灰白色黏土工程地質特性及成因分析

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【摘要】廣西北海市某海域勘探深度40m內廣泛分布硬塑狀含石英顆粒的灰白色黏土層，該土含水率低、密度大、比重小、孔隙比小，壓縮性低，天然狀態下剪切強度較高，滲透性極弱，存在吸水軟化產生膨脹、失水收縮產生裂隙再浸水會迅速崩解至膠溶狀的特性。選取49個鉆孔200個灰白色黏土樣品的室內物理力學試驗結果進行數理統計分析，全面認識北海市灰白色黏土層的工程地質特性；通過XRD礦物成分分析、碳酸鹽含量、土的腐蝕性、950°C高溫燒失量等試驗，結合廣西地質資料和前人對北海黏土礦的研究成果，從土的形成演化、物質組成解釋產生特殊工程性質的內在因素，對合理評價該類土的工程地質性質提供地質科學依據，為其開發利用和工程治理提供參考。

【關鍵詞】灰白色黏土；工程地質特性；高嶺石的伊利石化；粒度分布；礦物成分

廣西北海市某海域勘探深度40m內廣泛分布一種硬塑狀含砂粒的灰白色黏土，受鐵質、有機質等物質影響，局部呈淺黃色、粉紅色、淺褐色、紫色，這種土含水率低、密度大、比重小、孔隙比小，壓縮性低，天然狀態下剪切強度較高，滲透性極弱，存在吸水軟化產生膨脹、失水收縮產生裂隙再浸水會迅速崩解至膠溶狀的特性。灰白色黏土的上述特性加大了研究區域的巖土工程評價難度，特別是膨脹性的判別和分類，所以對北海灰白色黏土的評價、計算僅限于常規室內試驗指標遠遠不夠，需要進一步了解內在成因。鐘振福[1]、楊光和[2]等對北海市黏土礦、高嶺土礦的地質特征、成因、礦物成分和含量以及分布進行了系統性研究，指出北海市黏土礦產出于第四系湛江組，劃分為水云母–高嶺石黏土和伊利石–高嶺石黏土兩種類型；黎廣釗等[3]對廣西沿海地區地質構造的演化過程和區內地層進行了詳盡的闡述；馬天駿[4]根據室內試驗和原位測試指標評價了北海市主要土層的工程地質性質。此外，國外學者P.A.BjΦrkum[5]、KnutBjΦrlykke[6]研究認為，北海布蘭特組中侏羅紀砂巖存在自生高嶺石和鉀長石可能反應形成自生伊利石（白云母）、石英膠結物，即高嶺石的伊利石化，為灰白色黏土的成因、物質形成來源提供了理論基礎。

1地質概況及土層分布特征

研究區域位于北部灣東北岸，為洪積–沖積的侵蝕剝蝕平原，地勢較平坦，緩向海傾斜，根據前人資料，北海市除局部有志留系砂巖出露外，均被第四系松散沉積層覆蓋，其下為古生代砂巖、灰巖和花崗巖[1]。研究區域揭露的第四系地層自上而下：全新世中、晚期海相沉積的砂層，受所含礦物的影響呈灰、灰黃、灰白、深灰、粉紅、褐色[3]，分選性差，顆粒不均勻，粒徑主要為0.075～2.0mm，混黏、粉粒，含碎貝殼、朽木，分布廣泛，厚度一般小于5.0m，底部偶見深灰色軟塑狀粉質黏土夾砂層；下臥層為平行不整合接觸的早更新世湛江組沖積相沉積的灰白色黏土和砂的互層，總體各劃分三層[4]。灰白色黏土層在平面上連續性較好，產狀平緩并趨于水平，呈厚層狀產出，縱向上埋深越大厚度越大。第一層黏土層頂板埋深小于5.0m，分布不連續，厚度較薄，約2.0～3.0m，巖性基本為粉質黏土；第二層黏土層頂板埋深8.0～15.0m，厚度一般小于5.0m，夾砂透鏡體，局部相變為粉質黏土；第三層黏土層頂板埋深20.0～25.0m，厚度較大，揭露的厚度為3.0～>15m，夾砂透鏡體。

2工程地質特性分析

本文研究的灰白色黏土在縱向上被砂層分隔為三層，力學強度整體無明顯變化，水平向由于含砂量的差異，塑性狀態在可塑偏硬至硬塑狀之間，變異系數較大。本次分析將三層黏土指標統一整理，取樣間距為2.0m，為充分了解場地土層的指標特性，僅刪除個別不合理數據。根據室內物理力學試驗資料的統計分析（見表1−表4），灰白色黏土具有以下主要工程地質特性：（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為15.0%～37.4%，平均值24.4%，計算飽和度均在90%以上，天然含水率低，一定程度上反映了土具有較好的力學性質；天然密度為1.81～2.16g/cm3，平均值約2.00g/cm3；用比重瓶法（純水）測得的比重值為2.64～2.70，與陸地上的一般性土（比重值2.72～2.76）相比偏小，說明土的礦物成分存在很大不同。（2）顆粒極細，粒度組成主要為黏粒、膠粒（見表2）。北海市灰白色黏土烘干后煮沸1h加分散劑進行顆粒分析，結果表明小于2um的顆粒含量最大可達80%以上，小于1um的顆粒含量最大可達近70%。北海市灰白色黏土在自然狀態下不處于高分散狀態，例如Z43-10試樣在不加分散劑情況下，土懸液1h的甲種比重計讀數即為0，加入分散劑后讀數升至15.0，觀察大于0.075mm的顆粒部分含有極細粒氧化鐵顆粒，并能用磁鐵吸出，游離氧化鐵對黏粒有團聚作用，所以自然狀態下北海市灰白色黏土多處于團聚狀態。（3）塑性狀態為硬塑和可塑，由于風化程度不均勻，北海市灰白色黏土的液限、塑性指數變化范圍較大（見圖1），10mm液限為21.5%～69.9%，塑性指數為10.0～41.1，分布在塑性圖A線之上。超過一半的樣品為高塑性黏土（ѡL>40%，Ip>17），按特殊土塑性圖判別屬膨脹土[7]。（4）天然含水率狀態下力學指標好。如表3和表4所示，北海市灰白色黏土壓縮性低，前期固結壓力大，超固結比較大，最大可達10.9或更大。高液限黏土固結快剪c值一般為20～72kPa，φ值一般為5.4°～19.4°；快剪c值一般為25～80kPa，φ值一般為2.8°～16.4°，低液限黏土固結快剪c值與高液限黏土相近，但φ值偏大，一般為7.8°～25.4°；快剪c平均值較高液限黏土偏低近10kPa，φ值一般為8.4°～20.4°。（5）抗水性差，具有脹縮性和顯著的崩解性。進行固結、滲透試驗時，均出現因吸水飽和后環刀內試樣高度高出環刀的現象，對塑性指數IP在25左右的風干試樣進行105℃烘干后50mL量筒自由膨脹率測試，測得的δef為68%～85%，屬中膨脹土[8]。試樣風干后收縮產生近水平向斜裂隙見圖2（a），上述試樣天然含水率時的體縮率約9%，收縮性較弱。相對脹縮特性，灰白色黏土失水后再浸水表現出的崩解性更顯著，30cm2×2cm的試樣完成固結試驗風干后浸入水里從整體狀態（見圖2b）至膠溶狀態（見圖2c）僅用了7min，崩解過程中發出急劇的氣泡上升聲響，黏土從邊緣開始崩解成細碎薄片下落，水略有渾濁。崩解速度隨黏土中粗粒的含量和裂隙增加變快，塑性高的土和濕土，因為要在崩解前完成膨脹過程，崩解速度慢。（6）天然含水率狀態下透水性極弱，采用變水頭滲透試驗并將水頭高度升至2m進行測試，測得的滲透系數為（2.3～5.1）×10−8cm/s，由于混石英砂粒，水平方向滲透數較垂直方向大一些。

3工程地質特性的成因分析

根據廣西地質發展歷史資料分析，在上新世末期至早更新世，研究區域所在的北部灣上升為陸形成風化殼，晚更新世末期，合浦、北海相連成為陸地，大部分地區遭受侵蝕剝蝕，形成侵蝕剝蝕階地和平原。至全新世早期再次發生海侵，全新世中期地殼上升，直至今日[4]。本次研究的灰白色黏土層屬下更新統湛江組（Q1z）[1]，在平面上連續性較好，產狀平緩并趨于水平，呈厚層狀產出，與黏土質砂基本呈三層砂三層黏土的空間發育規律，從土的粒度組成分析結果看，風化程度不均勻。龐衍軍等[9]在對廣西沿海第四系地層的研究中認為湛江組沉積物為陸源的洪積沖積物，本次的土腐蝕性分析中Cl−含量為465mg/kg，不足菲律賓馬尼拉海域土樣Cl−含量（4720～7010mg/kg）的1/10，也進一步證實湛江組沉積物為陸源的結論。P.A.BjΦrkum[5]、KnutBjΦrlykke[6]等學者通過熱力學研究得出砂巖中高嶺石、鉀長石和伊利石的形成模式，在低溫的、地層水對石英過飽和的封閉體系中自生高嶺石和鉀長石可以通過云母的轉化同時形成，在較高溫度下自生高嶺石和鉀長石可能逆反應形成伊利石（白云母）、石英膠結物，即高嶺石的伊利石化，化學反應模式見式（1）[5]。（1）黎廣釗等[3]在對廣西濱海砂礦調查研究中，通過地球化學分析測試廣西花崗巖、北海組和湛江組巖石的SiO2含量均在60%以上甚至80%以上，屬硅過飽和巖石，這一條件下，北海沉積物中反應（1）將反方向進行，白云母（伊利石）成為穩定礦物。為進一步證實上述對北海灰白色黏土物質來源和形成演化的分析，采用X射線衍射手段進行黏土礦物半定量測試，結果表明，北海市灰白色黏土礦物成分主要為石英Quartz（71.8%）、高嶺石Kaolinite（14.56%）、伊利石Ilnite（13.64%）。同時對一部分試樣進行碟式儀液限試驗、24h密度計法試驗，繪制塑性指數與黏粒（<2um）含量的關系圖（見圖3），得出北海市灰白色黏土活動指數A在0.6左右，介于高嶺石和伊利石之間。羅正杰研究表明，北海市黏土礦是一種未徹底風化的含有伊利石的過渡類型的高嶺土[10]，本次礦物成分分析和粒度組成分析結果均與該研究成果一致。北海市灰白色黏土中的伊利石粒度微細，為膠體狀，增加了土的可塑性，含量越高塑性越大。X射線衍射測試結果中伊利石的化學成分式2K2O·3MgO·Al2O3·24SiO2·12H2O，交換陽離子含鎂，鎂離子由于離子半徑較小，水化能力比鈣離子強，這是導致顯著脹縮性的重要因素之一[11]，另外，在溫度升至170℃以上時土會急劇膨脹炸開，也是土中富含鎂離子的影響[12]。采用密度計法加篩析法對北海市灰白色黏土進行粒度分析（見圖4），結果表明，北海市灰白色黏土的主要粒度組成為膠粒和黏粒，其中小于5um的黏粒含量為39.5%～94.0%，平均67.3%，小于2um的黏粒含量為29.2%～88.2%，平均61.9%，小于1um的膠粒含量為24.4%～69.9%，平均48.8%。說明北海市灰白色黏土中的石英SiO2主要為凝膠狀的次生二氧化硅，含結晶水，形成土中的黏粒。采用氣量法測定北海灰白色黏土碳酸鹽含量在1.2%～1.6%之間，重鉻酸鉀容量法測定其有機質含量0.6%，碳酸鹽和有機質含量均不高，而950℃高溫灼燒量達8.60%，說明灼燒掉的主要是土中的結晶水和結構水[13]。高嶺石伊利石化過程中會產生石英膠結物，石英膠結作用是北海市灰白色黏土孔隙度降低[6]、土體致密、抗剪強度高的主要原因。根據廣西沿岸地區新構造運動資料分析，第四紀冰期和間冰期的交替變化，導致海平面的升降和海岸線的推移，長期風化和在浪、潮、流等外營力反復侵蝕、沖刷作用下，研究區域表面已有的沉積層裸露剝蝕，留下來的沉積層則表現出超固結狀態。對照巖土工程學中土的主要礦物成分密度值表[14]，石英、次生二氧化硅、高嶺石、水云母、蒙脫石的比重范圍為2.27～2.70，所以實測的北海市灰白色黏土比重為2.64～2.70，較陸地上灰色黏土經驗值小。北海灰白色黏土含親水性膠體宜采用中性液體做介質[15]，測得的比重值會更加準確且更低。

4結論

（1）北海灰白色黏土在天然狀態下具備較高力學強度，但抗水性差，當其含水率增加或干濕交替時出現的脹縮特性和裂隙、崩解大大降低了土體強度和穩定性，加大了巖土工程性質評價的難度。（2）北海灰白色黏土活動性介于高嶺石和伊利石之間，是一種未徹底風化的含有伊利石的過渡類型的高嶺土。（3）北海灰白色高液限黏土根據自由膨脹率指標和特殊土塑性圖均可判為膨脹土。（4）北海灰白色黏土的主要粒度組成為膠粒和黏粒，在自然狀態下不處于高分散狀態。在近海工程勘察中，由于海洋環境的特殊性和海洋土成因的復雜性，將土質學理論應用到地質勘探和生產實踐中去，能有效地掌握地基土特殊工程性質，是準確評價工程地質性質的必要前提，為其開發利用和工程治理提供參考。

作者：榮艷麗 陶旭光 單位：中交第三航務工程勘察設計院有限公司