天水地區(qū)甘肅群半膠結(jié)泥巖的承載力估算分析

余鵬 劉健斌

摘 要：文章通過對天水市新近系甘肅群半膠結(jié)泥巖現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗的整理統(tǒng)計，分析其工程特性，并根據(jù)試驗指標對泥巖承載力進行估算，對比分析出較為合理的估算方法，推斷出該地區(qū)本地層標貫擊數(shù)與地基承載力關(guān)系經(jīng)驗公式。

關(guān)鍵詞：半膠結(jié)泥巖；承載力基本容許值；試驗分析

1 概述

新近系甘肅群半膠結(jié)泥巖，巖性以灰綠色、灰白色、磚紅色和紅褐色的泥巖為主，多呈互層出露，薄層狀碎裂結(jié)構(gòu)，在天水地區(qū)廣泛分布，該層具“半巖半土”的特性。在十天高速天水段高速公路勘察過程中，對該層進行了大量的現(xiàn)場標貫測試、室內(nèi)土工試驗和巖石力學測試，通過對試驗資料的整理統(tǒng)計，分析其承載力基本容許值[fa0]。

2 地層概況

工程區(qū)內(nèi)出露的新近系地層主要為上新近系甘肅群上巖組（NG2）和下巖組（NG1）。

2.1 上巖組（NG2）

巖性為灰綠色泥巖、灰白色泥灰?guī)r、磚紅色泥巖等，多互層出露，巖體完整性極差，多呈薄層狀碎裂結(jié)構(gòu)，上部巖體風化強烈，多呈散體結(jié)構(gòu)。根據(jù)區(qū)域資料，該層厚度大于130m。主要分布于西和縣城、劉家磨到天水鎮(zhèn)及關(guān)同到董家莊一帶兩側(cè)的黃土塬上及沖溝兩側(cè)。

2.2 下巖組（NG1）

上部紅褐色泥巖、磚紅色粉砂質(zhì)泥巖、礫巖為主，中薄層，巖體較破碎。根據(jù)區(qū)域資料，該層厚度大于285m。該層頂部有厚約20余米的泥巖夾密集鈣板層，呈互層狀，單層厚度約0.5～0.6m。該標志層是甘肅群上下巖組標志性分層部位。主要分布于皂角鎮(zhèn)堡子山到店鎮(zhèn)峽門一帶和關(guān)同村附近。

3 地層特征

其物理力學性質(zhì)介于巖與土之間，根據(jù)巖石物理力學性質(zhì)試驗結(jié)果，其飽和抗壓強度平均值為0.52～1.29MPa，重度20.3～20.6kN/m3，呈堅硬至硬塑狀態(tài)，該層具有弱～中脹縮性，自由膨脹率平均值約38%。

該層巖性松軟，遇水軟化并具有膨脹性，該巖層由于沉積時代較晚，沉積時間較短，呈半膠結(jié)狀態(tài)，含泥量高，強度均較低，體現(xiàn)出柔性特征，裂隙不發(fā)育，各向異性不明顯，風化程度呈漸變過渡狀態(tài)，很難找出風化界線，也很難找出不同風化狀態(tài)的承載力差異。

4 試驗統(tǒng)計

為了便于試驗統(tǒng)計、對比和分析，結(jié)合現(xiàn)場標貫試驗和野外巖芯狀態(tài)，將泥巖按照現(xiàn)場標貫實測擊數(shù)進行粗略的劃分，以標貫實測擊數(shù)30擊、60擊為界限點將泥巖分為三個層次，剔除異常值后，對泥巖有效的345組土工試驗和56組巖石力學試驗指標分層進行整理統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1、表2。

5 試驗指標分析

5.1 土工試驗指標分析

由于泥巖具有土的性質(zhì)，從土工試驗參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出，半膠結(jié)泥巖的液性指數(shù)I1和天然孔隙比e均比一般粘性土的值偏小，這說明，泥巖在膠結(jié)巖化過程中，顆粒之間聯(lián)接更加緊密，孔隙減少，與半膠結(jié)泥巖的野外狀態(tài)較契合。

根據(jù)統(tǒng)計值可以看出，泥巖的液性指數(shù)I1、壓縮模量越高，孔隙比e、壓縮系數(shù)α0.1-0.2越小，標貫擊數(shù)N越大。

5.2 巖石力學指標分析

由于泥巖具有半巖性質(zhì)，從巖石力學統(tǒng)計結(jié)果中可以看出，泥巖的飽和抗壓強度Rw<5MPa，屬極軟巖。這是由于泥巖的膠結(jié)時間過短，泥質(zhì)含量較高所致。

根據(jù)統(tǒng)計值可以看出，泥巖的天然和飽和單軸抗壓強度與標貫擊數(shù)成正比關(guān)系，抗壓強度越大，標貫擊數(shù)也越高。

5.3 縱波波速值分析

新近系甘肅群半膠結(jié)泥巖巖質(zhì)較軟，因此縱波波速值Vp均較小。實測波速值越大，標貫擊數(shù)也隨之增高。

統(tǒng)計結(jié)果顯示，泥巖狀態(tài)越好，強度越高，標貫擊數(shù)越大。因此，標貫擊數(shù)可作為泥巖承載力估算的重要指標。

6 各規(guī)范估算承載力比對分析

由于泥巖本身膠結(jié)狀態(tài)較差，在試樣制飽和時易沿沉積層理面和薄弱膠結(jié)面崩解，導致飽和單軸抗壓強度有效的試驗結(jié)果較少，且泥巖遇水軟化明顯，飽和抗壓強度值無法代表實際地基巖體的強度，當采用飽和抗壓強度估算其承載力時，小值與軟弱粘性土的值相當，明顯偏小，大值也偏大。綜上，由于巖石力學試驗成本較高，可得出的有效數(shù)據(jù)較少，值較離散，因此巖石力學指標在新近系半膠結(jié)泥巖承載力估算的實際運用中并不具有廣泛意義。

泥巖本身性質(zhì)與老粘土較為接近，土工試驗代表性指標也能較為清晰的體現(xiàn)出泥巖的力學特性，且成本低廉，參照一般粘性土地基采用Il及e進行估算的承載力與當?shù)噩F(xiàn)場平板載荷試驗的實測值較為接近，因此采用土工試驗代表值估算新近系半膠結(jié)泥巖承載力在實際運用中合理且較為便利，可大力推廣。

7 利用標貫值估算承載力的經(jīng)驗公式

根據(jù)上述試驗結(jié)果分析和已有資料，標準貫入試驗的擊數(shù)與泥巖的強度和狀態(tài)呈正比，可作為承載力估算的重要指標。由于土工試驗和巖石力學試驗本身有滯后性，為方便現(xiàn)場判斷新近系半膠結(jié)泥巖承載力，可直接采用標準貫入試驗擊數(shù)對承載力進行估算。

標貫擊數(shù)與地基土承載力關(guān)系大多為線性關(guān)系，且線性關(guān)系方便野外判別承載力的計算，因此實際工程應用采用標準貫入試驗確定新近系甘肅群半膠結(jié)泥巖的地基承載力基本值時，經(jīng)驗關(guān)系可以采用一次多項次擬合，可采用下列形式：

[fa0]=aN+b

結(jié)合十天高速天水段現(xiàn)場勘察的現(xiàn)場標貫和土工試驗，本次采用反分析方法，先根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTGD63-2007）表3.3.3-6估算試樣的承載力值，再根據(jù)該試樣所在段的現(xiàn)場標貫擊數(shù)反推出a、b取值，計算結(jié)果為a=6，b=50。

從而得出天水地區(qū)新近系甘肅群半膠結(jié)泥巖標貫擊數(shù)與地基承載力的關(guān)系為：

[fa0]=6N+50（當N>70時，N取70）

由于該地區(qū)泥巖的現(xiàn)場標貫擊數(shù)的范圍值在25～108擊，在實際工作中，為偏安全考慮，當N>70時，N取70即可。據(jù)此式估算的該地區(qū)半膠結(jié)泥巖的承載力基本值為200-470之間，與現(xiàn)場實測值和規(guī)范中經(jīng)驗值接近，可在實際工作中直接運用。

8 結(jié)束語

采用參照一般粘性土地基采用Il及e進行估算的承載力與當?shù)噩F(xiàn)場平板載荷試驗的實測值較為接近，且成本低廉，在實際運用中較為合理且便利，可大力推廣；可采用現(xiàn)場標貫擊數(shù)和承載力之間的經(jīng)驗公式在野外直接估算天水地區(qū)新近系甘肅群半膠結(jié)泥巖承載力。

參考文獻

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[3]張永雙，曲永新.硬土-軟巖的厘定及其判別分類[J].地質(zhì)科技情報，2000，19（1）：77-80.

作者簡介：余鵬（1984-），男，籍貫：湖北宜都，學歷：碩士研究生，職稱：工程師，研究方向：路基、路面工程。