南水北调中线工程须水河段裂隙粘性土的工程地质特性

张天华，张 杨，刘香兰，陈平货

（1.河海大学，江苏 南京 411100；2.河南省土地整理中心，河南 郑州 450000；3.河南永固岩土工程有限公司，河南 开封 475000；4.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450003）

1 概况

南水北调中线一期工程总干渠须水河段桩号SH197+498～SH217+793，位于豫西岗丘区，地形起伏，西北部高，东南低，地面高程128～135m。工程区勘探范围内共分3层，第①层黄土状中粉质壤土（Q3）：黄褐、褐黄色，可塑，含钙质结核，层厚6m左右。第②层重粉质壤土（Q2）：棕黄色，稍湿，硬塑，裂隙发育，宽度一般3～5mm，充填黄色粉土，见铁锰质斑点，局部含砾石，其成分为石英砂岩、石英岩，含量5%～10%。该层土厚7.3～9.3m，西薄东厚，顶面高程116.6～117.3m。第③层粉质粘土（Q2）：棕红色，泥质结构，硬塑—坚硬，见黑色铁锰质斑点。裂隙发育，宽度一般3～5mm，充填黄色粉土，岩性不均，局部含中细砂粒，底部见粗砂、砾石。该层厚4.1～4.8m，顶面高程108～110m，向东微倾。

工程区的裂隙粘性土第②层和第③层，埋藏于上更新统（Q3）黄土状土之下，呈多层状分布，在每层裂隙粘性土顶部都有一层排列整齐的钙质结核层。裂隙是由于土体单元在湿热交替的气候环境下经过长期胀缩形成的。裂隙产状错综复杂，竖向、斜交、水平各方向均有存在。

2 裂隙粘性土物理化学特性

2.1 裂隙粘性土的化学成分

裂隙粘性土属第四系中更新统（Q2）地层，岩性一般为重粉质壤土、粉质粘土，裂隙发育，多呈网络状，无层理。富含铁铝氧化物、含亲水性和可溶性物质，其化学成分见表1。

表1 土体单元的化学成分表

2.2 分布特征

裂隙粘性土分布在河南西部，尤其是山区和丘陵垄岗地区分布更为广泛。由于古地形的起伏，地层的强烈侵蚀，分布高程往往相差很大，同一类型的裂隙粘性土也有的出露于丘陵或垄岗顶部，有的则深埋于其他土层之下。裂隙粘性土的底部多与第三系岩层直接接触。在每层裂隙粘性土底部均有一层排列整齐的钙

质结核层由上向下逐渐变大变厚。在地层下部常有较厚的大钙质结核层，钙质结核直径一般为10～20cm。

2.3 土体单元的物理化学特征

根据野外原位测试，结合室内土工试验成果，经统计、分析、整理，各岩土体单元物理力学性成果见表2、表3，场区地基各土体单元的物理力学特征如下：

表2 土体物理性试验统计成果表

表3 土体力学性试验统计成果表

①黄土状中粉质壤土（alplQ3）：天然干密度ρd平均值1.49g/cm3；液性指数IL平均值-0.01；压缩系数α1-2平均值0.3MPa-1；湿陷系数δs范围值-0.011～0.0155；标贯击数。N平均值15击；故该土层为具中等压缩性的硬土，局部具弱湿陷性。承载力标准值fK为170kPa。

②重粉质壤土（dlplQ2）：天然干密度ρd平均值1.63g/cm3；液性指数IL平均值0.03；；压缩系数α1-2平均值0.15MPa-1；标贯击数N平均值22击；故该土层为具中等压缩性的硬土。承载力标准值fK为280kPa。

③粉质粘土（dlplQ2）：天然干密度ρd平均值1.63g/cm3；液性指数I L平均值-0.08；标贯击数N平均值22击，为中等压缩性的硬土。承载力标准值fK为300kPa。

2.4 裂隙粘性土的工程特征

（1）裂隙粘性土为冲洪积、坡积堆物，富含铁铝氧化物，一般颜色较深，以红色为最常见，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。裂隙粘性土多出现在中更新统地层内，具有较发育而不规则的裂隙。富含铁铝矿物，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。

（2）裂隙粘性土由于裂隙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，棱形块体之间的连结愈弱，其强度愈低，压缩性愈大，透水性也愈强。

（3）裂隙粘性土在卸荷、临空或无侧压情况下，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流通道。在水的作用下，由于铁铝氧化物不断聚集，裂隙充填物多呈黄、棕红及灰绿灰白色，裂隙面多数粗糙，但有的光滑并具有油脂光泽，为土体的软弱结构面。

3 裂隙粘性土的工程危害

裂隙粘性土具有一般粘性土所没有的特殊结构，它的工程地质特性也不同于一般粘性土。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。有时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，不少渠道因边坡大量坍滑造成渠道堵塞不能使用；有的隧洞工程，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。工程危害主要表现为以下几个方面：

（1）裂隙粘性土的天然边坡很不稳定，在天然情况下可以看到陡直的裂隙粘性土剖面，也可以看到平缓的天然边坡。天然状态下，土体不断风化，使边坡由陡变缓，土的自然边坡与裂隙产状、气候条件有关，从宏观剖面上看，竖向裂隙发育常能形成较陡的天然边坡，斜交和水平裂隙发育的土体天然边坡则往往较平缓。同一类型的裂隙粘性土，在气候比较干燥的地区，可呈现陡直边坡；但在多雨的地区则多呈缓坡。在天然条件下，土体逐渐风干碎裂，边坡日渐平缓，可见裂隙粘性土体的天然边坡是不稳定的。

（2）竖向裂隙发育的粘性土多分布在地层表部和上部，受大气影响裂隙上大下小，向下逐渐尖灭，裂隙面粗糙，充填物常为黄色粉土、灰绿灰白色高岭土及黑色铁锰质氧化物，这类土体的强度大，变形小，竖向透水性较大。但在卸荷、临空的情况下，土的强度常显著降低，在边坡开挖和洞室工程施工中常产生掉块和坍塌，对工程的稳定不利。斜交裂隙发育的裂隙粘性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，充填物多以灰绿灰白色高岭土为主，并有一定数量的黑色锰氧化物，土内常含强亲水性矿物，具有高塑性和较强的胀缩性，斜交剪切理裂隙越发育，胀缩性也越强，这类裂隙粘性土的强度低，变形较大，在斜坡地带，常引起滑坡或局部滑移。

4 结语

裂隙粘性土多属超固结粘性土，致密坚硬，强度高。但发育有不规则的裂隙，土体结构复杂而不均匀，对土体的应力应变产生不利影响。工程区地下水的存在对土体的工程地质的影响尤为重要，主要表现在地下水沿土体中的裂隙活动，可引起土体的软化、强度降低，从而使边坡变形和失稳。因此，裂隙粘性土在渠道、洞室及天然地基等方面日益引起人们的注意和重视。