（地质工程专业论文）安徽省淮北地区钙质结核土的工程性质研究.pdf

安徽省淮北地区钙质结核的工程性质研究 摘要 本文着重对安徽淮北平原各地区钙质结核土的成因、分布、地基土承 载力性质进行了详细的研究，并对其中的变化规律做了分析。在参阅大量 文献的基础上，笔者得绘制了安徽淮北平原钙质结核土分布示意图。此外 作者收集了该地区大量的实际工程勘察资料、土工试验资料以及载荷试验 资料，通过对资料的分析和整理，分别绘制了各地区典型的地层剖面图， 从而得到安徽淮北平原各地区钙质结核土沿着东西走向及南北走向的埋 藏情况特征：并在参考相关载荷试验及静力触探试验的基础上各地区钙质 结核土的承载力性质做了对比和分析。笔者采用s p s s 软件对试验结果进 行统计分析，建立了一次和二次拟合曲线方程，并建立了研究区各地区钙 质结核土的地基承载力基本值表，用来检测淮北地区钙质结核土的地基承 载力基本值。此外，笔者还对研究区钙质结核土中钙质结核对土体带来的 不利影响进行简要探讨。 关键词：淮北平原钙质结核地基承载力工程性质原位测试 s t u d y o nt h ep r o p e r t yo f t h ec a l c a r e o u sc o n c r e t i o ns o i l i nh u a i b e ip l a i na n h u ip r o v i n c e a b s t r a c t t h i sa r t i c l eg i v e sad e t a i l e dr e s e a r c ho nt h ep r o p e r t y o ft h ef o r m a t i o n ， d i s t r i b u t i n ga n df o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec a l c a r e o u sc o n c r e t i o ns o i l i nh u a i b e ip l a i n ，a n h u ip r o v i n c e i ta l s og i v es o m ea n a l y s i so ft h ec h a n g e r e g u l a r i t yo ft h es o i lc h a r a c t e r i s t i c s a f t e rc o n s u l t i n gm a s so fd a t a ：t h ea u t h o r h a dd r a w nt h ed i s t r i b u t i n gm a po ft h ec a l c a r e o f i sc o n c r e t i o ns o i li nt h i sa r e a t h ea u t h o rh a dc o l l e c t e dp l e n t yo fe n g i n e e r i n gd a t a ，s u c ha st h es o i lt e s td a t a a n dt h el o a dt e s td a t a ，d r a w nt h et y p i c a ls t r a t u ms e c t i o nm a po ft h i sa r e a s e p a r a t e l yt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dt h ec o o r d i n a t et ot h ed a t a ，a n dg o tt h e e m b e d e ds i t u a t i o no ft h ec a l c a r e o u sc o n c r e t i o ns o i ii nt h ee a s t w e s td i r e c t i o n a n dt h es o u t h n o r t hd i r e c t i o ni nt h i sa r e a t h ea u t h o r ，b a s e do nt h ed a t ao ft h e l o a dl e s ta n dt h ec o n ep e n e t r a t i o nt e s t ，a n a l y s e dt h ef o u n d a t i o nb e a r i n g c a p a c i t yp r o p e r t yi ne a c hz o n ei nt h i sa r e a w m lt h em e t h o do fl i n e a ra n d u n l i n e a rr e g r e s s i o n ，t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e f o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t yp r o p e r t ya n dt h ec o n e p e n e t r a t i o nt e s t ，a n d e s t a b l i s h e dt h er e g r e s s i o nf o r m u l a a c c o r d i n gt ot h er e g r e s s i o nf o r m u l a ，t h e t a b l ea b o u tt h ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec a l c a r e o u sc o n c r e t i o ns o i l w a sf i n i s h e d ，w h i c hc o u l db ea p p l i e dt oi n s p e c t i o no ft h ef o u n d a t i o nb e a r i n g c a p a c i t yo f t h ec a l c a r e o u sc o n c r e t i o ns o i li nt h i sa r e a b e s i d e s ，t h ea u t h o r a l s od os o m er e s e a r c ho nt h eh a r mo ft h ec a l c a r e o u sc o n c r e t i o ns o i l ，t h e ng a v e s o m ea d v i c e st os o l v et h ep r o b l e m 【 k e yw o r d s ：h u a i b e ip l a i n ，c a l c a r e o u sc o n c r e t i o n ，f o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t y ， e n g i n e e r i n gp r o p e r t y , i n - s i t et e s t i n g 插图清单 2 1 安徽淮北平原地貌图( 据金权) 4 2 2 安徽淮北平原地理位置及水系分布图( 据会权) 6 3 1 安徽淮北平原区域构造概况( 据金权) 8 4 1 黄河下游河道历史变迁图( 据叶青超) 1 l 4 2 古河道分布示意图1 3 4 3 钙质结核土层分布示意图1 9 4 4 界首地区典型地质剖面图1 9 4 5 太和地区典型地质剖面图2 0 4 6 利辛地区典型地质剖面图2 0 4 7 蒙城地区典型地质剖面图2 l 4 8 怀远地区典型地质剖面图2 l 4 9 固镇地区典型地质剖面图2 2 4 1 0 宿州地区典型地质剖面图2 2 4 1 l 濉溪地区典型地质剖面图2 2 4 1 2 界首一怀远钙质结核土埋藏标高剖面简图2 3 4 1 3 怀远一濉溪钙质结核土埋藏标高剖面简图2 3 5 1 载荷试验示意图2 6 5 2 荷载试验p 一5 曲线示意图2 8 5 3 p r a n d t l 公式滑动面图3 0 5 4 荷载试验p 一5 曲线3 i 5 5 第一组荷载试验p 一5 曲线3 3 5 6 第二组荷载试验p 一5 曲线3 4 5 7 第三组荷载试验p 一5 曲线3 4 5 8 第四组荷载试验p 一5 曲线3 5 5 9 第五组荷载试验p 一5 曲线3 6 5 1 0 第六组荷载试验p 一5 曲线3 7 5 1 l 第七组荷载试验p 一5 曲线3 8 5 1 2 第八组荷载试验p 一5 曲线3 8 5 1 3 第九组荷载试验p 5 曲线3 9 5 1 4 第十组荷载试验p 一5 曲线4 0 5 1 5 第十一组荷载试验p 一5 曲线4 l 5 1 6 钙质结核土承载力基本值与比贯入阻力线性回归曲线图4 3 5 1 7 钙质结核土承载力基本值与比贯入阻力非线性回归曲线4 4图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表3 】淮北平原地层( 据潘光宜) j 9 表4 1淮北平原砂姜黑土年龄表1 2 表4 2蒙城至蚌埠高速公路载荷试验点的土层1 4 表4 3界阜蚌高速公路( 二期) 载荷试验点的土层 1 6 表4 4合徐高速公路涂山淮河大桥至朱围子段载荷试验点的土层1 7 表5 1钙质结核及其周围土壤的化学成分2 4 表5 2 静力触探比贯入阻力p s 与地基容许承载力r 】的经验关系 2 9 表5 3 载荷试验成果汇总表一3 2 表5 4 载荷试验成果汇总表二3 3 表5 5 载荷试验成果汇总表三3 4 表5 6 载荷试验成果汇总表四3 5 表5 7 载荷试验成果汇总表五3 6 表5 8 载荷试验成果汇总表六3 6 表5 9 载荷试验成果汇总表七3 7 表5 1 0 载荷试验成果汇总表八3 8 表5 1 1 载荷试验成果汇总表九3 9 表5 1 2 载荷试验成果汇总表十4 0 表5 1 3 载荷试验成果汇总表十一4 l 表5 1 4 载荷试验与静力触探试验成果对照表4 2 表6 1 安徽省淮北地区钙质结核土地基承载力基本值o 与比贯入阻力只 关系表4 5 表6 2 标准贯入锤击数基准jr 。i 震4 6 表6 3 液化等级4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒月g 至些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名 研嚼群醐：节瑚阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁兰些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名廖寸耋寸自目 签字啡丹p 月f j 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：潮 签字日期：如d 7 年d 月乡日 电话 邮编 致谢 首先要衷心感谢我的导师王国强教授! 王老师知识渊博，治学严谨， 平易近人，从本科到研究生求学的两年半时间里，王老师在学习上对我严 格要求，悉心指导；在生活上给予了我无微不至的关怀。本次论文从选题 到完稿都凝聚着王老师的汗水和心血，值此论文完成之际，向王老师表示 崇高的敬意和衷心的感谢! 同时要感谢在我从大学到研究生的求学过程中给予我帮助和关心的 所有老师，特别是在我论文撰写过程中给予了我诸多帮助的资源与环境工 程学院岩土工程教研室的崔可锐、刘东甲、葛晓光等老师。 感谢我的父母和家人，是他们在生活各个方面给予了我最无私的关怀，才能 使我顺利完成学业。 最后向所有关心、帮助和支持我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢! 作者：钟轩明 2 0 0 7 年1 2 月 【合肥工业丈学2 0 0 7 届硕t 。学位论文】资源。，环境丁程学院地质丁程 1 1 钙质结核土的研究的意义 第一章前言 土是岩石风化的产物或再经各种地质作用搬运、沉积而成的，土粒之间的 孔隙由水和气体所填充，土是一种由固态、液态和气态物质组成的三相体系1 1 1 1 2 1 。钙质结核又称砂姜，它是分散的碳酸盐在硅酸、二氧化物、三氧化物、铁 和锰等吸附性物质的表面与土壤胶结而成的口j 【”。我国地域辽阔，由于自然地 理环境的不同，分布着多种多样的土类。即便同一种土类，在不同的地理历史 环境中也会表现出某些特殊的工程性质。钙质结核土作为一种特殊土，更有其 特殊的工程性质。 淮北平原是我国钙质结核土的典型分布区，面积约为1 4 0 万h m 2 ，占淮北 平原总面积的5 2 5 ，占全国含钙质结核土面积的4 1 5 1 6 j 。含钙质结核( 3 z 称 砂姜1 是该土体的一个重要特征，土中钙质结核可分为软钙质、硬钙质和钙质硬 盘等3 种形态【3 】。钙质结核的形成与地质时期海平面的升降、古气候的变化、 地下水的作用以及土壤的淋溶淀积等因素有关，碳酸钙的来源主要是富含 h c o ，一c a ”的浅层地下水，而钙质结核的大小和形态与地下水保持在这一层位 的时间长短以及蒸发率有关。钙质结核土的工程性质既不同于粘性土又有别于 碎石土，具有显著的非均匀性特点和独特的工程地质性质，应属于特殊土范畴； 不同成因、时代的钙质结核土的工程性质也是差异很大一l 。该区人口众多，地 处中原，连接东西，贯穿南北，是我国重要的能源基地，农畜、药材产地和交 通运输走廊。随着重大工程建设和城市化进程的加快，区域地质环境和地质灾 害问题日趋突出和尖锐，加剧了生态环境的破坏和失衡，在人类的工程和经济 活动作用下产生严重的环境地质问题f 6 j 。世界人口都市化和城市建设向高层和 地下发展已成为一个趋向，当前国际、国内重大工程建设中出现的灾害性事故 与地质有关的比例越来越大，这都是和工程地质研究深度不够，设计、施工中 对工程地质资料认识不足，与地质条件针对性不强有关。各类建筑工程都是以 岩土体作为地基、围岩、或建筑材料，地质环境就是各类工程的建设环境1 2 ”。 在地质体自稳能力不足时，就可能出现建筑安全问题，危害人类的安全和健康， 严重影响和制约社会经济的发展。加强区域土体工程地质研究，特别是大型工 程与地质环境的互馈作用研究，对于丰富我国工程地质学理论具有重要意义， 在水文地质、工程地质、环境地质、农业生态地质和国土资源可持续利用方面 都有广泛的应用前景。 1 2 钙质结核土的研究现状及存在的问题 【合肥工业大学2 0 0 7 届硕士学位论文j 资源与珂= 境工程学院地质工程 淮北平原钙质结核土的研究引起了国内地质、地理、水利、农学界的广泛 重视作了大量的多学科的研究。从研究现状来看，已有成果主要集中在钙质 结核土的成因理论和砂姜土改良利用技术研究上。1 9 6 2 年张可迁根据岩性和沉 积物结构对该区第四系进行了地层划分【6 】；1 9 8 0 年到1 9 9 6 年，林水龙、安徽 省区调队、于振江、黄多成等先后根据沉积地层特点、哺乳动物化石、孢粉化 石等研究了本区第四系地层，建立了地层单位4 1 1 1 7 1 1 2 0 1 2 1 】。1 9 9 0 年金权等根据 地磁对该区地层时代进行了综合研究1 2 2 1 。上述研究工作为本区第四系地层的建 立奠定了基础。1 9 7 6 年到1 9 9 6 年，张俊民、安徽省水电设计院、中国科学院 南京土壤所、安徽省3 2 3 地质队、安徽师范大学地理系、王中天、赵清友、李 令英、安徽省土壤普查办公室分别从水文地质、农业地理、土壤学等角度研究 了砂姜的形成、分布和成因类型j i ”。】9 8 0 年到1 9 9 5 年，陈静生、王长荣、 顾也萍从新构造运动特点、第四纪以来的地质环境演变研究了该区砂姜土的发 育和分布规律，刘良梧利用孢粉、古生物化石和放射性碳断代等手段研究了不 同钙质结核土的年龄、化学成分和环境变化，钙质结核土形成于距今6 0 0 0 4 0 0 0 0 多年前【5 1 1 1 2 10 9 l 。1 9 8 4 年到1 9 9 5 年，阎占元、张生、杜国华等对砂姜土地利用、 土壤化学、生物和物理利用过程进行了探讨1 7 儿。1 9 9 9 年张民、马丽从土中钙 质结核的形态、化学成分等方面研究了钙质结核的微形态及矿物学特征。1 9 9 3 年戚学祥、张连昌进行了粘土建造中的化学研究，1 9 9 5 年姜文英、吕厚远研究 了黄土中钙质结核碳同位素及意义。1 9 9 4 年王少英，1 9 9 5 年靳长兴讨论了黄泛 平原水土流失和坡面侵蚀问题，1 9 8 8 年马新明、高尔明、杨青华等对淮北砂姜 土的综合治理进行了探讨：1 9 9 5 年吴家华、刘宝山、黄云中对利用粉煤灰改良 砂姜土进行了探索。 可以看出现阶段对钙质结核土的研究缺乏对其物理性质、水理性质、土体 结构等土质学方面系统的基础研究，以及在工程作用下表现性状的工程作用理 论和试验研究。钙质结核土具有其特殊的物质和结构组成，具有显著的非均匀 性特点，其工程性质不同于粘性土又有别于碎石土，具有特殊的工程性质，属 于特殊土的范畴。国内外对黄土、膨胀土、红土、冻土等特殊土的研究成果丰 富，并编入国家规范和各种教科书、科技文献中。而钙质结核土缺少对其相应 的工程地质学的基础研究和应用研究。钙质结核土由于钙质结核的存在使得钻 孔取样、原位试验困难，室内试验值离散或偏离，难于运用。实际工维中也没 有有关的规范可遵循。钙质结核土的工程性质、强度和变形特性也由于其分布 情况、结核尺寸大小、形态特征、成因时代、结构和含水条件的变化而有很大 的差异。载萄试验也因试验条件、体结构和构造差异等因素，试验值相差很 大，需要综合钙质结核上的上述特点，并结合工程结构物的要求，才能提供准 确、可靠的设计值。因而，尽管国内外学者从钙质结核土的分布、土壤学特性、 矿物化学组成、成因及土地利用等方面进行了研究，但对钙质结核土作为一种 2 【合肥j = 业大学2 0 0 7 届硕十学位论文j 资源与环境f 程学院地质t 程 特殊土的物理力学性质、水理性质、显著的结构非均匀性特点，特别是在外部 荷载、在含水量及其环境条件变化时所表现出的力学性质j ”，在土的工程特性 及其在人类工程行为作用下的工程性质、强度和变形破坏机理、工程效应研究 等方面仍然存在重要问题需要进一步开展深入细致的研究。 1 3 本文研究的主要问题 本文拟以现有的土力学理论为基础，通过实验，实测等手段，并紧密结合 实践经验，对安徽省淮北地区钙质结核土的成因、工程性质等方面进行系统地 研究，对钙质结核土的地基承载力、工程环境特性进行了评价，并提出了一些 钙质结核土中钙质结核对土体工程性质所带来的不利影响，且提出了提高此地 区土体工程性质的措施。研究内容如下： ( 1 ) 对安徽淮北平原地区钙质结核土的成因及其分布进行调查研究。 ( 2 ) 对淮北平原各地区钙质结核土的埋藏情况进行分区描述分析。 ( 3 ) 结合原位测试资料探讨本地区钙质结核土地基承载力基本值与静力触探 p 。值之间的关系，建立地基承载力基本值表。 ( 4 ) 对研究区钙质结核土中钙质结核对土体带来的不利影响进行简要探讨。 【合肥t 业大学2 0 0 7 届硕十学位论文j 资潭与环l 竟1 = 程学院地质工程 第二章自然地理与地质概况 2 1 安徽淮北地区地形地貌特征 淮北平原由黄河，淮河历次泛滥堆积作用形成，除东北郝有零散残丘与低 山分布外，其余均为第四纪松散沉积物覆盖，地势平坦，由西北向东南略微倾 斜，地面坡降1 7 5 0 0 1 1 0 0 0 0 ，海拔高度为1 5 5 0 m 。本区河流多为西北东南 向，由于诸河切割，构成本区平原河谷地貌的自然景观。地貌类型可分为剥蚀 堆积地貌、堆积地貌、构造剥蚀地貌三种【”。 剥蚀堆积地貌分布于中南部河间地区，地势平坦，地面坡降1 1 0 0 0 0 ，地 面高程1 5 3 5 m ，为第四纪全新统中段堆积底层，堆积地貌主要分布在本区北 部，为近代黄河泛滥堆积而成，属于第四纪全新统上段冲积地层，地面高程2 5 5 0 m ，坡降1 7 5 0 0 。构造剥蚀地貌主要分布在本区东北部地区，总面积约 1 0 6 0 k m 2 ，不足本区总面积的3 。残丘、低山层不连续分布，岩层由寒武、震 旦亚界灰岩组成，山体排列方向与岩层走向一致，大体为北东向，海拔高度5 0 3 9 0 m 。 安徽省淮北平原位于安徽省北部，地处东经1 1 4 。5 5 1 1 8 。1 0 和北纬3 2 。2 5 3 4 。3 5 之间，为黄淮海大平原的一部分。东邻苏北平原，南以淮河为界， 与本省的江淮丘陵地相接，西接豫东平原，北与山东接壤。该区地势坦荡辽阔， 自西北向东南缓倾斜，只东北部有少数低山残丘1 2 2 ( 图2 1 ) 。 当盛樵北事原地跪图 1 一墨，毽e 戗 2 一山孵“盐琏jj 一坨l 一# 蕊= 匕r 一# ：一吐瑶- l 一善f 茁地t 芒墨矗爵 聋4 砖。庳l 一盔事恙fj 口一簿盛理。n 一圭簋。l ：士f 吧fj ，一i 翌f 孵， 一t 里手吃 图2 1 安徽淮北平原地貌图( 据金权) 4 f 合肥工业大学2 0 0 7 届硕士学位论文j 资源与笙f 境丁程学院地质t = 程 2 2 安徽淮北地区自然地理概况 该区人口众多，地处中原，连接东西，贯穿南北，是我国重要的能源基地， 农畜、药材产地和交通运输走廊。 2 2 。1 气候与气象概况 该区属于暖温带半湿润季风气候区，兼有南北方气候的特点：气候温和， 雨量适中，光照充足，热量条件好，无霜期长，且季风气候显著，冷暖气团交 替频繁，天气多变，常有旱、涝、低温，霜冻、干热风、冰雹等自然灾害发生 【8 】 2 2 】。 该内多年平均气温在1 4 4 1 5 1 左右。冬季平均气温为一2 ，以1 2 月和 1 月最冷，极端最低温度为一1 5 2 0 ；夏季平均气温为3 4 左右，以5 月 和6 月最热，极端最高温度为3 9 8 4 l 【”。 该区年日照时数2 1 7 4 2 4 2 5 小时，年无霜期2 1 0 - 2 3 0 天。 该内雨量充沛，但降水量地区分布不均，且年内与年际变化较大。多年平 均降水量在7 5 0 9 5 0 r a m 之间，自北向南递增。由于各年季风的迟早与强度不 同，该区丰水年降雨量可以达到1 1 0 0 1 9 0 0 m m ，枯水年降水量却在4 0 0 6 0 0 m m 之间，两者相差3 4 倍之多。一年中的降水量随季节而变化较大。春 季降雨较少，占年降雨量的1 8 2 5 ，夏季雨量充沛，占年降雨量的5 0 6 0 。 年最大降雨量和最小降雨量的比值达2 5 3 5 倍【1 4 1 。 该区多年平均蒸发量在1 0 0 01 3 5 7 m m 之间，由南向北递增。淮北平原地 处黄淮海地区，为全国东西向分布蒸发极大的高值地带之。水面蒸发的年内 分布，随各月气温、湿度、风速而变化。一般1 月或1 2 月蒸发量最小，5 月或 6 月蒸发量最大1 8 j 2 2 】。 2 2 2 水文地质概况 安徽淮北平原南以淮河为界，省内淮河河段长约3 4 0 k m ，北岸主要支流自 西边向东有谷河、润河、颖河、西淝河、茨河、涡河、北淝河、浍河、沱河、 潍河等。此外尚有人工河、茨淮新河、阜蒙新河等。受地势影响，淮河北岸支 流较长，南岸支流较短，为不对称的羽状水系。淮河年平均流量为8 2 5 m 3 i s ， 最大流量为2 2 8 0 m 3 i s ，最小为1 1m 3 i s ( 蚌埠站) 。支流水位、流量变化与干流 一致。由于河床坡度缓、降雨集中。两易发洪水i z 2 j ( 图2 2 ) 。 i 台肥工业大学2 0 0 7 届硕士学位论文j 资源与耳境r 程学院地质1 = 程 图2 2 安徽淮北平原地理位置及水系分布图( 据金权) 6 【合肥工业大学2 0 0 7 届硕士学位论文l 资源耳境工程学院地质1 = 程 3 1 区域地质构造特征 第三章区域地质构造背景 淮北地区区域地质构造复杂，主要隶属于东西向构造带、新华夏构造带及 徐宿弧形构造带 2 2 1 。分述如下： 1 较大的东西向断裂带的主干断裂 ( 1 ) 丰沛台儿庄东西向断裂带 ( 2 ) 宿北东西向断裂带 ( 3 ) 太和五河断裂带 ( 4 ) 阜阳一明龙山断裂带 2 新华夏构造带 新华夏构造带，在本区反映为“第二隆起带”和“第二沉降带”。隆起带位 于隆起带西侧，为第四系、第三系所掩盖。构造线呈北北东向展布，构造轴面 常向南东倾斜。新华夏构造带影响范围涉及全区，新华夏系的主干断裂有：( 1 ) 郯庐断裂带；( 2 ) 固镇一怀远断裂、丰县一涡阳断裂、夏邑一阜阳断裂。 3 徐宿旋卷构造带 该体系分布在东西向构造带与北东向华夏断裂交接形成的断坳之内，始发 时间相当于燕山晚期，展布范围近3 万k m 2 ( 图3 1 ) 。 在安徽淮北区外的南部和东北部山区有基岩出露，它们为： 上太古界五河群一深变质岩系，以黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、黑云角 闪变质岩为主。分布于本区南部、西南部，大部分为第四系覆盖； 下元古界凤阳群一主要是石英岩、白云石大理岩、大理岩及千枚岩，分布 子本区南部； 上元古界白垩系、震旦系一石英砂岩、砾岩、泥灰岩、白云岩及结晶灰岩， 分布于本区东部及东北部宿县、灵璧县一带； 中生界一主要为朱罗纪、自垩纪中性火山岩、火山碎屑岩等隐伏于平原地 区新生地层之下，仅有零星出露； 新生界一第三系陆相碎屑岩仅在本区东北部灵壁县等地有零星出露。 f 台肥工业大学2 0 0 7 届硕士学位论文j 资源a t 4 境】程学院地质工程 图3 1 安徽淮北平原区域构造概况( 据金权) 3 2 第三纪以来地质环境演化 f 第三纪以前淮北平原内部是一些分散的小盆地，沉积物主要是红色碎屑岩、 火山岩和暗红色泥砂岩；到新生代受喜马拉雅运动的影响，孤立的拗陷构造盆 地在后续活动中连成一个广阔的平原，成为黄淮海平原的部分。第四纪以来， 平原表现为下沉，但与华北平原其它部分相比，淮北平原的沉积较微弱，第四 纪沉积厚度只有几十米；而黄河平原、海河平原的沉积厚度有3 0 0 m 。淮北平原 处于华北地层区的南缘，其第四纪堆积物中，河湖相沉积较为发育，厚度5 0 l o o m 不等。全新统地层不发育，一般多见于现代河道，常呈现于高地，早、晚 更新世期间，物源主要来自近山区和大别山及西部低山、丘陵；全新世以来， 平原内部的地貌的影响以外营力地质作用为主，即黄河与淮河的泥沙，尤其黄 河是流经黄土高原的多沙河流，南泛时携大量泥沙，对淮河平原的沉积塑造很 大。该区在大地构造上属华北陆台南部，东为山东台背斜，西为河淮台向斜。 区内结晶基底为前震旦纪变质岩系，除东北部为震旦纪至下古生代地层组成的 低山丘陵外，第四纪地层广泛分布【l ”， 3 3 第四纪地层特征 3 3 1 成因类型与分布规律 【台肥1 = 业大学2 0 0 届硕十学位论文】资源。i 环境t 程学院地质工程 该区第四纪堆积物成因主要为：( 1 ) 冲积，特征是粒度分选性好，又可细分 为冲积扇堆积、河道带堆积和河问带堆积；( 2 ) 湖积，特征是颗粒一般较细，大 多分布于平原的扇前滓地及交接洼地j 。 第四纪堆积物分布规律：在临泉、界首、涡阳、宿州以北地表出露第四系 全新统土层，以粘性土为主；在l 临泉、界首、涡阳、宿州以南除淮河及其支流 颍河、西淝河、涡河、北淝河、浍河、沱河河道两侧几公里范围内为河道带堆 积第四系全新统土层以外，地表皆为第四系上更新统土层( q 3 ) 。 3 3 2 土层分布特征 本区出露的第四系地层有： 第四系全新统( q 一) ：是组成河漫滩的主要地层，局部韵律明显，土性为灰 黄、棕灰、黄褐色粉质壤土夹粉细砂或粉细砂夹粉质壤土，局部含有淤泥质， 厚度不等变化较大，一般厚度l o l5 m 。按岩性特征及沉积规律的变化可以分 为上、中、下三段：上段冲积物( q 4 “1 ) ：主要岩性为灰黄色粉质壤土与粉、砂 表3 1淮北平原地层( 据潘光宜) 地层编号平均地质 地层简述 主层亚层厚度( m )年代 粉质粘土( 局部高被限粘土) ，灰黄( 偶夹灰) 、棕黄， i i2 0 可塑，夹低液限粘土薄层，少量分布。 iq 4 “ 砂土低液限粘土，灰黄色，松散稍密，夹商液限 1 2 4 2 粘七薄层，分布广泛。 2 13 4粉质粘t 灰色，软塑夹低液限牯土 2 q 4 7 “砂土低液限粘土，灰色，松散稍密，夹粉质粘土、 2 23 6 极细砂等薄层，分布广泛 3 14 8 高液限粘专，；深灰色，软可塑，夹瘵泥质软土和极 3 q 1 “ 细砂薄层。 3 34 3细砂砂士，灰棕黄色，稍密中密，夹枯土层。 高液限粘七耢质粘土灰绿、棕黄，可硬塑，偶 4 15 0 夹低液限枯土薄层。 4 q 一 4 - 22 1低液限枯土砂士夹少量高液限牯土，灰黄色，可塑 4 37 2细砂中砂，灰棕黄，稍密密实，夹枯土层 粉质枯士商液限粘土，棕黄棕红色，可硬塑， 5 14 3 夹低液限枯七簿层，禽大量砂姜 5 q 3 1 。1 细砂，椋黄、黄棕，中密密实局部为极细砂夹砂 5 28 6 粘上。 6 6 1 5 0 q 2 高液限粘七粉质粘七，青灰黄色，可塑，含砂姜 【合肥工业大学2 0 0 7 届硕士学位论文】资j 耀j 环境t 程学院地质工程 性土层，层理清晰，常为互层沉积。中段湖积一冲秘物( q 4 2 。) ：主要岩性为灰 色、深灰色粉质壤土与粉、砂性土层夹薄层淤泥，微层理发育。下段冲积物 ( q 4 “1 ) ：主要岩性为灰色、灰黄色粉质壤土与粉、砂性土层，常呈互层状，韵 律变化明显。 第四系上更新统( q 3 ) ：是组成河床的主要地层，主要岩性为灰绿、棕黄、 棕红、褐黄色粘土、粉质粘土与粉细砂层，有比较明显的韵律层，水平层理较 清晰，含铁锰结核和钙质结核。常以灰绿色粘土、粉质粘土为每个韵律之项部， 棕黄、棕红、褐黄色粘土、粉质粘土为每个韵律之中部，底部多为砂性土层。 每个韵律的厚度一般为5 18 m 左右。 第四系中更新统( q 2 ) ：以棕黄、灰黄、青黄及青棕杂色粉质粘土为主，夹 薄层亚砂土或粉细砂，埋深一般在2 0 m 以下，结构致密( 表3 1 ) i l 。 【台肥工业大学2 0 0 7 届硕i ：学位论期资源。i 环境工程学院地质【程 第四章淮北地区钙质结核土的成因类型及分布规律 一， 4 i 钙质结核土的成因、时代 钙质结核土的形成与地质时期海平面的升降、古气候、古河道的变化、地 下水的作用以及土壤的淋溶淀积等因素有关，碳酸钙的来源主要是富含h c 0 3 一 c a “的浅层地下水【他1 ，而钙质结核的大小和形态与地下水保持在这一层位的时 间长短以及蒸发率有关。 图4 1 黄河下游河道历史变迁图( 据叶青超) 安徽省地形复杂，平原、丘陵和山地各占三分之一，由此形成地质环境的 分异和土层分布的多样化。研究区内近代黄河的经过多次改道，仅从公元前6 0 2 年河流迁徙起，至公元】9 4 6 年2 5 0 0 年中决口1 5 0 0 余次，黄河大改道7 次。其中在 公元1 1 9 4 年从河南延津改道，经徐州汇入京杭运河；而又在公元1 4 9 4 年黄河从 河南兰考，经商丘、毫州、砀山、徐州汇入京杭运河( 图4 1 ) p ”。每次改道 也都会在沿途形成大量淤积砂、粉，而其中冲淤积砂中还夹有粉质粘土、粘 【合肥工业人学2 0 0 7 届硕f ：学位论义j 资源j 砰境r 程学院地压r 程 土等沉积土层i j ”。同时，由于黄河的多次改道不仅改变了研究区内地下水的分 布情况，而且加剧了地下水位的变化。加上研究区内一般地势平坦低洼，土壤 排水不良，地下水位较高，离地面1 2 m ，属于h c 0 3 一一c a ”型，此外，淮北平 原地处黄淮海地区，为全国东西向分布蒸发极大的高值地带之一，年蒸发量 ( 】o 1 3 5 7 m m ) 远大于年降水量( 7 5 0 9 5 0 r a m ) 。大气降水补给地下水后 主要消耗于蒸发，而蒸发的形式则主要是地下水蒸发。加之，钙质结核层位于 地下水变动范围内，正是在这种干湿交替和地下水营力作用下的氧化环境中形 成了钙质结核层。 钙质结核又称砂姜，它是分散的碳酸盐在硅酸、二氧化物、三氧化物、铁 和锰等吸附性物质的表面与土壤胶结而成的。这种钙质结核出现的时间经c 1 4 断代一般为距今2 0 0 0 多年前，年轻的只有2 0 0 0 多年【5 】| 1 9 1 ( 表4 1 ) 。 表4 1 淮北平原砂姜黑土年龄表 地层 c 1 4 年龄( 年，距今) 黑土层 17 15 6 5 18 2 5 6 5 钙 雏形钙质结合层 20 0 0 8 4 62 2 l 2 0 3 质 完形钙质结合层 36 1 0 2 2 0 48 6 5 - - 4 _ - _ 1 3 8 结 54 4 1 2 0 3 69 9 2 1 7 0 核69 8 4 7 6 1 42 5 0 5 0 0 层 181 9 4 3 8 2 2 78 5 l 1 8 0 注：根据刘怠梧资料整理。 4 2 钙质结核土的类型及分类 钙质结核土的类型可以根据土中所含钙质结核的类型迸行分类。土中的钙 质结核可分为软钙质、硬钙质和钙质硬盘等3 种形态。对土体工程性质影响较大 的是士体中的硬钙质和钙质硬盘，软钙质对土体工程性质影响相对较小。相应 的可以将钙质结核土层分为雏形钙质结核层和完形钙质结核层，甚或钙质硬磐 层引。 另外，根据土体中钙质结核的埋藏情况，可分为浅层钙质结核土和深层钙 质结核土，其中，浅层钙质结核土主要为安徽淮北平原的钙质结核耕土，熟称 砂姜黑土。该土壤自动调节水分的能力差，易旱、易涝、易渍，并且常常是这 三种灾害交替发生。砂姜黑土的土壤特性对于农业的发展十分不利 1 5 1 川 8 3 【。深层钙质结核为钙质结核埋藏于地表以下的粘层中，由于钙质 结核的存在对工程应用中土体工程性质影响较大，导致人们对土体工程性质的 确定存在偏差，严重的可能造成工程事故。本文主要讨论深层钙质结核土层的 工程性质。 f 合肥工业大学2 0 0 7 届硕士学位论文】资源与王 境工程学院地质工程 4 3 钙质结核土的分布规律 淮北平原是我国钙质结核土的典型分布区，面积约为1 4 0 万h m 2 ，占淮北平 原总面积的5 2 5 ，占全国含钙质结核土面积的4 1 5 。 安徽省地形复杂，平原、丘陵和出她各占三分之一，出此形成了地质环境 的分异和土层分布的多样化。钙质结核土的分布与其成因有着密切的联系。钙 质结核土的形成与地质时期海平面的升降、古气候、古河道的变化、地下水的 囫上卧础撇 图t 2 吉河道分布示意围 作用以及土壤的淋溶淀积等因素有关。近代黄河的经过多次改道，加上黄河上 游水土流失严重，在黄河下游堆积大量泥沙，每次改道也都会在沿途形成大量 淤积砂、粉土，而其中冲淤积砂中还央有粉质牯土、粘土等沉积土层i 圳。钙质 结核土的分布基本与古河道( 图4 2 ) 和地下水的分布一致，主要集中分布在地 下水位较高，年蒸发量大于降水量的河间平原等地势较平坦地区。 为了更加明确区分安徽省淮北地区钙质结核土的分布情况，本文主要以蒙 城至蚌埠高速公路、界首一阜阳一蚌埠高速公路、合肥一徐州高速公路北段等工程 为主线，对安徽省淮北地区钙质结核土的分布进行了分析研究。蒙城至蚌埠高 【合肥工业大学2 0 0 7 届硕上学位论文j 资源与环境丁程学院地质t 程 速公路呈东西向贯穿安徽省淮北平原，是加速安徽省经济技术发展和加强与外 部联系的东西向重要交通干道。它穿越各种徽地貌单元，地基土层复杂多交， 区内广泛分布粉质粘土、含钙质结核枯土以及粉土，具体土层分布见表4 2 。 表4 2 蒙墟至蚌埠高速公路载荷试验点的士层 点 位置 揭露的土层及其性状 号 层：耕士，灰黄、深灰色层厚0 6 m ，含植物根茎 及有机质，很湿，呈疏松状态； 层：粉质粘土，黄、灰黄色层厚1 6 m ，很湿，软 k 1 0 4 + 0 8 0 塑状态，会铁锰结核，裂隙发育，裂隙面具有青灰色斑纹， 【利辛县魏海村路 遇水崩解： 北 层：黄色粘土、粉质粘土，层厚5 7 m ，饱和，硬塑 状态，含钙质结核； 层：粉砂，未见底。 层：耕土，灰黄色，层厚0 5 m 湿，软塑，其上部 为表层耕土，含植物根茎及有机质； k i1 7 + 2 7 2 ， 层：灰黄色粉质粘士，层厚2 3 r a ，含较多的钙质结 李大寨村北7 0 米 核，结核直径般为3 5 c r n ，硬塑状态： 层：粉土夹粉细砂，未见底。 层：灰、灰黄色填土，层厚1 1 m ，稍湿，稍密至中 k 1 2 6 + 5 8 l ，密状态； 王寨小学北机耕层：深灰色粉质粘土，层厚0 3 m ，湿，软塑状态； 路东侧层：粘土，灰黄色，含少量钙质结核，结核直径2 4 c m 左右，硬塑状态。 层：填土，灰色、灰黄色，层厚l - o m ，稍密状态， 其上部为耕士含植物根茎及有机质湿，呈软塑状态； 层：粉质粘士，深灰色，层厚0 3 m ，含有机质，湿， k 1 3 l + 1 8 3 ， 软塑状态； 双洵镇稻改村 层：秸士，灰黄色层厚2 o m 含青灰色斑纹，含 钙质结核，其直径一般为2 - 3 c m ，湿，呈硬塑状态； 层：灰黄色粉细砂，未见底。 层：填土，灰褐，灰黄、深灰色，湿稍密，层厚 k 1 4 s + 7 0 0 ， 1 2 m ，含有树根等杂物； v陆湖小学向东约 3 0 0 米 层：粘士、粉质枯士，层厚7 7 m 黄、灰黄色含 青灰色斑纹湿，丫硬塑状态，含铰锰结核及钙质结核； 【合肥工业人学2 0 0 7 届硕士学位论空】资源j 耳境丁程学院地质 程 层：粉砂，末见底。 层：灰黄色耪质秸士和粉士，层厚o 7 m ，湿，稍密 k 1 5 8 + 8 3 9 ， 一中密状态，表层为一相对硬壳层，含有机质： 层：粉土，层厚8 8 m ，灰黄色湿一饱和，稍密状 徐湾公路西边 态，土块振动后析永，试坑开挖中坍塌严重； 层：灰黄色粘七，来见底。 层：灰、灰黄色填土，层厚1 1 m ，湿，疏松一稍密 k 1 6 6 + 2 2 ， 状态； 双沟镇北沥青路 层：灰黄、黄褐色粘士含钙质结核，层厚3 4 m ，湿， 东侧呈硬塑状态： 层：黄褐、灰黄色扮细砂，湿，中密状态。未见底。 层：耕( 填) 土，灰、灰黄色，层厚1 2 m ，湿，软塑 k 1 7 5 + 3 0 0 。 状态含植物根须等； 怀远县草寺北路 层：黄、灰黄色耪质桔土，湿。软望状态，层厚0 6 m ； 东 层：黄褐、黄色粘土，湿，硬塑状态，含铁锰结核。 k 1 7 8 + 1 4 4 5 层：灰、灰褐色填土，层厚0 4 r a ，湿，中密状态； ，怀远县杨郢村层：粉土，灰黄色，湿，稍密状态。 层：灰、灰黄色耕土，层厚0 t i m ，湿，含有机质，稍 密状态； k 1 9 3 + 0 1 5 ， 层：灰黄色粉土，层厚4 2 m 。很湿一饱和。稍密状态。 x怀远至魏郢公路 土块振动有析水现象，其问夹软塑状态粉质粘土。底部有薄 东 层淤泥土( 厚0 7 m ) 。 层：粘土，黄色，未见底。 层：灰黄色填士湿，稍密一中密状态，层厚0 6 m ， 含植物根茎及有机质； i k 1 0 3 + 5 6 2 ，层：粉质粘士，黄、灰黄色，湿，软塑状态，层厚1 6 m ， 李寨东桥西含少量钙质结核裂隙发育裂隙面具有青灰色斑纹，遇水 崩解； 层：黄色枯七，饱和，硬塑状态，含钙质结核。 界首一阜阳一蚌埠高速公路是安徽省“九五”重点公路建设项目，是连接河 南省、江苏省的重要交通干道，它西起安徽省界首市，经过太和、阜阳、利辛、 蒙城直达蚌埠市，全长1 8 9 m 。该公路呈东西向贯穿安徽省淮北平原所经地区 属暖温带半湿润性季风气候区，地层区划属华北地层区淮河地层分区，为第四 系地层