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        武漢長江新區(qū)玄武巖工程特性

        2024-12-10 00:00:00王輝
        四川建筑 2024年5期

        為查明武漢新城區(qū)紅層中玄武巖工程特性,通過對其產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)特征、礦物成分、單軸抗壓強度等方面對玄武巖進行了初步研究,結(jié)果表明:武漢玄武巖形成于更新世早期-更新世中期,呈噴溢侵入紅層及晚第三系砂礫層,成分為拉斑玄武巖,結(jié)構(gòu)有杏仁狀玄武巖和隱晶質(zhì)玄武巖兩種,玄武巖巖石飽和單軸抗壓強度22.8~24.6 MPa,富水性貧乏,玄武巖與紅層形成軟硬夾層,橋梁、地鐵等工程施工工法影響較大,工程建設中應予以重視。

        玄武巖; 結(jié)構(gòu)特征; 礦物成分; 軟硬夾層

        TU452A

        [定稿日期]2024-08-13

        [作者簡介]王輝(1980—),男,本科,高級工程師,注冊土木工程師(巖土),研究方向為水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。

        0 引言

        武漢長江新城(新區(qū))是武漢市政府規(guī)劃的一個新區(qū),位于武漢市市北,南至長江北岸,西至灄水河、府河,西南至張公堤路,北至江北鐵路,30~50 km2。武漢長江新城(新區(qū))廣泛分布白堊系-第三系東湖群棕紅色泥質(zhì)粉砂巖、砂巖等沉積巖。近年來在黃陂區(qū)李家集橋頭李、三里街[1]、五通口等地紅層中發(fā)現(xiàn)玄武巖。紅層由于其成巖時間較短,膠結(jié)程度差,強度差,天然單軸抗壓強度一般在5 MPa以下[2],而玄武巖是一種硬質(zhì)巖,天然單軸抗壓強度可達上100 MPa[3]。玄武巖入侵紅層,在地質(zhì)上形成軟弱夾層,形成不均勻地基,給工程設計施工造成很大困難,本文以武漢富強大道道排工程為例對對玄武巖分布規(guī)律、工程特性進行了研究,對武漢新城區(qū)工程建設具有借鑒意義。

        1 工程概況及區(qū)域地質(zhì)背景

        1.1 工程概況

        武漢富強大道道排工程位武漢市長江新區(qū),道路南起武湖公里,沿現(xiàn)狀黃武公里往北至三里鎮(zhèn)東支河,全長約10.0 km,按照城市主干路標準進行規(guī)劃和設計,道路紅線寬度按照60~80 m控制,現(xiàn)狀為地面雙向4、6車道,改造后地面采用雙向6車道,預留雙向8車道改造條件,設計速度為50 km/h,為城市主干道,給排水管道位于道路兩側(cè)。

        1.2 地形地貌

        武漢市地處江漢平原東部邊緣,屬剝蝕殘丘平原,地勢南高北低,西高東低,中間凹谷呈Y字型切割成三塊,稱之為武漢三鎮(zhèn)。武漢素有“水鄉(xiāng)澤國”之稱,境內(nèi)大小近百個湖泊星羅棋布。最高點高程150 m,最低陸地高程18 m。

        地貌形態(tài)主要有三種:①剝蝕丘陵區(qū):主要分布在武昌、漢陽地區(qū);②剝蝕堆積平原區(qū):主要分布在武昌、漢陽、黃陂的平原湖區(qū)與殘丘之間。地形波狀起伏,壟崗與坳溝相間分布。高程25~45 m之間,按長江、漢江沖積階地劃分,相當于Ⅲ級階地;③堆積平原區(qū):分布于漢口城區(qū)級武昌、漢陽沿江一帶,相當于Ⅰ、Ⅱ級階地。Ⅰ級階地(有一部分屬高漫灘),廣泛分布于長江、漢江兩岸地區(qū),呈不對稱型分布。地面標高19~23 m之間,局部達25 m之間。Ⅱ級階地僅見于青山及東西湖一帶,地面標高22~24 m之間。武漢長江新區(qū)地貌以長江Ⅰ、Ⅱ級階地為主。

        1.3 區(qū)域地質(zhì)

        武漢市區(qū)域地質(zhì)以襄(樊)—廣(濟)斷裂為界,北部屬秦嶺—大別地層區(qū),地層為南大別變質(zhì)雜巖帶,主要由前震旦紀角閃巖相二長花崗質(zhì)和花崗閃長質(zhì)片麻巖以及少量黑云(角閃)斜長片麻巖和斜長角閃片麻巖組成[7]。武漢地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化歷史劃分為加里東旋回、華力西—印支旋回和燕山—喜馬拉雅旋回三個時期,白堊-第三紀,隨著構(gòu)造變動由擠壓向引張的轉(zhuǎn)化,形成一系列中-新生代斷陷盆地,以河湖相紅色砂、礫巖及多旋回陸相火山噴發(fā)為特征的玄武巖。武漢新城區(qū)位于相對穩(wěn)定凹陷盆地。研究區(qū)位于武漢長江新城區(qū)黃武公路江北鐵路與漢口北大道之間段,位于襄(樊)—廣(濟)斷裂南側(cè),屬于新洲凹陷,地層為白堊系-下第三系東湖群地層,主要巖性為泥質(zhì)粉砂巖、弱膠結(jié)砂巖和玄武巖。

        1.4 水文地質(zhì)條件

        場區(qū)地下水主要為第四系松散巖類孔隙承壓水,主要賦存在粉細砂、中粗砂及圓礫土層,隔水層頂板為弱透水的黏性土,底板為基巖,具有承壓性,主要接受區(qū)域地下水的側(cè)向補給或越流,向下游排泄,水量豐富,長江沖洪積二級階地孔隙承壓水水頭標高一般在11.0~18.0 m之間變化,年變幅5~8 m。

        2 武漢玄武巖工程地質(zhì)特征

        2.1 玄武巖產(chǎn)狀

        玄武巖是由火山噴發(fā)出的巖漿冷卻后凝固而成的一種致密狀或泡沫狀結(jié)構(gòu)的巖石。在地質(zhì)學的巖石分類中,屬于巖漿巖(也叫火成巖)。巖漿巖分侵入巖和噴出巖兩種。其中侵入巖是地下巖漿在內(nèi)力作用下侵入地殼上部,巖層冷卻凝固而形成巖石,它的礦物結(jié)晶顆粒較大,代表巖石有花崗巖。噴出巖是地下巖漿在內(nèi)力作用下,沿地殼薄弱地帶噴出地表冷凝而形成巖石,它的礦物結(jié)晶顆粒細小,有的有流紋或氣孔構(gòu)造。中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心于武漢外韋浠水-馬垅一帶發(fā)現(xiàn)了保存完好的玄武巖火山口;另外武漢市已發(fā)現(xiàn)的玄武巖主要分布在黃陂區(qū)李家集橋頭李和三里街、青山區(qū)鄭家灣、龍角湖及五通口,均位于襄樊-廣濟斷裂帶沿線,走向并受北西,北東向斷裂控制。

        本次發(fā)現(xiàn)玄武巖南北向長約500 m,玄武巖產(chǎn)狀呈M字型倒扣巖盆,呈夾層狀侵入泥質(zhì)砂巖中,局部段,玄武巖侵入晚更新世砂礫層,GL95鉆孔侵入砂礫層1.90 m,CK11鉆孔侵入砂礫層0.60 m(圖1),揭露最大埋深50.30 m。推測該玄武巖形成于更新世早期-更新世中期。

        2.2 玄武巖結(jié)構(gòu)特征

        本次勘察發(fā)現(xiàn)玄武巖主要有兩種結(jié)構(gòu),一種為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),它的特點是礦物顆粒細小,肉眼不易看見, 顯示其成巖過程由熔巖流相對快速冷卻形成的,無論是在地球表面還是作為薄侵入體,這阻止了大礦物晶體的形成(圖2)。另外一種為杏仁狀結(jié)構(gòu),杏仁核是玄武巖中的圓形或細長的空腔,里面充滿了次生礦物質(zhì)方解石,顯示熔巖凝固后熔巖中的氣泡充滿富含礦物質(zhì)的液體時,杏仁核就會形成。 由于杏仁核中次生礦物的顏色對比,杏仁狀玄武巖通常呈現(xiàn)出斑點的外觀(圖3)。

        2.3 玄武巖礦物成分

        玄武巖通常包括斜長石、輝石、橄欖石和磁鐵礦作為主要造巖礦物。 這些礦物有助于玄武巖的特征成分、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì),它們的研究可以為玄武巖巖漿和巖石的形成和演化提供深入的見解。

        本次分別取杏仁狀玄武巖和隱晶質(zhì)玄武巖在偏光顯微鏡觀察,結(jié)果表明:杏仁狀玄武巖巖石標本黑灰?guī)ЬG色色調(diào),填間交織結(jié)構(gòu),杏仁構(gòu)造,斜長石(Pl)含量57%左右,半自形長板狀,解理發(fā)育,一級灰干涉色,零散雜亂分布,其間充填火山玻璃以及綠泥石化輝石,斜長石粒徑大小0.10~0.50 mm之間;火山玻璃含量18%左右,隱晶質(zhì),黑色不透明,充填分布在斜長石晶粒間隙中,火山玻璃中可見少量棕紅色伊丁石(Idn)分布;普通輝石(Aug)含量15%左右,不規(guī)則粒狀,多蝕變成綠泥石,可見少量殘留的輝石殘余顆粒菱形分布,多零散分布在斜長石晶粒間隙中,粒徑大小0.05~0.35 mm之間(圖4);杏仁體含量10%左右,圓形或不規(guī)則狀,綠色,多被球粒狀綠脫石和綠泥石等充填,杏仁體大小1.00~5.00 mm之間(圖5)。

        隱晶質(zhì)玄武巖巖石標本呈黑灰?guī)ЬG色色調(diào),無斑-填間交織結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,斜長石(Pl)含量70%左右,多為拉-中長石,半自形長板狀,解理發(fā)育,一級灰干涉色,零散雜亂分布,其間充填火山玻璃以及綠泥石化的普通輝石,斜長石粒徑大小0.10~0.50 mm之間;普通輝石(Aug)含量20%左右,不規(guī)則粒狀,多蝕變成綠泥石,多零散分布在斜長石晶粒間隙中,可見少量殘留的輝石呈殘余粒柱狀顆粒,二級干涉色,零星分布,粒徑大小0.05~0.35 mm之間,最大0.50 mm左右;火山玻璃含量15%左右,隱晶質(zhì),黑色不透明,充填分布在斜長石晶粒間隙中;石英(Qrz)含量2%左右,半自形或不規(guī)則細粒狀,無色透明,一級灰白干涉色,零星分布在斜長石晶粒間隙中,粒徑大小0.02~0.06 mm之間(圖6)。

        2.4 玄武巖飽和單軸抗壓強度

        巖石飽和單軸抗壓強度是巖石最重要物理力學性能之一。工程評價巖石特性主要根據(jù)飽和單軸抗壓強度評價其工程特性,是試件在無側(cè)限條件下受軸向壓力作用破壞時單位面積的所承受的荷載,是工程設計中廣泛應用的參數(shù)。本次分別選取杏仁狀玄武巖和隱晶質(zhì)玄武巖進行了測試,并對紅層中泥質(zhì)粉砂巖和弱膠結(jié)細砂巖進行對比分析。結(jié)果表明:杏仁玄武巖顆粒密度2.47 g/cm3,天然單軸抗壓強度平均值22.8 MPa,隱晶玄武巖顆粒密度2.54 g/cm3,天然單軸抗壓強度平均值24.6 MPa,兩者強度差別不大,均屬于較軟巖。而紅層中弱膠結(jié)細砂巖和泥質(zhì)粉砂巖顆粒密度平均值分別為2.07 g/cm3和2.24 g/cm3,天然單軸抗壓強度平均值分別為1.83 MPa和2.07 MPa,屬于極軟巖,工程力學性質(zhì)較差,極易軟化[4],與玄武巖差異極大。這種軟硬交雜地層對盾構(gòu)施工及橋梁基礎(chǔ)嵌巖樁的選型及施工工法選擇影響很大[5],設計、施工時應予以重視(圖7)。

        2.5 玄武巖富水性

        長江新區(qū)玄武巖多呈夾層狀入侵紅層。玄武巖完整、無破碎,節(jié)理裂隙不發(fā)育?;|(zhì)多呈間粒結(jié)構(gòu),氣孔-杏仁狀結(jié)構(gòu),氣孔-杏仁體呈近圓狀,為灰白色方解石脈充填。節(jié)理裂隙多在間歇性順層噴溢形成,后期為方解石脈充填,玄武巖透水性差。鉆孔中玄武巖進行抽水試驗顯示,鉆孔涌水量在10 m3/d以下,水量極其貧乏。

        3 結(jié)束語

        武漢長江新區(qū)是武漢市全面貫徹新發(fā)展理念,錨定“四新三城”目標定位,高起點規(guī)劃、高標準建設、高水平開放,是加快打造武漢高質(zhì)量發(fā)展新增長極。努力建設長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展的新標桿、中部地區(qū)綠色崛起的新引擎的現(xiàn)代城市建設治理的典范之城。近年來基礎(chǔ)建設如火如荼,場區(qū)地質(zhì)條件對基礎(chǔ)方案選型起到關(guān)鍵作用,通過對武漢新區(qū)玄武巖研究,主要有以下特征。

        (1)武漢玄武巖形成于更新世早期-更新世中期,呈噴溢侵入紅層及晚第三系砂礫層。

        (2)玄武巖成分為拉斑玄武巖,結(jié)構(gòu)有杏仁狀玄武巖和隱晶質(zhì)玄武巖兩種,富水性貧乏。

        (3)玄武巖產(chǎn)狀不具有規(guī)律性,本次發(fā)現(xiàn)的玄武巖呈M字型倒扣巖盆,呈夾層狀侵入泥質(zhì)砂巖中,形成軟硬夾層。

        (4)玄武巖巖石飽和單軸抗壓強度22.8~24.6 MPa,屬于較軟巖,可作為橋梁等大荷載嵌巖樁樁端持力層。

        參考文獻

        [1] 宗維,杜小鋒,周峰,等.武漢市黃陂區(qū)紅層地下水含水層特征及富集規(guī)律[J].資源環(huán)境與工程,2021(2):182-187.

        [2] 劉亞洲,龐建成.武漢地區(qū)紅層分布及其工程特性研究[J].土工基礎(chǔ),2022(1):51-56.

        [3] 中鐵大橋勘測設計院.青島海灣大橋土建工程施工階段補充工程地質(zhì)勘察報告[R].武漢:中鐵大橋勘測設計院,2010.

        [4] 彭華,吳志才.關(guān)于紅層特點及分布規(guī)律的初步探討[J].中山大學學報(自然科學版),2003(5):109-113.

        [5] 彭柏興,王星華.紅層軟巖嵌巖樁端阻力研究[J].城市勘測,2007,(1):79-83.

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