岩石和土壤的类型和性质
在地壳运动的控制下，“兰郑长”工程区内存在不同时代、不同成因、不同物质成分、不同结构的岩土体，类型复杂，工程地质性质各异，对地质灾害的形成、分布和活动起着主导作用。岩体分布和出露特征为:山区和丘陵以岩体为主，高原、盆地和平原以土体为主；管道经过的大部分路段都是土。下面讨论岩体和土壤地质灾害的分布、类型、性质和形成的制约因素。
(1)岩体
岩体主要分布在甘肃、陕西的关山-龙山，山西的中条山、霍山、太原东山，河南的大交口镇-观音寺、义马-新安、大别山，湖北、湖南的大别山、江南丘陵地区，全长约300km，约占管道全长的10%。
参照国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)，根据岩体的硬度，再根据其成因类型、岩性和工程性质，将岩体分为四类七种(表4-1)。现在做一个简短的讨论。
1.坚硬的岩石
按成因类型可分为岩浆岩、变质岩和沉积岩。
岩浆管道分布在祁连山褶皱带、秦岭-大别山褶皱带和扬子地台。它们分别侵位于加里东期、华力西期和燕山期，其中祁连山褶皱带三期均有，岩性为花岗岩和石英闪长岩。秦岭-大别山褶皱带为燕山期花岗岩；扬子地台由加里东期和燕山期花岗岩和花岗闪长岩组成。一般以基岩和岩株形式存在，整体块状结构，致密坚硬，物理力学性质均一，各向同性。应该说它的工程性质是优良的，但在亚热带环境下化学风化强烈。地质灾害一般不发育，以小型崩塌为主。
变质岩分布在祁连山褶皱带、华北地台和秦岭-大别山褶皱带。祁连山褶皱带主要出露在关山-龙山剖面，属中元古界龙山群和前震旦系，主要岩性为大理岩、黑云母片麻岩、混合岩和结晶片岩。华北地台出露于山西支线的中条山、霍山、太原东山一带，属太古宙徐水群和太岳山群，岩性为混合岩化黑云母角闪岩、斜长角闪岩、大理岩、磁铁矿石英岩、黑云母麻粒岩、角闪石麻粒岩等，岩性复杂，风化强烈。秦岭-大别山褶皱带出露于大悟地区，由中上元古界红安群含磷麻粒岩、大理岩、石英片岩夹片麻岩组成，抗风化能力弱。由于片麻岩、片理和节理的影响，岩体的工程地质性质具有明显的各向异性和非均质性。地质灾害不发育，一般以小型滑坡为主。
表4-1岩体类型汇总
沉积岩广泛分布在丘陵和山区，在所有主要的构造单元中都有发现。它们的地质时代几乎都在中元古代至中生代早期，岩性复杂多样，主要有:中元古代熊耳群、汝阳群的安山岩玢岩、玄武岩、应时砂岩，新元古代罗瑜群唐三群的应时砂岩(均在河南境内)；应时砂岩、白云岩、硅质岩、冰碛砾岩等。上元古界和震旦系长城系；下古生界寒武系和奥陶系中厚层碳酸盐岩；上古生界泥盆系砂岩和碳酸盐岩，石炭系和二叠系中厚层和厚层灰岩，中生代三叠系碳酸盐岩(上古生界和中生代均为扬子地台)。按岩性可分为火山沉积岩、碎屑岩、碳酸盐岩三大类。它们的共同特点是层理结构发育、厚度大，抗风化能力强，但碳酸盐岩溶解，岩溶发育，工程地质性质各向异性。上述岩性分布区地质灾害普遍不发育，有小型滑坡和岩溶塌陷(覆盖型岩溶区)。
2.硬摇滚；硬质岩石
按成因类型可分为变质岩和沉积岩。
变质岩分布在祁连山褶皱带、秦岭-大别山褶皱带和扬子地台，岩性以弱片岩、千枚岩、板岩为主。祁连山褶皱带管段，新元古代长城变质细砂岩和千枚岩；秦岭-大别山褶皱带信阳群、商城群云母石英片岩、绿片岩、绢云母石英片岩、浅变质凝灰质砂岩:扬子地台元古界冷家溪群、新元古界板溪群板岩、千枚岩、变质凝灰岩、变质砂岩。上述岩体的共同特征是:片理、叶理、叶理等结构面发育，地面风化强烈，残积层厚。岩体具有明显的各向异性，力学强度相对较弱。崩塌、滑坡、泥石流等山地地质灾害较为发育。
沉积岩分布在华北地台和扬子地台。华北地台岩性主要为上古生界和中生界粘土岩、铝矾土页岩、泥质粉砂岩和煤层。扬子地台主要是泥盆系粉砂质砂岩、粘土岩、页岩和泥灰岩。以层状、薄层状为主，遇水易软化、崩解，风化作用强。在上述岩体构成的丘陵山区，地质灾害较为发育，主要有崩塌、滑坡、泥石流、采煤等引起的地面塌陷和地裂缝灾害(尤其是山西、河南)。
3.软弱岩石
这些岩体以沉积岩为主，广泛分布于各构造单元的晚中生代和新生代陆相盆地中，地质时代为白垩纪、古近纪和新近纪。由于固结压实程度低，岩体孔隙度高，强度低，变形大。岩性主要为河、湖相砾石、砂岩、泥岩，夹淡水泥灰岩，含石膏、芒硝。一般岩石的干单轴抗压强度小于30MPa，而新近系岩石成岩作用较差，接近土壤，干单轴抗压强度小于5MPa，属于极软岩。这种岩石遇水易软化崩解，抗风化能力也较低。但该类岩体出露区地形起伏小，地质灾害不发育，主要有膨胀岩体的轻微胀缩变形灾害和采空塌陷灾害。
4.软硬岩石
这类岩体以沉积岩为主，广泛分布于华北地台和扬子地台的古生代和中生代地层中。一般是强度和刚度差异较大的两种岩性互为层状或夹层。在古生代，石灰岩与页岩互层，砂岩与页岩互层，在中生代，砂岩与页岩互层。在外力作用下，会发生层间错动、滑脱，在地下水作用下，会变成泥质夹层，层间强度降低，成为典型的软弱结构面。因此，这种地层组合可称为“易滑地层组合”，易产生滑坡。此外，软岩石和硬岩石之间的风化作用有显著差异。在“上硬下软”的组合条件下，软岩容易形成小生境，坍塌也很常见。
(2)土体
土壤广泛分布于管道段，约占总长度的90%。按地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤泥土、风积土。根据颗粒大小组成，可分为砾石土、砂土、淤泥土和粘性土。某些具有特殊成分、结构和工程性质的土可以单独划分为特殊土。本管道工程的特殊土包括黄土、膨胀土、盐渍土和淤泥质土。这里我们还参考了国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)，将土分为五类(表4-2)。下面简单讨论一般土和特殊土。
1.一般土壤
一般土壤包括各种成因类型的砾石土、砂土、淤泥土和粘性土。
(1)砾石土:
砾石土是指粒径d > 2mm的土，其颗粒质量超过总质量的50%。根据规定，砾石土可进一步分为砾石土、卵(碎)石土和漂(块)石土，其粒径分别大于> 2mm、20mm或200mm，超过总质量的50%。一般冲积成因的砾石土分选性和球度较好，位于河床和河流阶地双重结构的下部，其他成因的砾石土较差。本工程各段情况为甘肃段砾石、卵石占45% ~ 70%，粒径一般为20 ~ 80 mm，呈亚圆形-亚棱角状，一般分布在河漫滩、平原地表下。陕西段分布于渭河及其支流和山前冲积扇。河流冲积的成因在河漫滩和河床内，渭河干流内厚度可达20 ~ 40 m，结构较为均匀。冲积扇区域主要是混合大小的砂卵石。山西段主要分布在汾河、龙凤河、小河等山间谷地，以砂、砾、砾石为主，磨圆、级配良好。河南段主要分布在罗易、沙英等河流的河谷中，主要由砾石和卵石组成。鄂湘段砾石土多分布在低山丘陵坡地，多为残坡积物，砾石成分随母岩而异。一般砾石土松散，孔隙比大，渗透性强，地基承载力高。
表4-2土壤类型汇总
(2)砂土:
砂土是指粒径D > 2mm不超过总质量50%，粒径D > 0.075mm超过总质量50%的土壤。按颗粒级配又可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂，一般由冲积、洪积成因。该类土在本工程中的情况为:甘肃段分布在冲积平原表层土下，主要由粉细砂和中细砂组成，松散-中密。陕西段分布于渭河及其支流的河漫滩、一级阶地和古河道。主要由中细砂和粉砂组成，常含少量砾石。除河漫滩段外，砂层埋藏在细粒土下，厚度不均，孔隙度大，渗透性强。中粗砂是良好的地基持力层，而饱和粉砂易振动液化。山西段分布于黄河、汾河及其较大支流的河床、河漫滩和阶地，一般混砾石，厚度较大。山前坡积平原前部还有冲积砾石，与细粒土形成多层结构。河南段的分布与砾石土相同，位于淮河平原的河漫滩和沙英以南的一级阶地前部。表层为中细砂，稍密-中密，厚度不稳定。砂土一般是良好的地基持力层，级配良好，渗透性强，但在地震烈度≥ⅶ度地区应注意饱和细砂的振动液化。
(3)淤泥和粘性土:
粉土、粘性土也可称为“细粒土”。前者是粒径D > 0.075 mm不超过总质量50%的土，其塑性指数ⅰP≤10。后者为ⅰP > 10的土壤。这两类土壤广泛分布于郑州至长沙段的洪积平原和丘陵地区。有各种各样的基因类型。一般洪水冲积形成的土密实，孔隙比小，含水量相对较少，透水性弱，强度高，地基承载力高。而丘陵地区残坡积物的成因往往混有砾石土，砾石土孔隙度大，透水性相对较强，在长时间或大雨时容易造成坡积物崩塌滑坡。
2.特殊土壤
(1)黄土:
黄土是第四纪特殊的陆相松散沉积物，在世界各地广泛分布，具有特殊的性质。这类土壤主要分布在西北、华北和东北地区，面积超过60万km2，在北纬34° ~ 45°之间最为发育。这些地区位于中国西北沙漠地区的外围东部，具有大陆性干燥少雨气候的特点。黄土状土从早更新世(Q1)开始堆积，至今已经历了整个第四纪，至今仍未结束。根据地层时代及其基本特征，黄土状土可分为三类:老黄土、新黄土和新近堆积黄土(表4-3)。老黄土堆积于Q1期和Q2期，分别称为“武城黄土”和“离石黄土”，一般无湿陷性。新黄土一般在Q3期堆积，称为“马兰黄土”，Q4期也有早期的，具有湿陷性，分布面积最广(约60%)。新堆积的黄土一般在Q4后期堆积，具有不同的湿陷性。黄土状土总厚度因地而异，陕甘黄土高原最厚，可达100 ~ 200m，而河谷地区一般只有几米到30m，且以新黄土为主。黄土状土的成因一直是争论的热点，但普遍的观点是以风成成因为主，还有冲积、大洪积、坡积、冰水堆积等成因类型。颗粒成分以粉末为主，富含碳酸钙，具有大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特征，称为“典型黄土”，有些特征不明显的称为“黄土状土”。我们来讨论一下这个管道工程中黄土的特性。
本管道工程黄土分布在兰州至郑州段(含山西西支线)。不同地段黄土状土的粒度组成和结构不同，其物理力学指标和工程地质性质也有明显差异。我们以Q3的典型湿陷性黄土为代表分析一下。
首先，将黄土的颗粒组成与兰州、Xi、太原和洛阳进行比较(表4-4)。可以看出它们的区别，总的趋势是:从西北向东南，砂和粉砂的含量越来越小，而粘粒的含量越来越大，粉砂的最大比例相同。因此，有人把西部的黄土称为“砂质黄土”，把东部的黄土称为“粘性黄土”。黄土的颗粒组成对其湿陷性有一定的影响，即含砂量越多，湿陷性越强，而粘性越大，湿陷性越弱。
表4-3不同年代黄土的特征
表4-4湿陷性黄土的颗粒组成单位:%
表4-5列出了湿陷性黄土的基本物理力学性质。
总的趋势是:土的密度和天然含水量越来越大，液限和塑性指数越来越大，孔隙比越来越小；但三项力学性能指标的变化规律不明显。而且可以看出陇西和陇东地区的指数差不多，关中地区也接近汾河流域，豫西地区与前四个地区明显不同。上述规律非常重要，因为它与黄土的湿陷性有关，即湿陷性由西向东变弱。
经过大量统计，管段湿陷性黄土的湿陷系数(δs)总结在表4-6中。从表中可以看出，湿陷系数陇西最大，陇东次之，关中汾河流域次之，豫西最小。此外，高阶地的湿陷系数大于低阶地。根据相关规定，当δ S > 0.015时，黄土为湿陷性土；当δs为0.015 ~ 0.03时，湿陷性轻微；当δs为0.03 ~ 0.07时，湿陷性中等。当δ s > 0.07时，湿陷性强。因此，陇西和陇东地区的黄土具有中-强湿陷性，关中和汾河流域的黄土具有中湿陷性，豫西地区的黄土具有轻-中湿陷性。
表4-5不同地区湿陷性黄土的基本物理力学性质
表4-6不同地区黄土湿陷系数(δs)统计表
湿陷性与黄土地区地质灾害的形成和活动密切相关，地基本身的湿陷变形和破坏是黄土地区特有的地质灾害。此外，由于黄土结构松散，大孔隙和垂直节理发育，地下侵蚀的地质灾害也十分普遍。由于黄土的湿陷性和潜流性，还可诱发崩塌、滑坡和泥石流灾害。
(2)膨胀土:
遇水膨胀收缩明显的土称为膨胀土。这类土壤主要分布在我国南方的山麓、山脊和二、三级阶地，多为晚更新世以前的残坡积、冲积积和湖积。从外观上看，膨胀土一般呈红色、黄色、棕色、灰色等不同颜色，呈斑块状结构，常含有铁锰质或钙质结核。土壤往往有网状裂缝和一个蜡状挤压面，类似于解理。土层表面常出现各种纵横交错的裂缝或裂隙，这与水土的强烈收缩有关。膨胀土的胀缩特性主要是土中含有较多的粘粒，一般粘粒含量高达35%以上，这些粘粒多为亲水性较强的蒙脱石、伊利石等粘土矿物，具有较强的胀缩能力。在自然状态下，膨胀土一般致密坚硬，天然含水量小，所以土往往处于硬塑或坚硬状态，压缩性低，强度高；但遇水膨胀后，强度明显降低，压缩性增加。膨胀土的这种胀缩特性会给工程建设带来危害。根据我国相关规定，凡是自由膨胀率δef大于40%的，都可以命名为膨胀土，40%≤δef < 65%为弱膨胀土，65% ≤f < 90%为中膨胀土，δef≥90%为强膨胀土。
本管道工程膨胀土主要分布在湖北黄陂县周刚、应城支线和五里桥-和盛桥-横沟桥；也散见于河南省平顶山、周口西部、盐城-驻马店沙茹河平原、确山-信阳北部低山丘陵。
湖北膨胀土主要分布在海拔30 ~ 45 m的丘陵间的山脊和山谷中，自然地形坡度平缓。土壤年龄为更新世，颜色为棕黄色、棕黄色和棕红色。周刚地区下更新统土的平均自由膨胀率为82%(最大值为99%)，应城支线中更新统为62% (109%)，五里桥-贺胜桥地区上更新统为44% (72%)。土体胀缩的危害主要是导致当地居民低层建筑墙体开裂破坏，边坡和渠坡坍塌。
河南省的膨胀土主要分布在淮河平原边缘的平顶山东部和确山-信阳北部的低山丘陵，以及沙汝河平原之间的周口和盐城-驻马店地区。土壤年龄在中更新世和晚更新世，颜色为棕黄色、灰绿色和棕红色。干燥时呈硬塑状态，裂隙发育，有铁、锰、钙结核，平均自由膨胀率为43.5%。平顶山以膨胀破坏为主，信阳以收缩破坏为主，多发生在旱季。
(3)盐渍土:
可溶性盐含量大于0.5%的土壤称为盐渍土。由于它发育在表层土层中，与道路、低层建筑有关，主要是由于土壤的腐蚀和盐胀沉降对工程建设的危害。盐渍土按地理分布可分为滨海盐渍土、冲积平原盐渍土和内陆盐渍土。我国盐渍土主要分布在北方省份。盐渍土的形成及其盐分的组成和数量与当地的地形、气候条件、地下水埋深和含盐量、土壤性质和人类活动有关。其厚度不大，一般分布在地表以下1.5 ~ 4m范围内，含盐量由地表向深部逐渐降低。盐渍土的形成一般是由浅层地下水(甚至裸露在地面)、强烈蒸发和地表积盐造成的。
盐渍土的性质与含盐量和含盐量有关。土壤中的盐类主要是氯化物、硫酸盐和碳酸盐，因此盐渍土也相应地分为氯化物盐渍土、硫酸盐盐渍土和碳酸盐盐渍土(表4-7)。盐渍土中的含盐量及其数量对土的工程地质性质有很大影响。由于土壤成分的变化，土壤的结构受到影响，从而影响塑性、渗透性、膨胀性、压缩性和压实性等性质。
表4-7盐渍土分类
本管道工程盐渍土主要分布在甘肃通渭西部、陕西滑县至华阴段、永济市东北部五星湖区(K48~K54)和山西清徐至榆次西荣(K451 ~ K464)的张华营村。
甘肃省通渭西部河谷平原第一级阶地地下水位很浅。土壤含盐量平均为3.4%，最高可达8% ~ 15%，属于硫酸-氯中-超盐渍土。
陕西华县-华阴段盐渍土是由于黄河三门峡水库淤积回水，导致地下水位高，使渭河南岸赤水河至方山河一级阶地中部成为浸没区，造成土壤盐渍化。但近年来，当地大量开采地下水，地下水位埋深加大，盐碱化几乎消失。
山西永济五星湖地区地势较低(比周边低5 ~ 8m)。表土由粉质粘土和粉土组成，地下水位0 ~ 3m，土壤含盐量为1.06% ~ 1.65，438+08%。类型为硫酸-氯型，属于中度盐渍土。张华营村至榆次西一带地势略低于周边，表土为粉质土，地下水位埋深0.2 ~ 3m，土壤含盐量0.44% ~ 1.12%，为氯硫酸盐型，属弱-中盐渍土。硫酸盐结晶膨胀和腐蚀会对管道造成一定的危害。
(4)粉土:
粉土是近代沉积在沿海、湖泊、沼泽、河湾、废弃河流等地区的一种不固结的特殊土，含有较多的有机质，在水流缓慢甚至静止不动的情况下松散而软弱。从外面看，这种土往往是灰色、灰蓝色、灰绿色、灰黑色，污染手指，气味难闻。土壤中含有大量亲水性强的粘土矿物(蒙脱石和伊利石居多)，有机质含量较高(一般5% ~ 15%)，天然孔隙比大于1，天然含水量大于液限。其结构形式常呈蜂窝状或棉絮状，松散多孔，压缩性强，地基承载力低。我国淤泥质土的地理分布基本上可以分为两类:一类是沿海沉积的，一类是内陆和山地湖盆沉积的。前者分布稳定，厚度大，后者往往零星分布，厚度小。
本管道工程淤泥质土主要分布在湖北-湖南段。管道穿越长江等大中型河流13所在的湖积平原低洼地区，存在大范围的淤泥质软土。有机质含量大于1.5%，岩性为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉土，软塑-流塑，天然含水量大于35%，高达133%，孔隙比1。压缩系数一般大于0.5MPa-1，最高可达3.68MPa-1，粘聚力一般为9.8~29.4k Pa，内摩擦角为6-15，自然状态下地基承载力一般为25-55 kPa，常导致建筑物的过度沉降和不均匀沉降。显然，这种土对沟槽开挖影响很大，往往导致沟槽边坡坍塌挤压，不易成型。此外，还影响站基的稳定性。