探究大同地區濕陷性黃土與黏性土孔洞的形成

高戰鎖

(大同市勘察測繪院，山西大同 037006)

0 引言

大同地處山西省北部，屬中溫帶半干旱氣候區，當地從宏觀地質地貌確定為盆地，地質成因主要為沖湖積形成。在城市建設工程實踐中，我們往往接觸到很多第四紀的松散堆積物，如砂類土、粉土、黏性土等。局部地區如大同縣周士莊、杜莊，渾源縣、廣靈縣存在原生濕陷性黃土等，市區大部分地區應為次生黃土，或稱為濕陷性粉土。實際工作中，我們常常會見到有關孔隙的描述，如蟲孔、植物根孔、孔隙直徑2 mm～5 mm等。這都是我們眼睛能直接看到的，事實上土中還有很多看不到的孔隙，通過對所取得的原狀土樣進行化驗分析得到驗證。在這里，我對近年來所看到和領悟到的濕陷性黃土與黏性土孔洞的形成做一個探究。

1 濕陷性黃土孔洞的形成

在大同縣杜莊，有一個小有名氣的旅游景點，稱為“土林”，與“石林”可以相媲美。它也是大自然的神功杰作。其實這就是黃土內在的性質造就的外在表象。在渾源縣、廣靈縣也并不鮮見，只是還沒有形成體量而已。

濕陷性黃土的形成現在大部分人認可風積形成。想想這些年的沙塵暴，大家也就不難理解。沙塵暴應該是一種氣溶膠，在春天干燥的季節里，它把空氣中的粉塵、微小砂粒、粘粒、煙塵、花粉、枝葉和其他有機物等等混雜在一起，在春風的搬運下，自西北向東南漂移，遇到雨水或低壓區，逐漸消散沉積下來。

由于地質的形成年代漫長，在第四紀上更新世(Q3)及全新世(Q4)的沉積年代2百萬年～3百萬年以來，在這些不斷堆積的粉塵(黃土)上，有著植物與動物的生存與繁衍，新陳代謝，就形成了植物根孔，含有炭化植物殘根，走向大致向下，也有斜向延伸的。當然，這樣的根孔有大有小，小的有0.5 mm，大的偶見50 mm～100 mm。有的成為小蟲子的安家立命的生活場所，有的成為小動物的遮風避雨的理想空間。有些蟲子自身有掘洞的生存本能，而有一些蟲子依靠原始的孔洞(根孔)經過深加工，形成自己的安樂窩。還有些孔洞也較大，這些孔洞沒有發現蟲子爬行過的痕跡，也沒有發現植物的殘根，但能看到水流流過的痕跡，說明這些孔洞經受過雨水的潛蝕，兼之黃土本身結構及組成成分的特性，這些孔洞傾向于垂直貫穿，或在溶蝕中攜帶較多的粉粒、砂粒，而水量較少，流經到一定距離后，沉積下來把孔洞阻塞，形成一個封閉的洞，側壁有流水痕跡。這樣的內部細微構造，導致了濕陷性黃土的垂直節理發育。

經過觀察發現還有很多小孔分布、排列都沒有規律可循，孔徑基本較小，土孔顏色與周邊土質顏色一致。這些應該是土質形成過程中的自然孔隙。這些孔隙的形成決定于其特殊的內部微觀結構，其中最重要的是粒間排列及連接形式。土粒連接方式包括點點連接(粒狀架空結構)，并且接觸點的連接形式主要為可溶的粒狀鹽晶膠結;點面連接，連接形式為可溶的粒狀鹽晶膠結與非可溶的凝塊狀黏土片膠結。面面連接，連接形式主要為非可溶的凝塊狀黏土片膠結。這樣小孔的分布及形成就比較雜亂，而且很多并不貫通。

在工程實踐中，濕陷性黃土的土樣孔隙比往往較大，數值介于0.85 ～1.20 之間，天然濕容重介于 1.45 g/cm3～1.67 g/cm3之間。

2 黏性土孔洞的形成

大同地質成因主要為沖湖積形成，有“大同湖”之稱。大同地區第四紀以來地下除分布著很好的沖積形成的砂層外，還分布著厚度不等的湖積形成的黏性土，在工地基槽開挖過程中，我們常常會看到土中含有很多孔隙，那么這些湖相沉積的黏性土孔隙又是如何形成的。

土是由固態相的土粒、液態相的水、氣態相的空氣三部分組成。土粒起著骨架作用居于主導地位，也是相對最穩定、變化最小的成分。土粒之間為孔隙部分，孔隙被水和氣體所充填。在大同盆地所沉積的黏性土中先期都處于飽和狀態，黏性土在湖底不單純只是機械的沉積，而是發生著肉眼難以覺察的物理化學變化:粗顆粒的分化溶解、細小顆粒形成的原生礦物及次生礦物，部分有機質的腐化分解，這些既改變了原有土質結構，又產生了新的物質(如高嶺石組黏土礦物、蒙脫石組黏土礦物、水云母組黏土礦物)和氣體(如二氧化碳、沼氣及硫化氫氣體)。

隨著水分的蒸發、滲透、流失，水位逐漸下降，滄海變成了桑田。變成了我們現在賴以生存的，可以安身立命的生活區、休閑地、勞作場。人類有記載的文明也就5 000年，但對于滄海變桑田的200萬年～300萬年歷史，也只占2‰。況且工程地質的研究也只是近300年來隨著科學技術的發展才有了較快的發展，所以研究的程度還是相當粗淺的。這也是為什么很多工程的勘察結論要結合當地的建筑經驗而制定。因此，我對黏性土的孔洞形成原因也只是一家之言。

黏性土的顏色大部分為褐黃色，土質也較均勻，但是在孔洞位置顏色發青。尤其在大的孔洞周邊，不僅顏色發青，而且濃度較深，細小的孔隙也很少。用眼直觀孔洞側壁，光滑，用手捻摸，細膩光滑。這是由于土中固體顆粒的沉積形成了骨架結構，孔隙中既有液體，又有氣體。由于氣體會不斷地產生，不斷地向壓力小的大孔匯集或向地表上涌，同時在上升的過程中會不斷地匯集小氣泡變成大氣泡，順著骨架間較大的孔隙通向大氣中。由于在小氣泡不斷地擠出匯集變成大氣泡的過程中，土體結構發生了微量的震蕩重組，粗顆粒(粉粒、砂粒)受重力的影響繼續下沉，土體變得密實，細顆粒(粘粒)受氣泡的運動或破裂產生的動力發生轉移，轉移時由于其自身比重比粗顆粒的小，比氣體的大，只能附著在氣孔的通道周圍沉積。另外，由于經年累月的不斷堆積、固結，其強度基本與粗顆粒(粉粒、砂粒)形成的土體結構強度大小一樣，氣泡的運動或破裂產生的動力不足以再讓其結構發生破壞，這樣一個大孔就產生了。導致了我們現在看到的氣孔周邊的土體細膩光滑，孔隙較少。

那么為何在大的孔洞周邊，不僅顏色發青，而且濃度較深，這是由于土中的氣體主要為空氣和水氣(汽)，有時含有較多的二氧化碳、沼氣及硫化氫氣體，這些孔隙中富集在一起的氣體相對來說某種氣體物質的含量較大，在與孔壁周圍的粘粒緩慢的發生著物理化學變化，以至于粘粒變成了凝膠狀，自孔隙內向孔隙外滲透，導致了大的孔洞周邊顏色發青，不同于周邊土體顏色。如果大家見過燜大米飯的過程，這些就很好理解了。

3 探究孔洞形成的意義

1)起到知微見著的效果，能更好的理解一些宏觀的地質成因及現象。比如大同縣杜莊鄉的“土林地貌”的形成，渾源山上的溝壑縱橫，都與土中孔洞的多少、分布有著直接的關系。

2)起到指導實際工程的效果，能有效地減少一些不必要的工作量。在大同地區，由于目前地下水位較低，大部分地區地下水位埋深大于40 m。很多工程需要開挖探井，一些技術人員包括圖審人員不考慮地基土的成因，要求是土就要挖探井，但化驗結果是沒有濕陷性，他們不相信，認為土樣不是從探井中人工采取，而是用取土器取的樣，擠密了，但沒有想到土樣在湖里已經浸泡了幾萬年～幾十萬年，早就濕陷完成了，而且水位已下降，土質已固結。前段時間工地驗槽，一位從事結構設計多年的工程師看到基底土有孔隙，看勘察報告沒有濕陷性，總是耿耿于懷，感覺有濕陷性，要求再補挖2個探井做試驗，經現場監理鑒證，取回土樣化驗，還是沒有濕陷，才釋懷踏實。我把這組數據列于表1中，以增強說服力。

表1 巖土參數表

同時也說明，如果對于有當地建筑經驗地區，一些基礎設計等級為乙級或丙級的建筑，可以不挖或少挖探井，以減少不必要的工作量。

3)起到處理問題的有效合理性，能很好的避免一些無用的施工措施。

我們知道，土體在天然含水量大于土的塑限時，并不表現為塑性狀態，仍呈半固態;當天然含水量大于土的液限時，也不表現為液流狀態。只有天然結構被破壞后才表現為塑態或流態。自然界中黏性土的這種現象稱為潛塑狀態或潛流狀態。當沒有外力破壞土質結構時，較多的水分可以通過蒸發、滲透、孔隙的貫通而流走，使土仍舊保持原有的結構不變，甚至于土的原有高度都不會降低分毫。

2011年夏天，大同一工地當基槽開挖后遇大雨，基坑被淹，基坑占地面積(65×11)m2，水位有15 cm。基底土為粉質黏土層，厚度約5 m，當時設計單位要求挖集水坑盡快排水，但施工人員一下去就陷進去10多厘米，挖坑中和成了泥，好不容易才挖成一個1 m見方的積水坑，采用一臺流量13 m3/h清水泵抽水，由于使用不當，水泵抽了三個多小時就壞了，由于已經到了晚上11點多，不便于工作，準備第二天再抽。但第二天發現水已滲完了，只有集水坑中有水。晾曬兩天后，基槽標高、土質基本與剛開挖時無異，只是釬探時擊數略有降低，土體含水量增加，而集水坑中依然還是軟泥。說明當沒有外力破壞土質結構時，較多的水分可以通過蒸發、滲透、孔隙的貫通而流走，使土仍舊保持原有的結構不變。當受到外力破壞土質結構時，土的顆粒結構發生了重新的組合排列，孔隙破壞，水分難以排干，再次固結需要一個相當長的過程。最后把集水坑中軟泥挖除進行了換填2∶8灰土的處理。

這就提醒我們當基槽遭遇雨水浸泡時，不要著急想著排水而擾動了基槽底部土質，應當先阻止外來水的流入，再想辦法把水抽干，盡量不要人為或機械擾動基底土。在基底排盡水后(很大一部分依靠其自身的孔洞排盡)，基底土的工程力學性質可按先前勘察報告提供的成果使用。