雷州半岛玄武岩残积土的物质成分与结构特征

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１４／２２（５）０７９７０７ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１４．０５．００４雷州半岛玄武岩残积土的物质成分与结构特征张先伟①②　李晶晶①　李　峻①　张　静③（①中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室　武汉　４３００７１）（②同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室　上海　２０００９２）（③辽宁省地质环境监测总站　沈阳　１１００３２）摘　要　雷州半岛玄武岩残积土属于区域性特殊土，具有高液限、大孔隙比的较差的物理特性和高强度的较优的力学特性的异常组合，同时具有强收缩性、遇水湿化、易崩解的特殊性质。为探寻玄武岩残积土特殊的工程地质特性的机理，对其矿物成分、化学成分、结构形态、孔隙分布进行研究。结果表明，雷州半岛玄武岩残积土发育过程经历明显的富铝化、铁富集和盐淋失过程，黏土矿物以高岭石、三水铝石和伊利石为主，富含游离氧化铁、铝成分；微观结构类型为凝块结构和絮凝结构，游离氧化铁作为胶结物质以“包膜”形式包裹颗粒形成团聚体，增强了土的结构强度；孔隙以溶蚀孔隙以及团粒和絮凝体内微孔为主，微孔具有较大的比表面积和吸附能，吸水会产生较大的表面张力，引发软化、崩解现象。由于雷州半岛玄武岩残积土具有对水敏感，抗水性差特点，施工中应重点关注降雨引发的工程灾害。关键词　玄武岩残积土　雷州半岛　物质成分　结构　氧化铁中图分类号：ＴＵ４１１　　文献标识码：Ａ书书书　收稿日期：２０１４－０３－２８；收到修改稿日期：２０１４－０６－２９．基金项目：湖北省自然科学基金（２０１１ＣＤＢ４０６）和岩土及地下工程教育部重点实验室（同济大学）开放课题（ＫＬＥＴＪＧＥＢ１１０３）资助．第一作者简介：张先伟（１９８２－），男，博士，助理研究员，主要从事特殊土的力学特性研究．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＮＯＦＲＥＳＩＤＵＡＬＳＯＩＬＦＲＯＭＤＥＣＯＭＰＯＳＥＤＢＡＳＡＬＴＡＴＬＥＩＺＨＯＵＰＥＮＩＮＳＵＬＡＺＨＡＮＧＸｉａｎｗｅｉ①②　ＬＩＪｉｎｇｊｉｎｇ①　ＬＩＪｕｎ①　ＺＨＡＮＧＪｉｎｇ③（①ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｏｃｋａｎｄＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７１）（②ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２）（③ＬｉａｏｎｉｎｇＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００３２）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＲｅｓｉｄｕａｌｓｏｉｌｆｒｏｍｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄｂａｓａｌｔａｔＬｅｉｚｈｏｕＰｅｎｉｎｓｕｌａｉｓｓｐｅｃｉａｌｒｅｇｉｏｎａｌｓｏｉｌ．Ｉｔｈａｓｐｏｏｒｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈｌｉｑｕｉｄｌｉｍｉｔａｎｄｌａｒｇｅｖｏｉｄｒａｔｉｏ，ｇｏｏｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｒｏｎｇｃｏｎｔｒａｃｔｉｌｉｔｙ，ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｔｔｅｍｐｔｓｔｏｅｘａｍｉｎｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｂａｓａｌｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｏｉｌ．Ｉｔｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｍｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｐｏｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｒｏｍｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｄｉｓｔｉｎｃｔａｌｕｍｉｎｕｍ，ｉｒｏｎａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｓａｌｔｌｅａｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｃｃｕｒｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｂａｓａｌｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｏｉｌ．Ｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌｓａｒｅｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｋａｏｌｉｎｉｔｅ，ｇｉｂｂｓｉｔｅａｎｄｉｌｌｉｔｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｙａｒｅｒｉｃｈｉｎｆｒｅｅｉｒｏｎｏｘｉｄｅａｎｄｆｒｅｅａｌｕｍｉｎｕｍｏｘｉｄｅ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｍａｉｎｌｙｃｌｏｔａｎｄｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｆｒｅｅｉｒｏｎｏｘｉｄｅａｃｔｓａｓｃｏａｔｉｎｇｔｈａｔｃｌａｄｓｐａｒｔｉｃｌｅｓｔｏｆｏｒｍａｇｇｒｅｇａｔｅ，ｗｈｉｃｈｅｎｈａｎｃｅｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｏｉｌ．Ｐｏｒｅｓｍａｉｎｌｙｃｏｎｓｉｓｔｏｆｄｅｎｕｄａｔｉｏｎｐｏｒｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｐｏｒｅｓｉｎｔｈｅａｇｇｒｅｇａｔｅａｎｄｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｗｉｔｈｌａｒｇｅｒｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｎｄａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ．Ｌａｒｇｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎｏｃｃｕｒｓａｆｔｅｒｉｍｍｅｒｓｉｏｎｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｓｏｆｔｅｎｉｎｇａｎｄｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｃｌｏｓｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｉｄｔｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｉｓａｓｔｅｒｓｃａｕｓｅｄｂｙｒａｉｎｆａｌｌｄｕｅｔｏｔｈｅｗａｔｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｅａｎｄｐｏｏｒｗａｔｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｂａｓａｌｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｏｉｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｂａｓａｌｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｏｉｌ，Ｌｅｉｚｈｏｕｐｅｎｉｎｓｕｌａ，Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｉｒｏｎｏｘｉｄｅ０　引　言我国的雷州半岛及海南岛北部广泛分布着第四纪喷发的玄武岩，雷州半岛玄武岩发育在喜马拉雅构造运动雷琼断陷中，形成时期可划分为早、晚两期，早期为中更新世（石峁岭组Ｑ２ｓ），晚期为晚更新世（湖光岩组Ｑ２ｈ）［１］。该区气候属炎热多雨，干湿季节变化明显的热带季风气候，这为玄武岩快速风化分解及红土化，进而形成残积红土提供了有利条件。玄武岩残积土是指由玄武岩完全风化后残留在原地或经过微搬运而形成的土。雷州半岛玄武岩残积土地貌类型以台地状分布为主，地表残积土厚度一般为５～１５ｍ。玄武岩残积土是当地大量建（构）筑物的浅基础持力层，天然状态下表现为高液限、大孔隙比的较差的物理特性和高强度的较优的力学特性的异常组合，同时具有强收缩性、干硬湿软、遇水湿化、易崩解特性［２，３］。该土的基本性质与一般流水沉积的黏性土有明显差别，一些特征指标甚至超出当前一些规范、规程对一般黏性土界定的取值范围。如对此类残积土的特殊性质阙疑或采取工程措施不合理，则有可能对土的强度与变形特性做出错误的判断和给设计基础方案的实施造成阻碍。此外，残积土的风化程度、厚度与性质与气候、地形、新构造运动与水文地质条件等因素有关，这也造成雷州半岛玄武岩残积土土性不同于其他地区玄武岩残积土［４，５］。由此看来，雷州半岛玄武岩残积土具有明显的区域工程地质特性，勘察工作中宜按特殊土类评价，但以往对其研究并不多见，特别是缺乏其特殊土性的本质机理的认识，这也造成当地工程的勘察设计几乎无章可循。除原位载荷试验以外，以现行规范允许采用的物理力学指标查算残积土的承载力存在较大困难；以理论公式计算承载力又因土的力学指标离散度大而结果不理想。与天然沉积形成的黏性土不同，残积性黏性土的工程地质特性取决于母岩的晶体构造和风化淋溶过程中解体的程度，即决定于母岩晶体结构中的化学键在风化淋溶过程中残留多少以及物质成分的风化与淋失程度，也就是说残积土的工程地质特性受控于土的物质成分与结构特性，这才是造成玄武岩残积土特殊工程地质特性的根本原因。鉴于此，利用先进的微观测试技术与土化学分析方法，对雷州半岛某区的玄武岩残积土的矿物成分、化学成分、结构形态、孔隙分布特征进行深入研究，关联它们与土的物理力学特性，阐述玄武岩残积土具有特殊工程地质特性的本质。１　试样与试验方法试样取自雷州半岛西南部的雷州市龙门林场的第四纪全新统风化残积土，取样深度为１５～２５ｍ，采用人工挖掘方法取样，为保证天然含水率与原始结构不被破坏，土样运至试验后立即进行相关试验。土的化学成分测试方法依据文献［６，７］。用ＦＧ２ＦｉｖｅＧｏＴＭｐＨ计测定土的ｐＨ值；用乙二醇乙醚吸附法（ＥＧＭＥ法）测定土的总比表面积；用ＮＯＶＡ１０００ｅ孔径分布测量仪测定土的外表面积；用ＤＴＧ６０热重－差热分析仪进行差热试验；用Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＸ射线衍射仪进行土中矿物物相分析；用Ｑｕａｎｔａ２５０扫描电子显微镜进行微观结构拍照，并利用此仪器进行能谱测试（能谱测试时，进行喷金镀膜）；用Ｐｏｒｅｍａｓｔｅｒ３３高压孔隙结构仪进行压汞试验，获得孔径分布曲线。其中，扫描电镜与压汞试验的试样采用真空冷冻升华干燥法制样。２　玄武岩残积土的物理力学特性雷州半岛玄武岩残积土的颗分曲线（图１），加入分散剂后，粒径Ｄ＜０００２ｍｍ的黏粒含量由４２１％升至５６５％，说明该土中可能存在稳定性较差“假粉粒”；去除游离氧化铁后，黏粒含量升高至８０５％，反映出游离氧化土对该土的团聚体具有较强的黏聚作用。８９７ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　工程地质学报　２０１４书书书表１　玄武岩残积土的物理性质指标统计表Ｔａｂｌｅ１　Ｉｎｄｅｘｅｓｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂａｓａｌｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｏｉｌｓ取值天然含水率ｗ／（％）天然密度ρ／ｇ·ｃｍ－３干密度ρｄ／ｇ·ｃｍ－３比重Ｇｓ孔隙比ｅ液限ＷＬ／（％）塑限Ｗｐ／（％）液性指数ＩＬ塑性指数Ｉｐ饱和度Ｓｒ／（％）最小值３７．００１．６２１．１７２．７８１．３１５２．００２８．０００．０７２１．００７６．３２最大值４２．１０１．６６１．２１２．８４１．４３６４．００３７．０００．４２３１．６０７９．４３平均值３８．０９１．６４１．１８２．８０１．３７５８．０１３１．１００．２７２６．９１７８．４８取值渗透系数Ｋ×１０－６／ｃｍ·ｓ－１自由膨胀率δｅｆ／（％）５０ｋＰａ膨胀率δｃｐ／（％）原状土（天然含水率）扰动土（含水率等于液限）室内试验（２０℃）现场注水线缩率δｓ／（％）体缩率δｖ／（％）收缩系数ｃｓｌ线缩率δｓ／（％）体缩率δｖ／（％）收缩系数ｃｓｌ最小值２．３０４５．００３０．６０接近０５．２０９．６０５．２０１４．３６２６．０００．６０最大值９．００９０．００４１．００６．３２１０．８６．３２１６．３５３１．０００．７１平均值５．８３７７．７０３５．４７５．７１１０．０６５．７１１５．３６２７．６７０．６６图１　玄武岩残积土的颗分曲线Ｆｉｇ．１　Ｇｒａｉｎｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｂａｓａｌｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｏｉｌｓ雷州半岛玄武岩残积土颜色为棕红色至暗棕红色，对应门塞尔土壤比色卡为２５ＹＲ４／８～２５ＹＲ８／６，其物理指标（表１）。该土的天然含水率（现场环刀测得）普遍偏高，天然密度较小，孔隙比较大，但天然状态下属于硬塑—可塑状态。塑性指数Ｉｐ变化范围较大，按Ｉｐ分类属黏土；液限范围为５２％～６４％，属高液限黏土。根据室内与现场试验，该土在天然状态下具有弱透水性。玄武岩残积土的膨胀性并不高，在有荷（５０ｋＰａ）条件下，基本无膨胀性，但当含水率增至液限时，该土的收缩性凸显，表现为线缩率与体缩率明显增大，表明该土具有较强的收缩性。书书书表２　玄武岩残积土的力学性质指标Ｔａｂｌｅ２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｖｅｒａｇｅｉｎｄｅｘｅｓｏｆｂａｓａｌｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｏｉｌｓ标贯击数／Ｎ６３５压缩系数