灰白色黏土工程地质特性及成因分析

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【摘要】广西北海市某海域勘探深度40m内广泛分布硬塑状含石英颗粒的灰白色黏土层，该土含水率低、密度大、比重小、孔隙比小，压缩性低，天然状态下剪切强度较高，渗透性极弱，存在吸水软化产生膨胀、失水收缩产生裂隙再浸水会迅速崩解至胶溶状的特性。选取49个钻孔200个灰白色黏土样品的室内物理力学试验结果进行数理统计分析，全面认识北海市灰白色黏土层的工程地质特性；通过XRD矿物成分分析、碳酸盐含量、土的腐蚀性、950°C高温烧失量等试验，结合广西地质资料和前人对北海黏土矿的研究成果，从土的形成演化、物质组成解释产生特殊工程性质的内在因素，对合理评价该类土的工程地质性质提供地质科学依据，为其开发利用和工程治理提供参考。

【关键词】灰白色黏土；工程地质特性；高岭石的伊利石化；粒度分布；矿物成分

广西北海市某海域勘探深度40m内广泛分布一种硬塑状含砂粒的灰白色黏土，受铁质、有机质等物质影响，局部呈浅黄色、粉红色、浅褐色、紫色，这种土含水率低、密度大、比重小、孔隙比小，压缩性低，天然状态下剪切强度较高，渗透性极弱，存在吸水软化产生膨胀、失水收缩产生裂隙再浸水会迅速崩解至胶溶状的特性。灰白色黏土的上述特性加大了研究区域的岩土工程评价难度，特别是膨胀性的判别和分类，所以对北海灰白色黏土的评价、计算仅限于常规室内试验指标远远不够，需要进一步了解内在成因。钟振福[1]、杨光和[2]等对北海市黏土矿、高岭土矿的地质特征、成因、矿物成分和含量以及分布进行了系统性研究，指出北海市黏土矿产出于第四系湛江组，划分为水云母–高岭石黏土和伊利石–高岭石黏土两种类型；黎广钊等[3]对广西沿海地区地质构造的演化过程和区内地层进行了详尽的阐述；马天骏[4]根据室内试验和原位测试指标评价了北海市主要土层的工程地质性质。此外，国外学者P.A.BjΦrkum[5]、KnutBjΦrlykke[6]研究认为，北海布兰特组中侏罗纪砂岩存在自生高岭石和钾长石可能反应形成自生伊利石（白云母）、石英胶结物，即高岭石的伊利石化，为灰白色黏土的成因、物质形成来源提供了理论基础。

1地质概况及土层分布特征

研究区域位于北部湾东北岸，为洪积–冲积的侵蚀剥蚀平原，地势较平坦，缓向海倾斜，根据前人资料，北海市除局部有志留系砂岩出露外，均被第四系松散沉积层覆盖，其下为古生代砂岩、灰岩和花岗岩[1]。研究区域揭露的第四系地层自上而下：全新世中、晚期海相沉积的砂层，受所含矿物的影响呈灰、灰黄、灰白、深灰、粉红、褐色[3]，分选性差，颗粒不均匀，粒径主要为0.075～2.0mm，混黏、粉粒，含碎贝壳、朽木，分布广泛，厚度一般小于5.0m，底部偶见深灰色软塑状粉质黏土夹砂层；下卧层为平行不整合接触的早更新世湛江组冲积相沉积的灰白色黏土和砂的互层，总体各划分三层[4]。灰白色黏土层在平面上连续性较好，产状平缓并趋于水平，呈厚层状产出，纵向上埋深越大厚度越大。第一层黏土层顶板埋深小于5.0m，分布不连续，厚度较薄，约2.0～3.0m，岩性基本为粉质黏土；第二层黏土层顶板埋深8.0～15.0m，厚度一般小于5.0m，夹砂透镜体，局部相变为粉质黏土；第三层黏土层顶板埋深20.0～25.0m，厚度较大，揭露的厚度为3.0～>15m，夹砂透镜体。

2工程地质特性分析

本文研究的灰白色黏土在纵向上被砂层分隔为三层，力学强度整体无明显变化，水平向由于含砂量的差异，塑性状态在可塑偏硬至硬塑状之间，变异系数较大。本次分析将三层黏土指标统一整理，取样间距为2.0m，为充分了解场地土层的指标特性，仅删除个别不合理数据。根据室内物理力学试验资料的统计分析（见表1−表4），灰白色黏土具有以下主要工程地质特性：（1）含水率低、密度大、比重小。北海市灰白色黏土的天然含水率为15.0%～37.4%，平均值24.4%，计算饱和度均在90%以上，天然含水率低，一定程度上反映了土具有较好的力学性质；天然密度为1.81～2.16g/cm3，平均值约2.00g/cm3；用比重瓶法（纯水）测得的比重值为2.64～2.70，与陆地上的一般性土（比重值2.72～2.76）相比偏小，说明土的矿物成分存在很大不同。（2）颗粒极细，粒度组成主要为黏粒、胶粒（见表2）。北海市灰白色黏土烘干后煮沸1h加分散剂进行颗粒分析，结果表明小于2um的颗粒含量最大可达80%以上，小于1um的颗粒含量最大可达近70%。北海市灰白色黏土在自然状态下不处于高分散状态，例如Z43-10试样在不加分散剂情况下，土悬液1h的甲种比重计读数即为0，加入分散剂后读数升至15.0，观察大于0.075mm的颗粒部分含有极细粒氧化铁颗粒，并能用磁铁吸出，游离氧化铁对黏粒有团聚作用，所以自然状态下北海市灰白色黏土多处于团聚状态。（3）塑性状态为硬塑和可塑，由于风化程度不均匀，北海市灰白色黏土的液限、塑性指数变化范围较大（见图1），10mm液限为21.5%～69.9%，塑性指数为10.0～41.1，分布在塑性图A线之上。超过一半的样品为高塑性黏土（ѡL>40%，Ip>17），按特殊土塑性图判别属膨胀土[7]。（4）天然含水率状态下力学指标好。如表3和表4所示，北海市灰白色黏土压缩性低，前期固结压力大，超固结比较大，最大可达10.9或更大。高液限黏土固结快剪c值一般为20～72kPa，φ值一般为5.4°～19.4°；快剪c值一般为25～80kPa，φ值一般为2.8°～16.4°，低液限黏土固结快剪c值与高液限黏土相近，但φ值偏大，一般为7.8°～25.4°；快剪c平均值较高液限黏土偏低近10kPa，φ值一般为8.4°～20.4°。（5）抗水性差，具有胀缩性和显著的崩解性。进行固结、渗透试验时，均出现因吸水饱和后环刀内试样高度高出环刀的现象，对塑性指数IP在25左右的风干试样进行105℃烘干后50mL量筒自由膨胀率测试，测得的δef为68%～85%，属中膨胀土[8]。试样风干后收缩产生近水平向斜裂隙见图2（a），上述试样天然含水率时的体缩率约9%，收缩性较弱。相对胀缩特性，灰白色黏土失水后再浸水表现出的崩解性更显著，30cm2×2cm的试样完成固结试验风干后浸入水里从整体状态（见图2b）至胶溶状态（见图2c）仅用了7min，崩解过程中发出急剧的气泡上升声响，黏土从边缘开始崩解成细碎薄片下落，水略有浑浊。崩解速度随黏土中粗粒的含量和裂隙增加变快，塑性高的土和湿土，因为要在崩解前完成膨胀过程，崩解速度慢。（6）天然含水率状态下透水性极弱，采用变水头渗透试验并将水头高度升至2m进行测试，测得的渗透系数为（2.3～5.1）×10−8cm/s，由于混石英砂粒，水平方向渗透数较垂直方向大一些。

3工程地质特性的成因分析

根据广西地质发展历史资料分析，在上新世末期至早更新世，研究区域所在的北部湾上升为陆形成风化壳，晚更新世末期，合浦、北海相连成为陆地，大部分地区遭受侵蚀剥蚀，形成侵蚀剥蚀阶地和平原。至全新世早期再次发生海侵，全新世中期地壳上升，直至今日[4]。本次研究的灰白色黏土层属下更新统湛江组（Q1z）[1]，在平面上连续性较好，产状平缓并趋于水平，呈厚层状产出，与黏土质砂基本呈三层砂三层黏土的空间发育规律，从土的粒度组成分析结果看，风化程度不均匀。庞衍军等[9]在对广西沿海第四系地层的研究中认为湛江组沉积物为陆源的洪积冲积物，本次的土腐蚀性分析中Cl−含量为465mg/kg，不足菲律宾马尼拉海域土样Cl−含量（4720～7010mg/kg）的1/10，也进一步证实湛江组沉积物为陆源的结论。P.A.BjΦrkum[5]、KnutBjΦrlykke[6]等学者通过热力学研究得出砂岩中高岭石、钾长石和伊利石的形成模式，在低温的、地层水对石英过饱和的封闭体系中自生高岭石和钾长石可以通过云母的转化同时形成，在较高温度下自生高岭石和钾长石可能逆反应形成伊利石（白云母）、石英胶结物，即高岭石的伊利石化，化学反应模式见式（1）[5]。（1）黎广钊等[3]在对广西滨海砂矿调查研究中，通过地球化学分析测试广西花岗岩、北海组和湛江组岩石的SiO2含量均在60%以上甚至80%以上，属硅过饱和岩石，这一条件下，北海沉积物中反应（1）将反方向进行，白云母（伊利石）成为稳定矿物。为进一步证实上述对北海灰白色黏土物质来源和形成演化的分析，采用X射线衍射手段进行黏土矿物半定量测试，结果表明，北海市灰白色黏土矿物成分主要为石英Quartz（71.8%）、高岭石Kaolinite（14.56%）、伊利石Ilnite（13.64%）。同时对一部分试样进行碟式仪液限试验、24h密度计法试验，绘制塑性指数与黏粒（<2um）含量的关系图（见图3），得出北海市灰白色黏土活动指数A在0.6左右，介于高岭石和伊利石之间。罗正杰研究表明，北海市黏土矿是一种未彻底风化的含有伊利石的过渡类型的高岭土[10]，本次矿物成分分析和粒度组成分析结果均与该研究成果一致。北海市灰白色黏土中的伊利石粒度微细，为胶体状，增加了土的可塑性，含量越高塑性越大。X射线衍射测试结果中伊利石的化学成分式2K2O·3MgO·Al2O3·24SiO2·12H2O，交换阳离子含镁，镁离子由于离子半径较小，水化能力比钙离子强，这是导致显著胀缩性的重要因素之一[11]，另外，在温度升至170℃以上时土会急剧膨胀炸开，也是土中富含镁离子的影响[12]。采用密度计法加筛析法对北海市灰白色黏土进行粒度分析（见图4），结果表明，北海市灰白色黏土的主要粒度组成为胶粒和黏粒，其中小于5um的黏粒含量为39.5%～94.0%，平均67.3%，小于2um的黏粒含量为29.2%～88.2%，平均61.9%，小于1um的胶粒含量为24.4%～69.9%，平均48.8%。说明北海市灰白色黏土中的石英SiO2主要为凝胶状的次生二氧化硅，含结晶水，形成土中的黏粒。采用气量法测定北海灰白色黏土碳酸盐含量在1.2%～1.6%之间，重铬酸钾容量法测定其有机质含量0.6%，碳酸盐和有机质含量均不高，而950℃高温灼烧量达8.60%，说明灼烧掉的主要是土中的结晶水和结构水[13]。高岭石伊利石化过程中会产生石英胶结物，石英胶结作用是北海市灰白色黏土孔隙度降低[6]、土体致密、抗剪强度高的主要原因。根据广西沿岸地区新构造运动资料分析，第四纪冰期和间冰期的交替变化，导致海平面的升降和海岸线的推移，长期风化和在浪、潮、流等外营力反复侵蚀、冲刷作用下，研究区域表面已有的沉积层裸露剥蚀，留下来的沉积层则表现出超固结状态。对照岩土工程学中土的主要矿物成分密度值表[14]，石英、次生二氧化硅、高岭石、水云母、蒙脱石的比重范围为2.27～2.70，所以实测的北海市灰白色黏土比重为2.64～2.70，较陆地上灰色黏土经验值小。北海灰白色黏土含亲水性胶体宜采用中性液体做介质[15]，测得的比重值会更加准确且更低。

4结论

（1）北海灰白色黏土在天然状态下具备较高力学强度，但抗水性差，当其含水率增加或干湿交替时出现的胀缩特性和裂隙、崩解大大降低了土体强度和稳定性，加大了岩土工程性质评价的难度。（2）北海灰白色黏土活动性介于高岭石和伊利石之间，是一种未彻底风化的含有伊利石的过渡类型的高岭土。（3）北海灰白色高液限黏土根据自由膨胀率指标和特殊土塑性图均可判为膨胀土。（4）北海灰白色黏土的主要粒度组成为胶粒和黏粒，在自然状态下不处于高分散状态。在近海工程勘察中，由于海洋环境的特殊性和海洋土成因的复杂性，将土质学理论应用到地质勘探和生产实践中去，能有效地掌握地基土特殊工程性质，是准确评价工程地质性质的必要前提，为其开发利用和工程治理提供参考。

作者：荣艳丽 陶旭光 单位：中交第三航务工程勘察设计院有限公司