起人们的重视。本文根据近几年来在水利工程和地下建筑工程方面的实践，对河南某些地区不同类型的裂隙粘土进行介绍，不当之处，望批评指正。1.0裂隙粘土的分布特征1.1裂隙粘土的分布裂隙粘土在河南南部和西部都有广泛分布，尤其在山区和丘陵垄岗地区分布更为广泛。由于古地形的起伏及地层所受的侵蚀程度不同，分布高程往往相差很大。同一类型的裂隙粘土有的出露于丘陵或垄岗顶部，有的则深埋于其他地层之下。如信阳淮河两岸的裂隙粘土，一般分布于较高的丘陵地带，在其底部很少见到底砾岩，多与第三系岩层直接接触。在信阳地区，分布在地层中部的棕黄粘土，多呈团粒状结构，裂隙细小但较发育，土体极易碎裂，含有铁锰质结核。郑州、洛阳地区的裂隙粘土，分布在中更新统地层下部的棕红、紫红色粘土，裂隙短小较发育成网纹状，土体易碎裂，含又铁锰质结核；裂隙内冲填白色钙质，人称“鸡粪土”；而裂隙面光洁，冲填物为铁锰质氧化物者，人称“油土”。除了出露于丘陵或垄岗顶部外，这些裂隙粘土在黄土地区常埋藏于上更新统q3黄土以下，在巩县西村黄土丘陵地区的大冲沟中可见到多层裂隙粘土的天然剖面，在每层裂隙粘土底部均有一层排列整齐的钙质结核层，钙质结核和钙质结核层由上向下逐渐变大、变厚，在其下部常有较厚的大钙质结核层及卵石层，钙质结核直径一般为10—20厘米，卵石为紫红色石英岩，多呈零星分布，局部呈透镜状。在冲沟底部见有大漂石夹大钙质结核，漂石为紫红色石英岩，微风化，块状、稍具棱角，显然系搬移力很大，远距较近的佐证。裂隙粘土以下为卵石层。另外在偃师、伊川两地也有不同类型的裂隙粘土分布。1.2裂隙粘土的特征裂隙粘土为洪积、坡积相堆积物，一般颜色较深，常见为红色，有褐黄、棕黄、红、棕红、紫红等色，结构致密，孔隙比小，天然含水量低。多呈坚硬或硬塑状态。裂隙粘土是一般粘土的早期堆积物，多出现在中更新统地层内，具有较发育而不规则的裂隙，其成因类型比较复杂。这种粘土为富含铁铝氧化物的风化产物，并含有亲水性和可溶性物质。在高温多雨的环境下，经过长期胀缩、溶解和风化作用产生裂隙，裂隙产状错综复杂，竖向、水平、斜交各方向均有。由于铁、铝氧化物不断聚集，裂隙充填物多呈棕褐、棕红及灰绿、灰白色，裂隙面多较粗糙，但有的光滑并具有油脂光泽构成土体的软弱结构面。由于物质成分，形成环境及条件不同，裂隙性状和发育程度也不同。一般来说，竖向裂隙发育的粘土多分布在地层表面和上部，受大气影响裂隙上大下小，向下逐渐尖灭，裂隙面粗糙，冲填物常为灰绿、灰白色高岭土，及黑色铁锰质氧化物，这类土强度大、变形小、竖向透水性较大。见照片七。而斜交裂隙发育的粘土常分布于第三系岩层之上，裂隙较宽大，倾角由缓到陡，裂隙面光滑平整。具有擦痕或水渍，充填物多以灰灰白色高岭土为主，并有一定数量的黑色铁锰氧化物。土内常含强亲水性矿物，常具有高塑性和较强的胀缩性。斜交剪切裂隙越育，胀缩性也越强。这类裂隙粘土，在信阳二十里河，偃师的刘庄和伊川的寺沟均可见到。土的强度低，变形较大，在斜坡地带，常引起滑坡或局部滑移。这种粘土由于裂隙的发育互相切割使土体失去完整性，土体往往被切割成大小不等形状各异的棱角形块体，土块的大小和连结状况对强度、变形和透水性都有直接影响。土的碎裂程度越严重，棱形块体之间的连接愈弱，其强度愈低，压缩性愈大，透水性也愈强。棱形土块表面颜色较深，里面则较浅，块体本身密度大强度高，裂隙充填物则较软，块体之间的连接较弱，因此，裂隙粘土的工程性能不取决于棱形块体本身，往往取决于块体之间的软弱结构面。裂隙粘土在卸荷、临空或无压情况下，在含水量降低时，都容易引起裂隙张开使土的强度大为降低。同时，水也往往沿着裂隙形成渗透通道。裂隙粘土的天然边坡很不稳定，在天然情况下，可以见到陡直的裂隙边坡，也可以见到平缓的天然边坡，但在大气影响下，土体不断风化，使边坡由陡变缓。土的天然边坡与裂隙产状，气侯条件有关，从宏观剖面上看，竖向裂隙发育的土常能形成较陡的天然边坡，斜交和水平裂隙发育的土的天然边坡则往往较平缓。同一类型的裂隙粘土在气侯比较干燥的郑州、洛阳地区，有时可呈现陡直边坡，但在多雨的信阳地区则多呈缓坡。从巩县西村所见土的天然边坡演变情况看，在天然条件下，土体逐渐风化碎裂，边坡日渐平缓，可见土的天然边坡是不稳定的。2.0裂隙粘土的工程地质特征2.1裂隙粘土的化学成份及物理性质指标裂隙粘土的物理力学特性主要取决于其的物质成分、结构特征和天然状态。根据信阳、巩县和偃师各处试样的分析结果，土的矿物成分，一般是以伊利石、石英为主，并含有蒙脱石。土的化学成份，以硅、铝、铁为主，硅铝分子比介于3—4之间，详见表2.1.1及表2.4。从土的物理性试验结果表2.1.2来看，天然含水量一般低于或接近于塑限，巩县、偃师两地的天然含水量偏小，伊川地区天然含水量则稍高。各地区裂隙粘土化学成份统计表表2.1.1项目sqAI2O3Fe2O3CaOMgO(K2ONaOPh烧失量地区\(%)(%)(%)(%)%)(%)(%)信阳60.5-12.7--4.6--0.5--0.46--2.1--0.54--7.0--7.3--70.817.56.80.91.162.91.188.011.3巩县65.3-13.9--5.3--0.88--0.74--2.6--1.07--8.0-7.4-66.914.55.51.06-1.173.21.148.69.0偃师60.9-15.2--5.7--0.84-0.592.8-0.35-7.410.164.316.76.60.883.650..8-7.6各地区裂隙粘土的物理性质指标统计表表2.1.2地区及类型粘粒含量Wc含水量W孔隙比e饱和度Sr液限WL塑限W▼¥p塑性指数Ip液性指数Il%%%%%%信阳（1）4019.90.635&636.821.515.3--0.1信阳（2）4324.00.7239138.122.016.10.12信阳（3）4922.70.6379845.123.921.2--0.06巩县3.415.20.6656235.020.015.0--0.32偃师4519.80.6378639.524.115.4--0.28伊川3826.00.7719445.823.522.30.11裂隙粘土的强度和变形特征裂隙粘土在天然条件下，一般处于坚硬或硬塑状态，密度较大，含水量小，粘粒含量较高，胶结较好，故强度较高，压缩性较低。但由于其特殊的裂隙结构，不仅在工程应用上应考虑土的结构特征对工程的影响，而且在测试方法上也应考虑因测试方法不同而对土的强度产生的影响。用直剪仪测定裂隙粘土的抗剪强度，受剪切面的限制，试验结果不能反应土体软弱结构面的强度，而三轴剪切试验能较好的反应土体软弱结构面的强度，但由于往往制样上的失败而无法取得工程所需要的试验结果。1982年我院试验室研制成功了弹性油压制样器，解决了裂隙粘土的制样问题，取得了较好的成果。试验结果比较如下：天然状态的试样：C值约增大1/4,①值约增大1/3；饱和状态的试样：C值约降低3-13%,①值约增大10-30%；饱和固结的试样：C值约降低1/3,碎裂严重的土约降低1/10,①值约增大40%。以上试验结果比较说明,直剪试验结果在很大程度上反应了菱形土块的强度,用直剪试验确定裂隙粘土的抗剪强度参数是不适宜的。从表2.2看,各地区及不同类型的裂隙粘土,其压缩性非常接近,均属低压缩性粘土。但土的强度差异却比较明显。裂隙粘土的透水特征裂隙粘土的透水性与裂隙产状和发育程度有明显关系。竖向裂隙发育的粘土,其垂直方向的透水性明显增大,裂隙发育短小的土,其不同方向的透水性差异较小，见表2.3。裂隙粘土的胀缩特征裂隙粘土的胀缩性是土和水相互作用时所表现的一种特性，取决于土的物质组成和天然状态，土的粘粒含量愈高，强亲水性矿物愈多，则胀缩变形愈大。对于矿物成分相同的土，含水量愈低，孔隙比愈小，则膨胀性愈强。从土胀缩性的指标看(见表2.4)，裂隙粘土一般具胀缩性，但不一定属于膨胀土，应根据土的矿物成分、化学成分、土的膨胀性和天然状态进行判别。在裂隙粘土中，发育斜交裂隙的硬粘土，一般为高塑性和强胀缩性的粘土,如信阳地区棕红色裂隙粘土和伊川县的褐黄色裂隙粘土，具有高塑性和较强的胀缩性。各地区裂隙粘土的强度和变形指标统计表表2.2地区及类型直剪不固结不排水剪固结不排水剪无侧限抗压强度压缩系数压缩模量C(KPa)①CU(KPa)①UCcu(KPa)①cuqu(KPa)aVEs(MPa)信阳(1)5617.8110353470.007232信阳(2)6919.48171740.01172信阳(3) 6822.981202020.008205巩县8927.94810.585242400.007220偃师7520.56310.948313100.02234伊川 355.6 各地区裂隙粘土渗透系数统计表表2.3地区信阳(1)信阳(2)巩县偃师Kvm/d0.1440.0340.3460.032Khm/d0.0430.0690.281Kv/Khm/d3.40.51.2 各地区裂隙粘土胀缩性指标统计表 表2.4地区硅铝分子比粘粒含量孔隙比液限液性指数活动性指数吸水指标膨胀性指标压实指标WceWl.Il.KaKwKeKd信M3.0-3.1400.63536.8--0.10.500.590.230.60信113.0-4.1430.7233&10.120.560.440.190.72信L<2.5490.63745.1--0.060.660.940.370.76巩县3.3-3.5340.66535.0--0.320.430.170.71偃师263.1450.63739.5--0.280.700.271.06伊川380.77145.80.110.930.650.280.813.0结论1、裂隙粘土大部分为第四系中更新统地层内，属于一般粘土的早期堆积物，出露于丘陵地区或垄岗顶部，其化学成分，主要有较强的亲水性矿物组成。粘粒含量较高，密度较大，天然含水量小，多低于或接近塑限，孔隙比较小，液性指数低。裂隙粘土在天然条件下，一般处于坚硬或硬塑状态。2、裂隙粘土具有较发育而不规则的裂隙，在天然状态下，致密坚硬，强度大，地基承载力高，但在卸荷、临空的条件下，易引起裂隙张开，使土的强度降低，在水的作用下，对强度的影响尤为严重。各地区及不同类型的裂隙粘土，其压缩性非常接近，均属低压缩性粘土。裂隙粘土的透水性与裂隙产状和发育程度有明显关系。竖向裂隙发育的粘土，其垂直方向的透水性明显增大，裂隙发育短小的土，其不同方向的透水性差异较小。裂隙粘土一般具胀缩性，但不一定属于膨胀土，应根据土的矿物成分、化学成份、土的膨胀性和天然状态进行判别。在裂隙粘土中，发育斜交裂隙的硬粘土