滕杰 胡寧 吳彤

新疆某工程上第三系地層工程地質(zhì)性狀初探

滕杰 胡寧 吳彤

新疆部分地區(qū)分布有較多的上第三系地層，隨著涉及該地層的鐵路、水利樞紐、輸水隧洞、引水渠道等重大工程的日益增多，了解該地層的工程地質(zhì)性質(zhì)是非常必要的。通過對新疆某工程多年勘察實(shí)踐，研究了上第三系地層的主要工程地質(zhì)性質(zhì)，為有關(guān)上第三系地層的水利工程設(shè)計(jì)施工提供參考與依據(jù)。

上第三系 泥質(zhì)巖 工程地質(zhì)性狀

上第三系（N）地層年代距今170萬～2 000萬年之間，新疆某工程分布的上第三系地層主要分布于山間盆地及山前低洼臺地，為河湖相碎屑沉積。研究其主要工程地質(zhì)性質(zhì)，對評價工程中存在的主要工程地質(zhì)問題是非常重要。

1 概述

工程區(qū)上第三系地層主要分布于山間盆地及山前低洼臺地，地貌上主要為渾圓狀緩丘，部分地區(qū)坡面溝谷密集，切割深陡。

上第三系地層的沉積厚度最大約300 m，地層主要巖性為砂質(zhì)黏土巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖和砂礫巖等，多為紅色，泥質(zhì)、砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度中等。各種巖性多間隔分布。

受構(gòu)造運(yùn)動影響，上第三系地層多為巨厚層狀或塊狀構(gòu)造，主要表現(xiàn)為近水平的單斜構(gòu)造，局部地區(qū)上第三系地層也發(fā)育有曲度較小的膝狀構(gòu)造、寬緩的向斜構(gòu)造、軸面陡立的背斜并伴有小型斷層發(fā)育。上第三系地層與下伏地層呈角度不整合接觸。

上第三系地層中砂質(zhì)黏土巖和泥質(zhì)砂巖黏土礦物含量較高，多屬微透水—極微透水層，部分砂礫巖膠結(jié)較弱，透水性相對較強(qiáng)，分布在地下水位以下部分可能成為含水層或承壓含水層，在降雨量相對豐沛地區(qū)上第三系地層中也有泉水出露。

表1 上第三系泥質(zhì)巖物質(zhì)成分測試結(jié)果平均值

2 主要性狀

2.1 顆粒組成及礦物成分

上第三系地層巖石顆粒組成主要為黏粒、砂粒及礫石等，膠結(jié)物成分主要有泥質(zhì)、碳酸鈣（CaCO3）等。砂的主要成分為長石、石英及巖石碎屑；礫石母巖主要為凝灰質(zhì)砂巖、砂巖、灰?guī)r等；泥巖的黏粒含量一般在20%左右，主要礦物成分為CaCO3、蒙脫石等。因含有不等量的三氧化二鐵成分，因此顏色呈紅色色調(diào)。各類泥質(zhì)巖物質(zhì)成分含量及黏土礦物定量測試成果分別見表1和表2。

2.2 物理及水理性質(zhì)

上第三系地層不同分布位置含水率具有明顯變化，地下水位以上巖層含水率一般小于5%，地下水位以下的含水率為多在10%～15%，在構(gòu)造帶等部位泥巖的含水率會更高一些。巖石的干密度具有隨砂礫的含量增加而增長大的特點(diǎn)，干密度在1.93～2.20 g/cm3范圍內(nèi)。

巖塊干燥飽和吸水率較高，一般為22.47%～26.34%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性。含礫泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖膠結(jié)系數(shù)平均值分別為1.57、2.53、1.54，以弱膠結(jié)為主，部分屬中等膠結(jié)。泥質(zhì)巖物理水理性質(zhì)試驗(yàn)成果見表3。

2.3 力學(xué)性質(zhì)

由于上第三系地層在我國各地區(qū)的工程地質(zhì)性質(zhì)存在一定的差異性，因此，應(yīng)用于水利水電工程中的定名也是不同的，主要有巖石、硬土—軟巖、硬土3種觀點(diǎn)。工程區(qū)上第三系地層鈣質(zhì)膠結(jié)作用較好，具有一定的強(qiáng)度，見表4，因而屬于弱膠結(jié)的巖石。

表2 上第三系泥質(zhì)巖黏土礦物定量測試結(jié)果平均值%

表3 泥質(zhì)巖水理性質(zhì)測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)值

表4中泥巖、砂質(zhì)泥巖的天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值為4.19 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為0.89 MPa；砂巖天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值為5.86 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為1.93 MPa，據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》巖石堅(jiān)硬程度分類，多屬極軟巖。另一方面也反映出了上第三系巖石內(nèi)有水理性差、巖石強(qiáng)度指標(biāo)與含水率變化關(guān)系密切的特點(diǎn)。

表4 泥質(zhì)巖物理力學(xué)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表5巖石三軸試驗(yàn)成果可知，巖石的強(qiáng)度具有隨圍壓增大而增高的特點(diǎn)，巖石的內(nèi)聚力并沒有隨巖石的黏粒含量增高而增大，巖石內(nèi)聚力主要受巖石膠結(jié)程度影響；而巖石的內(nèi)摩擦角則具有明顯的隨巖石砂、礫含量增加而增高的特點(diǎn)。

2.4 巖土腐蝕性評價

工程區(qū)上第三系巖層表面風(fēng)化為土狀，厚度多為0.2～0.8 m。其下淺部（深度小于10 m）地層中多發(fā)育有風(fēng)化裂隙，裂隙寬度一般5～10 mm，最寬可達(dá)20 mm，部分裂隙充填有白色石膏晶體，而石膏的主要化學(xué)成分為CaSO4。石膏并不具有腐蝕性，但其屬于易溶鹽類，當(dāng)其溶于水后，常導(dǎo)致環(huán)境水中SO42-含量高，從而具有硫酸鹽型腐蝕性。

表5 泥質(zhì)巖三軸壓縮試驗(yàn)成果表

對上第三系深部巖體中鉆探取樣進(jìn)行強(qiáng)（易）溶解性鹽類化學(xué)分析及腐蝕性評價，試驗(yàn)成果見表6。

由表6可知，深部巖體中所含的主要陰離子為HCO3-及SO42-?？傮w而言，上第三系巖石對普通混凝土及鋼結(jié)構(gòu)均無腐蝕性。

2.5 透水性

在斷層、褶曲不發(fā)育的上第三系地層單層層厚多大于100 cm，巖體內(nèi)發(fā)育的結(jié)構(gòu)面較少，一般屬塊狀構(gòu)造或巨厚層狀構(gòu)造，透水性較弱。據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，在泥巖中進(jìn)行的31段（次）壓水試驗(yàn)中，其透水率值為0.10～0.52 Lu，平均為0.28 Lu；在砂礫巖中進(jìn)行，11段（次）壓水試驗(yàn)，其透水率值為0.14～1.56 Lu，平均為0.51 Lu。由此可見上第三系泥巖多呈微透水，砂礫巖多呈弱透水—微透水。局部巖體受構(gòu)造影響透水性較強(qiáng)，存在富水構(gòu)造和承壓含水層。

表6 強(qiáng)（易）溶解性鹽類化學(xué)分析及腐蝕性評價成果

2.6 崩解性

上第三系地層泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖等黏粒含量相對較高，具有遇水崩解的特性。耐崩解試驗(yàn)成果表明，泥巖的耐崩解性指數(shù)的差異性較大，大部分泥巖試件的耐崩解指數(shù)為62.93%～76.60%，屬中等的耐久性；極少部分試件耐崩解指數(shù)最低值為6.40%，屬極低的耐久性。

2.7 膨脹性

據(jù)上第三系巖石物質(zhì)成分測試結(jié)果，含礫泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖的蒙脫石含量平均值分別為14.35%、14.13%、16.15%。

據(jù)側(cè)向約束膨脹力試驗(yàn)成果，泥巖膨脹力為10～486 kPa，平均值為128.9 kPa；砂巖膨脹力為32.9～133 kPa，平均值為80.7 kPa。

根據(jù)上述2種試驗(yàn)成果判斷，泥巖多為弱膨脹巖，部分為非膨脹巖或中等膨脹巖；砂巖多屬于非膨脹巖，部分為弱膨脹巖。

3 工程地質(zhì)

3.1 隧洞工程

由于上第三系地層具有復(fù)雜的工程地質(zhì)性質(zhì)，造成隧洞圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)變化很大，主要表現(xiàn)在：

（1）在地下水位以上，巖體含水率低（≤10%）時，隧洞圍巖自穩(wěn)能力較好。但應(yīng)及時進(jìn)行一期支護(hù)，封閉圍巖。防止巖石干濕交替、軟化、膨脹等惡化圍巖穩(wěn)定的條件。該種隧洞圍巖類別一般可判定為Ⅳ類。

（2）當(dāng)隧洞圍巖（特別是泥巖類巖石）含水率逐漸增大，圍巖的穩(wěn)定性將逐漸下降。據(jù)工程統(tǒng)計(jì)，當(dāng)泥巖含水率達(dá)到14%～15%時，圍巖將要發(fā)生較大的變形或失穩(wěn)，圍巖類別宜按Ⅴ類。

（3）隨著隧洞埋深的增大，當(dāng)上覆巖（土）體自重應(yīng)力與巖體強(qiáng)度之比值越小，圍巖變形及失穩(wěn)問題越突出。工程實(shí)踐證明，埋深大且含水率高的隧洞段，因圍巖大變形和塌方使TBM受困的事例很多。

（4）承壓含水層對隧洞工程的危害甚大，隧洞圍巖變形迅速，甚至發(fā)生流砂、塑性擠出等，不適于TBM法施工。采用鉆爆法施工往往也十分困難，需要采取特殊的工程處理措施；因此，應(yīng)按特殊不良地質(zhì)洞段考慮。

3.2 建筑物地基

上第三系地層具有較高的承載力，可作為電站廠房、樓房等建筑物的地基持力層，也可以做為橋梁墩基和樁基的持力層。建筑物淺基礎(chǔ)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)地表水的疏排，盡量避開雨季施工，防止地表水及地下水入滲破壞巖體的結(jié)構(gòu)，誘發(fā)地基膨脹變形及開挖基坑邊坡失穩(wěn)等。

3.3 邊坡開挖

上第三系砂質(zhì)泥巖、砂礫巖，為巨厚層狀或塊狀構(gòu)造，巖層多近水平，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙均不發(fā)育。建筑物開挖高邊坡，穩(wěn)定性較好。長期運(yùn)行因凍融、風(fēng)化、雨水沖刷等作用，會有剝落、掉塊、塌滑等發(fā)生。需在坡頂布置排水溝，對坡面采取格構(gòu)等防護(hù)措施。

在節(jié)理發(fā)育或有間歇地下水出溢的地方邊坡易發(fā)生破壞，需采取封堵、排水及錨固等措施。

在過水建筑物（如渠道及過水建筑物的開挖邊坡等）通常采用混凝土襯砌+土工布+換墊碎石土或砂礫石的工程措施。

3.4 天然建筑材料

上第三系地層表面的風(fēng)化土料多分布在低山地區(qū)，巖性多為含礫壤土，厚度一般0.5～2 m，最厚可達(dá)4 m。

風(fēng)化土具有弱膨脹性。土質(zhì)含鹽量較高的特點(diǎn)，局部見有石膏晶體，為中等鹽漬土。風(fēng)化土不能完全滿足規(guī)范要求的堤防、當(dāng)?shù)夭牧蠅?、黏土芯墻等填筑土料或防滲土料的質(zhì)量要求。對其改良加工亦有一定難度。但可以直接作為圍堰等臨時性工程的防滲土料；若作為路堤填料，應(yīng)進(jìn)行碾壓處理。

3.5 路基工程

上第三系砂質(zhì)泥巖、砂礫巖，具有遇水崩解性，失水干裂的特征，巖石本身也具有弱膨脹性，且易溶鹽含量較高，為中等鹽漬土（亞氯鹽漬土）。因此，該層直接作為高等級公路路基時，需采取鋪設(shè)非膨脹巖（土）墊層及隔、排水設(shè)施。

4 結(jié)語

工程區(qū)分布的上第三系泥質(zhì)巖主要巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖、含礫泥巖及砂礫巖等，屬弱—中等膠結(jié)的軟弱巖石，天然或干抗壓強(qiáng)度明顯高于飽和抗壓強(qiáng)度。具有吸水軟化崩解、變形模量低、弱膨脹性等主要工程特性。

在工程勘察設(shè)計(jì)過程中，需結(jié)合其主要工程地質(zhì)性質(zhì)，采取適當(dāng)工程勘察手段和施工處理措施。

滕杰 男 高級工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

胡寧 男 工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

吳彤 男 工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

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