剛果金南部地區礦山濕陷性土形成機理分析

張詔飛，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，河北 石家莊 050043）

濕陷性土是礦山工程建設中最常見的特殊巖土之一，科研人員通過大量的調查和試驗分析工作，從分布區氣候條件、巖土體微觀結構、受力變形特征等方面入手，同時這種分析也了解地質結構的形成機理及成因。我國許多科研人員對地質結構的形成機理進行了歸納總結；提出了地質結構變形機理的結構學說；從非飽和土力學的角度出發，完善了地質結構機理的研究；分析了不同地質結構度指標與其壓縮結構屈服應力之間的關系。非洲地區的濕陷性土，在微觀結構、形成條件、地質結構變形特征等方面與我國有所不同，國內開展的研究和討論極少。

本文基于工程實際，采用現場調查分析、電子顯微鏡、巖礦鑒定、力學試驗、現場載荷試驗等方法，分析剛果（金）南部區域分布礦山地質結構形成原因和濕陷機理，為該地區礦業工程的施工和設計提供依據。

1 剛果（金）南部區域地質結構發育特征

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。

在南部地區的CML礦、MKM礦、SCM礦以及BSG水電站等項目調查發現，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，在個別溝谷中深度較大；在濕陷性土與基巖風化面之間，常分布非濕陷性的地質過渡帶。所調查的地質結構發育具有以下特征：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，有時呈紅褐色；④地質結構較為疏松，生物孔洞發育，呈不規則狀，直徑在0.1mm～5.0mm之間，孔隙內部未被充填；⑤以地質礦物為主，占比60%以上，大部分土顆粒粒徑在0.1mm～0.25mm。

上述特征與國內地質結構發展有所不同：顏色偏褐色；粒徑稍大，粒度范圍窄，級配較差；礦物含量普遍較高，碳酸鹽類含量不穩定。

2 試驗測試

2.1 巖礦鑒定

巖礦鑒定結果見表1及圖1。從結果看，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；土粒多呈粒團狀集中，顆粒分析的主要粒組為細砂粒組，含量占50%以上；難溶的鋁氧化物在結晶過程中層層包覆于黏粒外，并形成一個個粒團；樣品內部孔隙發育，孔隙呈不規則狀，平均孔徑自0.1mm至5mm不等，孔隙內部未被充填。

圖1 電子顯微鏡10倍原始圖像

表1 巖礦鑒定結果

2.2 常規力學試驗

從室內壓縮試驗結果見表2，所研究地質結構的濕陷系數δs多在0.20～0.70之間，自重濕陷系數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，實際濕陷量不大，通常小于300mm。

表2 室內壓縮試驗數據

比較快剪和固結快剪兩種試驗結果，試樣完成固結后黏聚力顯著增大，內摩擦角增大相對較少。從地質礦體微觀結構分析，固結過程中礦體被壓密，可同時提高黏聚力和內摩擦角；骨架團粒表面氧化膜破壞，團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 室內剪切試驗數據

2.3 現場平板載荷試驗

地質結構礦層典型平板載荷試驗結果見圖2。從p-s曲線上看，在荷載240kPa之前，每一級壓力下，承壓板的下沉量呈增大趨勢，但總量較小；維持荷載過程中下沉量增長緩慢，且p-s曲線平滑，無明顯拐點；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，達到穩定標準所需時間較長，且p-s曲線出現明顯拐點。試驗結果表明在較低壓力水平下，所研究濕陷性土具有穩定的承載能力，當某一級壓力土體結構性承載能力之后，變形迅速增加，礦體出現局部剪切破壞。

圖2 平板載荷試驗成果圖（無浸水）

圖3是同一場地、同一礦層臨近點的單線法靜載荷試驗，在天然濕度下分級加壓至200kPa（對應壓力為50kN），下沉穩定后向試坑內浸水至飽和狀態，承壓板下沉量迅速增大，礦體發生濕陷變形，穩定后繼續加壓至240kPa。上述對比試驗表明，慢速維持荷載試驗中相同荷載下浸水土體的沉降量比天然濕度狀態下的沉降量明顯增大，相同變形下土體強度顯著降低。

圖3 浸水平板載荷試驗成果圖

3 濕陷性地質結構成機理分析

3.1 地質結構形成原因分析

從調查結果來看，剛果（金）南部發育的濕陷土來源主要為基巖風化后留在原地的殘積物，年代多為新近紀（N），其厚度一般較小，屬于殘積紅土；在一些溝谷中，原生地質結構經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淋濾之后留下，礦產結晶后形成薄膜覆蓋與礦物顆粒之外，發育成結構性團粒。旱季時，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；同時土體含水量降低，基質吸力增大。在旱、濕兩季的周期性變換過程中，最終形成礦體的發育結構[5]。這種團粒式的架空架構是礦體發生濕陷變形的先決條件。

3.2 濕陷機理分析

根據以上測試分析結果，研究區域礦體在天然狀態下的顆粒較粗，礦體穩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吸力等。

在自重應力下浸水時，團粒在外覆氧化膜的保護下保持原狀，基質吸力減小造成粒間聯結力削弱，團粒之間通過滑動實現再平衡，在骨架顆粒強度和粒間膠凝作用下，礦體僅出現一定程度的陷落；當受附加應力時，礦體在固結過程中團粒外覆氧化膜被逐步破壞，細顆粒增加，顆粒級配逐步變化。浸水后，粒間膠凝作用減弱，基質吸力減弱，土顆粒之間發生滑動實現再平衡，同時一部分細顆粒將從骨架顆粒中逃逸，在此條件下，礦體將產生較大程度的陷落。

3.3 工程地質分析與評價

研究區域內地質結構的厚度較小，一般在2m～4m，濕陷性輕微～中等，評價濕陷等級一般為Ⅰ級非自重濕陷，對于深埋的地質結構施工及淺埋的低等級地質結構基礎影響較小，對于淺埋的高等級地質施工工程、動力設備、浸水條件地質結構等基礎影響較大，在附加應力下浸水時，將產生不可忽視的濕陷變形。

對于尾礦壩等柔性基礎的雍水構筑物，在壩體堆積過程中，地基土逐步發生濕陷變形，但柔性基礎對變形敏感程度較低，且濕陷程度在壩體內側較高，外側較低，造成壩體向庫內傾斜，一定程度上提高了壩體的穩定性，濕陷變形對壩體影響較小。

同時，在尾礦壩運行初期，濕陷性壩基土體級配較差，有發生低強度管涌破壞的可能。

在個別溝谷中，濕陷性土深度較大，評價濕陷等級可達Ⅱ級（中等）非自重濕陷，對地質結構發展影響較大，應采取地基處理措施以消除其影響。

4 結論

（1）剛果（金）南部地質結構發展為新近紀（N）形成的殘積類土，屬于非黃土類的濕陷性土，多為殘積土經反復淋濾形成，礦產顆粒以砂粒組為主，孔隙大，含水量低，具有鋁氧化物薄膜包裹形成的團粒，和以此為骨架形成的團粒結構。

（2）剛果（金）南部濕陷性土的發生濕陷的機理主要為固結過程中團粒外覆氧化膜破壞，團粒間膠凝作用減弱，礦體顆粒之間發生滑動實現再平衡。

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

（4）剛果（金）南部地質結構一般分布厚度2m～4m，多為非自重濕陷，濕陷性輕微-中等，對于深埋的地質結構發展基礎影響較小；對淺埋的動力設備、浸水條件建構筑物等基礎影響較大，在附加應力下浸水時，將產生不可忽視的濕陷變形；對于尾礦壩穩定性影響較小，但在尾礦壩運行初期，濕陷性壩基土體級配較差，有發生低強度管涌破壞的可能。