習(xí) 羽，李同錄，江睿君，藺曉燕(.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 70054；. 西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 70065)

近二十多年來，隨著黃土地區(qū)城市和交通的發(fā)展，高層建筑、大跨度橋梁及隧道工程的作用范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了濕陷性黃土地層，如位于董志塬的慶陽(yáng)市、位于渭北臺(tái)塬上的銅川新區(qū)，30層以上的新建建筑已很普遍，樁基礎(chǔ)深度可達(dá)30m，附加應(yīng)力的影響深度超過100m[1]；已建的西安—太原、西安—蘭州高鐵，擬建的西安—銀川高鐵、西安—韓城城際鐵路以大量橋隧形式跨溝穿梁通過黃土地區(qū)；已建西安—銅川高速、西安—禹門口高速和擬建的西安—銀川高速也有大量橋隧工程。目前高層建筑的基礎(chǔ)及附加應(yīng)力范圍往往擴(kuò)散到Q2及以上黃土地層，大跨度橋梁基礎(chǔ)可穿透整個(gè)黃土地層，隧道則穿越Q1～Q3不同層位的黃土地層。

當(dāng)工程涉及的黃土地層不厚時(shí)，習(xí)慣上將黃土和古土壤層作為基本的地層單位。特別是中更新世以來的黃土和古土壤層厚度較大，標(biāo)志明顯，易于辨別。但是當(dāng)黃土層很厚時(shí)，黃土和古土壤層數(shù)很多，但若按基本古氣候地層單元, 典型黃土剖面上最多可分出將近70個(gè)地層單位，這在工程上很難逐層給出評(píng)價(jià)指標(biāo)。若按傳統(tǒng)的時(shí)代及巖性地層劃分，一個(gè)分層包含多個(gè)黃土和古土壤層，二者性質(zhì)差異大，則過于粗糙。為此可在現(xiàn)有古氣候分層的基礎(chǔ)上，將工程地質(zhì)性質(zhì)相近的地層單元合并，提出一個(gè)可行的工程地質(zhì)分層方案，以便于工程應(yīng)用。

1 黃土的古氣候地層、巖性地層和年代地層

黃土最基本的地層單位就是相間出現(xiàn)的黃土-古土壤序列。由于黃土-古土壤反映的氣候變化與極地冰芯和海底巖芯同位素氣候曲線及冰期-間冰期記錄能很好吻合，表明它反映的是全球性氣候的變化，習(xí)慣上將黃土-古土壤序列稱為古氣候地層。

早在上世紀(jì)60年代，劉東生等[2]在野外考察時(shí)，根據(jù)黃土在剖面上出露的外觀特征，提出了黃土的巖性地層方案，即所謂馬蘭黃土、離石黃土和午城黃土，習(xí)慣上將其和后來確定的晚、中、早更新世對(duì)應(yīng)。

隨著對(duì)陜西洛川黑木溝[3]、甘肅蘭州九州臺(tái)[4]及其它一些典型黃土剖面[5～8]利用古地磁、同位素、ESR及14C等測(cè)年，并和海洋巖芯同位素剖面對(duì)比，確定了黃土的年代地層。其中全新世的下界在1.1萬年左右，位于黑壚土(S0)的底面；晚更新世底界為12.8萬年，位于第一層古土壤(S1)的底界；中更新世的下界為73.0萬年，位于第八層黃土中，此處也是古地磁的B/M界限，為了便于野外識(shí)別，將其定在第八層黃土和第八層古土壤分界處；把第四紀(jì)的底界定在黃土和三趾馬紅土的分界處，此處位于古地磁G/M上部不遠(yuǎn)處，G/M界限的年齡為248萬年，因此我國(guó)習(xí)慣上將第四紀(jì)下界定在250萬年左右。

巖性地層便于野外識(shí)別，馬蘭黃土以色淺、均勻、疏松、垂直節(jié)理發(fā)育為特征，具有黃土的典型特征。離石黃土是以厚層黃土和薄層古土壤互層為特征，其中第九層和第十五層黃土厚度大，顆粒粗，分別稱為上粉砂層和下粉砂層；第五層古土壤最厚，由三層古土壤中間夾兩薄層黃土構(gòu)成，習(xí)慣稱“紅三條”，上、下粉砂層及紅三條在野外很好辨認(rèn)，是黃土地層中的標(biāo)志層。午城黃土是由密集的鈣質(zhì)結(jié)核層夾薄層黃土構(gòu)成，結(jié)核層是由古土壤層退化而成，其中黃土中的鈣質(zhì)含量也很高，膠結(jié)強(qiáng)，習(xí)慣稱之為“石質(zhì)黃土”。

2 研究區(qū)剖面的黃土特征

研究的黃土剖面位于隴東黃土高原東部的正寧縣蔡峪村二組，子午嶺西麓，海拔1 420 m，隴東塬黃土層厚度最大達(dá)1 700 m。在該黃土塬邊緣深切的沖溝側(cè)壁可清晰地辨別出自全新世到早更新世的黃土和古土壤層，地層連續(xù)完整。圖1為塬頂?shù)牟糠致额^，清晰地顯示出L1-S5黃土-古土壤序列。

圖1 正寧黃土塬邊出露的L1-S5地層Fig.1 Loess layers L1-S5 outcropping in the Zhengning loess profile

在該塬頂，當(dāng)?shù)卮迕裼谏鲜兰o(jì)60年代開挖了一口飲用水井，直徑0.8 m，深100 m，水位深97 m，人工用轆轤提水。20世紀(jì)90年代，政府為當(dāng)?shù)匾肓俗詠硭?，該井被廢棄。本文沿該井壁對(duì)黃土地層做了詳細(xì)編錄并采樣。井水位以下至井底部分依據(jù)標(biāo)志層移到露頭剖面編錄和采樣。

圖2 正寧黃土剖面柱狀圖Fig.2 Logging of the Zhengning loess profile

首先沿井壁對(duì)黃土地層進(jìn)行了詳細(xì)編錄，在井壁93.0 m深處，可辨別出L15頂部的鈣板層，該鈣板層以下由于地下水浸泡，井壁坍塌，被虛土覆蓋，在塬邊的剖面上找到該標(biāo)志層，繼續(xù)向下測(cè)量編錄，得到一個(gè)完整的黃土地層剖面。將剖面測(cè)量結(jié)果和洛川、西峰標(biāo)準(zhǔn)剖面對(duì)比，確定了其磁性地層、年代地層、巖性地層和氣候地層單元的分界位置和年代，結(jié)果綜合在圖2中?？梢钥闯觯撈拭纥S土厚174.8 m，時(shí)代地層自Q4至Q1，巖性地層自黑壚土、馬蘭黃土、離石黃土至午城黃土，層序完整。自黑壚土S0到離石黃土底部L15共可以劃分出30個(gè)古氣候地層單元，L15底界以下為午城黃土。由于午城黃土鈣質(zhì)含量高，有密集的結(jié)核層，該層黃土性質(zhì)變異不大，將其并為一層。頂層的黑壚土厚度一般不足2 m，對(duì)工程沒有影響，在工程分層中可不考慮。這樣整個(gè)黃土剖面共有30個(gè)古氣候地層單元。顯然工程上按這么多的地層單元進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的。如果按巖性或時(shí)代地層單元分別劃分為三層，則把性質(zhì)明顯不同的古土壤層和黃土層作為一層也不合理[9]。為此，基于物理指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行工程地質(zhì)分層。

3 黃土物理特性及工程地質(zhì)分層

正寧剖面黃土在粒度三角圖和塑性圖上的位置如圖3、圖4所示。在土的物理指標(biāo)中，土粒比重的變異性小，孔隙比、孔隙度和干密度高度相關(guān)，其中任一指標(biāo)都可反映其結(jié)構(gòu)密實(shí)度。含水狀態(tài)指標(biāo)中，含水率、飽和度和液性指數(shù)是顯著相關(guān)的指標(biāo)，如圖5所示，但三者的物理意義不同，可互相印證；土的稠度指標(biāo)和其成分密切相關(guān)，黏性土細(xì)粒含量對(duì)土的稠度有影響，但黃土中粉粒為主，黏粒含量占少數(shù)，稠度和黏粒含量相關(guān)性不是很顯著。

圖3 正寧剖面黃土在粒度在三角圖上的位置Fig.3 Position on the triangle diagram of particle size component for the loess in the Zhengning profile

圖4 正寧剖面黃土在塑性圖上的位置Fig.4 Position on the plastic diagram for the loess in the Zhengning profile

根據(jù)以上分析，選出主要物理參數(shù)，包括黏粒(<0.005 mm)含量、塑限、液限、塑性指數(shù)、干密度、含水率、飽和度和液性指數(shù)，作出這些參數(shù)隨深度變化曲線，并和古氣候地層單元對(duì)應(yīng)，如圖6所示。除取樣、測(cè)試引起的不確定性因素和土樣本身的變異性外，可以看出各指標(biāo)曲線與古氣候地層單元顯示出良好的相關(guān)性。首先，黏粒含量在黃土中普遍出現(xiàn)低值，而在古土壤中出現(xiàn)高值。馬蘭黃土(L1)和上粉砂層(L9)中都夾有若干層弱發(fā)育的古土壤層，第二層古土壤(S2)中間夾一層黃土，這在剖面上不易分辨，但在黏粒分布曲線上有明顯的反映。其中黏粒含量最少的是下粉砂層(L15)，在剖面的露頭上該層顏色最淺，最易辨認(rèn)，是該地區(qū)的主要含水層。

圖5 正寧剖面黃土液性指數(shù)、飽和度和含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between liquid indexes, saturation degree and water contents for the loess in the Zhengning profile

圖6 正寧剖面黏粒含量及主要黃土物理特性指標(biāo)Fig.6 Logging curves of clay particle content and main physical indexes for the loess in the Zhengning profile

液限在古土壤中增高，在黃土中降低；而塑限則相反；塑性指數(shù)是二者的差值，和液限變化趨勢(shì)一致。黃土和古土壤成分的分異是由于氣候環(huán)境的差異所致，這一點(diǎn)早有定論。稠度指標(biāo)是細(xì)粒含量的間接反映，和黏粒含量的變化趨勢(shì)相關(guān)，但不如黏粒含量敏感度高。

黃土的干密度是其結(jié)構(gòu)密實(shí)度的反映，從干密度曲線可以看出，古土壤的干密度明顯高于黃土。這不僅反映出其結(jié)構(gòu)的差異，而且與其成分有關(guān)。黃土和古土壤都具有架空結(jié)構(gòu)，黃土中的細(xì)粒含量少，大孔隙多，結(jié)構(gòu)疏松；古土壤在濕熱氣候條件下成壤作用強(qiáng)烈，次生作用形成的細(xì)粒物質(zhì)充填于大孔隙中，使其結(jié)構(gòu)比黃土密實(shí)。從黃土干密度隨深度的變化看，自上而下有增大的趨勢(shì)，說明了固結(jié)壓力的壓密作用。

含水率、飽和度和液性指數(shù)是共同反映土含水狀態(tài)的指標(biāo)，三者具有顯著相關(guān)性，其中含水率與飽和度正相關(guān)，與液性指數(shù)正相關(guān)(圖5)。沿剖面可以看出，含水率和飽和度同步變化，在L2～L4之間有趨勢(shì)性的增大，L2以上，L4以下，只是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。含水率在黃土中低，在古土壤中高。若觀察二者在單層黃土和古土壤中的變化趨勢(shì)，則發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同的規(guī)律，即自黃土層的頂面到底面，含水率和飽和度由高降低；而古土壤則相反，自頂面到底面，由低增高。這是由于水在非飽和帶運(yùn)移中的界面效應(yīng)所產(chǎn)生的。當(dāng)水分自水力梯度低的黃土進(jìn)入梯度高的古土壤時(shí)，水分滯留，黃土底面、古土壤頂面含水率增高；相反，自水力梯度高的古土壤進(jìn)入梯度低的黃土?xí)r，水分疏散，古土壤底面、黃土頂面含水率降低。液性指數(shù)和含水率、飽和度的變化趨勢(shì)、規(guī)律相同。

黃土和古土壤成分與物理性質(zhì)指標(biāo)沿剖面的變化特點(diǎn)表明，其搬運(yùn)介質(zhì)風(fēng)和沉積環(huán)境形成了其成分和結(jié)構(gòu)，成分和結(jié)構(gòu)決定了其物理性質(zhì)[10]。黃土和古土壤基本地層單元與其物理性質(zhì)的變化是對(duì)應(yīng)的?？梢栽诖嘶A(chǔ)上，將物理性質(zhì)相近的單元合并。由于含水率、飽和度和液性指數(shù)是顯著相關(guān)的，而液性指數(shù)不僅反映了土的含水狀態(tài)，也包含了土的塑性的影響，因此這三個(gè)指標(biāo)中取液性指數(shù)作為土的工程地質(zhì)分層依據(jù)。干密度反映土的結(jié)構(gòu)密實(shí)程度，與液性指數(shù)不相關(guān)。為此工程地質(zhì)分層主要依據(jù)干密度和液性指數(shù)。從這兩個(gè)指標(biāo)曲線沿垂直方向的變化特點(diǎn)可以看出，自L1～L5中各層黃土和古土壤參數(shù)分異明顯，可按氣候地層單位分層；S8～S9和S9～S14兩個(gè)巖性段參數(shù)差異不明顯，在小范圍內(nèi)波動(dòng)，各自并為一層。其中的L9和L15分別是上粉砂層和下粉砂層，厚度大，顆粒粗，干密度低，可單獨(dú)分層。午城黃土鈣質(zhì)含量高，干密度大，雖然位于地下水位以下，但結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，可作為一層，不再細(xì)分。由此可將整個(gè)黃土劃分為16個(gè)工程地質(zhì)層。

按以上分層方案也便于在露頭和鉆孔中劃分地層。由于不同層位的黃土或古土壤很相像，單憑土樣的表觀特征難以確定其所在層位。黃土中，S0，S1，S5，L9和L15是已經(jīng)公認(rèn)的標(biāo)志層，它們的頂、底界也是工程地質(zhì)層的界限，只要確認(rèn)了這些標(biāo)志層，其間的工程地質(zhì)層則很容易劃分。

4 結(jié)論

(1)黃土地層中相間出現(xiàn)的黃土-古土壤序列是第四紀(jì)以來干冷-濕熱氣候交替環(huán)境下形成的，氣候地層單位黃土中最基本的地層單元，目前在自馬蘭黃土頂-離石黃土底之間已劃分出公認(rèn)的15層黃土和14層古土壤，午城黃土由密集的黃土-古土壤(鈣板層)組成，在不同剖面出露的厚度不同，層數(shù)還不易確切辨認(rèn)。

(2)黃土的巖性地層，即馬蘭黃土、離石黃土和午城黃土與年代地層，即晚更新世(Q3)黃土、中更新世黃土(Q2)和早更新世黃土(Q1)的分層界限并不一致，工程地質(zhì)界習(xí)慣上將三者一一對(duì)應(yīng)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

(3)按古氣候地層可將黃土地層劃分為30個(gè)地層單位，這在工程分層中不易進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)；按巖性和年代可分別劃分為三個(gè)地層單位，這又太粗糙。本文結(jié)合已有分層和物理性質(zhì)指標(biāo)將整個(gè)黃土剖面劃分為16個(gè)工程地質(zhì)層，結(jié)合公認(rèn)的標(biāo)志層，該分層方案易于在鉆孔和剖面上進(jìn)行識(shí)別劃分。

(4)由于黃土工程地質(zhì)性質(zhì)與其沉積過程中的氣候環(huán)境密切相關(guān)，同一時(shí)代的地層在同一沉積單元內(nèi)的性質(zhì)相對(duì)均一，因此該分層方案在整個(gè)黃土高原地區(qū)具有普遍適用性。