【WORD格式论文原稿】上第三系半成岩物理力学性质及地基承载力探讨

1、免费查阅标准与论文：上第三系半成岩物理力学性质及地基承载力探讨李奇峰 1、2，谌文武 1，韩文峰 11. 兰州大学土木工程与力学学院，兰州（730000）2. 甘肃煤田地质局一四六队，甘肃 平凉 （744000）E-mail: liqfeng06摘要：上第三系以砂质泥岩为主，在西北地区广泛分布，厚度大且埋藏浅。该类岩体力学性质介于松散土体和坚固岩体之间，亦称半成岩。本文探讨分析了上第三系半成岩的成因、 结构特征、工程力学性能、地基承载力及其确定方法。通过比较指出，上第三系半成岩的地 基承载力若采用硬质岩层的确定方法是偏小的，将会造成地基承载力的浪费；采用第四系松 散层的确定方法是偏大的，将会造

2、成地基承载力的不安全。同时，文中分析、推荐了上第三 系半成岩地基承载力的确定方法，以期能更合理、更充分利用上第三系半成岩承载力，这将 对日益蓬勃发展的工民建设有重要的意义。 关键词：上第三系；半成岩；物理力学性质；承载力1. 前言第三系沉积发生于显生宙的第三个代，分为古近纪（老第三纪）、新近纪（新第三纪）， 对应的地层称为下第三系和上第三系。约开始于 2500 万年前，结束于 200 万年前1。在一 些文献中，被化分为软弱红层2-3，是在喜马拉雅海槽失去海洋的气候调节功能之后，在第 三纪已经形成季风特征明显的、偏暖干的大陆性气候下发育形成的2。由于第三系有更短 的成岩时期，有着比白垩系、侏罗系

3、及三叠系岩层更为软弱的工程性质，故命名为第三系半 成岩，是红层中最年轻的岩层，并与第四系松散层相区别。其上部一般上覆第四系黄土，在 河谷地段常上覆第四系冲洪积物。在中国分布比较广泛，尤其以西部和西北部为多。上第三系半成岩在西部和西北部赋存厚度从数十米到百余米不等，岩性主要为紫红、褐 红色泥岩、砂质泥岩夹有泥质砂岩及含泥质砂岩，在工民建及路桥建设中，常用作重要的地 基，在隧道及矿山井筒建设中也常常作为重要的围岩加以利用或治理。2. 上第三系半成岩的工程地质性质2.1 结构构造特征上第三系半成岩成层厚度较大，厚层状构造，泥质结构，铁泥质胶结，质地较为均匀。 岩石矿物成份中含有较多的亲水性粘土矿物。

4、伊利石、绿泥石、蒙脱石含量高是岩体遇水膨 胀崩解、失水干缩开裂的物质基础。化学成份中主要是硅、铝、钙、镁、钾、铁的氧化物。铁含量高是岩体之所以红的主要 原因，由于其一部分铁以高分散的非常细小的赤铁矿或针铁矿的形式被吸附于颗粒表面而起 胶结作用，限制了团粒移动的自由性，使颗粒间联接牢固，因而表现出一定的强度特征。交 换性阳粒子主要是钙、镁、钾、钠。钙镁离子被吸附在颗粒表面，使土粒具有较高的物化活 性及亲水性，是上第三系半成岩具有膨胀特性的主要原因5。2.2 工程力学特征上第三系半成岩由于泥质含量高，具柔性特征，具有较强的塑性变形及流变特征，对地 应力适应性强，构造裂隙不发育，各向异性不很明显。上

5、第三系半成岩多属微极微透水，强风化层透水性较强，天然含水量一般较小，冻融- 8 -损失较小，不影响冬季施工开挖和浇筑。但当基坑泡水、裂隙性(包括爆破裂隙)岩体充水后，可产生冻融般破坏。因此，施工时应避免基坑进水，以防止软化、泥化、崩解和冻融。上第 三系半成岩是湖泊或盆地的沉积物，成岩程度不高，胶结程度低，水稳性差，在振动和渗透 压力作用下易发生溃砂破坏。上第三系半成岩试样的饱和抗压强度低，软化系数小，浸水后岩石的强度变化大，并且 抗压强度随含水量的增大而减小。在我国工程岩体分级标准6和建筑地基基础设计规范7中，将饱和单轴抗压 强度小于 5MPa 作为极软岩。有研究把单轴(无侧限)抗压强度在 0

6、.31.5MPa 的强固结或微成 岩的粘土质地质体划分为极硬土-极软岩8，是一种极易引起工程地质问题的特殊岩土体， 因而上第三系半成岩（泥质岩）也属极硬土-极软岩的范畴。2.3 岩体质量特征及风化特征工程性能一般是决定于岩体质量，影响岩体的基本质量的因素主要有岩体的完整程度、 岩石的强度、岩体的风化程度，实际上岩体的风化程度已反映在岩石的强度中，因而岩体的 破碎程度和岩石的强度是评价岩体承载能力的两个首要因素，在岩土工程实践中常有两种方 法可以确定之，其一是用岩石的质量指标 RQD 法，即能评价破碎程度，又能反映其坚固性。 其二是采用岩体的完整程度的定量评定（完整性指数）法，即用岩体的压缩波速

7、与岩块的压 缩波速度的比值的平方表示，用岩石的无侧限单轴抗压强度评价和分类岩石的坚硬程度。 RQD 为岩石质量指标，是岩芯采取大于 100mm 长的岩芯在每回次进尺中所占的比例，由于 该类岩石结构软弱，成岩程度差，因而受取芯方法影响极大，且该类岩石受水后具有崩解的 性质，软化系数高，因此用 RQD 指标评定上第三系半成岩质量具有很大的随意性；而用岩 石的无侧限单轴抗压强度评定本类岩体的力学强度性质，会大大地降低了本类岩石的工程力 学潜力。上第三系半成岩的力学强度低，因为该类岩体抗风化能力弱，大多地质资料认为是强风 化的结果，但这类岩体是无法划分出明显风化带界限的，因为从几米到数十米变化微乎其微

8、， 力学性质变化不明显，岩土工程勘察规范GB5021-20019指出，风化程度参数指标主要 有波速比和风化系数，其中波速比 Kv 为风化岩石与新鲜岩石压缩波速之比值，风化系数 Kf 为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比值，根据波速比 Kv 或风化系数 Kf 值可将岩石 划分成未风化的、微风化的、中等风化的、强风化的和全风化的五级。对第三系半成岩而言， 新鲜岩石与风化岩石很难分出，因而其超声波速之比值接近。为此，规范又指出，泥岩和半 成岩可不时行风化程度的划分，进一步说明上第三系泥质岩较软弱的特征是弱胶结原因，而 非风化结果。3. 岩体作为地基时承载力确定探讨3.1 规范对桩基关于软岩承载力

9、确定不同规范的计算方法并不统一，但大同小异，一般是以无侧限单轴抗压强度为最基本指 标，然后依据岩体的破碎程度乘以 0.10.50 系数作为岩体的地基承载力，以下为国内规范中 对岩石地基承载力的求取：（1）建筑地基基础设计规范(GBJ50007-2002)7岩石地基承载力特征值，可按岩基荷载试验方法确定，对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，可根据室内饱和单轴抗压强度按下式计算：公式：fa=r·frk，完整、较完整和较破碎岩石。 说明：fa岩石地基承载力特征值(kPa)；frk岩石饱和单轴抗压强度标准值，软岩可采用天然抗压强度(kPa)、岩石试件规格为 50×100

10、mm；r折减系数，与岩体完整性有关， 取 0.10.50。（2）建筑桩基技术规范(JGJ94-94)10嵌岩桩单桩竖向承载力标准值，由桩周土总侧阻、嵌岩段总侧阻和总端阻三部分组成。 当根据室内试验结果确定总极限端阻力标准值时，可按下式计算：公式：Qpk=pfrcAp说明：Qpk 为极限端阻力标准值，p 为与 hr/d 有关的修正系数，p=00.5 当 hr/d1 时， 取 0.4；frc 为岩石饱和单轴抗压强度标准值，对粘土质岩可采用天然抗压强度(kPa)；Ap 为桩 端面积。（3）公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ024-85)11支承在基岩上或嵌入基岩内的钻（挖）孔桩、沉桩和管柱的单桩轴向

11、受压容许承载力， 可按下式计算，P=（C1A+C2Uh）Ra，其中桩端阻力容许值由下式表示：公式：Pb=C1·A·Ra说明：Pb为桩端阻力容许值；A 为桩底截面积；Ra 为天然湿度岩石单轴抗压强度，试 件规格 70100mm、高度与直径相等；C1 与岩石破碎程度、清孔情况有关，其值为 0.40.6。3.2 经验公式Rowe 和 Armitage(1987)在试验基础上，对岩石抗压强度 frc<30MPa 的软岩、泥质粉砂岩 的桩端阻力计算公式推荐如下：quk=2.5frc12式中 quk 为软岩端阻力极限值，它须满足以下要求：(1)至少达到 1 倍桩径的嵌岩深度；(2

12、)桩端平面下至少 1 倍桩径范围内的岩石抗压强度均满足公式中的 frc；(3)桩端平面下无溶蚀孔洞或孔穴。3.2.1 确定的各种承载力之间差异从以上看出，建立在试验基础上的 Rowe-Armitage 公式对软岩承载力值有了很大的提 高，单从桩端阻力极限值就提高了 5-10 倍。从而可以看出，规范对岩基的承载力的推荐只 适合较硬岩以上的岩体，对上第三系半成岩，如采用规范求取承载力，较造成巨大的浪费。3.2.2 地基承载力机制分析 岩体在工民建筑中受力面积一般较大，地基与基础的受力是一个很复杂的系统。应该说明的是，室内试验与原位实际受力是截然不同的机制。受压试样实际上是在纵向受压后横向崩解而破坏

13、，很大程度上取决于试样的横向抗拉强度，如果横向抗拉力为零，可以推知，岩 石试样的无侧压抗压强度亦近似为零。而在实际的基础与地基的作用中，地基破坏应该是因 为在纵向压应力作用下，岩石产生横向膨胀，受压岩体对其围岩产生压力，使围岩在横向的 压力超过其抗压强度，地基的最终破坏将是围岩压力发展至极限而生的破坏。其抗力是远远 大于试验室岩石的无侧限抗压强度的。对上第三系半成岩，因其有极为小的抗拉力，粘聚力只有 0.30-0.43Mpa 左右，因而岩石试样的单轴无侧限抗压强度是很低的，再加上该类岩石有着一定的膨胀性和崩解性，进一步说明对上第三系半成岩强度的表示仅仅用单轴无侧限抗压强度是偏小的。 实际上工程

14、中，上第三系半成岩从直接影响其力学工程性能的指标来看，都是比第四系硬土甚至比第四系密实的卵石层有着更为有利的物理力学指标，在工程勘察的原位测试中， 圆锥动力触探的成果曲线能清晰地反应出第四系卵石层与上第三系半成岩的界面，圆锥动力 触探的锥击数在上第三系半成岩的界面有着明显而稳定的提高。因而分析认为上第三系半成 岩是比第四系密实的卵石层更为有利的地基。在规范或工程手册中推荐的极软岩体的承载力 往往远小于第四系卵砾石的地基承载力，这样对上第三系半成岩是不公平的。4. 承载力理论公式分析4.1 基于库仑定律的三轴应力法库仑定律侧重于剪切破坏，即在三轴应力下岩体内所产生的剪应力超出了抗剪极限值， 基础

15、下的岩石不仅受到主压力 1 的作用，它还同时受到围压 3 的影响，处于三轴应力状态。 为更好地应用库仑莫尔直线型包络线，由图 1 的几何关系可得：sin=(1-3)/(1+3+2Cctg) 式中：岩石内摩擦角，C岩石的内聚力。经变换，可得： 1=3(1+sin)/(1-sin)+2Ccos/(1-sin)；令 a=(1+sin)/(1-sin)，b=2Ccos/(1-sin)，则 1=a3+b（#）当 3=0，则得单轴压缩试验结果。很显然，由单轴压缩试验来确定地基承载力，得到 的结果是偏小的，再加上折减系数的修正，将会带来更大的误差。以下为 3 的确定分析： 3 有两种因素产生，其一是岩体的静

16、（侧）压力，当岩体埋藏较深时受到上覆压力，岩体内产生水平向静压力；其二是围岩的附加压力，当岩体纵向压缩产生纵向压缩应变的同时， 发生侧向扩张应变，假设岩层的横向弹性模量是纵向弹性模量的 倍，受围岩侧限效应，产 生水平向压应力，并随 1 的增大而增大。所以可得围岩压力经验分析公式 312+k0h， 式中 1 为岩体承载力，3 为围岩压力，1 为附加围岩压力， 为泊松比，k0h 为岩体水平 侧压力，k0 水平侧压力系数， 上覆岩土体比重，h 为岩体埋藏深度。当岩体埋藏浅时，312，结合式（#）可得 1b/(1-a2) （），可估算出浅埋岩体 的竖向承载力。图 1库仑莫尔强度条件4.2 太沙基公式上

17、第三系半成岩比较坚硬的岩石而言，有较小的粘聚力、有较小的内摩擦角，有较小的 抗压抗拉强度，泥质含量高，具柔性结构特征，因而可用处理第四系地基承载力的太沙基公 式对地基承载力进行分析。上第三系半成岩有较小的孔隙率，和相对较大的变形模量，所以 破坏形式应以整体剪切破坏为主。太沙基假定基础底面是粗糙的，地基的滑动面形状如图 2 所示，可分为三个区：I 区基础底面下的土楔 ABC，由于假定基底是粗糙的，具有很大的摩擦力，因此 AB不会发生剪切位移，该区内土体处于弹性压密状态，它像一个“弹性核”随基础一起向下移动；II 区滑动面按对数螺旋线变化，在 C 点处螺旋线的切线垂直，D、E 点处螺旋线的切 线与

18、水平线成 45°-/2 角；III 区被动朗金区（底角与水平线成 45°-/2 角的等腰三角形）。 根据弹性土楔的静力平衡条件，可求得地基的极限荷载，按方形基础，整体剪切破坏，公式如下： Pu1.2C·Nc+0·d·Nq+0.4·b·Nr 式中：C土的粘聚力，KPa；Q基础两侧土压力 q=0d，若地基土是均质，则基础两侧土压力 q=d；若地基土是非 均质，则 0 是基底以上土的加权平均重度；d基底埋深，m；b基础宽度，m；Nc、Nq、 Nr无量纲承载力系数，可根据内摩擦角从相关表中查出。图 2太沙基地基破坏模型5. 工程实例

19、分析平凉市泾河流域某处，分布着巨厚层的上第三系半成岩，为较完整岩体。通过对其物理 力学指标进行分析，并用以上几种方法分别计算、对比、分析其承载力极限值，以比较出更 为合理的地基承载力确定办法。5.1 物理力学指标及分析岩石的块体密度一般在 2.272.42g/cm3，平均 2.35g/cm3，随砂质含量的提高而稍稍有所 增大；颗粒密度一般在 2.522.82g/cm3，平均 2.75g/cm3，随砂质含量的提高其值增大较为明 显；孔隙率 20.6531.91%，平均 26.99%，泥质岩的孔隙率低于砂质岩类的孔隙率；天然含 水率 10.1521.92%，泥质岩稍高于砂质岩。与第四系松散层相比，

20、岩石块体密度高、孔隙率低、天然含水量低，颗粒密度差别不显著。天然单轴或无侧限抗压强度一般在 0.511.94Mpa，平均 1.21Mpa 左右，属极软岩类； 饱和单轴或无侧限抗压强度最小值可达 0.050.1Mpa，平均 0.08Mpa，说明上第三系泥质岩 遇水软化是极为严重的。岩石（泥质岩）粘聚力 0.30-0.43Mpa，平均 0.34Mpa，一般是第四系粘性土粘聚力的 10倍左右；内摩擦角 30.87-37.68 度，平均 32.85 度，与第四系粗粒土的内摩擦角相差不大。 岩石（泥质岩）的弹性模量（无侧限）0.6Gpa 左右，泊松比 0.13-0.43，平均 0.34；5.2 各种方法

21、对比分别用规范法、经验公式法、公式（）法、太沙基公式法对岩体极限承载力计算如下 表（表 1）。说明：以下计算是在岩体埋藏浅，不计上覆岩土体的压力，基础大小按 1m 方形为前提 的。表 1不同方法所估算的岩体极限地基承载力一览表分类 用饱和单轴建筑地基基础设 计规范建筑桩基技术规 范公路桥涵地基 与基础设计规范经验公式公式（）太沙基公式抗压强度用饱和单轴 抗压强度32 KPa32 KPa40 KPa200 KPa484 KPa484 KPa605 KPa3025 KPa2012 KPa19675 KPa岩体较完 备注整 r 取 0.4假设嵌岩 浅 p 取 0.4岩体较完整清底 较干浄 C1 取

22、0.5极限承载力系 数取 2.5分析假定312方形基础不 计上覆土压根据当地建筑经验，对桩基而言，上第三系半成岩的桩端极限承载力取值一般2000-3000kpa，从表中可以看出，用各种方法计算的承载力差别很大，用规范法若采用室内 单轴抗压强度来折算其地基承载力，其承载力明显偏小，显然是不可取的。由于上第三系半成岩有着较大的内聚力，若套用计算松散层极限承载力的太沙基公式、 或用动力触探成果确定地基承载力，其承载力明显偏大，亦然是不可取的。在实验基础上的 Rowe-Armitage 经验公式计算的极限承载力较为合理，但室内试验所得 的单轴抗压强度只代表岩石力学性质的一个参数，并不能真正成为实际岩体

23、的极限承载力， 而且其高度离散性、特强的水软性，仅仅依据单轴抗压强度乘以由于岩体的破碎而所得的系 数来计算地基承载力有一定局限性。综上所述，用基于库仑定律的公式（），有一定的合理性、实用性。其一，上第三系 半成岩是介于松散土体与岩石之间的地质体，用公式（）可以将它们统一起来，不再因为 第四系松散层的单轴无侧限抗压强度近似为零，半成岩具有一定的单轴抗压强度以及岩石具 有很高的单轴抗压强度而截然分类。其二，用公式（）计算结果更接近真值。6. 结论（1）上第三系半成岩为一套泥质砂岩，砂质泥岩，岩性松软，遇水软化并具有膨胀性，该岩层由于其沉积时代较晚，呈半胶结状态，一般泥质含量较高，具有“柔”性特征，

24、裂隙不甚发育，各向异性不很明显，风化程度呈渐变过渡态，很难找出风化带界线，其较低的强度 主要是胶结程度差形成，风化的因素较小。力学性质处于岩与土之间。（2）上第三系半成岩力学强度较一般岩石，力学强度小，较第四系松散层而言，力学 强度大。（3）在规范中，对于岩和土都有不同的承载力都有不同的建议值，以岩石抗压强度为 基础的地基承载力往往偏小很多，造成了地基承载力的浪费。以第四系松散层物理指标为基 础、或以太沙基公式、或以动力触探结果给出的承载力又有所偏大，同时，本文分析了建立 在试验基础上的 Rowe-Armitage 桩端阻力计算公式的局限性，分析了基于库仑定律的公式（）的合理性、实用性。（4）

25、对上第三系半成岩而言，室内试验岩块破坏机制、强度都不能代表实际地基岩体 的破坏形式。参考文献1金秋奇，王治平主编，简明地吏学 M，中国地质大学出版社，147 2彭华，吴志才，关于红层特点及分布规律的初步探讨（J），中山大学学报(自然科学版)，第 42 卷，第 5期，2003 年 9 月，109-113 3程强，寇小兵，黄绍槟，周永江，中国红层的分布及地质环境特征（J），工程地质学报，2004.12（1），34-40 4彭华，中国丹霞地貌及其研究进展M，广州，中山大学出版社，2000 5万宗礼，聂德新，吴曾谋，黄河上游新第二系红层工程地质特性研究（J），西北水电·2002 年·

26、;第 2 期，60-636中华人民共和国水利部，中华人民共和国国家标准工程岩体分级标准GB50218-94M，北京，中国计划出版社，1995 7中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家标准建筑地基基础设计规范(GBJ50007-2002)M，北京，中国建筑工业出版社，19958张永双，曲永新，硬土软岩的厘定及其判别分类 (J)，地质科技情报，2000 年 3 月，77-80 9中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家标准岩土工程勘察规范GB5021-2001M，北京，中国建筑工业出版社，199510中华人民共和国建设部，中华人民共和国行业标准建筑桩基技术规范(JGJ94-94)M，北京，中国

27、建筑工业出版社，199511中华人民共和国交通部，中华人民共和国交通部标准公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ024-85)M， 北京，中国建筑工业出版社，199512 Rowe, R. k. and Armitage, H. H, 1987(2)”A design method for drilled piers in soft rock” CanadianGeotechnical Journal, Vo 24, pp 126142.Discussion for Physical mechanical properties and foundation bearing capacity of

28、Neogene half-diagenesisLI Qifeng1，2, CHEN Wenwu1,HAN Wenfeng11. College of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou (730000)2. No.146 Team of Gansu Coal Geological Bureau, Pingliang, Gansu (744000)AbstractThe Neogenes sand-based mudstone is widely distributed in the northwest region, thick and shallowburied. Its mechanical properties are between loose soil and the solid rock, also known as semi-diagenesis. This paper analyzes the Neogenes half-diagenes