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(duì)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(wàn)～2 000萬(wàn)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(tái)地，為河湖相碎屑沉積。研究其主要工程地質(zhì)性質(zhì)，對(duì)評(píng)價(jià)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(tái)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(dòng)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(duì)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(huì)更高一些。巖石的干密度具有隨砂礫的含量增加而增長(zhǎng)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(guó)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(cè)試結(jié)果平均值%

表3 泥質(zhì)巖水理性質(zhì)測(cè)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(píng)價(jià)

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(duì)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(píng)價(jià)，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(duì)普通混凝土及鋼結(jié)構(gòu)均無(wú)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(píng)價(jià)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(duì)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(cè)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(shí)，隧洞圍巖自穩(wěn)能力較好。但應(yīng)及時(shí)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(shí)，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(duì)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(zhǎng)期運(yùn)行因凍融、風(fēng)化、雨水沖刷等作用，會(huì)有剝落、掉塊、塌滑等發(fā)生。需在坡頂布置排水溝，對(duì)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(duì)其改良加工亦有一定難度。但可以直接作為圍堰等臨時(shí)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(jí)公路路基時(shí)，需采取鋪設(shè)非膨脹巖（土）墊層及隔、排水設(shè)施。

4 結(jié)語(yǔ)

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(jí)工程師中水北方勘測(cè)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(cè)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(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

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