榮艷麗 陶旭光

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

廣西北海市某海域勘探深度40 m 內(nèi)廣泛分布一種硬塑狀含砂粒的灰白色黏土，受鐵質(zhì)、有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)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(tài)下剪切強(qiáng)度較高，滲透性極弱，存在吸水軟化產(chǎn)生膨脹、失水收縮產(chǎn)生裂隙再浸水會(huì)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(qū)域的巖土工程評(píng)價(jià)難度，特別是膨脹性的判別和分類，所以對(duì)北?；野咨ね恋脑u(píng)價(jià)、計(jì)算僅限于常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要進(jìn)一步了解內(nèi)在成因。鐘振福[1]、楊光和[2]等對(duì)北海市黏土礦、高嶺土礦的地質(zhì)特征、成因、礦物成分和含量以及分布進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，指出北海市黏土礦產(chǎn)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(duì)廣西沿海地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的演化過(guò)程和區(qū)內(nèi)地層進(jìn)行了詳盡的闡述；馬天駿[4]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試指標(biāo)評(píng)價(jià)了北海市主要土層的工程地質(zhì)性質(zhì)。此外，國(guó)外學(xué)者P.A.BjΦrkum[5]、Knut BjΦrlykke[6]研究認(rèn)為，北海布蘭特組中侏羅紀(jì)砂巖存在自生高嶺石和鉀長(zhǎng)石可能反應(yīng)形成自生伊利石（白云母）、石英膠結(jié)物，即高嶺石的伊利石化，為灰白色黏土的成因、物質(zhì)形成來(lái)源提供了理論基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況及土層分布特征

研究區(qū)域位于北部灣東北岸，為洪積-沖積的侵蝕剝蝕平原，地勢(shì)較平坦，緩向海傾斜，根據(jù)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?guī)r和花崗巖[1]。

研究區(qū)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0.075～2.0 mm，混黏、粉粒，含碎貝殼、朽木，分布廣泛，厚度一般小于5.0 m，底部偶見深灰色軟塑狀粉質(zhì)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(xù)性較好，產(chǎn)狀平緩并趨于水平，呈厚層狀產(chǎn)出，縱向上埋深越大厚度越大。第一層黏土層頂板埋深小于5.0 m，分布不連續(xù)，厚度較薄，約2.0～3.0 m，巖性基本為粉質(zhì)黏土；第二層黏土層頂板埋深8.0～15.0 m，厚度一般小于5.0 m，夾砂透鏡體，局部相變?yōu)榉圪|(zhì)黏土；第三層黏土層頂板埋深20.0～25.0 m，厚度較大，揭露的厚度為3.0～>15 m，夾砂透鏡體。

2 工程地質(zhì)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(xué)強(qiáng)度整體無(wú)明顯變化，水平向由于含砂量的差異，塑性狀態(tài)在可塑偏硬至硬塑狀之間，變異系數(shù)較大。本次分析將三層黏土指標(biāo)統(tǒng)一整理，取樣間距為2.0 m，為充分了解場(chǎng)地土層的指標(biāo)特性，僅刪除個(gè)別不合理數(shù)據(jù)。根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析（見表1-表4），灰白色黏土具有以下主要工程地質(zhì)特性：

表1 北海市灰白色黏土物理性質(zhì)指標(biāo)表

表2 北海市灰白色黏土顆粒組成百分?jǐn)?shù)

表3 北海市灰白色黏土（wL<40%，Ip=10～17）力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

表4 北海市灰白色黏土（wL>40%，Ip>17）力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

（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(jì)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(xué)性質(zhì)；天然密度為1.81～2.16 g/cm3，平均值約2.00 g/cm3；用比重瓶法（純水）測(cè)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(shuō)明土的礦物成分存在很大不同。

（2）顆粒極細(xì)，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1 h 加分散劑進(jìn)行顆粒分析，結(jié)果表明小于2 um 的顆粒含量最大可達(dá)80%以上，小于1 um 的顆粒含量最大可達(dá)近70%。北海市灰白色黏土在自然狀態(tài)下不處于高分散狀態(tài)，例如Z43-10 試樣在不加分散劑情況下，土懸液1 h 的甲種比重計(jì)讀數(shù)即為0，加入分散劑后讀數(shù)升至15.0，觀察大于0.075 mm 的顆粒部分含有極細(xì)粒氧化鐵顆粒，并能用磁鐵吸出，游離氧化鐵對(duì)黏粒有團(tuán)聚作用，所以自然狀態(tài)下北海市灰白色黏土多處于團(tuán)聚狀態(tài)。

（3）塑性狀態(tài)為硬塑和可塑，由于風(fēng)化程度不均勻，北海市灰白色黏土的液限、塑性指數(shù)變化范圍較大（見圖1），10 mm 液限為21.5%～69.9%，塑性指數(shù)為10.0～41.1，分布在塑性圖A 線之上。超過(guò)一半的樣品為高塑性黏土（wL>40%，Ip>17），按特殊土塑性圖判別屬膨脹土[7]。

圖1 北海市灰白色黏土在塑性圖上的分布

（4）天然含水率狀態(tài)下力學(xué)指標(biāo)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(jié)壓力大，超固結(jié)比較大，最大可達(dá)10.9 或更大。高液限黏土固結(jié)快剪c值一般為20～72 kPa，φ值一般為5.4°～19.4°；快剪c值一般為25～80 kPa，φ值一般為2.8°～16.4°，低液限黏土固結(jié)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10 kPa，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(jìn)行固結(jié)、滲透試驗(yàn)時(shí)，均出現(xiàn)因吸水飽和后環(huán)刀內(nèi)試樣高度高出環(huán)刀的現(xiàn)象，對(duì)塑性指數(shù)IP在25 左右的風(fēng)干試樣進(jìn)行105 ℃烘干后50 mL 量筒自由膨脹率測(cè)試，測(cè)得的δef為68%～85%，屬中膨脹土[8]。試樣風(fēng)干后收縮產(chǎn)生近水平向斜裂隙見圖2（a），上述試樣天然含水率時(shí)的體縮率約9%，收縮性較弱。相對(duì)脹縮特性，灰白色黏土失水后再浸水表現(xiàn)出的崩解性更顯著，30 cm2×2 cm 的試樣完成固結(jié)試驗(yàn)風(fēng)干后浸入水里從整體狀態(tài)（見圖2b）至膠溶狀態(tài)（見圖2c）僅用了7 min，崩解過(guò)程中發(fā)出急劇的氣泡上升聲響，黏土從邊緣開始崩解成細(xì)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?yàn)橐诒澜馇巴瓿膳蛎涍^(guò)程，崩解速度慢。

圖2 北海市灰白色黏土的水理性質(zhì)

（6）天然含水率狀態(tài)下透水性極弱，采用變水頭滲透試驗(yàn)并將水頭高度升至2 m 進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的滲透系數(shù)為（2.3～5.1）×10-8cm/s，由于混石英砂粒，水平方向滲透數(shù)較垂直方向大一些。

3 工程地質(zhì)特性的成因分析

根據(jù)廣西地質(zhì)發(fā)展歷史資料分析，在上新世末期至早更新世，研究區(qū)域所在的北部灣上升為陸形成風(fēng)化殼，晚更新世末期，合浦、北海相連成為陸地，大部分地區(qū)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(fā)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(tǒng)湛江組（Q1z）[1]，在平面上連續(xù)性較好，產(chǎn)狀平緩并趨于水平，呈厚層狀產(chǎn)出，與黏土質(zhì)砂基本呈三層砂三層黏土的空間發(fā)育規(guī)律，從土的粒度組成分析結(jié)果看，風(fēng)化程度不均勻。龐衍軍等[9]在對(duì)廣西沿海第四系地層的研究中認(rèn)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465 mg/kg，不足菲律賓馬尼拉海域土樣Cl-含量（4720～7010 mg/kg）的1/10，也進(jìn)一步證實(shí)湛江組沉積物為陸源的結(jié)論。

P.A.BjΦrkum[5]、Knut BjΦrlykke[6]等學(xué)者通過(guò)熱力學(xué)研究得出砂巖中高嶺石、鉀長(zhǎng)石和伊利石的形成模式，在低溫的、地層水對(duì)石英過(guò)飽和的封閉體系中自生高嶺石和鉀長(zhǎng)石可以通過(guò)云母的轉(zhuǎn)化同時(shí)形成，在較高溫度下自生高嶺石和鉀長(zhǎng)石可能逆反應(yīng)形成伊利石（白云母）、石英膠結(jié)物，即高嶺石的伊利石化，化學(xué)反應(yīng)模式見式（1）[5]。

黎廣釗等[3]在對(duì)廣西濱海砂礦調(diào)查研究中，通過(guò)地球化學(xué)分析測(cè)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(guò)飽和巖石，這一條件下，北海沉積物中反應(yīng)（1）將反方向進(jìn)行，白云母（伊利石）成為穩(wěn)定礦物。

為進(jìn)一步證實(shí)上述對(duì)北海灰白色黏土物質(zhì)來(lái)源和形成演化的分析，采用X 射線衍射手段進(jìn)行黏土礦物半定量測(cè)試，結(jié)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(shí)對(duì)一部分試樣進(jìn)行碟式儀液限試驗(yàn)、24 h 密度計(jì)法試驗(yàn)，繪制塑性指數(shù)與黏粒（<2 um）含量的關(guān)系圖（見圖3），得出北海市灰白色黏土活動(dòng)指數(shù)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(fēng)化的含有伊利石的過(guò)渡類型的高嶺土[10]，本次礦物成分分析和粒度組成分析結(jié)果均與該研究成果一致。

圖3 塑性指數(shù)與黏粒（<2 um）含量的關(guān)系（液限wL 蝶式儀測(cè)定）

北海市灰白色黏土中的伊利石粒度微細(xì)，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(cè)試結(jié)果中伊利石的化學(xué)成分式2K2O·3MgO·Al2O3·24SiO2·12H2O，交換陽(yáng)離子含鎂，鎂離子由于離子半徑較小，水化能力比鈣離子強(qiáng)，這是導(dǎo)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(shí)土?xí)眲∨蛎浾ㄩ_，也是土中富含鎂離子的影響[12]。

采用密度計(jì)法加篩析法對(duì)北海市灰白色黏土進(jìn)行粒度分析（見圖4），結(jié)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5 um 的黏粒含量為39.5%～94.0%，平均67.3%，小于2 um 的黏粒含量為29.2%～88.2%，平均61.9%，小于1 um的膠粒含量為24.4%～69.9%，平均48.8%。說(shuō)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(jié)晶水，形成土中的黏粒。采用氣量法測(cè)定北?；野咨ね撂妓猁}含量在1.2%～1.6%之間，重鉻酸鉀容量法測(cè)定其有機(jī)質(zhì)含量0.6%，碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)含量均不高，而950℃高溫灼燒量達(dá)8.60%，說(shuō)明灼燒掉的主要是土中的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水[13]。

圖4 北?；野咨ね疗骄w粒分布曲線

高嶺石伊利石化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生石英膠結(jié)物，石英膠結(jié)作用是北海市灰白色黏土孔隙度降低[6]、土體致密、抗剪強(qiáng)度高的主要原因。根據(jù)廣西沿岸地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)資料分析，第四紀(jì)冰期和間冰期的交替變化，導(dǎo)致海平面的升降和海岸線的推移，長(zhǎng)期風(fēng)化和在浪、潮、流等外營(yíng)力反復(fù)侵蝕、沖刷作用下，研究區(qū)域表面已有的沉積層裸露剝蝕，留下來(lái)的沉積層則表現(xiàn)出超固結(jié)狀態(tài)。

對(duì)照巖土工程學(xué)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(shí)測(cè)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(jīng)驗(yàn)值小。北?；野咨ね梁H水性膠體宜采用中性液體做介質(zhì)[15]，測(cè)得的比重值會(huì)更加準(zhǔn)確且更低。

4 結(jié)論

（1）北?；野咨ね猎谔烊粻顟B(tài)下具備較高力學(xué)強(qiáng)度，但抗水性差，當(dāng)其含水率增加或干濕交替時(shí)出現(xiàn)的脹縮特性和裂隙、崩解大大降低了土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，加大了巖土工程性質(zhì)評(píng)價(jià)的難度。

（2）北?；野咨ね粱顒?dòng)性介于高嶺石和伊利石之間，是一種未徹底風(fēng)化的含有伊利石的過(guò)渡類型的高嶺土。

（3）北?；野咨咭合摒ね粮鶕?jù)自由膨脹率指標(biāo)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(tài)下不處于高分散狀態(tài)。

在近海工程勘察中，由于海洋環(huán)境的特殊性和海洋土成因的復(fù)雜性，將土質(zhì)學(xué)理論應(yīng)用到地質(zhì)勘探和生產(chǎn)實(shí)踐中去，能有效地掌握地基土特殊工程性質(zhì)，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)工程地質(zhì)性質(zhì)的必要前提，為其開發(fā)利用和工程治理提供參考。