（地质工程专业论文）内昆铁路“山坡型软粘土”成因及工程特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路建设过程中遇到了一种新型软粘土，我们称之为山坡型软粘土 论文在现场调查，室内试验和理论分析的基础上，结合国内外软土的 研究现状和最新的发展趋势，系统的阐述了内昆铁路山坡型软粘土的形成 条件、影响因素、形成作用、成因类型及定名，归纳总结了山坡型软粘土 的特殊的工程特性，并对自然状态下和工程状态下斜坡的稳定性进行了分 析 山坡型软粘土是在含炭质页岩的灰岩长大平缓斜坡或溶蚀高原面上。 在地下水缓慢渗流环境下，坡洪积物或残积物或强风化层，经过湿化泥化 作用、重力分选作用、表层硬化作用等而形成的。有三种成因类型：溶蚀 洼地潜水湖化、残积湿化泥化和坡洪积重力分选表层硬化。 山坡型软粘土具有侵蚀性、特殊膨胀性、流滑性、成分复杂性、分布 和性质不均匀性及隐蔽性等特性 天然状态下，山坡型软土是基本稳定的，但不采取措施直接在软土中 修筑路堤或开挖路堑。将会很明显影响软土层及路基的稳定性。路基应注 重软粘土斜侧的侧向约束，路堑必须先排水先加固再开挖。 关键词：山坡型软粘土成因工程特性稳定性 西南交通大学硕士研究生学位论文 第fi 页 a b s t r a c t w em e tan e wt y p es o f tc l a yi nr a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，a n dw en a m e di ta s m o u n t a i ns l o p es o f tc l a yf o r t h et i m eb c i n g c o m p a r e d 、 d t l lt h ee x i s t i n gc o n d i t i o na n dt h eu p - t o - d a t et e n d e n c ya b o u ts o f t s o i li na n do u t s i d eo fc o u n t r y ，a n db a s e do nf i e l di n v e t i g a t i o n , i n d o o rt e s ta n d t h e o r ya n a l y s e ，t h ep a p e rr e p r e s e n t e dt h ef o r m a t i n gc o n d i t i o n , i n f l u e n c i n gf a c t o r , f o r m a t i n ga c t i o n , g e n e t i ct y p ea n dn a m i n go fm o u n t a i ns l o p es o f tc l a yi nn e i k u n r a i l w a y , a n da l s oc o n c l u d e dt h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r so f t h em o u n t a i ns l o p es o f t c l a ya n da n a l y s e dt h es t a b i l i t yi nn a t u r a lc o n d i t i o na n de n g i n e e r i n gc o n d i t o n t h em o u n t a i ns l o p es o f tc l a yw a sg e n e r a t e df r o ms l o p ew a s ha n dp r o l u v i u m o re l u v i u mo rs t r o n gw e a t h e r e dl a y e rt h r o u g hw e ta r g i l l i z a t i o na c t i o n ，g r a v i t y s o r t i n ga c t i o n , s u r f a c eh a r d e n i n ga c t i o na n d o n a n dt h eg e m e r a t i o no f m o u n t a i ns l o p es o rc l a yh a v e3t y p e s ：e r o s i o nl o wl y i n g 1 a n dl a k ea c t i o n , e l u v i n mw e ta c t i o na n da r g i l l i z a t i o n ，a n dg r a v i t y s o r t i n gh a r d e n t h em o u n t a i ns l o p es o f tc l a yh a v ec o r r o d i b i l i t y , s p e c i a le x p a n s i b i l i t y , m o b i l i t y ，c o m p o n e n tc o m p l e x i t y ，i n h o m o g e n e i t ya n dh i d d e np r o p e r t i e s i n s i s t r i b u t i o na n dp r o p e r t y t h em o u n t a i ns l o p es o f tc l a yi ss t a b l eb a s i c a l l yu n d e rn a r l r a ic o n d i t o n , b u t t h eb u i l d i n ga n de x c a v a t i o nw i l la f f e c tt h es t a b a l i t yo fs o rc l a yl a y e ra n dr o a d b e d w es h o u l da t t a c hi m p o r t a n c et ol a t e r a lc o n f i n e m e n ti ns i d ed i r e c t i o no fc l a yi n r o a d b e d a n dw es h o u l da b s t r a c tw a t e ra n ds t r e n g t h e nf i r s ti f w ew a n tt oe x c a v a t e k y ew o r d s ：m o u n t a i ns l o p e rc l a y ， g e n i s i s ，e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r s , a t a b i l i 哆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 软土概述 第1 章绪论 软土是软弱粘性土的简称。一般是指在水流缓慢的环境中沉积，有微 生物参与作用，含有较多有机质，天然含水量大，孔隙比高，压缩性高， 承载力低的一种软塑状或流塑状的粘性土它包括淤泥、淤泥质土，泥炭 质土和其它饱水粘性士软土在我国分布广泛，不仅在沿海地带及平原低 地、湖沼洼地沉积着厚层的软土，在山岳、丘陵、高原区的古代或现代湖 沼地区也有软土存在近年来，随着西部大开发的推进，特别是铁路、公 路的大力发展，逐渐发现了山闻谷地中也有软士 由于软土分布广泛，其成因类型相应地繁多，按形成环境分为两大 类，即沿海软土和内陆软士沿海软土可分为泻湖相沉积、溺谷相沉积、 滨海相沉积和三角洲相沉积四种类型。内陆软土可分为湖相沉积、河漫滩 相沉积、牛轭湖相沉积、山区谷地沉积四种类型。 普遍情况是。软土的天然孔隙比大于等于l - 0 ，天然含水量一般大于液 限，压缩系数大于0 5 m p a - i ，不排水抗剪强度小于3 0 k p a 软土粒度成分以粉粒及粘粒为主，特别是淤泥，粘粒含量可达印 7 0 。矿物成分中除石英、长石、云母外，含有大量的粘土矿物，其中以水 云母最常见，有时含少量的高岭石此外，含有较多的有机质软土具有 触变性和蠕变性，工程性质差，在软土地区修筑路基时，由于软土抗剪强 度低，抗滑稳定性差，不但路堤高度受到限制，而且易产生侧向滑移，常 在路基两侧产生地面隆起，形成远伸至坡脚以外的坍滑或过大和长期的沉 陷正因为其危害巨大，软土的研究一直很重视，系统研究也比较成熟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1 软土特性、成因的研究现状 软土对建造于其上的工程建筑物的稳定性有相当大的危害作用，对软 土调查研究不够而导致严重经济损失的例子并不鲜见随着世界范围内高 层建筑、铁路、公路、港口，码头等重要设施建设的发展，软土研究也一 步步走向成熟1 删1 软土研究成为国际学术会议的专门议题始于1 9 7 5 年第五届全美土力学 及基础会议，国内1 9 7 9 年中国水利学会岩土专委会在南京召开的“软土地 基学术讨论会”是较早涉及软土问题的全国性会议。啪我国上世纪8 0 年代 以来，对软土的成因类型及工程特性进行了大量的实践研究，在软土基本 类型、基本特性、软土的变形与稳定性，软土加固与处理，各种原位测试 技术等诸方面均取得显著的研究成绩，到上世纪9 0 年代，基本上达到了国 际先进水平“埘国外日本、法国等国对软土有较早较深入的研究。 从世界范围看，海相沉积软土、三角洲中的软土、湖相沉积软土均有 大量研究，山阃谷地的冲积、坡积、洪积软土也有一定的研究对于西南 地区山坡型软土这种特殊的软土，在1 9 9 8 年修建内昆铁路之前尚未发现， 更未进行深入研究。“1 1 2 2 软土处理研究现状 由于早期高层建筑、高速公路及高速铁路的发展要求，日本，法国等 国家的软土地基处理技术在上世纪已得到长足的发展，我国与之相比还有 相当的差距，如近年来我国上海磁悬高速铁路、京沪高速公路等均借鉴了 日本的软基处理技术。不过，近年来，我国铁路部门在西南山区铁路建设 中逐步探索了一套处理山坡型特殊软士的技术方法o 小旧 目前常用的软土地基处理方法有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 l 、土质改良的方法：即利用机械、电化学等手段增加地基土的密度或 者使地基土固结。包括砂井、砂垫层、预压、强夯法等 2 、换填置换法：用强度较高的土去换填软土 3 、补强法：即采用薄膜、绳网、板桩等来约束地基土的方法 1 3 软土研究发展趋势 软土研究的发展趋势“1 ： l 、加强软土结构再生效应的研究： 2 、加强在工程运营期间沉降、位移、渗透水压力及工程稳定性的长 期观测和试验研究； 3 、利用离心机和数值模拟技术研究软土路基变形及加固效果； 4 、加强软改良机理与加固新技术的研究； 5 、加强对新发现的软土类型的详细研究。 本论文就是针对内昆铁路建设中发现的新的软土类型的深入研究 1 4 论文研究背景 内昆铁路1 9 9 8 年开始施工，在老锅厂至李子沟段1 3 6 k m 范围内，中 铁十四局在进行现场施工调查，临时工程修建和部分工程正式施工中，表 面上看似平衡、稳定的斜坡地，接连出现许多未曾预料的现象。 i 推土机在平整作业时。突然会陷入土中； 2 刚开挖的路堑，并不高。不仅边坡很快出现坍塌，而且在距线路8 0 m 远处也出现宽约2 0 6 0 c m 的滑坡裂缝，下方大片坡地农田原地龟裂隆起。 3 刚刚填筑的路基，连同基底斜坡体一起整体向下滑移。 4 开挖不深的桥梁桩孔的钢筋混凝土护壁，多被滑坡挤压开裂位移。 5 开挖后暴露出灰色和黑色泥质软弱粘土或泥夹石，炭质页岩在暴露 1 0 多天后即风化成粉末状，遇水更是快速软化成泥 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 6 整段斜坡倾角1 2 2 5 。，开挖或填筑高度均较小，但整段凡是工程旋 工之处均出现变形破坏现象。 工程开挖暴露出来的地质情况与勘察不符，引起了工程旌工单位和勘 察设计单位的高度重视。受勘察设计单位的委托。西南交通大学的郑黎 明、罗键、蒋爵光针对该问题进行了技术咨询，并提出了“山坡型软粘 土”的概念 为了弄清山坡型软粘土的基本特性，找到合适的工程处理方法，勘察 单位重新进行了勘察，先后完成了试坑3 4 0 m 9 9 个，钻探2 1 7 0 5 6 m 1 8 2 孔，静力触探4 5 1 6 m 1 0 5 孔，地质横断面1 2 0 7 5 m 3 1 条，物探断面 4 1 3 5 1 1 9 条，土工实验9 5 组，水质分析1 7 组，基本查明了本段软土的分 布、成因、特性。 本论文就是在上述背景和工作基础上开展研究工作的。 1 5 研究目的意义 软土在我国分布广且种类多山坡型软粘土是云贵高原上一种特殊地 质体，它的出现增补了我国软土的类型，丰富了软土研究的内容。从内昆 线老锅厂至李子沟段( d k 4 2 7 + 7 0 0 d k 4 4 1 + 7 5 4 ) 软粘土的情况看，它是有 隐蔽性，分布不均匀性，成分复杂性，决定了它和我国境内分布的其它类 型软土有所区别，作为一种特殊的软土来研究，显然具有重要的理论意 义。 1 9 9 9 年以来，勘察设计单位和施工单位一起，进行了许多现场试验， 并变更了设计，进行了大范围内的处理加固但实际上仍然存在以下两个 问题：第一，已经整治的路基长期稳定状况如何? 第二，在西南地区以后 遇到类似的问题应该如何勘察和设计? 要解决这两个问题，只有对山坡型 软土的成因及工程特性进行详细、系统的研究，这就是本论文研究的实际 意义所在。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 研究目的：通过详细的研究，深入认识山坡型软粘土成因及工程特 性，以便采取最合适的处理加固措施，同时形成一套对特殊土体成园及工 程特性的研究方法，用来解决工程建设中出现的类似问题。 1 6 研究方法与技术路线 本论文采用现场调查、室内试验与理论分析相结合的方法 通过现场调查，了解山坡型软粘土发育的地质背景；通过试验，揭示 其物质组分和物理力学性质及化学性质；根据水岩相互作用原理、岩矿热 力学理论和工程地质分析原理。结合现场调查资料和室内试验成果，探索 山坡型软粘土的成因及工程特性根据特殊的成因和性质指导稳定性评价 和选择合适的加固处理技术研究技术路线，详见以下框图； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章地质环境 2 1 地形地貌 内昆铁路老锅厂至李子沟段位于贵州省最西部凸入云南省内的威宁 县迤那镇和观风海镇境内，属云贵高原中心侵蚀、溶蚀洼地垄岗谷地区， 海拔高程2 1 3 0 2 3 4 0 m ，为内昆铁路全线海拔最高处线路沿李子沟左岸长 大斜坡中部行进，沿线地形相对平缓，起伏不大，自然坡度1 0 。3 0 。， 局部形成陡坡、陡崖。沿线冲沟、溶沟发育。线路左侧1 2 k m 远为本区侵 蚀基准面一李子沟，其海拔高度为2 0 0 0 2 0 8 0 m 线路右侧由缓坡爬高过渡 到高原面，高原面上地形起伏小，汇水面积大，零星分布有溶蚀洼地。 段内植被较发育，部分垦为旱地，地势低洼处多长有低矮灌木和喜水 杂草。 2 2 地层岩性 李子沟斜坡上除局部陡崖地段外，均被第四系坡积、洪积和残积等堆 积层覆盖，分布不均匀，厚2 1 5 m ，局部洼地中厚达2 0 m 堆积及坡残积 层主要分布于坡面及沟谷中，坡洪积层主要分布于沟谷及溶蚀洼地中。 该段的基岩为石炭系下统大塘阶上司段( c 。) 和旧司段( c 。，) 地层。 1 第四系坡积、残积层( q “、“) 粘土、砂粘土，黄褐、灰白、深灰、灰黑色，硬塑软塑，局部流塑 状，厚度2 1 5 m ，主要分布坡面及沟谷中 2 第四系坡、洪积层( 酊押1 ) 粘土、砂粘土，局部夹块石、碎石，黄褐色、灰黑色、灰白色，硬 塑软塑，局部流塑状，厚l 8 m ，局部洼地中厚达2 0 m 。主要分布于沟谷 及溶蚀洼地中 3 。第四系滑坡堆积层( q - t ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 粘土夹块石、碎石，黄褐色、灰白色，硬塑软塑，厚1 1 0 m ，分布 于d k 4 2 9 + 3 0 0 + 3 5 0 及其d k 4 4 0 + 7 6 0 + 9 1 0 段。 4 石炭系下统大塘阶上司段( c 。) 灰岩、泥灰岩、页岩、炭质页岩夹砂岩，灰黄色深灰色，灰黑色， 薄层、中厚层状，夹数层薄煤，其中炭质页岩质软，风化极严重带一般厚 达1 5 m ，局部厚达3 0 m 。在李子沟斜坡上广泛分布 2 3 地质构造 该区属四川台拗与滇东一黔西台褶带交界处，以n e 、n 1 】向构造和弧 形构造为主，侧区线路位于晰向文昌阁断层与n e 向白房子断层之间的三 角带中，岩体受构造影响，节理裂隙发育 该段构造主要为老锅厂背斜，其轴部d k 4 2 8 + 5 5 0 跗近与线路斜交，核 部地层为石炭系下统旧司段砂岩、炭质页岩及泥灰岩，两翼为石炭系下统 上司段灰岩、泥质灰岩夹页岩，背斜轴部扭曲强烈，平面上呈一弧形总 体上走向n e ，两翼地层舒缓，南东翼地层倾角1 7 。4 0 。，北西翼地层倾 角2 0 。左右，呈不均称的歪斜背斜，背斜轴部节理裂隙发育，岩体较破 碎 此外，在d k 4 3 0 + 8 5 0 处，陈家院子背斜与线路呈3 0 4 相交，该背斜核 部走向n w ，核部与两翼均为石炭系上司段灰岩、泥灰岩夹页岩，北东翼地 层倾角3 0 。4 0 。，南西翼地层倾角1 5 。2 9 。，该背斜位于老锅厂隧道 洞身通过。 该段地震基本烈度为度 2 。4 气象特征 该段属云贵高原气候带，冬季寒冷多雾，夏季凉爽多风，年平均气温 为l o 。c 1 3 。c ，平均年降雨量7 3 8 9 6 1 m m ，雨季集中在每年6 月l o 月，1 2 月至次年2 月为霜冻期，最大日降雨量9 3 2 咖。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 李子沟斜坡区内的小气候表现为一年四季多雾达，冬季尤甚，经常是 整日雾不散。 2 5 水文地质条件 区内地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水。 孔隙水主要贮存于残积层之粘土中，水量小，由大气降水或基岩裂隙 水补给，水位埋深0 7 5 m ，最深达1 3 m 。排泄方式以片流状渗出为主。低 洼地带及沟谷边常见喜水植物，局部形成小片湿地 基岩裂隙水主要分布于砂岩、灰岩及泥灰岩中，储水条件差，地下水 不丰富，但分布普遍，陡缓交界处多呈浸润状出露 岩溶水主要分布于石炭系上司段灰岩中，岩溶较发育，在d k 4 2 9 + 5 9 0 右1 1 m 发育一岩溶泉，流量为8 6 0 m 3 d 。水量随季节变化较大。 石炭系大塘阶组灰岩广泛分布于高原面上，或构成李子沟大斜坡上部 的陡坎、陡崖，其中富集较丰富的岩溶水而旧司段含煤、炭质页岩层位 于灰岩之下，在陡坡、陡崖之下形成平缓斜坡，上部岩溶水运移至相对隔 水的页岩层，由于水路受阻，往往在陡坡、陡崖的坡脚处，以泉或湿地形 式排泄因此，岩溶水既是页岩裂隙水的补给来源，又是平缓斜坡上厚度 较大的覆土中与隙水的补给区。页岩及覆土受岩性和地形限制，往往只能 滞水而难于排泄。 地下水的水化学类型为：s 0 4 h c o _ c a 型为主，次之为h c o 一一c a ，部 分地下水具有腐蚀性 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第3 章山坡型软粘土成因 3 1 软土常见成因类型 按软土的形成环境，我国的软土可分为不同的类型，如图3 1 所示，并 可归纳为沿海软土和内陆软土两大类。一般来说沿海软土分布较稳定，厚 度较大，土质疏松；内陆软土则零星分布，沉积厚度较小，性质变化大。 3 1 1 沿海软土 沿海软土分布于各河流入海处，大致可分为如下四种类型： l 、泻湖相沉积 温州、宁波等地的软土，均属此种类型其特征是地层比较单一，厚 度大，分布较广，常形成海滨平原。沉积物颗粒微细、均匀、孔隙比大、 强度低如温州地区表层为l m 多厚的一般粘性土，以下为塑性很大 ( j 。= 3 0 ) 的淤泥。厚度达0 3 m 以上，孔隙比为1 6 一1 s ，强度低( 快剪 纯= 6 。，o = 2 k p a ) 2 、溺谷相沉积 福州闽江口地区软土属于此种类型上部均有一层厚度约l 1 2 m 的 砂粘土层，俗称“硬壳层”，以下为厚1 5 2 5 m 的高压缩性，低强度的淤 泥层孔隙比大( 1 s - - 2 4 ) ，含水量高( 6 5 一1 0 2 9 幻，分布范围小于泻湖相。 3 、滨海相沉积 天津塘沽新港地区和江苏连云港等地区淤泥类土属这种类型。表层为 3 - 5 m 的褐黄色砂粘土，以下为数十米厚的淤泥夹薄层( 或透镜体) 粉砂这 种具有夹层的软土，较泻湖相和溺谷相工程地质性质稍好但在深水处沉 积的，特别是年代较新的软土，其性质很差。如连云港西堤处，埋探1 6 m 以上的淤泥，孔隙比很大( 1 卜- 2 6 ) 。土质软( 液性指数l = 1 5 ) ，强度低 ( 快剪c l k p a ， 4 。) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 4 、三角洲相沉积 长江三角洲、珠江三角洲等地区软土则属此种类型，其特点是海相与 陆相交替沉积，软土层常与薄砂层交错沉积；呈尖灭层或透镜体夹层表 层为1 - 3 m 的褐黄色砂粘土：第二、第三层为淤泥质砂粘土和粘土，厚度 1 8 2 5 m ，夹极薄粉砂层或粉砂，粘砂土透镜体，其中粉砂层厚度只有1 - - 2 m m ，但层数很多；第四层为较密实的粘土层或粉砂层，因而这种类型软 土的性质较好。 3 1 2 内陆软土 内陆软土是指分布在内陆平原及山谷地区的软土，可分为下列几种类 型： 1 湖相沉积 云南滇池、洞庭湖、洪泽湖、太湖等地区的软土即属此类其特点是 颗粒微细均匀，富含有机质，淤泥层较厚，不夹或很少夹砂层，但往往有 厚度不等的泥炭夹层或透镜体，厚度一般为l o _ - 2 0 m 。湖相沉积软+ c a 于 富含有机质，亲水性强，含水量高，压缩性大。其中所夹泥炭层的性质最 坏，如昆明的泥炭层含水量高达6 8 2 9 9 ，孔隙比1 9 _ - 7 0 ，压缩系数 1 2 - - - - 4 2 m p a 1 贵州的泥炭其压缩系数竟达1 7 7 3 m p a 1 2 河漫滩相沉积 分布在大中河流的中下游，如长江、松花江中下游、河谷附近。淤泥 类土常夹于上层粘性土之中，多为透镜状，厚度变化大，一般小于l o m ， 下层常为砂层 3 牛轭湖相沉 土的性质与湖相沉积相近，但分布范围较窄，常有泥炭夹层，多呈透 镜体掩埋于一般冲积层之下 4 山区谷地沉积 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 山区谷地沉积软土的形成，主要是由于当地的泥灰岩，页岩，泥岩的 风化产物和有机物质，经水流搬运沉积于原始地形低洼处( 如冲沟，谷 地，河流阶地等洼地) ，长期泡水软化的结果，其成因以坡洪积、湖积、 冲积三种为主这类软土的特点是分布面积不大，厚度不大，但变化大， 如贵州山区软土分布范围一般不超过5 0 0 m 2 ，最大厚度不超过2 0 m ，但相 距只有 - 3 m ，厚度变化达7 8 m ，冲积相的土层很薄，土质较好，湖沼 相中常有较厚的泥炭层，土的工程地质性质往往比平原湖相的还差，坡洪 积最常见，其性质介于两者之间。 乏z 乙互z 翌卫z 磁 一 a ) 乏互互z z 互乙丕z z 一j = = = = z = = = = ，一 c = ) 一一一 = = = = = = 一一一 ( c ) ( d ) 鬓蓬 ( f ) 囫囫垦 z 34 闽圜霞囵 6 78 雷l 我国软土的基本类型 ( a ) 泻湖相；( b ) 溺谷相 ；( c ) 滨海相 ( d ，- z 角洲相；( e ) 河漫滩相： ( f ) 淤泥质 1 淤泥；2 。潜泥质砂粘土；3 - 潞晃质牯土： 一一基岩；5 砂轱土；6 牿土；7 - 砂；l 砾石 蒸 甲甲 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 内昆铁路软土按分布特征可分为二段：老锅厂车站至卡海了隧道进口 ( d k 4 2 8 + 6 5 0 d k 4 3 4 + 5 2 0 ) 段，软土呈零星小片鸡窝状分布：而卡海子隧道 出口至李子沟车站( d k 4 3 4 + 8 0 0 d k 4 4 1 + 4 0 0 ) 段，软土沿山坡或槽谷成片 状、舌状断续分布沿线软土分布特征不同，实际上已经暗示出软土成因 上有区别。 内昆铁路软土的物质成分和颜色也比较复杂有的软士是经过一定距 离搬运的粘土、砂粘土，夹碎石、角砾，有的软土明显是未经搬运的残积 土，甚至还保留着母岩层理和结构软土的颜色各处不一，有棕黄色、灰 绿色、灰白色、灰黑色和黑色等多种色调这些现象同样说明该研究区段 内软土成因不会是单一的。 为了更清楚的阐明该段软土的成因及成因类型，这里首先分析其形成 条件、影响因素和形成作用。 3 2 形成条件 软土作为一种特殊上应该有其形成的必备条件，包括能够让土和水汇 集、停滞的地形地貌条件，松散堆积物( 特别是粘土) 的来源条件和水的来 源条件。 3 2 1 微地形地貌条件一负地形、缓坡地形 本段属云贵高原面上的侵蚀溶蚀中山溶丘洼地垅岗谷地区根据地史资 料分析，该地区在第三纪以前地壳运动处于上升状态，第三纪时以碳酸盐 为主的高原一中山岩溶地貌已经形成，在第三纪和第四纪早期的进一步侵 蚀溶蚀过程中形成以下微地形。 1 溶蚀洼地负地形 溶蚀洼地主要由岩溶漏斗进一步溶蚀扩大地面塌陷而成，洼地中堆积 物主要是坍塌物及表水携带的泥土、石块该类微地貌主要分部在 d k 4 2 9 + 8 0 0 d k 4 3 3 + 4 0 0 地段。参见图3 2 该段为高原面地形，石炭系下 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 统上司段灰岩分布范围内岩溶十分发育，形成有大小不等的溶地、洼地、 漏斗1 8 个，最大洼地的宽度达1 6 0 m ，部分溶地洼地中发现软土 图3 - 2 溶蚀洼地负地形模式 2 凹凸起伏的缓坡地形 石炭系下统大塘阶旧司段( c l d j ) 上部中厚层状的碳酸盐岩广泛于陡 崖，而旧司段含煤炭质页岩、泥灰岩层和上司段的页岩层位于碳酸盐岩之 下，由于长期的差异风化和溶蚀作用，上部碳酸盐层形成陡崖，而下部 软弱岩层形成陡崖之下的凹凸不平的陡缓相间的剥蚀面，一直延伸到线路 左侧1 2 k m 的本区侵蚀基准面一李子沟，参见图3 - 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 凹凸起伏的平缓地形为后来松散堆积物和水的汇集、停滞创造了条 件第四系后期，经过坡、洪积物的堆积和地表水流的改造，形成现在的 李子沟沟谷长大平缓斜坡面此种地形主要分布在d k 4 3 4 + 8 0 0 - - d k 4 4 1 + 4 0 0 段。 3 2 2 第四系松散堆积物条件一粘土来源 软土的形成不但要求有丰富的第四系松散堆积物来源，而且要求粘粒 的含量较高，本论文对研究区的页岩进行了试验分析研究。 1 物质成分 下石炭大塘阶旧司段页类主要为黑色岩层，上司组为灰绿色页岩、黄 绿色页岩。粘土矿物和特殊化学成分测试：结果见表3 一1 结合表可作如下 分析研究： 表3 1 页岩粘土矿物、特殊化学成分测试结果 岩性主要粘土矿物其它矿物 s 旷sc 也有机c 风化炭质页绿泥石、高岭石、伊 石英、方解石、 白云石、长石o 2 韩2 6 0 i4 9 5 6 3 3 薯 岩利石、蒙脱石5 器 4 8 薯 高岭石、绿泥石、伊 炭质页岩石英，长石2 暖o 。0 2 1 0 7 8 ii 3 0 i 4 7 8 i 利石、囊脱石8 高岭石，伊利石、绿 灰绿色页岩石英，长石2 稿 0 3 5 泥石、蘩脱石7 伟 高专石，绿泥石羹 黄红色页岩 石英、长石8 既0 4 5 薯 脱石、伊利石5 荔 ( 1 ) 本区的页岩粘土矿物含量高，其风化产物将为软土的形成提供丰富 的粘土矿物。其中炭质页岩和灰绿色页岩粘土矿物含量高，而黄红色页岩 含量较低主要粘土矿物为高岭石，绿泥石、伊利石，而蒙脱石含量低。 ( 2 ) 灰绿色页岩、黄红色页岩几乎不含有机质和硫，而炭质页岩不但含 有机c ，而且含有硫化物和硫酸盐，为软土的形成提供了部分有机质，同时 也为在软土中形成酸性环境水以及导致软土中矿物的化学不稳定提供了条 件。黑色岩层的黑色素一般由两种物质组成，即有机质( 以有机炭为主) 和 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 分散状微粒硫化矿物( 主要为黄铁矿和白铁矿) 以有机质染色为主的岩 层，外观为深黑色，略带油脂光泽：以分散状微粒硫化物污染为主的岩 层，外观为暗灰色或暗灰黑色，无光泽同时由这两种黑色素染色的黑色 岩层也相当普遍，本区的炭质页岩就属这种情况 ( 3 ) 石灰岩风化的红粘土也是软土形成的物质来源之一 但页岩，特别是炭质页岩的风化产物使本区软土具有了特殊的物质成 分，从而也导致其工程性质上有特殊性，例如，膨胀性、侵蚀性等。 2 物理力学特征 页岩和炭质页岩的物理力学试验结果见表3 2 。 表3 - 2 页岩物理力学指标 含水量干重度浸水前抗压强度浸水后抗压强度 岩性 软化系数 ( )( k n m 1 )删p a )( i i d a ) 页岩 3 1 4 52 2 6 2 4 81 2 5 1 64 6 60 3 7 炭质页岩 3 9 4 22 2 ，4 2 4 66 5 1 02 3o 3 试验表明页岩亲水性很强，强度低，遇水强度衰减快。炭质页岩工程性 质比灰绿色、黄绿色页岩更差 3 崩解、泥化特征 崩解、泥化试验在室内进行，每天洒水一次，每次洒水时间约1 0 分 钟试验结果详见图3 - 4 、3 - 5 试验表明，风化的页岩、炭质页岩，暴露于空气屯后，大约1 0 - 2 0 天 即完全崩解，大约3 0 天左右大部分已泥化。 本区构成软土的粘土。其堆积形式不是单一的，除了残积之外，还有 坡积、洪积和塌陷等基本形式，大多数情况下表现为二种基本形式的组 合、叠加 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 4 页岩崩解与时间的关系图 图3 - 5 页岩泥化与时间的关系图 3 2 3 气象及水文地质条1 卜水的来源 ( 1 ) 地下水正均衡 本区属云贵高原气候带，冬季多雾，夏季凉爽，年平均气温1 0 1 3 ，年平均降雨量7 3 8 9 6 0 m ，雨季集中在6 1 0 月气候特点是：雨季 时问长，降雨常以小雨、中雨、雾雨形式出现，少见特大暴雨，从而有利 于降雨入渗：夏季冻爽，气温低，不利于地下水蒸发因此，本区地下水 均衡状况表现为均衡或正均衡，地下水储存量增加，从而使浅层松散堆积 物长期处于“湿地”状态，这是本区能够形成软土的重要原闲之一 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 ( 2 ) 溶蚀洼地中的“潜水湖” 溶蚀洼地的底层为页岩隔水，且洼地中堆积物明显改变了原来岩石的 渗透性时，溶蚀洼地中汇集的降水或暂时性地表水便与周围岩溶裂隙水失 去水力联系，在洼地堆积物中形成孤立的“潜水湖”为洼地中软士的形 成创造了水文地质条件。 ( 3 ) 坡洪积物中地下水 本区大部分地段为陡崖下的坡洪积堆积长大平缓斜坡，陡崖主要 由灰岩组成，斜坡底部为页岩、炭质页岩与泥灰岩互层，由于底部岩 石的差异性风化溶蚀，底部风化溶蚀不但隔水，而且呈平缓的波状起伏， 有利于地下水的停滞和储存强风化的炭质页岩和坡洪积覆土中。长期聚 集了相对丰富的地下水，这是本段软土形成的主要原因之一非常类似于 山前洪积扇中的地下水例如；地下水主气降水和陡崖中岩溶裂隙水的侧 向补给；斜坡中部，地潜水壅水而水位接近地表，形成小片湿地：斜坡中 下部，深部地下水有时具有承压性质，个别钻孔中地下水自流出井口这 些都是山前洪积扇中地下水的典型特征。但本区并不属于典型的洪积扇， 而是坡洪积混合堆积，而且洪积物不是沟谷型洪流而是山坡型洪流形成 的，故地下水特征与典型洪积扇又有所不同。例如：一般洪积扇顶部多为 粗粒沉积，地下水埋藏较深，两本区粗粒沉积物相对较少，坡洪积斜坡顶 部( 陡崖的坡脚部位) 为砂粘土与次棱角状砾石混杂沉积，且表层有薄层砂 粘土覆盖，导致地下水径流变缓或受阻，地下水位壅高坡洪积斜坡项 部，是接受陡崖岩溶裂隙水补给、吸收降水及高原而地表汇流的有利部 位，地下水补给来源丰富，同时，地下水又在此部位径流不畅、受阻，因 此，钻孔揭示已经证实，斜坡顶部地下水埋藏较浅，甚至以湿地形式溢出 地表。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 以上提及的形成软土的三大条件( 微地貌地形、粘土来源、水的来源) 是必备条件，缺一不可。例如：卡海子隧道至老锅厂车站之问发育有大量 的溶蚀洼地，洼地中也有大量松散堆积物，但是，并非所有洼地中都有软 土原因是，大部分洼地的底部可四周侧面可能发育着落水洞、溶隙等， 使洼地中地下水与周围岩溶裂隙水发生水力联系，在洼地中无法形成“潜 水湖”，故不能形成软土 3 3 影响因素 本区地质构造和植被发育情况也影响软土的发育和特征。 1 地质构造 。 测区线路位于n 1 r 向文昌阁断层与n e 向白房子断层之间的角带，岩体 受构造影响，节理裂隙发育。 老锅厂背斜，其轴部于d k 4 2 9 + 5 6 0 附近与线路斜交，核部地层为c ， 两翼地层为c 。背斜轴部扭曲强烈，平面上呈一弧形，总体走向n e ，背斜 轴部节理裂隙发育，岩体较破碎 d k 4 3 0 + 8 5 0 附近陈家院子背斜与线路呈3 0 4 夹角相交，该背斜核部走 向n w ，核部及两翼地层均为c 。 地质构造主要影响岩层的风化、溶蚀状况，进而影响微地形、松散堆 积物以及地下水的发育特征。很明显。在老锅厂至卡海子隧道进造发育， 岩体更为破碎，岩溶相对发育，隧道出口至李子沟车站，受区域构造的影 响，岩层裂隙发育。陡崖前平缓斜坡松散堆积层发育陡崖灰岩反倾，本 不利于陡崖前平缓斜坡地下水的补给，由于陡崖灰岩中近垂直的节理裂隙 发育，使得陡崖中裂隙水能够下渗汇集到坡脚，补给陡崖前平缓斜坡。 2 植被 软士是一种经一定生物化学作用而形成的软土，富含有机质是它的一 大特点本区植被以木本植物为主，灌木或树木的残枝、树叶，是软土中 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 有机质的主要原料，在试坑和钻孔岩芯中常发现尚未完全炭化的残枝、腐 木本区为石灰岩地区，表土贫瘠，持水性差，不利于植物生长，没有人 工播种的条件下，植被发育较差且不均匀因此，软土中有机质含量普遍 不高