高战锁
(大同市勘察测绘院，山西大同 037006)
0 引言
大同地处山西省北部，属中温带半干旱气候区，当地从宏观地质地貌确定为盆地，地质成因主要为冲湖积形成。在城市建设工程实践中，我们往往接触到很多第四纪的松散堆积物，如砂类土、粉土、黏性土等。局部地区如大同县周士庄、杜庄，浑源县、广灵县存在原生湿陷性黄土等，市区大部分地区应为次生黄土，或称为湿陷性粉土。实际工作中，我们常常会见到有关孔隙的描述，如虫孔、植物根孔、孔隙直径2 mm～5 mm等。这都是我们眼睛能直接看到的，事实上土中还有很多看不到的孔隙，通过对所取得的原状土样进行化验分析得到验证。在这里，我对近年来所看到和领悟到的湿陷性黄土与黏性土孔洞的形成做一个探究。
1 湿陷性黄土孔洞的形成
在大同县杜庄，有一个小有名气的旅游景点，称为“土林”，与“石林”可以相媲美。它也是大自然的神功杰作。其实这就是黄土内在的性质造就的外在表象。在浑源县、广灵县也并不鲜见，只是还没有形成体量而已。
湿陷性黄土的形成现在大部分人认可风积形成。想想这些年的沙尘暴，大家也就不难理解。沙尘暴应该是一种气溶胶，在春天干燥的季节里，它把空气中的粉尘、微小砂粒、粘粒、烟尘、花粉、枝叶和其他有机物等等混杂在一起，在春风的搬运下，自西北向东南漂移，遇到雨水或低压区，逐渐消散沉积下来。
由于地质的形成年代漫长，在第四纪上更新世(Q3)及全新世(Q4)的沉积年代2百万年～3百万年以来，在这些不断堆积的粉尘(黄土)上，有着植物与动物的生存与繁衍，新陈代谢，就形成了植物根孔，含有炭化植物残根，走向大致向下，也有斜向延伸的。当然，这样的根孔有大有小，小的有0.5 mm，大的偶见50 mm～100 mm。有的成为小虫子的安家立命的生活场所，有的成为小动物的遮风避雨的理想空间。有些虫子自身有掘洞的生存本能，而有一些虫子依靠原始的孔洞(根孔)经过深加工，形成自己的安乐窝。还有些孔洞也较大，这些孔洞没有发现虫子爬行过的痕迹，也没有发现植物的残根，但能看到水流流过的痕迹，说明这些孔洞经受过雨水的潜蚀，兼之黄土本身结构及组成成分的特性，这些孔洞倾向于垂直贯穿，或在溶蚀中携带较多的粉粒、砂粒，而水量较少，流经到一定距离后，沉积下来把孔洞阻塞，形成一个封闭的洞，侧壁有流水痕迹。这样的内部细微构造，导致了湿陷性黄土的垂直节理发育。
经过观察发现还有很多小孔分布、排列都没有规律可循，孔径基本较小，土孔颜色与周边土质颜色一致。这些应该是土质形成过程中的自然孔隙。这些孔隙的形成决定于其特殊的内部微观结构，其中最重要的是粒间排列及连接形式。土粒连接方式包括点点连接(粒状架空结构)，并且接触点的连接形式主要为可溶的粒状盐晶胶结;点面连接，连接形式为可溶的粒状盐晶胶结与非可溶的凝块状黏土片胶结。面面连接，连接形式主要为非可溶的凝块状黏土片胶结。这样小孔的分布及形成就比较杂乱，而且很多并不贯通。
在工程实践中，湿陷性黄土的土样孔隙比往往较大，数值介于0.85 ～1.20 之间，天然湿容重介于 1.45 g/cm3～1.67 g/cm3之间。
2 黏性土孔洞的形成
大同地质成因主要为冲湖积形成，有“大同湖”之称。大同地区第四纪以来地下除分布着很好的冲积形成的砂层外，还分布着厚度不等的湖积形成的黏性土，在工地基槽开挖过程中，我们常常会看到土中含有很多孔隙，那么这些湖相沉积的黏性土孔隙又是如何形成的。
土是由固态相的土粒、液态相的水、气态相的空气三部分组成。土粒起着骨架作用居于主导地位，也是相对最稳定、变化最小的成分。土粒之间为孔隙部分，孔隙被水和气体所充填。在大同盆地所沉积的黏性土中先期都处于饱和状态，黏性土在湖底不单纯只是机械的沉积，而是发生着肉眼难以觉察的物理化学变化:粗颗粒的分化溶解、细小颗粒形成的原生矿物及次生矿物，部分有机质的腐化分解，这些既改变了原有土质结构，又产生了新的物质(如高岭石组黏土矿物、蒙脱石组黏土矿物、水云母组黏土矿物)和气体(如二氧化碳、沼气及硫化氢气体)。
随着水分的蒸发、渗透、流失，水位逐渐下降，沧海变成了桑田。变成了我们现在赖以生存的，可以安身立命的生活区、休闲地、劳作场。人类有记载的文明也就5 000年，但对于沧海变桑田的200万年～300万年历史，也只占2‰。况且工程地质的研究也只是近300年来随着科学技术的发展才有了较快的发展，所以研究的程度还是相当粗浅的。这也是为什么很多工程的勘察结论要结合当地的建筑经验而制定。因此，我对黏性土的孔洞形成原因也只是一家之言。
黏性土的颜色大部分为褐黄色，土质也较均匀，但是在孔洞位置颜色发青。尤其在大的孔洞周边，不仅颜色发青，而且浓度较深，细小的孔隙也很少。用眼直观孔洞侧壁，光滑，用手捻摸，细腻光滑。这是由于土中固体颗粒的沉积形成了骨架结构，孔隙中既有液体，又有气体。由于气体会不断地产生，不断地向压力小的大孔汇集或向地表上涌，同时在上升的过程中会不断地汇集小气泡变成大气泡，顺着骨架间较大的孔隙通向大气中。由于在小气泡不断地挤出汇集变成大气泡的过程中，土体结构发生了微量的震荡重组，粗颗粒(粉粒、砂粒)受重力的影响继续下沉，土体变得密实，细颗粒(粘粒)受气泡的运动或破裂产生的动力发生转移，转移时由于其自身比重比粗颗粒的小，比气体的大，只能附着在气孔的通道周围沉积。另外，由于经年累月的不断堆积、固结，其强度基本与粗颗粒(粉粒、砂粒)形成的土体结构强度大小一样，气泡的运动或破裂产生的动力不足以再让其结构发生破坏，这样一个大孔就产生了。导致了我们现在看到的气孔周边的土体细腻光滑，孔隙较少。
那么为何在大的孔洞周边，不仅颜色发青，而且浓度较深，这是由于土中的气体主要为空气和水气(汽)，有时含有较多的二氧化碳、沼气及硫化氢气体，这些孔隙中富集在一起的气体相对来说某种气体物质的含量较大，在与孔壁周围的粘粒缓慢的发生着物理化学变化，以至于粘粒变成了凝胶状，自孔隙内向孔隙外渗透，导致了大的孔洞周边颜色发青，不同于周边土体颜色。如果大家见过焖大米饭的过程，这些就很好理解了。
3 探究孔洞形成的意义
1)起到知微见著的效果，能更好的理解一些宏观的地质成因及现象。比如大同县杜庄乡的“土林地貌”的形成，浑源山上的沟壑纵横，都与土中孔洞的多少、分布有着直接的关系。
2)起到指导实际工程的效果，能有效地减少一些不必要的工作量。在大同地区，由于目前地下水位较低，大部分地区地下水位埋深大于40 m。很多工程需要开挖探井，一些技术人员包括图审人员不考虑地基土的成因，要求是土就要挖探井，但化验结果是没有湿陷性，他们不相信，认为土样不是从探井中人工采取，而是用取土器取的样，挤密了，但没有想到土样在湖里已经浸泡了几万年～几十万年，早就湿陷完成了，而且水位已下降，土质已固结。前段时间工地验槽，一位从事结构设计多年的工程师看到基底土有孔隙，看勘察报告没有湿陷性，总是耿耿于怀，感觉有湿陷性，要求再补挖2个探井做试验，经现场监理鉴证，取回土样化验，还是没有湿陷，才释怀踏实。我把这组数据列于表1中，以增强说服力。
表1 岩土参数表
同时也说明，如果对于有当地建筑经验地区，一些基础设计等级为乙级或丙级的建筑，可以不挖或少挖探井，以减少不必要的工作量。
3)起到处理问题的有效合理性，能很好的避免一些无用的施工措施。
我们知道，土体在天然含水量大于土的塑限时，并不表现为塑性状态，仍呈半固态;当天然含水量大于土的液限时，也不表现为液流状态。只有天然结构被破坏后才表现为塑态或流态。自然界中黏性土的这种现象称为潜塑状态或潜流状态。当没有外力破坏土质结构时，较多的水分可以通过蒸发、渗透、孔隙的贯通而流走，使土仍旧保持原有的结构不变，甚至于土的原有高度都不会降低分毫。
2011年夏天，大同一工地当基槽开挖后遇大雨，基坑被淹，基坑占地面积(65×11)m2，水位有15 cm。基底土为粉质黏土层，厚度约5 m，当时设计单位要求挖集水坑尽快排水，但施工人员一下去就陷进去10多厘米，挖坑中和成了泥，好不容易才挖成一个1 m见方的积水坑，采用一台流量13 m3/h清水泵抽水，由于使用不当，水泵抽了三个多小时就坏了，由于已经到了晚上11点多，不便于工作，准备第二天再抽。但第二天发现水已渗完了，只有集水坑中有水。晾晒两天后，基槽标高、土质基本与刚开挖时无异，只是钎探时击数略有降低，土体含水量增加，而集水坑中依然还是软泥。说明当没有外力破坏土质结构时，较多的水分可以通过蒸发、渗透、孔隙的贯通而流走，使土仍旧保持原有的结构不变。当受到外力破坏土质结构时，土的颗粒结构发生了重新的组合排列，孔隙破坏，水分难以排干，再次固结需要一个相当长的过程。最后把集水坑中软泥挖除进行了换填2∶8灰土的处理。
这就提醒我们当基槽遭遇雨水浸泡时，不要着急想着排水而扰动了基槽底部土质，应当先阻止外来水的流入，再想办法把水抽干，尽量不要人为或机械扰动基底土。在基底排尽水后(很大一部分依靠其自身的孔洞排尽)，基底土的工程力学性质可按先前勘察报告提供的成果使用。
