陜北白堊系半膠結(jié)砂巖工程特性分析

楊 旭 王 倩 孟慶文

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300254;2.天津市津濱軌道交通設計有限公司，天津 300381)

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道工程為我國北煤南運新通道，該鐵路經(jīng)過的納林河至小河鄉(xiāng)段廣泛分布有白堊系洛河組砂巖，該巖層巖質(zhì)較軟，易風化，查明該砂巖層的工程特性對于工程安全和工程造價有著重要的影響。

1 區(qū)域概況

1.1 地形地貌

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道工程納林河至小河鄉(xiāng)段，地處鄂爾多斯盆地的陜北斜坡構(gòu)造單元，地勢北低南高，海拔高度介于1 123～1 823m之間。北部為毛烏素沙漠邊緣，地勢較平坦，稍有起伏，為沙丘及丘間凹地;中部為覆砂黃土梁峁區(qū)，受水流沖切影響，地勢稍有起伏，無定河、蘆河等均經(jīng)過該區(qū)域;南部為黃土高原區(qū)，主要為黃土丘陵，地形起伏較大，溝壑縱橫。

1.2 巖性和地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)域內(nèi)主要為華北地層，地層沉積類型復雜，具明顯多旋回沉積的特點。表層松散堆積層，主要為風積砂、黃土狀砂土、黃土等，下伏白堊系洛河組半膠結(jié)砂巖，紫紅色、灰紫色，粗至中粒長石砂巖，薄層狀斜層理極發(fā)育，整體呈厚層至巨厚層狀，厚130～350m。

區(qū)域內(nèi)受構(gòu)造影響輕微，早白堊系，盆地整體持續(xù)抬升，處于弱伸展構(gòu)造環(huán)境，僅發(fā)生輕微褶皺和斷裂，東部持續(xù)抬升，西部繼續(xù)逆沖，盆地多處與古近系呈不整合接觸。晚白堊系，全區(qū)仍繼續(xù)隆起，風化剝蝕，缺失沉積，鄂爾多斯盆地發(fā)育結(jié)束。白堊系以來，鄂爾多斯盆地未受大的劇烈地質(zhì)構(gòu)造活動影響，白堊系洛河組砂巖產(chǎn)狀平緩，緩傾向西－西北，產(chǎn)狀2°～7°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，多為卸荷節(jié)理，垂直于斜層理面，少量沿傾斜的斜層理面發(fā)育有張節(jié)理。

2 白堊系砂巖沉積環(huán)境

鄂爾多斯盆地的形成始于中三疊紀紙坊期，發(fā)育鼎盛時期為中晚三疊紀延長期和早中侏羅紀延安期，于早白堊紀末盆地消亡，晚白堊紀以來為盆地的后改造期。自盆地形成以來，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動微弱，火山活動幾乎絕跡，地層之間多數(shù)為整合或平行不整合接觸。

鄂爾多斯盆地在經(jīng)歷了中生界河湖相沉積以后，侏羅紀末期至早白堊紀時的燕山運動使區(qū)內(nèi)發(fā)生了自三疊紀和侏羅紀以后的第三次凹陷，接受沉積。白堊紀早期，氣候變得干旱、半干旱，盆地內(nèi)部地表經(jīng)不斷風化剝蝕，地形趨于準平原化，沉積了較單一的、以河流相為主的紫紅色長石砂巖，此即為白堊系洛河組砂巖。

白堊系洛河組砂巖自沉積以來，鄂爾多斯盆地長期處于抬升狀態(tài)，地表遭受剝蝕，白堊系砂巖處于泥質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，在大氣環(huán)境及干濕交替循環(huán)作用下，具有易風化崩解，強度低、耐磨性差的特點。受水流沖切影響，由于豎向裂隙面兩側(cè)巖石的黏結(jié)力不足以支撐下盤巖石，下盤巖石發(fā)生崩塌，常形成陡崖或反坡陡壁。

3 組成成分

白堊系洛河組砂巖為河湖相陸源碎屑巖，粒狀碎屑結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)不完全，巖質(zhì)較軟，砂巖以石英，長石為主，其中石英含量35%～50%，長石含量45%～60%，最高達75%，以斜長石為主，屬長石砂巖，含少量黑云母，黏土礦物含量平均為17.8%，其中高嶺石含量為1.7%～8.0%，伊利石含量為2.5%～9.0%，蒙脫石含量為1.7%～3.5%。由于鐵質(zhì)氧化物的存在，巖石呈紫紅色，鐵質(zhì)氧化物以浸染物的形式依附于礦物顆粒表面，故主要影響巖石的外觀形態(tài)，對巖石的工程性質(zhì)沒有明顯的影響。白堊系洛河組砂巖主要化學成分分布見表1。

表1 白堊系洛河組砂巖主要化學成分

4 工程性質(zhì)

4.1 物理性質(zhì)

白堊系洛河組紅砂巖為半膠結(jié)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，顆粒間黏結(jié)力差，不耐磨，巖質(zhì)軟。全風化砂巖，手捏即成砂狀，但出露地表的全風化巖石大部分被風蝕或者水流搬運至低洼處，全風化砂巖地表出露很少。新鮮開采出來的巖石，用手觸摸仍會掉落碎屑，而且手上會沾有細砂顆粒，錘輕擊即碎，可研磨成砂狀。

4.2 力學性質(zhì)

采取原狀巖心制成試樣，做巖心的無側(cè)限抗壓強度試驗(如表2所示)。

表2 白堊系洛河組紅砂巖巖石抗壓強度

由表2可知，白堊系洛河組砂巖巖石在天然狀態(tài)下的抗壓強度比浸水后的抗壓強度高，說明砂巖遇水浸泡后，抗壓強度會降低。

由圖1可以看出，巖石飽和抗壓強度主要集中在3～8 MPa之間，占砂巖試驗數(shù)量的75.27%，飽和抗壓強度值＜15 MPa，最小值＜5 MPa，為軟巖—極軟巖。

圖1 抗壓強度與樣品數(shù)量分布

4.3 水理性質(zhì)

在地下同一位置，選取巖體完整、受風化作用小的巖塊做巖石不同浸水時間下的抗壓抗剪強度試驗，得到巖石在不同含水率下的強度變化值(如表3所示)。

表3 白堊系洛河組紅砂巖巖石不同含水率下抗壓、抗剪強度

由表3可以看出，砂巖具有較好的吸水儲水性，1 d時間，即達到飽和含水率的92.5%，而后含水率變化不大。隨著含水率的增加，巖石的抗壓強度和抗剪強度隨之減小。

4.4 風化性質(zhì)

白堊系砂巖半膠結(jié)，層理間黏結(jié)力差，易風化崩解，自然狀態(tài)下的巖心易沿層理面裂開，碎裂成薄片狀，局部節(jié)理裂隙發(fā)育地段長期受裂隙水水流侵蝕，巖心呈密實砂狀。巖石的結(jié)構(gòu)類型和礦物組成對紅砂巖的風化崩解具有決定性的影響，泥質(zhì)膠結(jié)以及蒙脫石和伊利石等親水性黏土礦物含量較高的紅砂巖更容易遭受風化侵蝕。環(huán)境溫度變化與干濕循環(huán)也是影響紅砂巖風化崩解的重要因素，溫度變化幅度的加大，干濕循環(huán)次數(shù)的增加，都可以促使風化崩解過程的加快。

5 結(jié)論

(1)白堊系洛河組砂巖為長石砂巖、河湖相陸源碎屑巖，薄層狀斜層理發(fā)育，整體呈厚層至巨厚層狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

(2)白堊系洛河組砂巖為半膠結(jié)泥質(zhì)砂巖，容易遭受流水侵蝕，暴露于地表易形成深切沖溝。

(3)白堊系洛河組砂巖易風化，暴露于空氣中或干濕交替環(huán)境作用下，易崩解或整體沿裂隙面崩塌，易形成陡壁。

(4)白堊系洛河組砂巖巖石抗壓強度低，為軟巖—極軟巖。

(5)白堊系洛河組砂巖的抗壓強度和抗剪強度隨含水率的增加迅速降低。

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