剛果金南部地區(qū)礦山濕陷性土形成機(jī)理分析

張?jiān)t飛，聞 磊，劉志亮

（1.廊坊市中鐵物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043）

濕陷性土是礦山工程建設(shè)中最常見的特殊巖土之一，科研人員通過大量的調(diào)查和試驗(yàn)分析工作，從分布區(qū)氣候條件、巖土體微觀結(jié)構(gòu)、受力變形特征等方面入手，同時(shí)這種分析也了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理及成因。我國(guó)許多科研人員對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了歸納總結(jié)；提出了地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理的結(jié)構(gòu)學(xué)說；從非飽和土力學(xué)的角度出發(fā)，完善了地質(zhì)結(jié)構(gòu)機(jī)理的研究；分析了不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)度指標(biāo)與其壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之間的關(guān)系。非洲地區(qū)的濕陷性土，在微觀結(jié)構(gòu)、形成條件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形特征等方面與我國(guó)有所不同，國(guó)內(nèi)開展的研究和討論極少。

本文基于工程實(shí)際，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析、電子顯微鏡、巖礦鑒定、力學(xué)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)等方法，分析剛果（金）南部區(qū)域分布礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成原因和濕陷機(jī)理，為該地區(qū)礦業(yè)工程的施工和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 剛果（金）南部區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育特征

剛果（金）地處非洲中部，屬熱帶雨林/熱帶草原氣候，全年分干旱季和雨季，雨林和草原覆蓋面積廣，土壤多為富含鐵氧化物的紅壤。

在南部地區(qū)的CML礦、MKM礦、SCM礦以及BSG水電站等項(xiàng)目調(diào)查發(fā)現(xiàn)，濕陷性土主要分布在雨林或草叢中，地表有植被覆蓋；分布深度一般為2m～4m，在個(gè)別溝谷中深度較大；在濕陷性土與基巖風(fēng)化面之間，常分布非濕陷性的地質(zhì)過渡帶。所調(diào)查的地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育具有以下特征：①硅含量低，鐵、鋁含量高，缺乏堿金屬；②易溶鹽含量較低，鐵、鋁成分多以難溶氧化物的形式存在；③其顏色以黃褐色為主，有時(shí)呈紅褐色；④地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為疏松，生物孔洞發(fā)育，呈不規(guī)則狀，直徑在0.1mm～5.0mm之間，孔隙內(nèi)部未被充填；⑤以地質(zhì)礦物為主，占比60%以上，大部分土顆粒粒徑在0.1mm～0.25mm。

上述特征與國(guó)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展有所不同：顏色偏褐色；粒徑稍大，粒度范圍窄，級(jí)配較差；礦物含量普遍較高，碳酸鹽類含量不穩(wěn)定。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 巖礦鑒定

巖礦鑒定結(jié)果見表1及圖1。從結(jié)果看，所取土樣的主要成分為黏土礦物（以高嶺礦體為主），礦物粒徑多小于0.005mm；土粒多呈粒團(tuán)狀集中，顆粒分析的主要粒組為細(xì)砂粒組，含量占50%以上；難溶的鋁氧化物在結(jié)晶過程中層層包覆于黏粒外，并形成一個(gè)個(gè)粒團(tuán)；樣品內(nèi)部孔隙發(fā)育，孔隙呈不規(guī)則狀，平均孔徑自0.1mm至5mm不等，孔隙內(nèi)部未被充填。

圖1 電子顯微鏡10倍原始圖像

表1 巖礦鑒定結(jié)果

2.2 常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)

從室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表2，所研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)的濕陷系數(shù)δs多在0.20～0.70之間，自重濕陷系數(shù)δzs多小于0.15，屬非自重濕陷性土，濕陷性中等。因其分布厚度不大，實(shí)際濕陷量不大，通常小于300mm。

表2 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

比較快剪和固結(jié)快剪兩種試驗(yàn)結(jié)果，試樣完成固結(jié)后黏聚力顯著增大，內(nèi)摩擦角增大相對(duì)較少。從地質(zhì)礦體微觀結(jié)構(gòu)分析，固結(jié)過程中礦體被壓密，可同時(shí)提高黏聚力和內(nèi)摩擦角；骨架團(tuán)粒表面氧化膜破壞，團(tuán)粒分散開后礦體粒粒徑變小，降低顆粒之間的咬合力，顆粒接觸面積增大，提高黏聚力。

表3 室內(nèi)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)平板載荷試驗(yàn)

地質(zhì)結(jié)構(gòu)礦層典型平板載荷試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從p-s曲線上看，在荷載240kPa之前，每一級(jí)壓力下，承壓板的下沉量呈增大趨勢(shì)，但總量較小；維持荷載過程中下沉量增長(zhǎng)緩慢，且p-s曲線平滑，無明顯拐點(diǎn)；荷載240kPa后，下沉量迅速增大，維持荷載過程中下沉量仍有顯著增長(zhǎng)，達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間較長(zhǎng)，且p-s曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明在較低壓力水平下，所研究濕陷性土具有穩(wěn)定的承載能力，當(dāng)某一級(jí)壓力土體結(jié)構(gòu)性承載能力之后，變形迅速增加，礦體出現(xiàn)局部剪切破壞。

圖2 平板載荷試驗(yàn)成果圖（無浸水）

圖3是同一場(chǎng)地、同一礦層臨近點(diǎn)的單線法靜載荷試驗(yàn)，在天然濕度下分級(jí)加壓至200kPa（對(duì)應(yīng)壓力為50kN），下沉穩(wěn)定后向試坑內(nèi)浸水至飽和狀態(tài)，承壓板下沉量迅速增大，礦體發(fā)生濕陷變形，穩(wěn)定后繼續(xù)加壓至240kPa。上述對(duì)比試驗(yàn)表明，慢速維持荷載試驗(yàn)中相同荷載下浸水土體的沉降量比天然濕度狀態(tài)下的沉降量明顯增大，相同變形下土體強(qiáng)度顯著降低。

圖3 浸水平板載荷試驗(yàn)成果圖

3 濕陷性地質(zhì)結(jié)構(gòu)成機(jī)理分析

3.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成原因分析

從調(diào)查結(jié)果來看，剛果（金）南部發(fā)育的濕陷土來源主要為基巖風(fēng)化后留在原地的殘積物，年代多為新近紀(jì)（N），其厚度一般較小，屬于殘積紅土；在一些溝谷中，原生地質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)沖洪積作用形成沉積厚度較大的次生濕陷性土。這種殘積土具有多孔隙、多裂縫的特征，在雨季淋濾條件下，降雨易入滲，發(fā)生脫硅富鐵、富鋁過程和生物富集作用，難溶的鋁氧化物在反復(fù)淋濾之后留下，礦產(chǎn)結(jié)晶后形成薄膜覆蓋與礦物顆粒之外，發(fā)育成結(jié)構(gòu)性團(tuán)粒。旱季時(shí)，氣溫較低，土顆粒遇冷收縮，礦體孔隙增大，土顆粒密度增大，顆粒間膠凝作用增大；同時(shí)土體含水量降低，基質(zhì)吸力增大。在旱、濕兩季的周期性變換過程中，最終形成礦體的發(fā)育結(jié)構(gòu)[5]。這種團(tuán)粒式的架空架構(gòu)是礦體發(fā)生濕陷變形的先決條件。

3.2 濕陷機(jī)理分析

根據(jù)以上測(cè)試分析結(jié)果，研究區(qū)域礦體在天然狀態(tài)下的顆粒較粗，礦體穩(wěn)定主要依靠骨架顆粒的支撐，礦物粒間氧化物的膠凝作用，以及孔隙水彎月面等因素形成的基質(zhì)吸力等。

在自重應(yīng)力下浸水時(shí)，團(tuán)粒在外覆氧化膜的保護(hù)下保持原狀，基質(zhì)吸力減小造成粒間聯(lián)結(jié)力削弱，團(tuán)粒之間通過滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)再平衡，在骨架顆粒強(qiáng)度和粒間膠凝作用下，礦體僅出現(xiàn)一定程度的陷落；當(dāng)受附加應(yīng)力時(shí)，礦體在固結(jié)過程中團(tuán)粒外覆氧化膜被逐步破壞，細(xì)顆粒增加，顆粒級(jí)配逐步變化。浸水后，粒間膠凝作用減弱，基質(zhì)吸力減弱，土顆粒之間發(fā)生滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)再平衡，同時(shí)一部分細(xì)顆粒將從骨架顆粒中逃逸，在此條件下，礦體將產(chǎn)生較大程度的陷落。

3.3 工程地質(zhì)分析與評(píng)價(jià)

研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的厚度較小，一般在2m～4m，濕陷性輕微～中等，評(píng)價(jià)濕陷等級(jí)一般為Ⅰ級(jí)非自重濕陷，對(duì)于深埋的地質(zhì)結(jié)構(gòu)施工及淺埋的低等級(jí)地質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)影響較小，對(duì)于淺埋的高等級(jí)地質(zhì)施工工程、動(dòng)力設(shè)備、浸水條件地質(zhì)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)影響較大，在附加應(yīng)力下浸水時(shí)，將產(chǎn)生不可忽視的濕陷變形。

對(duì)于尾礦壩等柔性基礎(chǔ)的雍水構(gòu)筑物，在壩體堆積過程中，地基土逐步發(fā)生濕陷變形，但柔性基礎(chǔ)對(duì)變形敏感程度較低，且濕陷程度在壩體內(nèi)側(cè)較高，外側(cè)較低，造成壩體向庫內(nèi)傾斜，一定程度上提高了壩體的穩(wěn)定性，濕陷變形對(duì)壩體影響較小。

同時(shí)，在尾礦壩運(yùn)行初期，濕陷性壩基土體級(jí)配較差，有發(fā)生低強(qiáng)度管涌破壞的可能。

在個(gè)別溝谷中，濕陷性土深度較大，評(píng)價(jià)濕陷等級(jí)可達(dá)Ⅱ級(jí)（中等）非自重濕陷，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展影響較大，應(yīng)采取地基處理措施以消除其影響。

4 結(jié)論

（1）剛果（金）南部地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展為新近紀(jì)（N）形成的殘積類土，屬于非黃土類的濕陷性土，多為殘積土經(jīng)反復(fù)淋濾形成，礦產(chǎn)顆粒以砂粒組為主，孔隙大，含水量低，具有鋁氧化物薄膜包裹形成的團(tuán)粒，和以此為骨架形成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

（2）剛果（金）南部濕陷性土的發(fā)生濕陷的機(jī)理主要為固結(jié)過程中團(tuán)粒外覆氧化膜破壞，團(tuán)粒間膠凝作用減弱，礦體顆粒之間發(fā)生滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)再平衡。

（3）在自重條件下浸水時(shí)，在骨架顆粒強(qiáng)度和粒間膠凝作用下，礦體陷落程度不大。

（4）剛果（金）南部地質(zhì)結(jié)構(gòu)一般分布厚度2m～4m，多為非自重濕陷，濕陷性輕微-中等，對(duì)于深埋的地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展基礎(chǔ)影響較小；對(duì)淺埋的動(dòng)力設(shè)備、浸水條件建構(gòu)筑物等基礎(chǔ)影響較大，在附加應(yīng)力下浸水時(shí)，將產(chǎn)生不可忽視的濕陷變形；對(duì)于尾礦壩穩(wěn)定性影響較小，但在尾礦壩運(yùn)行初期，濕陷性壩基土體級(jí)配較差，有發(fā)生低強(qiáng)度管涌破壞的可能。