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淮北平原典型地质体成因规律及工程影响分析

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第12卷第5期2012年2月 科学技术与工程 Vo1.12 No.5 Feb.2012 l671~1815(2012)05—1001—06 Science Technology and Engineering ⑥2012 Sci.Tech.Engrg. 淮北平原典型地质体成因规律及工程影响分析 余亚男 余飞。 戴张俊 乐 红 (安徽省路港工程有限责任公司 ,合肥230011;中国科学院武汉岩土力学研究所 ,武汉430071) 摘要基于前人的研究资料,对淮北平原区域地质特征进行了阐述。在此基础上,结合在建高速公路试验成果资料,对淮 北平原典型地质体,即新近沉积粉质土和钙质结合土的形成原因、分布规律、工程地质特征进行分析。阐明了其主要工程地 质问题和有待进一步研究的方向,为淮北平原工程建设项目的设计、施工提供参考和依据。 关键词 淮北平原 中图法分类号粉质土 钙质结合土 成因规律 A P642.15;54 TU 441; 文献标志码淮北平原以黄泛平原和河间低平原地貌为主 以来,随着干旱、水流和风蚀等侵蚀作用加强,地表 土层中的细小颗粒和可溶性矿物质的流失所形成 体,在广阔的低平原中,还有局部零星的剥蚀残丘 和沿河缓坡岗地穿插其问。由于河流泛滥切割,微 的。含钙质结合土层一般埋深较浅或直接出露于 地表,在土层剖面中通常聚集成层,少者一层,多者 数层间隔,具有显著的非均匀性特点和独特的工程 地质性质,其强度和变形特性也由于其分布情况、 地形起伏明显。晚更新世的剥蚀面上,由于近代黄 河南泛和沿淮河的泛滥淤积,地表覆盖有几米至几 十米厚的新近黄河泛滥沉积物。 沿河洼地和近河低地、坳沟等地段地表广泛分 布的新近黄(淮)泛沉积层,主要为饱和松散粉质土 和淤泥质土,而在广大的河问阶地低平原区,由黄 河南泛所带来的黄土母质中的碳酸钙经淋溶淀积 作用,普遍发育河湖相钙质结核¨ ,形成了今日所 见的黄(淮)特殊的地质单元。 淮北平原新近沉积粉质土主要是近代黄河的 多次改道泛滥沉积形成,其粉粒含量占绝对优势, 粗粒和黏粒含量较少,饱和粉土中的水多为自由 结核尺寸大小、形态特征、成因时代、结构和含水条 件的变化而有很大的差异 。 因此,对于淮北平原而言,广泛分布的新近沉 积粉质土和钙质结合土是区域内典型地质体,且由 于其工程性质各有其特殊性,造成了土质条件的复 杂性和不确定性,对区域内建设工程的设计、施工 带来了较大的困难。 本文在总结前人研究成果、文献资料的基础 上,结合淮北平原在建的徐(州).明(光)、泗(县)一 许(昌)高速公路勘察资料、现场原位试验成果,对 淮北平原典型地质体(新近沉积粉质土、钙质结合 土)的形成原因、分布规律、工程地质特征及带来的 水,具有独特的工程性质。粉质土层覆盖范围广, 多以过渡形式存在,韵律沉积特征显著,即由粉砂一 含砂粉土一粉土.粉质黏土呈渐变接触关系出现,由 于黄河多次决口、淤积和泛滥,这种过渡形式反复 出现,导致地质土的成层性和不均匀性显著 增强 。 工程问题进行分析,为区域内工程建设项目提供参 考和依据。 1淮北平原区域地质特征 1.1自然地理概况 淮北平原是我国钙质结核土的典型分布区,占 淮北平原总面积的52.5%,占全国含钙质结核土面 积的41.5% J。淮北平原钙质结核土是晚更新世 2011年l1月16日收到 淮北平原位于安徽省北部,位于东经1 14。55 一 118。10 。北纬32。25 一34。35 之间,为黄淮海大平原 的一部分(位于黄淮海平原的南部)。东邻苏北平 原,南临淮河为界,与安徽省的江淮丘陵地相接,西 接豫东平原,北与山东接壤。包括宿州、阜阳两地 区及淮北市的全部,以及蚌埠市和淮南市的部分地 第一作者简介:余亚男(1967一),男,研究方向:公路路基工程管理 与处治方案。 通信作者简介:余飞。E-mail:Yufei8720@163.eom。 1o02 科学技术与工程 l2卷 区,总面积约38 000 kmz。 区内地势平坦辽阔,自西北向东南缓倾斜,只 东北部有少数低山残丘。淮北平原位于我国南北 气候的过渡带,属暖温带半湿润季风气候,具有过 渡地带气候型的特征,降雨量时空分配悬殊,年降 雨量最大值为最小值的3至4倍,且淮北平原为全 国东西向分布蒸发极大的地带之一,这正是该区易 遭早涝灾害的主要原因,也是淮北平原典型地质体 形成的地理气候条件。 1.2地形地貌 淮北平原由黄河、淮河历次泛滥堆积作用形 成,除东北部有零散残丘与低山分部外,其余均为 第四系松散沉积物覆盖,地势平坦,由西北向东南 微微倾斜,地面坡降l/7 500~1/10 000,海拔高度 为15—46 m。平原由丰厚的第四系堆积物组成,呈 现典型的堆积性地貌景观。全新世以来黄河频繁 决口、改道,大量的泥沙堆积于豫、鲁、皖黄泛平原 区,厚度可达20 n'l左右,由北向南渐薄,叠加在晚更 新世的剥蚀平原之上,加大了淮北平原的倾斜度, 形成今日所见的黄泛特殊地貌景观。 本区河流多为西北东南向,由于诸河切割,构 成本区平原河谷地貌的自然景观。地貌类型可分 为剥蚀堆积地貌、堆积地貌、构造剥蚀地貌三种。 剥蚀堆积地貌分布于中南部河间地区,地势平坦, 地面坡降1/10 000,为第四系全新统中段堆积底层。 堆积地貌主要分布在本区北部,为近代黄河泛滥堆 积而成,属第四系全新统上段冲积地层,地面高程 坡降1/7 500。构造剥蚀地貌主要分布在本区东北 部地区,分布范围较小,不足本区总面积的3%。 2区内第四系成因类型与分布规律 2.1成因类型与分布规律 淮北平原处于华北地层区的南缘,其第四系堆 积物中,河湖相沉积较为发育,厚度50~100 m不等 (如图1所示)…。全新统地层不发育,一般多见于 现代河道,常呈现于高地。早、晚更新世期间,物源 主要来自近山区和大别山及西部低山、丘陵;全新 世以来,平原内部的地貌的影响以外营力地质作用 为主,即黄河与淮河的泥沙,尤其黄河是流经黄土 高原的多沙河流,南泛时携大量泥沙,对淮河平原 的沉积塑造很大。 第四系堆积物成因主要为:(1)冲积,特征是粒 度分选性好,又可细分为冲积扇堆积、河道带堆积 和河间带堆积;(2)湖积,特征是颗粒一般较细,大 多分布于平原的扇前洼地及交接洼地。 图1淮北平原第四系分布图 从图1中可以看到,第四系堆积物分布规律为: 平原西北部的界首、毫县和东北部宿(州)一泗(县) 以北地区,出露第四系全新统土层(Q ),地表以粉 质黏性、粉土为主;在临泉、界首、涡阳、宿州以南除 淮河及其支流颖河、西犯河、涡河、北讹河、侩河、沱 河河道两侧几公里范围内为河道带堆积第四系全 新统土层以外,地表皆为第四系上更新统土层 (Q。)。 2.2第四系地层特征 第四系全新统(Q ):是组成河漫滩的主要地 层,局部韵律明显,土性为灰黄、棕灰、黄褐色粉质 黏土夹粉细砂或粉细砂夹粉质黏土,局部含有淤泥 质,厚度不等变化较大,一般厚度10—15 m。按土 性特征及沉积规律的变化可以分为上、中、下三段: 上段冲积物(Q ):主要为灰黄色粉质黏土与粉、砂 性土层,层理清晰,常为互层沉积。中段湖积冲积 物(QZ ):主要为灰色、深灰色粉质黏土与粉、砂性 土层夹薄层淤泥,微层理发育。下段冲积物(Q ) 主要岩性为灰色、灰黄色粉质黏土与粉、砂性土层, 常呈互层状,韵律变化明显。 第四系上更新统(Q,):是组成河床的主要地 层,主要岩性为灰绿、棕黄、棕红、褐黄色黏土、粉质 黏土与粉细砂层,有比较明显的韵律层,水平层理 5期 余亚男,等:淮北平原典型地质体成因规律及工程影响分析 较清晰,含铁锰结核和钙质结核。常以灰绿色黏 土、粉质黏土为每个韵律之顶部,棕黄、棕红、褐黄 色黏土、粉质黏土为每个韵律之中部,底部多为砂 性土层。每个韵律的厚度一般为(5一l8)in左右。 第四系中更新统(Q:):以棕黄、灰黄、青黄及青 棕杂色粉质黏土为主,夹薄层亚砂土或粉细砂,埋 深一般在20 11"1以下,结构致密。 3粉质土成因规律及工程地质特征 3.1粉质土成因 淮北平原粉质土主要指第四系粉质黏土、粉土 和粉细砂。研究区除沿淮河北岸一带的粉土沉积 层属于淮河泛滥外,区内大部分粉土主要是近代黄 河的多次改道泛滥沉积的,是堆积在黄泛平原上, 由于黄河上游严重的水土流失,从黄河上游携带大 量的泥沙在中下游堆积起来。黄河下游水流中含 沙最大量可以达到1 000 k m ,在流经地域广阔的 华北凹陷构造区后,其水流流速变慢,流水携砂能 力大大降低,大部分泥沙在原地堆积起来,从而形 成面积广大的冲积扇平原和冲洪积平原,与此同 时,人类为了抵御洪水而修建堤坝,导致下游河流 更强烈的堆积,形成举世闻名的“地上悬河”,悬河 也常引起下游洪水泛滥和改道。仅从公元前602年 河流迁徙起,至公元1946年2500年中决口1 500 余次,黄河大改道7次。其中在公元1194年从河南 延津改道,经徐州汇人京杭运河;而又在公元1494 年黄河从河南兰考,经商丘、毫州、场山、徐州汇入 京杭运河。每次改道也都会在沿途形成大量淤积 砂、粉土,而其中冲淤积砂中还夹有粉质黏土、黏土 等沉积土层。 3.2粉质土分布范围 粉土主要分布在平原西北部的界首市,毫州市 和宿州市至泗县以北地区的黄泛斜地及河谷洼地 坳沟中,阜阳、太和、利辛、蒙城地区的坳、洼地的表 层也普遍分布薄层的粉土,而沿淮的阜南、怀远、五 河等地沉积了较厚的粉土,如五河县中国银行、新 华书店场地的钻孔揭露粉土厚度达24.6 111。界首、 太和、利辛地区黄绿色粉土中多含钙质结核、淡水 贝壳,偶见淹埋的青色花砖、瓦片和铁剑等。在参 考实际勘察资料和相关资料,简要绘出淮北平原区 粉土分布示意图2所示 。 图2淮北平原粉土分布图 3.3粉质土工程地质特征 在安徽省淮北地区广泛分布有粉土。粉土是 界于砂土与黏性土之间,塑性指数, ≤l0且粒径> 0.075 mm的颗粒含量不超过全重的50%的土。由 于粉土为过渡类型,在现行的公路地基规范中对此 类土未单独列出,划人黏性土。 由于淮北平原各地区粉土沉积和气候环境的 差异性,同时也为更好地了解淮北平原粉土的工程 性质,对安徽淮北平原的粉土按区域进行探讨,同 时以淮北平原的多条高速公路的地质资料、土工资 料为依据,统计了各地区粉土粒度含量以及主要物 理力学指标,见统计表1所示。 从表1可以看出:淮北地区粉土其粉粒含量平 均值为51.4%~88.53%,含水量范围为15.4%~ 27.85%,平均值范围为21.8%~27.85%,为稍 湿~湿;孔隙比范围为0.471—0.946,平均值范围 为0.64—0.79,呈松散、稍密、稍密一中密、中密、中 密一密实状;压缩系数范围为(0.06~0.47)MPa~, 平均值范围为(0.2~0.36)MPa~,压缩模量范围为 (3.6~27.4)MPa,平均值范围为(5.83—13.07) MPa,多为中或中高压缩性土;新近沉积粉土多为黄 泛沉积,部分沿黄河泛滥沉积,属第四系全新统冲 积层(Q ),摇震反应多为一般~迅速,韧性低多为 一般,干强度多为低。 科学技术与工程 12卷 表1 淮北平原各地区粉土物理力学指标平均值统计表 腿 …C/kPa间平地、洼地及黄泛平地由于地势较低,地下水埋 藏浅,土壤水分条件充足,土壤中的CaCO 在CO 嚣 作用下变成Ca(HCO ) 随水分在黄土母质上聚集, 4钙质结核土成因规律及工程地质特征 4.I钙质结核土成因 钙质结核的形成与干湿交替的气候环境以及 地下水埋藏浅且有季节性变化有重要关系。由于 富含重碳酸盐的地下水的上下运动,以及蒸发量大 于降水量,干湿交替的特殊环境条件,成土母质中 的碳酸钙经淋溶淀积作用形成钙质结核。 淮北平原上水系发育,各河流自西北向东南流 人淮河及洪泽湖。地面水系的展布直接影响了地 下水水位的变化。而黄河由于多砂善淤,变迁无 常,改道十分频繁,自10世纪以来,黄河下游屡次南 泛,先后夺汁、夺涡、夺颖,以致黄淮合流,这对淮河 流域沉积环境的变迁及河口区的淤积延伸产生深 刻影响。不仅改变了研究区内地下水的分布情况, 而且加剧了地下水水位的变化。同时,加上研究区 内一般地势平坦低洼,土壤排水不良,地下水位较 高,属于HCO,-一ca一型,为钙质结核的形成提供 了地下水环境。 钙质结核土主要集中出现在河间平地、洼地及 黄泛平地上,整个中南部地区除河流水系流经之处 外,均有钙质结核的分布。而在古河道高地、泛滥 微高地及河漫滩上少见有钙质结核。这是因为钙 质结核是土壤淋溶淀积作用形成的,它的形成需要 干湿交替的环境条件及浅层地下水的上下运动,河 再加上蒸发强烈,水分以气体状态向地表运动,CO: 析出,CaCO,沉积,最后形成钙质结核。古河道高 地、泛滥微高地及河漫滩由于地势较高,没有充分 的水分条件。并且碳酸盐的聚集有向低地集中的 趋势,所以在高地边缘常有钙质结核分布。 淮北平原多年平均降水量(750__900)mm,且 集中分布在6月至l0月;而平均蒸发量(1 330~ 1 550)lnm,属降水入渗——蒸发型,蒸发量大于降 水量,降水补给主要消耗于蒸发,加之土壤排水不 良,地下水位较高,在这种干湿交替和地下水营力 作用下的氧化环境中形成钙质结核层。 可见,钙质结核土的分布基本与河流水系及地 下水的分布一致,主要集中分布在地下水水位较 高,年蒸发量大于降水量的河问平原等地势较平坦 地区。 4.2钙质结核土分布范围 钙质结核土大面积分布于形状不同、大小不等 的河间、河旁、湖坡洼地和扇前洼地,分布情况如图 3所示。 图3钙质结核土区域分布平面图 从图3中可以看出:Q 分布区土层上部主要分 布雏形钙质结核土,这部分地区钙质结核的数量 少,粒径小,对土体工程性质的影响较小。Q 分布 区土层上部主要分布完形钙质结核土,这部分地区 钙质结核的数量多,粒径大,对土体工程性质的影 5期 余亚男,等:淮北平原典型地质体成因规律及工程影响分析 1005 响较大。 5.3钙质结核土工程地质特征 钙质结核个体的外形不规则,表面呈多角状突 起,粒径一般为(1—8)cm,最大可达30 am。钙质结 核多散布于土层中,埋深在(1.5 .5)m,含量在 10%-_40%,并具有成层分布特征,即随深度的增 加,粒径逐渐变大,含量逐渐增加,并在与下卧土层 (一般为粉砂层)交界面上最为富集。 钙质结核的存在使土体工程性质具有显著的 非均匀性特点,既不同于一般黏性土又有别于碎石 土,其强度和变形特性也由于其分布情况、结核尺 寸大小、形态特征、成因时代、结构和含水条件的变 化而表现出较大的变异性。 以反映地基土体力学性状的静力触探试验来 说 J,淮北平原钙质结核土比贯人阻力随粒径、含 量的变化,如表2所示。 表2含钙质结核土层 值统计表 cm cm 1—2 5 2.25 1—4 40 5.33 l~4 5 1.35 1~4 1O 2.61 l~5 5 2.03 l~6 30 5.90 1~6 10 2.85 1~6 35 7.1O 1~4 10 3.87 l~4 1O 2.57 1~4 20 5.O5 1~4 2O 4.03 1~4 35 9.45 1~5 35 6.72 l~4 2(1 3.54 , , 图4 比贯入阻力 值与钙质结核含量关系 钙质结核的粒径对各土层比贯入阻力的影响 相对较小,这主要是由于钙质结核是以块体的形态 散布于土层中,不同粒径块体相互参杂,无明显的 土层界限,难以建立比贯入阻力和钙质结核粒径的 相关关系。但很明显,粒径较大的钙质结核的存在 会引起P 变化幅度和峰值的增大。 图4显示了各土层比贯入阻力平均值与钙质结 核平均含量的相关曲线。从图4中可以看出,平均 比贯人阻力随钙质结核含量的增加而增大,两者具 有较好的线性相关性。即使测试值具有较大的离 散性,平均比贯入阻力与钙质结核含量也存在内在 的联系。 可见,淮北平原钙质结核土的工程力学性质较 为复杂,一方面表现出较大的变异性,另一方面,又 具有其内在的规律性,还有待系统深入的进行研究。 5主要工程地质问题 5.1钙质结核土的主要工程问题 钙质结核土由于钙质结核的存在使得钻孔取 样、原位试验困难,室内试验值离散或偏高,难于运 用。钙质结核土体工程性质的变异性较大,要更加 准确的确定钙质结核土的地基承载力,必须结合其 它原位测试结果,以及当地的工程实践经验对其进 行综合分析。钙质结核的存在对工程的主要影响: 1)对地基承载力的原位测试带来较大的困难。 钙质结核的存在使得静力触探、标准贯人等原位测 试值偏高,并具有较大的离散性,对工程建筑地基 承载力的评价带来较大的困难。在工程应用中,需 结合当地工程实践经验,对其工程性质做出正确的 判断。 2)由于钙质结核土中钙质结核本身分布、大 小、强度不均,故在工程应用中,采用钙质结核土作 为桥涵地基基础持力层或公路路基时,容易造成基 础或路基的不均匀沉降,导致桥涵结构或公路路面 开裂。 5.2粉土的主要工程问题 淮北平原常见的粉土经长途搬运磨圆,粒度成 份单一,粉粒占绝对优势,小于0.005 mm的黏粒组 较少,颗粒级配曲线较陡,不均匀系数cu值很小。 另外平原地区地下水位埋藏较浅,多为饱和粉土, 由此带来了以下几方面的的工程地质问题: ①淮北粉土层强度低、稳定性差,作为工程建 筑地基,容易出现承载力不够而导致工程病害,如 过大的工后沉降、不均匀沉降以及结构开裂 j。 ②淮北粉土黏结性很差,直接作为路基填料难 科学技术与工程 12卷 于压实成型,也不能保证路基的长期稳定性,一般 需要进行改良处理,但由于其自身活性较差,改良 效果受到一定的限制,因此需要控制其填筑层位, 并进一步对改良措施进行研究。 ③淮北粉土极易振动液化失水。一方面,在现 场勘探、包装、运输、室内试验过程中,容易振动液 化失水,导致含水量偏低、孔隙比偏小,由此确定的 物理力学指标与原状土存在较大的偏差,对于工程 是偏于不安全。另一方面,在交通动荷载的长期作 用下,可能导致粉土层加速变形,需要对动荷载影 响下粉土地基的长期性状进行深入研究。 行分析,为淮北平原工程建设项目的设计、施工提 供参考和依据。 参1金考文献 权.安徽淮北平原第四系.北京:地质出版社,1990 2吴志海.安徽淮北平原新近沉积粉土工程性质研究.合肥工业大 学硕士学位论文,2006 3曹亚娟.安徽淮北平原钙质结核土的分布及成因研究.合肥工业 大学硕士学位论文,2009 4钟轩明.安徽省淮北地区钙质结核土的工程性质研究.合肥工业 大学硕士学位论文,2007 5吴道祥,单灿灿,钟轩明,等.静力触探的发展及其在岩土工程中 的应用.合肥工业大学学报,2008;31(2):211—215 6结论 综合前人研究成果与在建工程勘察试验成果, 对淮北平原区域地质特征进行了阐述,针对典型地 6陈宏新.静力触探检测构造物地基承载力的应用.地基与基础, 2007;21(5):773~775 7刘松玉,吴燕开.论我国静力触探技术(cPT)现状与发展.岩土 工程学报,2004;26(4):553—556 8郭正言,刘长平.安徽淮北地区粉土地基承载力的确定.地基基 础工程,2003;7(3):38—39 质体,即新近沉积粉质土和钙质结合土的形成原 因、分布规律、工程地质特征及带来的工程问题进 Study on the Formation Rule and Engineering Influence of Typical Geological Unit in Huaibei Plain YU Ya.nan ,YU Fei¨,DAI Zhang-jun ,YUE Hong (Anhui Province Highway&Port Engineering CO.,LTD ,Hefei 230000,P.R.China; Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences ,Wuhan 430071,P.R.China) [Abstract] According to the previous researches,the regional geological characteristics in Huaibei plain are ex— pounded.Based on this,by combining with the test results of the highways in construction,the formation,distribu— tion,engineering geological characteristics are analyzed for the typical geological bodies,the recently deposited sli- ty soil and calcareous concretionary soil in Huaibei plain.The main engineering geology problems and the direction of further research are expounded,and the reference and basis orf engineering projects in the design and construc— tion in Huaibei plain are provided. [Key words]Huaibei plain slity soil calcareous concretion soil formation rule 

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