非洲科特迪瓦殘積土特征研究

張青宇，李忠爽，蘇 星，胡金山

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

科特迪瓦位于非洲大陸的西部，地理位置大致為北緯5°～10°，西經(jīng)3°～8°，該地區(qū)除西部有少量山地外，其余大部分地勢(shì)平坦。在大地構(gòu)造上位于西非早元古代克拉通的中部，幾內(nèi)亞太古代地核的東緣，前寒武系地層構(gòu)成了科特迪瓦的基底［1］，占該國(guó)國(guó)土面積的90%以上，巖性為花崗巖系。

科特迪瓦地處熱帶，大部分地區(qū)平均氣溫26～28℃，自北向南降雨量為1 000～2 400 mm。該地區(qū)分為四個(gè)季節(jié)：4月至7月中旬為大雨季，7月中旬至9月為大旱季，9月至11月為小雨季，12月至來(lái)年3月為小旱季。

受巖體本身特性和氣候的影響，表層巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈，形成厚度不均的紅色-灰白色風(fēng)化殼，風(fēng)化殼上部即為殘積土，下部為風(fēng)化程度不同的巖體。隨著“一帶一路”倡議的實(shí)施，中國(guó)參與的工程建設(shè)已擴(kuò)展至非洲的多國(guó)，科特迪瓦已建、在建或即將建成一大批水電項(xiàng)目，例如，科特迪瓦蘇布雷（Soubre）水電站的順利投產(chǎn)、波波里（Popoli）水電站的開工建設(shè)、布杜布雷（Boutoubre）水電站也正在進(jìn)行可研階段的工作等。因此，殘積土已經(jīng)成為科特迪瓦境內(nèi)工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的土體之一，不同的氣候條件、風(fēng)化環(huán)境、地形地貌均會(huì)造成殘積土在物質(zhì)組成及工程特性上的較大差異［2］，而特性上的差異往往決定著工程成本，所以其工程性質(zhì)越來(lái)越受到關(guān)注。綜上所述，研究殘積土的特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 殘積土的成因研究

由于科特迪瓦境內(nèi)地勢(shì)總體低平，巖體在高溫多雨、水循環(huán)通暢的環(huán)境下，遭受了長(zhǎng)期強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，從而形成紅褐色-灰白色風(fēng)化殼。風(fēng)化殼的厚度與氣候、地形、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及水文地質(zhì)條件息息相關(guān)，總體上風(fēng)化殼具有以下分類。

（1）殘積土帶。巖體已經(jīng)風(fēng)化成土，除少量原生礦物外，其他礦物已經(jīng)完全風(fēng)化成次生礦物。其中，黏土礦物較多，原巖已經(jīng)完全破壞，主要呈紅褐色，少量呈灰黃色，較密實(shí)，可塑-硬塑。隨著深度增加，殘積土顏色逐漸變淺，由紅褐色漸變?yōu)榛野咨?，黏土含量也呈降低趨?shì)，但粗砂、礫石含量增加，厚度約在1～15 m之間。

（2）全風(fēng)化帶。巖體已經(jīng)完全風(fēng)化，但保留了原巖結(jié)構(gòu)，其中以中粗砂為主要組成部分，有少量細(xì)顆粒物質(zhì)充填，結(jié)構(gòu)總體較密實(shí)，厚度約在1～14 m之間。

（3）強(qiáng)風(fēng)化帶。巖體風(fēng)化嚴(yán)重，部分原巖礦物已經(jīng)變質(zhì)，巖體呈散體-碎裂狀，厚度約在1～8 m之間。

（4）弱風(fēng)化帶。巖體較完整，裂隙較發(fā)育，裂面中-重度銹染，巖體以次塊狀為主，厚度約在2～7 m之間。

（5）微風(fēng)化帶。巖體裂隙發(fā)育較少，裂面較新鮮，為較完整巖體。

（6）新鮮巖體。巖體新鮮，偶見風(fēng)化痕跡，巖體完整。

上述風(fēng)化帶是相對(duì)的，有的厚度較薄，甚至缺失。從鉆孔巖芯上看，其中弱風(fēng)化、微風(fēng)化、新鮮巖體的差異不是十分明顯，尤其是微風(fēng)化與新鮮巖體差異更小。強(qiáng)弱風(fēng)化間巖體屬于碎屑風(fēng)化階段，強(qiáng)風(fēng)化以上的風(fēng)化屬于巖石碎屑化向土化轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

從全風(fēng)化層到殘積土，風(fēng)化程度更加徹底，石英含量明顯減少。從篩分統(tǒng)計(jì)成果上看（見表1、圖1），全風(fēng)化帶粗顆粒含量明顯比殘積土帶含量多，且細(xì)粒含量明顯比殘積土帶含量少。這是因?yàn)榭铺氐贤邭鉁馗摺⒂炅孔?、相?duì)濕度大、溫差大，花崗巖的化學(xué)風(fēng)化作用更加強(qiáng)烈?；瘜W(xué)風(fēng)化主要是長(zhǎng)石和石英在水、空氣等綜合作用下發(fā)生水解和碳酸化形成再生黏土礦物（如高嶺石），再由赤鐵礦鐵染而成紅色或紫紅色。因此殘積土以黏土礦物為主，且厚度通常較大。但殘積土中的石英等在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用下未被搬運(yùn)，仍原地殘留，因此與殘積土中其他風(fēng)化殘積物之間有較好的連接強(qiáng)度與整體性［3-4］，且其本身也具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具弱-微透水性。

表1 Boutoubre水電站殘積土與全風(fēng)化平均粒組分布

圖1 Boutoubre水電站殘積土與全風(fēng)化平均粒組分布

由于科特迪瓦相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，因此研究科特迪瓦殘積土?xí)r參考了與國(guó)內(nèi)殘積土形成條件、母巖類型、形成物質(zhì)相似的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)［4］（見表2和表3）。

由表2可知，殘積土主要礦物成份是石英和高嶺石，其次為長(zhǎng)石、針鐵礦、伊利石、綠泥石等。在小于2μm黏土礦物平均含量統(tǒng)計(jì)中，高嶺石含量最高，其次為伊利石，綠泥石、蒙脫石含量較低，均在10%以內(nèi)。

表2 殘積土礦物成份統(tǒng)計(jì)

由表3可知，殘積土化學(xué)成份全土部分和小于2μm部分都是以SiO2、Al2O3為主，F(xiàn)e2O3次之，F(xiàn)eO含量極少，硅鋁比較小，說(shuō)明花崗巖殘積土風(fēng)化作用強(qiáng)烈，殘積率較大，經(jīng)歷了明顯的紅土化作用，研究成果與科特迪瓦殘積土的性狀非常契合。

表3 殘積土化學(xué)成份統(tǒng)計(jì)

2 殘積土粒度組成特征研究

科特迪瓦殘積土是花崗巖系巖體經(jīng)物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化后殘留在原地的產(chǎn)物，母巖的礦物成分、晶體顆粒的大小對(duì)粒度組成有很大的影響。

表4、圖2～3為科特迪瓦Soubre水電站、Popoli水電站、Boutoubre水電站、LougaⅠ水電站、LougaⅡ水電站等5座水電站殘積土的粒度平均組成情況及各粒組平均組成情況。

表4 科特迪瓦5座水電站殘積土粒組分布

從圖2～3可知，科特迪瓦殘積土的粒徑細(xì)粒土占主要部分，約占59.3%，而粗粒土占次要部分，約占40.7%。同時(shí)，殘積土粒度組成呈“兩頭高、中間低”的分布特征。

圖2 科特迪瓦5座水電站殘積土粒組分布曲線

圖3 科特迪瓦5座水電站殘積土平均粒組分布曲線

粒度組成的分布特征決定了殘積土的物質(zhì)構(gòu)成：由粗粒構(gòu)成土骨架，細(xì)粒進(jìn)行填充，因此結(jié)構(gòu)較密實(shí)。經(jīng)分析，粗粒徑的礦物（主要指大于0.5 mm）主要成分為石英，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)行物理化學(xué)風(fēng)化的速度相對(duì)較慢。而粒徑小于0.5 mm的顆粒，主要是長(zhǎng)石風(fēng)化的產(chǎn)物，物理化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性差，粒度較小，比表面積較大，活性較高，進(jìn)行物理化學(xué)風(fēng)化的速度相對(duì)較快，容易進(jìn)一步風(fēng)化成粉粒和黏粒。

3 殘積土物理特征研究

筆者對(duì)科特迪瓦Soubre水電站、Popoli水電站、Boutoubre水電站、LougaⅠ水電站、LougaⅡ水電站的殘積土土體試驗(yàn)成果進(jìn)行了物理特性研究，分析土體物理指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而全面認(rèn)識(shí)殘積土的特性。其含水率與液限、含水率與塑限、含水率與塑性指數(shù)、液限與塑限之間的散點(diǎn)關(guān)系見圖4～7。

圖4 殘積土含水率與液限關(guān)系散點(diǎn)

圖5 殘積土含水率與塑限關(guān)系散點(diǎn)

圖6 殘積土含水率與塑性指數(shù)關(guān)系散點(diǎn)

圖7 殘積土液限與塑限關(guān)系散點(diǎn)

通過(guò)圖4～7可以看出，科特迪瓦殘積土的含水率、液限、塑限、塑性指數(shù)間存在一定的關(guān)系，即含水率與液限、塑限、塑性指數(shù)間具有正相關(guān)性，呈一定的線性關(guān)系，隨著含水率的增加，液限、塑限、塑性指數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；同時(shí)，液限與塑限也具有正相關(guān)性，呈一定的線性關(guān)系，隨著液限增加，塑限也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4 殘積土工程分類特征研究

目前，采用較多的殘積土分類方法是顆粒級(jí)配分類法，即土體烘干后，用篩分的方法測(cè)量土體的粒度級(jí)配，根據(jù)粒度級(jí)配對(duì)土體進(jìn)行分類的方法。通過(guò)查找相關(guān)資料得出，目前主要分類方法有四種，分別為深圳規(guī)范法［5］、福建規(guī)范法［6］、港口規(guī)范法［7］、文獻(xiàn)法［8］。這四種分類方法均把殘積土分為黏性土、砂質(zhì)黏性土、礫質(zhì)黏性土三類，其中深圳規(guī)范法與福建規(guī)范法以不小于2 mm的顆粒含量對(duì)殘積土進(jìn)行分類，而文獻(xiàn)法是以大于0.5 mm顆粒含量對(duì)殘積土進(jìn)行分類，具體內(nèi)容見表5。

表5 殘積土現(xiàn)有分類方法

據(jù)深圳規(guī)范法、福建規(guī)范法及港口規(guī)范法判斷，科特迪瓦殘積土為砂質(zhì)黏性土；據(jù)文獻(xiàn)法判斷，科特迪瓦殘積土為黏性土。由此可知，該四種分類方法對(duì)殘積土工程分類上存在矛盾。

根據(jù)《土體分類標(biāo)準(zhǔn)》、表1及表3可知，科特迪瓦殘積土屬于粒徑大于0.075 mm的顆粒占總數(shù)的34%，小于50%；塑性指數(shù)為18.86，大于17。由此可判斷科特迪瓦殘和土屬于黏性土。

因此，根據(jù)幾種方法的比較，綜合認(rèn)為科特迪瓦殘積土為黏性土比較合適，對(duì)于低壩基礎(chǔ)或低地應(yīng)力建筑物基礎(chǔ)可以利用。

5 殘積土工程應(yīng)用特征研究

科特迪瓦殘積土廣泛分布，其上部分布較薄的沖積砂層或直接裸露，如果滿足質(zhì)量要求，將是工程樞紐區(qū)附近較為理想的防滲土料源，有利于發(fā)揮土石壩就地取材和就近取材的優(yōu)勢(shì)。表6搜集了科特迪瓦三座水電站殘積土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了科特迪瓦殘積土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

表6 科特迪瓦殘積土物理力學(xué)參數(shù)

從表6可知，殘積土天然含水率分布范圍為19.70%～22.23%，平均值為21.38%，在最優(yōu)含水率（-2%～+3%）的范圍內(nèi)；黏粒含量分布范圍為16.20%～19.51%，平均含量18.37%；塑性指數(shù)分布范圍為18.13～20.00，平均值為18.86。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，科特迪瓦殘積土基本滿足土石壩防滲土料的質(zhì)量要求。

6 結(jié) 論

（1）科特迪瓦的花崗巖系巖體受氣候及巖體本身特性的影響，表層巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈，形成風(fēng)化殼，且呈帶狀分布，從上至下分別為殘積土帶、全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶及新鮮巖體。

（2）科特迪瓦殘積土全土及小于2μm黏土礦物成分主要以石英和高嶺石為主?；瘜W(xué)成份全土部分和小于2μm黏土部分都是以SiO2、Al2O3為主，硅鋁比較小，經(jīng)歷了明顯的紅土化作用。

（3）經(jīng)粒度組成統(tǒng)計(jì)與分析，科特迪瓦殘積土的粒徑細(xì)粒土占主要部分，粗粒土占次要部分；粗粒部分粒度呈“兩頭多，中間少”的分布特征。

（4）天然含水率與液限、塑限、塑性指數(shù)及液限與塑限間存在正相關(guān)性，呈一定的線性關(guān)系。

（5）本文對(duì)科特迪瓦殘積土進(jìn)行工程分類，綜合比較認(rèn)為：科特迪瓦殘積土為黏性土比較合適，適用于低壩基礎(chǔ)或低地應(yīng)力建筑物基礎(chǔ)。

（6）科特迪瓦殘積土廣泛分布，經(jīng)物理力學(xué)試驗(yàn)研究，基本滿足防滲土料的質(zhì)量要求，是土石壩防滲土料的理想料源。