印度尼西亚西爪哇岛火山堆积层工程地质特性研究

马百财

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

1 概述

印度尼西亚西爪哇岛分布有大量火山。该地区的火山堆积层以更新统为主,具松散性,未成岩,其特殊的工程特性国内罕见[1-3]。在该地区修建铁路等工程时,火山堆积层特性对工程措施及施工工艺选取影响较大。查清火山堆积层的工程地质特性,为设计提供合理的岩土参数及切实可行的工程措施建议,是地质工程师必须面对的问题[4-8]。目前,许多学者从成因、粒度分布、形貌特征等方面对火山堆积层进行研究[9-15]。

以下基于前人的研究,采用综合勘探手段并结合现场施工情况,深入研究火山堆积层工程地质特性及其主要工程地质问题。

2 地质概况

2.1 地形地貌

雅加达至万隆地势逐渐增高,地貌单元依次有冲积平原、冲洪积平原、丘前缓坡、丘陵、低山及山间盆地等,其中,丘陵及低山区表层被不同时期火山喷发的薄厚不一的火山堆积层所覆盖。

2.2 气象特征

该地区属热带雨林气候,终年炎热潮湿,按降雨量分为旱季、雨季。11月到来年3月为雨季(西北季风期),多雨多云;4～10月为旱季(东南季风期),晴天多而雨量少。历年各月平均气温23.1～27.1℃、极端最高气温为37.8℃、极端最低气温11.2℃;平均相对湿度为78.9%～79.2%;年平均降水天数为188.7～223d,日极端最大降水量为2011.2mm,年平均降水量为2347.7～2415.8mm。集中于雨季的充沛降雨对火山堆积层的工程地质特性影响较大。

2.3 地层岩性

本地区表层以火山堆积层为主,物质来源为火山灰和火山碎屑。不同时期、不同沉积环境下,火山堆积层厚度差异大(层厚0～600m)。火山堆积层下伏为新生代第三系中-基性火山岩和沉积岩。本地区主要火山堆积地层岩性见表1。

表1 地层岩性

由表1可知,火山堆积层以火山灰、火山碎屑及火山弹形成的黏性土、砂类土、碎石为主,普遍呈胶结和半成岩状(见图1),其物理力学性质、胶结程度及强度分布极其不均。

图1 典型岩性照片

3 火山堆积层工程地质特性

3.1 室内试验指标

根据大量的现场测试及室内试验成果,各火山堆积层黏土层的主要指标见表2。

表2 物理指标统计

3.2 工程地质特性

根据外业调查、钻探岩芯情况、现场施工揭露情况及室内试验统计结果,认为火山堆积层具有以下独特的岩土性质。

(1)分布不规律。火山堆积层分布凌乱、不均匀,薄厚不均,厚度变化较大,根据钻孔揭示,最大深度可超过100m。

(2)土层错综复杂。包含黏性土、粉土、砂类土、碎石类土,且土性不纯,相互掺杂,局部夹块石、孤石,其中砂类土颗粒部分为火山灰胶结物,其颗粒强度较低,对工程性质影响较大。

(3)细粒土矿物成分较为复杂。根据岩矿鉴定及全岩分析结果(见图2),主要矿物成分为黏土矿物、斜长石、角闪石、辉石、方解石、石英、磷灰石等,其中黏土矿物含量较高(见图3),根据X射线衍射黏土矿物分析结果,黏土矿物以蒙脱石和高岭石为主,具膨胀性,且保水性好,不易失水。

图2 薄片鉴定照片(放大20倍)

图3 全岩分析结果

(4)软硬不均。一般土体结构强度较大,尤其是坚硬、半成岩的火山堆积层,其标贯击数高,但其含水率高,孔隙比大,主要受其特殊的火山碎屑、火山灰物质组成和热带气候所构成的地质沉积环境影响。部分岩芯呈柱状,具有一定的胶结作用,局部具半成岩作用。岩土定名时,宜将具有一定岩石结构特征但成岩时间较短、强度远高于一般土层的火山堆积地层定为岩类(见图4)。

图4 半成岩岩芯照片

(5)天然含水量高、天然孔隙比大、液限高。根据物理力学指标统计,火山堆积层黏土层天然含水量范围值为12.6%～168%,平均值为38.3%～63.4%;天然孔隙比范围值为0.348～4.641,平均值为1.086～1.722;液限范围值为19.2%～197%,平均值为63.0%～77.3%。

(6)压缩性高。黏土层的压缩系数α0.1-0.2范围值在0.07～2.07MPa-1之间。平均值在0.26～0.54MPa-1。

(7)沿线火山堆积层黏性土普遍具有膨胀性,多为弱-中等膨胀性,自由膨胀率为40%～80%。

(8)物理指标与实际状态有偏差。土工试验物理指标显示,火山堆积层中黏性土天然含水量高、孔隙比大、液限高,根据以上数据进行定名、判定稠度状态,将会出现大量软土及流塑状态的土层,但实际土层位于陡坡,边坡稳定未发生溜滑现象。主要原因为火山堆积层普遍含有火山灰物质,在湿热环境下,颗粒间化学胶结作用使土的结构强度增强,为结构性土。应结合现场描述和土工试验指标,综合判定土的稠度状态。

(9)渗透系数偏大。根据钻孔水文试验结果,部分地段黏性土的渗透系数可达到0.264～0.405m/d。这是由火山堆积层岩土矿物构成和特有的大孔隙比等特性造成的。

4 主要工程地质问题

火山堆积层具有分布不均匀、层厚不一、软硬不均、砂类土颗粒强度较低、黏性土天然含水量高、天然孔隙比大、液限高、普遍具膨胀性、胶结作用、渗透系数偏大等特性,这就造成多种工程地质问题,其中,边坡稳定性是其主要工程地质问题。在自然状态下,火山堆积地区边坡大多稳定。但当在工程实施时,在水、重力及人工作用下,易形成滑坡、滑塌等边坡变形问题。通过现场调查,认为有以下原因。

(1)部分边坡开挖后未及时支护。

(2)岩土体内存在不利结构面。主要为岩层面、节理面、土层和土石界面、风化层分界面等。

(3)特殊的岩土体特性。沿线黏性土及其下伏泥岩地层普遍具膨胀性,失水收缩开裂,吸水膨胀、软化、崩解,土体强度大大降低(见图5)。加之泥岩易风化,在开挖暴露后短时间内及干湿交替作用下风化加速,强度衰减较快。

图5 旱季和雨季地层性状

(4)气候特殊。印尼当地降水集中且雨量大,按降雨量分为雨季旱季两个季节。路堑边坡在雨季受降雨影响,滑面附近土体受水浸泡,造成土体软化后发生滑塌(见图6)。

图6 土石界面处渗水

(5)在自然边坡上方堆载,当超过一定压力后,土体天然结构遭到破坏,产生变形位移、强度降低,随地表水、地下水作用更加弱化土体强度,产生工程滑坡。

路堑或基坑边坡的变形往往是在以上因素的共同作用下发生的。例如某处滑塌体(见图7),宽约25m,长约6m,厚0.5～1.0m。滑面位于土石界面、全风化和强风化分界面附近。根据现场调查,滑塌主要原因为路堑边坡开挖后,坡体前部失去支撑;泥岩上覆土层变薄,旱季表层膨胀土层收缩裂缝直接贯通至泥岩层面,雨季雨水沿裂缝直接渗流至地层分界面。滑面附近上覆土层或全风化泥岩受雨水浸泡,持续软化,抗剪强度大大降低,加之该处泥岩存在顺层现象,最终导致开挖边坡发生滑动。

图7 某路堑边坡滑塌

5 结论

(1)因其独特的地质环境、沉积环境,火山堆积层具特殊性,西爪哇岛火山堆积层具分布不均匀、薄厚不均、软硬不均、砂类土颗粒强度较低、黏性土天然含水量高、天然孔隙比大、液限高、普遍具膨胀性、胶结作用、渗透系数偏大等特性。

(2)边坡稳定性是火山堆积层地区主要工程地质问题。工程地质勘察时,除常规物理力学试验外,应适当补充部分残剪、饱和剪试验和原位测试。鉴于室内试验的局限性,关于滑动面附近土层的抗剪强度试验,很难通过室内试验客观获得,建议根据失稳情况通过反算求得,也可视现场情况,通过现场原位测试获得。

(3)因火山堆积层黏性土普遍具膨胀性,移挖作填时,必须经过改良才可使用。边坡开挖时,应分级开挖,需通过检算采取合理的支护措施,及时加强坡面防护,防止边坡滑塌;应考虑地下水及地表水对工程的影响,采取必要的措施,做好防水、降水、排水、止水措施,尽量避免雨季施工。

(4)应对火山堆积层的人工边坡稳定性引起足够的重视,对各种分界面有变化、新发现的不利结构面、软弱夹层等存在失稳风险地段,及时检算边坡稳定性,动态设计。