濟南地區黃土成因分析及工程地質特征

王濤，姜曉芬

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南　250014)

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濟南地區黃土成因分析及工程地質特征

王濤，姜曉芬

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南250014)

通過對濟南地區黃土的成因類型、分布范圍及工程地質特征進行分析，并對濟南西部和東部不同地區黃土的物理力學性質進行對比，總結黃土濕限對工程建設產生的危害性并提出防治措施和建議。

黃土；濕限等級；工程地質特征；濟南地區

引文格式：王濤，姜曉芬.濟南地區黃土成因分析及工程地質特征[J].山東國土資源，2015,31(12)：46-49.WANG Tao, JIANG Xiaofen. Origin Analysis and Engineering and Geological Characteristics of Loess in Ji'nan Area[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(12)：46-49.

黃土是一種具有大孔隙結構和垂直節理發育的非飽和欠固結土，天然狀態下其壓縮性較低，強度較高，但遇水浸濕時，在自重壓力及附加壓力的雙重作用下，土的壓縮性明顯變大，強度顯著降低，其地基具有突然下沉的性質，對工程建設安全性危害嚴重。因此查明濟南地區的黃土成因、分布范圍及其工程地質特征，做好預防和處理黃土地基對工程建設安全實施顯得至關重要。

1　濟南黃土分布范圍

濟南黃河以南多屬中低山丘陵、山間河谷和山前沖洪積平原地貌，以北為黃河沖積平原，其特殊的地貌特征，地質成因等，黃土分布較為廣泛，厚度變化較大。

根據對濟南城區及附近大量工程勘察資料進行的統計分析，并結合已有的研究資料，區內黃土或黃土狀土主要分布于山前沖洪積平原和南部山間溝谷、坡麓斜坡地帶。由西向東自廣里村—東障村—孝里鎮—歸德鎮—長清縣呂莊—橋子李—平安店鎮—睦里莊—段店南—匡山村東—北園大街以南至花園莊—王舍人—董家鎮—繡惠鎮一線以南區域。其厚度一般2～10m，局部可達15m(圖1①)。

2　濕限性黃土評價標準及方法

根據《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025-2004)規定，依據濕陷系數δs進行判別是否為黃土，濕陷系數δs大于或等于0.015時為濕陷性黃土。并根據δs判別黃土的濕陷程度，當0.015≤δs≤0.03時濕陷性輕微；0.03<δs≤0.07時，濕陷性中等；大于0.07時濕陷性強烈。

當自重濕陷量Δzs小于或等于70mm時，為非自重濕陷性黃土場地，大于70mm時，為自重濕陷性黃土場地。根據濟南地區大量探井取樣試驗資料統計，區內黃土主要為非自重濕陷性黃土，自重濕陷性黃土僅個別地點零星分布，如濟南市歷城區水泥廠附近存在自重濕陷性黃土。

非自重濕陷性黃土場地地基的濕陷等級應根據總濕陷量Δs的計算結果進行判定，當Δs小于等于300mm時，判定為Ⅰ級輕微黃土濕陷；Δs大于300mm時為Ⅱ級中等黃土濕陷[1]。

3　濟南黃土成因

根據濟南地區內數十年來的數百個工程地質勘察資料的分析統計結果，并結合相關研究資料表明，濟南地區黃土一般屬于黃土狀土，形成時代一般在全新世早期，只有在局部地區分布有晚更新世的黃土，基本以非自重濕陷性黃土為主。根據相關研究資料，濟南地區黃土一般屬于風成、沖積、洪積等多種成因綜合形成，其組成成分多來自強西北氣流帶來的粉塵，黃土形成后均受到后期水流、植被及生物等進一步的物理和化學作用改造，所以黃土中經常可以看到各種面狀和線狀形態的透鏡體，這些均是后期水流作用所形成的構造特征，這也是研究其成因和其物源的重要特征。在一些特殊的地貌單元，如山谷和坡麓等處，由于少受或不受西北氣流影響，可形成坡積、洪積的黃土狀土，一般厚度較小，水成性狀明顯，中間一般夾雜分選性較差的礫石層[2]。

根據大量的工程地質勘察探井資料，濟南黃土堆積區上部一般有黒壚土分布，該層上部黃土應為全新世堆積形成。根據辛良杰對長清張夏大沙河附近黃土的研究資料，該區約7m厚的黃土層為晚更新世的馬蘭期黃土[3]。

圖1　濟南黃土分布范圍圖

4　黃土工程地質特征

根據濟南地區工程勘察探井黃土樣試驗資料，濟南地區黃土巖性以粉質粘土和粉土為主，黃土地基濕陷等級以Ⅰ級輕微濕陷為主(表1)*山東省地礦工程勘察院，山東省濟南城市多參數立體化綜合地質調查報告，2005年。。不同場地其黃土的濕陷等級、物理力學性質指標具有不同的差別，以濟南城區以西和濟南城區以東2個地區的黃土為例，對其物理力學性質進行分析論述。

表1　濟南典型地段濕陷性黃土特征

注：濕陷類型為非自重濕陷

4.1濟南西部地區黃土工程地質特征

通過收集濟南城區以西至長清地區黃土試驗資料，根據對試驗數據統計分析對比，西部地區上部黃土狀土一般具有濕陷性，顏色多呈褐黃色和黃色，局部為黃褐色，多含植物根系及白色絲質網膜，多發育孔隙，見少量蟲孔，垂直節理發育輕微，局部含礫石或姜石薄層，一般具有以下幾個特點：

(1)厚度一般小于6m，但局部可達15m，濕陷系數多小于0.070，濕陷性輕微至中等為主，濕陷起始壓力70～190kPa，屬非自重濕陷性黃土。

(2)濕陷性黃土或黃土狀土的塑性指數3.0～13.5，巖性以粉土為主，其次為粉質粘土。

(3)黃土狀土的壓縮性以中壓縮性為主，其壓縮系數多小于0.6MPa-1，平均值0.27MPa-1左右，局部屬高壓縮性。標準貫入試驗錘擊數5～15擊，但壓縮性指標的變異系數較大，離散性較大，說明不同場地不同地貌單元內黃土力學性質差別較大，其主要物理力學性質指標見表2。

表2　濟南西部地區濕陷性黃土主要物理力學統計指標

此外根據統計分析，西部黃土的孔隙比與濕陷系數存在隨深度變化而變化的規律，即孔隙比與濕陷系數與黃土層深度的變化基本趨于一致，在埋深小于2m范圍內孔隙比與濕陷系數隨深度逐漸增大， 1.5～2m間一般至最大，隨后隨深度增加又不斷減小，絕大多數黃土至6m以下濕陷系數小于0.015，不具濕陷性。

4.2濟南東部黃土工程地質特征

根據濟南城區東部至高新區附近探井取樣試驗資料，根據統計分析對比，該地區上部黃土一般具有濕陷性，濕陷性黃土主要呈褐黃色，局部黃褐色，含植物根系白色菌絲體鈣質結核和銹染，多孔隙，垂直節理發育較輕，存在以下幾個特點：

(1)濕陷性黃土層厚度一般小于2～10m，個別地段大于10m，濕陷系數0.015～0.037，濕陷性輕微至中等，濕陷起始壓力100～199kPa，屬非自重濕陷性黃土。

(2)濕陷性黃土塑性指數7.1～16.1，平均11.6，巖性以粉質粘土為主。

(3)壓縮系數0.05～1.83MPa-1，平均值0.94MPa-1，以中高壓縮性為主。標準貫入擊數3～17擊，但壓縮性指標的變異系數較大，一般0.3左右，同濟南城區西部一樣，說明不同場地和地貌單元的差別較大，其主要物理力學性質指標見表3[4]。

表3　濟南東部地區濕陷性黃土主要物理力學統計指標

5　工程建設危害性及工程防治措施

由于黃土特殊的工程地質特征，其黃土地基濕陷性對工程建設產生較大的危害，如處理不當，會在很大程度上影響工程的建設和安全運行。

黃土地基處理方法很多，不同地區應根據該地區成熟的經驗進行選擇，還應考慮建筑物的類別和濕陷性黃土的特性、濕限等級等因素綜合考慮，同時要考慮場地條件、施工設備、施工進度、材料來源和當地氣象環境等因素，在技術可行經濟合理的前提下綜合分析比較后確定。綜合考慮上述因素，根據濟南地區黃土地基特點，比較成熟有效處理方法主要有換填墊層法、強夯法，其他方法如擠密法、化學加固法、預浸水法、沖擊碾壓法等應用相對較少，也可幾種方法結合使用。

5.1灰土墊層法

該方法是將一定深度范圍內黃土挖除，最后再用灰土分層回填夯實。常用于處理乙類和丙類建筑的黃土地基。這種處理方法可消除地基部分或全部濕陷量，增強地基強度，同時(灰土)地基具有隔水作用，可有效地保護下部未被處理的濕陷性黃土不致侵水濕陷[5]。

墊層的設計與施工應注意以下問題：首先應滿足處理厚度的要求，必要時應進行墊層下臥層強度驗算；第二灰土比多采用2∶8或3∶7，換填厚度一般小于2m，墊層土料應選擇粉質粘土，不得含有松軟雜質；第三嚴格控制墊層土料含水量，使其不超過規范要求；第四施工前最好進行現場試驗，以便更好地確定施工的各種參數，應對每層進行檢驗驗收；第五墊層處理的范圍要達到規范要求，灰土墊層的搭接設縫應滿足相關要求，墊層夯壓密實后建筑地基范圍內不得受水浸泡；第六對處理后的墊層應經過經載荷試驗檢測，當壓實系數不小于0.95時，其處理后承載力特征值一般應大于150kPa。

5.2強夯法

強夯法是反復將重錘提到高處使其自由落下形成夯坑，通過重錘的沖擊和振動能量，從而將地基夯實的地基處理方法，該方法作用一是可以消除黃土的濕陷性，二是能夠顯著提高黃土地基承載力。該方法應用比較廣泛，在處理效果和工期方面具有一定的優勢。

采用強夯法處理黃土地基時應注意幾個問題：首先必須進行試夯；第二處理范圍必須大于其建筑基礎范圍，并不應小于3m；第三根據建筑基礎平面形狀來確定夯點的布置，并根據要處理黃土巖性和處理深度確定夯點間距；第四應對處理后的地基進行探井取樣、標準貫入試驗、載荷試驗等方法確定處理效果。

6　結語

濟南地區黃土主要分布于黃河以南的山前沖洪積平原區、山間河谷及山麓等區域，厚度變化大，以非自重濕限性黃土為主，對工程建設危害較大的特點，詳細查明其具體成因、分布、巖性、厚度及工程地質特性，對于工程建設中黃土地基的處理方法的選用、工程造價的減少，尤其對工程建筑的安全保證具有重要的現實意義。

[1]GB50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[2]仝霄金，劉光明.濟南長清區濕限性黃土物理力學性質及地基處理方法[J].勘察科學技術，2013，(2)：39-40.

[3]辛良杰.張夏黃土組成特征及其成因分析[J].中國地質，2005,32(1)：55-61.

[4]周海福，王濤，丁鳳霞.黃土地區取樣方法對其物理力學指標的影響[J].工程地質學報，2012,(20):113-117.

[5]傅玉.濕險性黃土場地勘探方法對工程影響的探討[J].工程地質學報，2012,(20):830-836.

Origin Analysis and Engineering and Geological Characteristics of Loess in Ji'nan Area

WANG Tao, JIANG Xiaofen

(Shandong Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Jinan 250014, China)

Through analysis on origin types, distribution scope and engineering and geological characteristics of loess in Jinan area, comparing physical and mechanical properties of loess in different regions in western and eastern part of Jinan, harmfulness of the loess wet limits to the construction has been summarzied. Relative prevention countermeasures and suggestions have been put forward .

Loess; wet limit; engineering and geological characteristics; Jinan area

2015-02-28；

2015-03-11；編輯：陶衛衛

王濤(1975—)，男，山東萊州人，高級工程師，主要從事水工環地質工作；E-mail：shuihuan801@163.com

P642.22；TU444

B

①山東省地礦工程勘察院，王濤、焦麗香，濟南市工程地質條件及城市建設適宜性評價，2014年。