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        莫斯科西南部人工填土的物質(zhì)成分與性質(zhì)特征

        2011-08-10 11:54:50NikolaevaSvetlana陳慧娥
        關(guān)鍵詞:粘土土樣莫斯科

        張 澤,Nikolaeva Svetlana K,陳慧娥

        (1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室,甘肅 蘭州730000;2.羅蒙諾索夫莫斯科國立大學(xué)地質(zhì)系,俄羅斯聯(lián)邦 莫斯科;3.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院,吉林 長春130026)

        隨著人類工程活動的進(jìn)度加快人工填土廣泛的分布于整個城市當(dāng)中,尤其是在一些世界級的特大城市中,人工填土分布面積大,厚度大,且在地質(zhì)剖面中分層非常清晰,它們在工程建筑當(dāng)中經(jīng)常被作為建筑物的地基承壓層。近年來隨著各國大城市的迅速發(fā)展,城市區(qū)域工程建設(shè)活動的逐漸增多,遇到了很多關(guān)于人工填土的一些巖土工程問題,如道路地面塌陷、邊坡失穩(wěn)等等一些的問題。而對城市的地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖石性質(zhì)、水文環(huán)境以及地質(zhì)發(fā)展歷程研究得非常透徹。但是所有的這些研究工作,無論是純地質(zhì)研究還是工程地質(zhì)研究,都很少有人對人工堆積層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行深入的分析。人工填土的物源比較復(fù)雜,對其研究比較缺乏,而且工程地質(zhì)的評價方法較少,如果對于人工填土不加以分析和研究就貿(mào)然采用勢必對工程建筑帶來危險性,如果完全摒棄,不采用則會造成浪費。以莫斯科為例整個城市96%的面積被人工填土覆蓋,最大厚度可達(dá)到20m。由于莫斯科發(fā)展的局限性和地基處理的難度,人工填土不可避免的作為地基土的組成部分,因此在莫斯科很多建筑的地基持力層在人工填土上。由于人工填土其性質(zhì)不均勻,厚度和密度變化大,壓縮性大,強度低,滲透性不均勻且部分土具有濕陷性,等等。因此人工填土作為地基土,需要做進(jìn)一步的研究,特別是對人工填土的基本性質(zhì)的研究。所以對人工填土層的研究有著很大的必要性和重要性。

        在此基礎(chǔ)上,作者在俄羅斯聯(lián)邦羅蒙諾索夫莫斯科國立大學(xué)對莫斯科市人工填土進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究。以莫斯科市西南部為列,對其廣泛分布的人工填土的物質(zhì)組成及性質(zhì)特征進(jìn)行分析和闡述。希望在此基礎(chǔ)上能讓國內(nèi)的研究人員了解俄羅斯在這方面的研究進(jìn)程,從而引起國內(nèi)對人工填土的重視,是其更好地為的工程建設(shè)服務(wù)。

        1 莫斯科人工填土層的發(fā)展

        人工填土—在人類工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動中被改變和運移后的天然巖土和在礦產(chǎn)和有機原料生產(chǎn)過程中人為產(chǎn)出的固體廢料。人工填土的主要物源來自于采礦活動、工程建筑、農(nóng)業(yè)活動、工業(yè)生產(chǎn)、公共事業(yè)以及戰(zhàn)爭活動等等,因此人工填土的形成與人類活動有著緊密的聯(lián)系。人工填土的堆積過程是始終伴隨著城市發(fā)展的,城市的擴張導(dǎo)致耕地、綠地以及森林的消失,在城市化的改造中人工填土逐漸的形成。

        莫斯科,現(xiàn)俄羅斯聯(lián)邦首都,也是俄羅斯政治、經(jīng)濟、科學(xué)文化及交通中心。莫斯科面積1 081km2,市區(qū)東西長30 km,南北長40km,人口1 047.3萬人(2007年)。莫斯科建城于1147年,迄今已有860余年的歷史,是世界特大都市之一和歐洲最大的城市。圖1.是從十五世紀(jì)到現(xiàn)今莫斯科城市地區(qū)發(fā)展階段示意圖,在500多年的發(fā)展過程當(dāng)中,城市的面積增加了5 400倍之多,而人工填土的覆蓋面積也是成這一級數(shù)增長。

        隨著城市化的作用莫斯科市區(qū)人工填土層(tIV)慢慢顯露出來,圖2為莫斯科西南部人工填土層的分布示意圖。從圖中可以看出來整個莫斯科西南部大部分地區(qū)都被人工填土所覆蓋。人工填土物質(zhì)的成分很復(fù)雜,厚薄不均勻,強度不同,堆積的時間長短不一,堆積方式隨意,有些地方出現(xiàn)反復(fù)多次開挖復(fù)添的情況。

        由于對人工填土的研究方法并沒有理論和方法論作為依據(jù),因此選取了較具有代表性的三個地點,選取了從物源和堆積時間上來看都屬于不同類型的人工填土,對其進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究。

        2 研究區(qū)域地層分布特性

        人工填土的土樣分別取自莫斯科西南部的三個地點(圖2中a、b、c點)。場地a位于涅任斯卡婭路(Нежинская),場地b位于阿布魯切夫大街(Обручевский),而場地c則位于耶夫列莫娃路上(Ефремова)。下文簡稱為場地a、b、c。

        圖1 莫斯科地區(qū)發(fā)展階段示意圖城市發(fā)展邊界

        圖2 莫斯科西南部人工填土分布示意圖

        1)場地a。此場地位于謝東河畔,由于人工開挖,導(dǎo)致地下水聚集。1949年此場地中心曾變?yōu)檎訚傻?,而?966年起此場地中心又演化成了水塘,后來被填埋。此后從1976年起a場地在不同時期被人工填埋,一般為周圍建筑建筑基坑的回填土,以及拆建的建筑渣土、生活垃圾,因此本場地人工填土的時間已超過30年。場地a的表層被成分和性質(zhì)復(fù)雜的人工填土(tIV)所覆蓋,厚度為7.5~12.8m。此人工填土層底部為全新世的湖泊沼澤沉積物(IhIV),上部為更新世坡積物(dIII)和下更新世不同成分的冰水沉積物(fIstdns)[7]。不同的深度采取的土樣中均可以看到碎石夾層,并局部含有黑色有機物及其它雜質(zhì)。

        2)場地b。整個場地b部分區(qū)域為荒廢的基坑和停建的建筑地基,以及縱橫交錯的地下水管線。人工填土(tIV)占整個場地面積的75%左右。場地b表層由人工填土(tIV)覆蓋,厚度為0.3~10.5m。堆填土成份非常復(fù)雜,由于崩解原因,基坑幾度坍塌,除粘土和亞粘土之外部分區(qū)域覆蓋有砂土以及碎磚塊兒,碎玻璃等建筑垃圾,除此之外還有生活垃圾,如陶瓷碎片、碎紙片、碎布以及塑料聚乙烯制品。以下地層按順序分別為表層亞粘土(prIII),厚度為0.4~1.90m;冰水沉積亞粘土(fIIms),厚度為0.5~4.6m;冰磧-冰水沉積亞粘土(gIIms),厚度為2.5~18.30m(圖3)。

        圖3 阿布魯切夫大街工程勘察場地(場地b)地質(zhì)剖面示意圖[8]

        3)場地c。場地c位于莫斯科耶夫列莫娃路旁。場地原為人工湖,后被堆填。在20世紀(jì)60年代末,沿耶夫列莫娃路曾有一條鐵路支線,由此可以推測,鐵路沿線人工填土堆積的可能性會更大。工程勘察工作探明了到23m地層,從上到下分別為現(xiàn)代人工填土(tIV)——厚度為1.4~3.0m,粉土并夾雜有建筑垃圾(碎磚塊、瀝青、陶瓷、碎玻璃);沖積層(a2IIIkl)——厚度1.9~5.0m,灰褐色中砂和灰色細(xì)砂(并帶有粘土夾層)和上侏羅紀(jì)沉積層(J3v,J3ox)——厚度為8.8~10.8m,上部為粉土和綠灰色塑性亞粘土,并含有化石碎片。下部為深灰色和黑色密實粘土,而且含有化石碎屑。

        3個場地人工填土從堆積時間與物源分類屬于不同的類型。場地a堆積時間較長,超過30年;場地b曾為建筑工地,堆積物以建筑和生化垃圾為主;場地c為鐵路沿線人工堆積物。

        3 人工填土的物質(zhì)組成

        驗:礦物和化學(xué)成分、粒度與微聚集體成分、土粒密度和水理性質(zhì)的測試。

        3.1 礦物成分

        從3個場地所取15個土樣主要礦物成分為石英(見表1),含量為48%~92%。此外原生硅酸鹽類礦物有鈉長石,含量為2%~10% ,微斜長石(2%~11%)和普通角閃石(1% 或<1%)。從結(jié)果可以看出在風(fēng)化條件下不同原生硅酸鹽的穩(wěn)定性:石英 >微斜長石 >鈉長石 >普通角閃石。碳酸鹽類有方解石(0~5%)和白云石(0~2%)。粘土類礦物含量為1%~17%,其中高嶺石、伊利石、水云母、綠土在每一個土樣品當(dāng)中都存在不多。其它還有一些礦物,比如綠泥石、蛭石等在土樣中基本小于2%,在有些土樣中缺失。在礦物分析的過程中還存在一些倫琴射線鑒別不出來的隱晶物質(zhì),這些物質(zhì)多半是方解石和硅酸鹽類礦物的隱晶質(zhì)狀態(tài)。

        在研究過程中分別對這11個土樣進(jìn)行了以下幾種試

        表1 研究區(qū)域礦物成分表

        場地b 4個土樣(MB21– MB24)中粘土類礦物為3組土樣中最高(14.25%),此沉積層形成于建筑過程中,土樣可能來自于建筑工地旁挖取的坑道土,可能來自于其它地方,譬如地鐵建設(shè)中石料、建筑垃圾、挖取的坑道土等等。由于組成成分的復(fù)雜性,其隱晶物質(zhì)同樣為3組中最高的,倫琴射線不能從此土樣中辨別出土壤中物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。

        3.2 化學(xué)成分

        土樣的碳酸鹽及其有機成分含量見表2。其結(jié)果比礦物成分中所測碳酸鹽含量高,但大致相符,主要原因是化學(xué)方法所測數(shù)據(jù)要更為準(zhǔn)確,而且碳酸鹽可能會以隱晶狀態(tài)存在于土樣中,倫琴射線不能準(zhǔn)確測出其含量。碳酸鹽在這些樣品中的含量在0.06%~13.31%之間。

        在場地c的樣品中 MG21(13.31%),MG23(7.84%)中碳酸鹽的含量最高,原因可能是在修筑路基時需要三合土作為基本夯土壩,而三合土的成分為石灰、黏土和細(xì)砂相混夯實而成的土料,因此樣品中碳酸鹽的含量要高。

        在樣品中有機物的含量小于5%。顏色呈深黑色和棕黑色,在樣品MG21,MG22和MG23中發(fā)現(xiàn)有植物的根莖。從表3中可以看到MG22的燒矢量很高,其原因就是由于MG22中含有較多的有機物成分。由于有機物的存在土樣都具有一定的親水性。

        表2 碳酸鹽及有機物成分含量表

        取MG22號樣品做化學(xué)成分分析試驗并與俄羅斯板塊第四紀(jì)砂狀土(A)和粘土狀土(B)的平均化學(xué)成分進(jìn)行對比(見表3)。

        在樣品MG22中SiO2中的含量低于A中SiO2的含量,而與B相比較高。Al2O3的含量與B中的含量相差不大,與A相比較小。在B中FeO,TiO2,MnO和SO3缺失,在樣品MG22中有較少的含量。K2O在樣品MG22中的含量比A和B中要少很多。樣品 MG22,A和B的收濕含水量都不高。

        總體可以看出樣品MG22的化學(xué)成分與俄羅斯板塊第四紀(jì)粘土狀土的化學(xué)成分很相似,一些微小的差別是跟MG22樣品的成因有著密切的關(guān)系(人工掩埋、建筑垃圾等)。

        表3 MG22號人工填土樣品與俄羅斯板塊第四紀(jì)砂狀土和粘狀土化學(xué)成分對比

        3.3 粒度與微聚集成分分析

        粒度分析試驗所得結(jié)果(見表4,圖4)根據(jù)樣品采集地可分為三組(場地b-MB、場地a-Z、場地c-MG)。從粒度成分的結(jié)果中以及結(jié)合3個場地的人為改造歷史,可以大致可以做出以下的分析:

        表4 粒度與微聚集成分

        場地a的土樣中(Z1-Z5)砂粒級含量比較多是由于建筑工地廢棄土石砂的長期堆積而造成的。場地b的粉粒級與粘粒級含量比較多,粒度成分與原狀的表層土(prIII)含量比較相似,是因為由于崩解原因,基坑幾度坍塌,使得原狀的表層土(prIII)堆積到基坑里面內(nèi),形成新的堆積物。而場地c砂粒級含量較高的原因是因為建設(shè)鐵路時三合土廢棄土料的堆積的原因。

        從粒度分析半對數(shù)坐標(biāo)累計曲線圖中(圖4),可以看出來人工填土的粒度成分分散性比較大,這與其復(fù)雜的堆填成份有關(guān)。從表4中平均粒徑的大小也可以對應(yīng)的看出甚至同一場地的土樣也不盡相同。這一由于粒度成分的相異性較大,高度的不均勻性,從而導(dǎo)致其他工程地質(zhì)性質(zhì)的較大相異性。

        圖4 粒度分析半對數(shù)坐標(biāo)累計曲線

        根據(jù)微聚集成分分別計算出<0.005mm和<0.001mm微粒的聚集(集合)系數(shù),<0.005mm的微粒為1.0~4.1;<0.001mm的微粒為1.0~11.0(表4)。

        可以看出樣品MB21和MB24中具有較高含量的粘粒成份(22% 和33%),平均粒徑d50較低(0.015和0.006 mm),粉粒中微聚集體較多,根據(jù) И.М.Горькова[2]的聚集系數(shù)分類屬混合型凝聚膠結(jié)結(jié)構(gòu)。樣品Z1和Z2的平均粒徑d50為0.18mm和0.23mm(均值為0.205mm),Z4和Z5的平均粒徑d50為0.018mm和0.065mm(均值為0.041 5 mm),微聚集體主要集中在砂粒與粉粒中,微聚集系數(shù)不盡相同。樣品MG21、MG23和MG26中具有較高含量的砂粒成份(73%~89%),平均粒徑0.3~0.36mm,微粒的聚集系數(shù)在1.0到1.6之間,聚合體結(jié)構(gòu)非常弱。

        4 基本物理性質(zhì)分析(基本物理性質(zhì))

        莫斯科西南部人工填土的物理性質(zhì)見表5。

        表5 莫斯科西南部人工填土物理性質(zhì)

        由以上的數(shù)據(jù)確實可以看出莫斯科西南部的人工填土具有較高的分散性。根據(jù)塑性指數(shù)可以將其歸類為粉土(Ip=6%~7%)和亞粘土(Ip=11%~16%)。

        土樣的活動性指數(shù)(Kka)很低,基本屬于相對不活動類型的土,說明土樣的親水性比較差。土的活動性指數(shù)能夠綜合反映土的塑性,粘粒含量和粘粒礦物親水性之間的關(guān)系。

        3個場地中人工填土的性質(zhì)不盡相同,比如土粒密度在2.44~2.78g/cm3之間,而平均值為2.63g/cm3,與實際的土粒密度值差別較大,不具有代表性,故在實際生產(chǎn)中不能采用平均值。

        莫斯科西南部人工填土由于其成因和成份的原因,其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相對較低。在場地b所采樣品 MB12、MB13、MB66、MB67分別在室內(nèi)做壓縮變形試驗和剪切測試,試驗結(jié)果樣品MB12和MB13的壓縮模量(E1-2)為2.14MPa和3.31MPa,與莫斯科本地冰磧亞粘土(E1-2=26~32MPa)和冰水沉積土(E1-2=15~22MPa)相比要低很多。樣品MB66(w=15%,ρ=2.06g/cm3)的內(nèi)摩擦角φ=16°,粘聚力C =0.02MPa;MB67(w=22%,ρ=1.77g/cm3)的內(nèi)摩擦角φ=18°,粘聚力C=0.01MPa,比莫斯科本地冰磧亞粘土(φ=19°,C =0.06MPa)和冰水沉積土(φ =16°,C=0.055MPa)相比要低。

        由此可知莫斯科西南部人工填土與天然土相比具有較差的力學(xué)性質(zhì),還未形成堅實的土體結(jié)構(gòu)。

        5 結(jié) 論

        1)斯科西南部人工填土中含有大量原生硅酸鹽(53%~95%),比如石英、鈉長石、微斜長石;含有非晶質(zhì)物(0~37%)和少量的碳酸鹽(0~7%)與粘土礦物(1%~17%)。粒度成分與土的成因具有一致性。從試驗結(jié)果反映出人工填土具有很強的不均勻性和較低的聚集性。土粒密度在2.44~2.74g/cm3之間,且隨非晶質(zhì)礦物含量增加而降低,土粒密度平均值為2.63g/cm3,與實際的土粒密度值差別較大,不具有代表性,3個場地中人工填土的其它性質(zhì)也不盡相同,故在實際生產(chǎn)中不能采用平均值。莫斯科西南部的人工填土具有較高的分散性。根據(jù)塑性指數(shù)可以將其歸類為粉土(Ip=6%~7%)和亞粘土(Ip=11%~16%)。人工填土的活動性指數(shù)(Kka)很低,基本屬于相對不活動類型的土,可塑性較低。

        2)莫斯科西南部人工填土和天然土相比具有很差的力學(xué)性質(zhì),人工填埋后未形成堅實的土體結(jié)構(gòu),工程地質(zhì)性質(zhì)較差,屬于一種軟弱土,或者稱為不良土,一般無法滿足荷載較高、特殊設(shè)計條件建筑物基礎(chǔ)設(shè)計需要,因此未經(jīng)過適當(dāng),有效處理的人工填土層不宜直接作為建筑物基礎(chǔ)的直接持力層。若用做建筑物地基則需要根據(jù)實際條件采取不同的應(yīng)用、處理及加固措施。莫斯科西南地區(qū)填土分布較廣,種類很多,物質(zhì)成分及性質(zhì)各不相同,因此在實際生產(chǎn)中不能采用經(jīng)驗性的平均值。

        3)由于中國人工填土層的廣泛分布,但是對其研究和分析工作做的很少。隨著各項工程建設(shè)的加速上馬,我們應(yīng)提高對人工填土的認(rèn)識。人工填土的不均勻性,高壓縮性以及濕陷性會引發(fā)或?qū)е乱幌盗械膸r土工程問題,因此有必要對其進(jìn)行有效的、深入的研究,針對具體的問題采取對應(yīng)的防治措施。

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