南宁第三系浅表层风化泥岩物理力学及膨胀特性指标分析

南宁第三系浅表层风化泥岩物理力学及膨胀特性指标分析唐迎春;黄钟晖;张凯;周峰;欧孝夺【摘要】通过对南宁市201个工程第三系泥岩资料进行的分析,对各物理、力学及膨胀性指标进行统计研究,为南宁盆地地下工程的参数选取提供参考.研究表明,南宁第三系浅表层风化泥岩物理指标变异性较小,尤其在95％置信区间取值范围偏差较小,在参数分析时可作为常量考虑;而力学指标和膨胀特性指标数据变异性较大,需要考虑其差异性.南宁第三系泥岩具有抗压强度高,压缩性低,抗剪强度高,黏聚力大的特点.膨胀特性指标方面,南宁第三系泥岩的自由膨胀率与其他城市膨胀岩土相比偏低,为弱膨胀性岩土;膨胀力因岩组成因和风化程度不同差异较大,建议在参数选取时针对具体工程考虑.期刊名称】《工程地质学报》年(卷),期】2014(022)001【总页数】8页(P144-151)【关键词】南宁盆地;泥岩;物理力学指标;膨胀性指标【作者】唐迎春;黄钟晖;张凯;周峰;欧孝夺【作者单位】广西大学土木建筑工程学院南宁530004;广西财经学院管理科学与工程学院南宁530003;南宁轨道交通有限责任公司南宁530021;南宁轨道交通有限责任公司南宁530021;南宁轨道交通有限责任公司南宁530021;广西大学土木建筑工程学院南宁530004正文语种】中文【中图分类】TU45南宁盆地位于广西西南部，盆地内部地势平坦，邕江自西向东穿越其间，两岸阶地发育明显，为上部覆盖填土或圆砾层、下部泥岩的典型二元结构阶地。位于浅表层的第三系风化泥岩具有典型膨胀岩土特性，其吸水后体积膨胀强度衰减剧烈，力学性质变化明显。膨胀性岩土特性和工程问题一直是工程研究领域的热点和难点，国内外学者对此进行过许多研究［1~6］,但是目前针对南宁盆地胀缩性泥岩的研究仍缺乏深入性和系统性。对岩土参数指标进行概率统计是岩土工程领域的难点之一，因区域性岩土结构特性差异、试验样本有限等，将导致统计参数的变异性较大，但近年来国内外一些学者对此进行改进和探索［7-11］,其中张继周等［9］对苏中腹地湖相软土的参数变异性统计进行分析;张先伟等［10］对湛江强结构性黏土的物理力学性质指标进行研究;曹亮等［11］对苏州软弱层土体微观结构进行定量分析。本文以南宁盆地201个已建工程的地质勘察资料为分析对象，通过对南宁第三系泥岩的物理力学及膨胀特性指标变化进行统计分析和总结，为该区域岩土参数研究进行补充和完善，以期为南宁市涉泥岩的地下工程参数选取提供参考。南宁盆地第三系泥岩为湖相沉积地层，其地质形成年代从新至老分为渐新统的北湖组(E3b)、里彩组(E3I)、南湖组(E3n)、佛子坳组和古新-始新统的a组()、b组)、c组)、d组()(图1)。南宁第三系泥岩的主要矿物成分为伊利石、高岭石，少量蒙脱石，具有一定胀缩性。第三系泥岩主要分布在南宁东部和西南部:其中东部丘陵区主要为北湖组，呈灰白、浅灰、灰绿色厚层泥岩和粉砂质泥岩;西南部多为古新-始新统泥岩，呈浅灰、灰色泥岩、粉砂质泥岩夹钙质泥岩。在南宁盆地典型地质剖面示意图上可以看到，南宁第三系泥岩顶部埋深一般为20~30m，在南宁盆地东部和西南部埋深较浅，其泥岩顶部埋深一般为4~8m,局部区域甚至出露地表（图2）。南宁盆地中第三系泥岩层厚度分布由几十米到几百米不等，本文研究对象为距离地表40m以内的浅表层风化泥岩层，该岩层深度是工程建设最主要的影响深度范围，通过对该岩层各参数进行研究可为本区域中小型岩土工程勘察和设计提供一定借鉴。为了增加统计可靠性，本次研究中要求进行严格的统计分组，保证所有样本均为同一地质单元即第三系泥岩，同时尽可能获得大量有效样本数，以减少统计参数的变异性。本次统计数据主要来源于南宁市各涉及膨胀岩地层的已建工程资料，其中选取统计的各工程点样本分布（图3）。将每个工程点的取样埋深均值、参数建议取值作为一个独立样本，统计第三系泥岩的基本物理指标、力学性质指标和胀缩特性指标。参数统计时，首先以3o法则剔除异常数据，再以专业统计软件SPSS对其频率分布进行分析，以得到各参数的均值、标准差、样本数目、95%置信区间取值等常规性指标，并对各指标的分布描述参数，如偏度、峰度等简要介绍如下:⑴偏度是对分布偏斜方向程度的测定，通常用a3表示，以三阶中心矩除以标准差的3次方计算，公式如下:当a3为正数，表示分布为右偏;反之表示为左偏。（2） 峰度是频度分布曲线与正态分布相比较顶端的尖峭程度，统计中以四阶中心矩测定峰度，其计算公式如下:当a4=3时，分布曲线为正态分布;当a4v3时，分布曲线为平峰分布;当a4>3时，分布曲线为尖峰分布。（3） 对于参数整体分布规律正态性检验，采用Kolmogorov-Smirnv（简称K-S检验）统计量进行判别，当检验的显著水平Sig.大于0.05时，表示接受原假设即服从正态分布，反之则正态分布不明显。通过对南宁市201个工程的第三系泥岩资料进行统计和分析，得到物理指标统计结果（表1）。从表1中可知各物理指标的统计参数如均值、标准差、样本数目、95%置信区间取值、偏度、峰度、正态分布检验显著水平等参数。为了更具体呈现各物理指标的分布情况，绘制其频率分布（图4），同时统计各深度物理参数分布变化（图5），将各物理指标特征总结如下:⑴含水率w均值为17.55%，主要分布区间范围为14%-20%汾组频率分布曲线为向右偏平峰型分布，其正态分布不明显。含水率在10m以内较浅位置数值较大，且随着深度增加略有减小。分析其原因认为，南宁盆地地下水位深度一般为8~15m，且大气影响深度为8m，埋深较浅处泥岩处于大气影响深度范围内或地下水位附近，因此其含水率数值较大，而较深处泥岩层一般位于隔水层以下，故含水率数值较小。（2）天然密度p均值为2.13g・cm-3，主要分布区间范围为2.0~2.2g・cm-3,标准差0.07，变化值范围较小;其频率分布为左偏平峰型分布，其K-S检验显著性水平Sig.为0.06，大于0.05，为正态分布。孔隙比e均值为0.513，处于较密实状态，标准差0.098，变化值范围较小，为右偏平峰型分布，该参数正态分布不明显。南宁第三系泥岩随深度增加，密度略有增大，而孔隙比略有减小。⑶饱和度Sr均值为93.88%，主要分布区间范围为93%~97%，为左偏平峰型分布，服从正态分布，随深度增加规律变化不明。（4）液限wL均值为34.49%，为中等液限岩土，主要分布区间范围为28%~40%,为右偏平峰型分布，正态分布显著。塑限wP均值为19.31%，主要分布区间范围为16%~22%，正态分布不明显。液限随深度增加规律不明，塑限随深度增加而略有减小。从以上统计数据分析，各参数的标准差值均较小，最大的是液限其数值为4.52;变异系数最大的是孔隙比仅为0.191，说明各参数变异性较小，分布离散程度较小。各物理参数指标原始数据变化区间值较大，但是主体分布较集中。尤其是统计各参数均值95%置信区间范围非常小，故在参数选取时可将其视为常量考虑。以含水率指标为例，其统计原始极小值和极大值变化范围10.3%~27.5%，但统计中其95%置信区间为17.11%-17.99%，变化幅度较小，仅为均值的5%。因为本次分析对象分处于各个工程点，取各土样的平均埋深数值进行统计，所以仅能大致反映参数与埋深关系趋势。对南宁市第三系泥岩的力学指标参数进行统计分析（表2），并绘制各参数的频率分布图（图6）及各力学参数与埋深关系图（图7）。将南宁第三系泥岩各力学指标特征描述如下:⑴黏聚力c均值为114.33kPa，主要分布区间范围为50~160kPa，标准差52.98，变异系数为0.463，变化较大;内摩擦角申均值为18.10°,主要分布区间范围为10°-25°;黏聚力和内摩擦角频率分布曲线均为右偏平峰型分布，均服从正态分布。黏聚力和内摩擦角均随着深度增加而略有增大，其中黏聚力变化趋势较内摩擦角明显。（2） 压缩系数a1-2均值为0.096MPa-1,主要分布区间范围为0.05~0.10MPa-1,变异系数为0.40；压缩模量E均值19.74MPa，主要分布区间范围为10~25MPa，变异系数为0.356，变异性较大;两者频率分布曲线均为右偏平峰型分布，正态分布不明显。压缩系数和压缩模量分布较离散,随着深度增加关系不明显。（3） 抗压强度f均值为1.29MPa，主要分布区间范围为0.5~2.0MPa，变异系数0.528，变异性较大，为右偏平峰型分布，正态分布明显。修正标准贯入击数N均值为42击,主要分布范围为20-45击,变异系数0.403,为右偏平峰型分布,正态分布不明显。抗压强度和标贯击数均随深度增加而增大明显。从以上统计结果可知,各力学参数指标原始分布偏差较大,变异系数值均大于0.4,参数离散性大。以黏聚力为例说明，其统计原始极小值和极大值变化范围22.5~270.6kPa，标准差为52.98，变异系数为0.463，离散性较大。本次统计黏聚力均值为114.33kPa，相比南宁盆地第四系黏土强度要高，前期对南宁地铁一号线详细勘察108个钻孔资料统计，黏聚力均值为39.5kPa。南宁市第三系泥岩为湖湘沉积成因，处于由岩石向黏土风化过渡阶段，描述其为“非岩非土”非常贴切，即半岩石半土之间，因此结构性较好，黏聚力较大。南宁第三系泥岩的压缩性小，压缩系数al-2平均值小于0.1MPa-1,属于低压缩性岩土。第三系泥岩抗剪强度偏高，结构强度较好。对南宁市第三系泥岩的膨胀性指标进行统计分析（表3），并绘制各参数的频率分布图（图8）和各膨胀性参数与深度关系图（图9）。南宁第三系泥岩各膨胀性参数特征如下:（1） 自由膨胀率作为膨胀岩土特性参数的重要指标，在膨胀土规范中作为膨胀性潜势分类依据［12］。从以上自由膨胀率的频率分布图看出，本次Sig.大于0.05，则说明统计数据服从正态分布，反之正态分布不明显统计数据中自由膨胀率Sef均值为56.79%，主要分布区间范围为40%~65%，变异系数为0.277，变异性较大，频率分布曲线为右偏平峰型，正态分布明显。从图9中可以看出自由膨胀率与深度无明显关系。分析其原因认为，自由膨胀率主要与矿物成分及黏粒含量相关，即矿物亲水性愈强，黏粒含量愈高，其自由膨胀率越大。因此在南宁第三系泥岩中其膨胀率的主要影响因素为风化程度及形成岩组差异，而与深度并无直接关系。南宁第三系泥岩膨胀潜势为弱膨胀性，与国内其他城市的典型膨胀岩土相比，自由膨胀率数值偏低（图10;数据来源于文献［1］）。（2） 膨胀力是反映黏性土膨胀性强弱的指标，是指在侧限约束时充分吸水，使其保持不发生竖向膨胀所需施加的最大压力值。膨胀力随深度增加而略有增大，但是影响膨胀力的因素较多，如岩土的矿物成分、结构和胶结程度等。本文统计膨胀力均值为101.08kPa，但数据分布非常离散，其最大值为246kPa，最小值仅22kPa,标准差为48.06，变异系数0.475，空间变异性较大。因此在参数选取时应作为变量具体分析，应考虑其岩组的成因及风化程度差异等。(3)收缩系数是指膨胀土失去单位含水量时所产生的竖向收缩率，是计算收缩变形量，评定地基等级的重要指标。本次统计收缩系数As均值为0.52，主体均匀分布于0.2~0.9之间，但在0.5处有集中峰值，变异系数为0.363，分布较离散，随深度增加略有降低。综上所述，南宁第三系泥岩为典型膨胀岩土，具有中等偏弱膨胀潜势，自由膨胀率与国内外典型膨胀岩土相比偏低;膨胀力和收缩系数均分布较离散，在工程应用中应充分考虑其差异性。南宁第三系泥岩的各物理指标变异性较小，尤其在95%置信区间取值偏差较小，参数分析可作为常量考虑。力学指标中各参数变异性较大，应作为变量处理，南宁第三系泥岩介于“岩”与“土”之间，有较强的结构性，为低压缩性岩土，其抗压强度高，抗剪强度较高，黏聚力较大。膨胀特性指标变异性较大，需要考虑其变异性影响。南宁第三系泥岩的自由膨胀率与其他城市典型膨胀土相比偏低，为弱膨胀性岩土;但膨胀力因分布区域不同、岩组成因和地层形成年代不同而差异较大，数值分布较离散，因此在参数选取时需针对具体工程考虑。【相关文献】[1]谭罗荣，孔令伟•特殊岩土工程土质学[M]•北京:科学出版社，2006,90~91.TanLuorong，KongLingwei.SoilScienceofSpecialGeotechnicalEngineering.Beijing:SciencePress,2006,90-91.[2]范秋雁膨胀岩与工程[M].北京:科学出版社，2008,25~35.FanQiuyan.SwellingRockandEngineering.Beijing:SciencePress，2008，25-35.[3]吕海波，曾召田，赵艳林，等•膨胀土强度干湿循环试验研究•[J].岩土力学，2009,30(12):3797~3802.LuHaibo,ZengZhaotian,ZhaoYanlin,etal.Experimentalstudiesofstrengthofexpansivesoilindryingandwettingcycle.RockandSoilMechanics，2009，30(12):3797~3802.[4]李雄威，王勇，张勇•南宁地区膨胀土膨胀力的现场测试[J]•工程勘察，2012,(9):1~3.LiXiongwei，WangYong，ZhangYong.FieldtestofswellingforceonexpansivesoilinNanning.GeotechnicalInvestigation＆Surveying，2012，(9):1~3.[5]马福荣，张信贵•南宁盆地第三系泥岩物理性质与强度关系的研究[J]•岩土力学，2005,26(增2):123~125.MaFurong，ZhangXingui.RelationshipbetweenphysicalcharacterandstrengthofmudstoneofTertiaryinNanningbasin.RockandSoilMechanics，2005，26(S2):123~125.[6]张油军•南宁市轨道交通一号线沿线岩层组合模型及区划研究[D]•南宁:广西大学，2012.ZhangYoujun.CombinationModelingandZonePartitionStudyontheConstructionAreaalongNanning'sSubwayLineNo.1.Nanning:GuangxiUniversity，2012.[7]张征，刘淑春，邹正盛，等•岩土参数的变异性及其评价方法[J].土木工程学报，1995,28(6):43~51.ZhangZheng，LiuShuchun，ZouZhengsheng，etal.Thevariabilityandevaluationofparametersofrockandsoil.ChinaCivilEngineeringJournal，1995，28(6):43~51.[8]陈炜韬，王玉锁，王明年，等•黏土质隧道围岩抗剪强度参数的概率分布及优化实例[J].岩石力学与工程学报，2006，25(S2):3782~3787.ChenWeitao，WangYusuo，WangMingnian，etal.Probabilitydistributionandoptimizingexampleofshearstrengthparametersofsurroundingrockincohesivesoiltunnel.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2006，25(S2):3782~3787.[9]张继周，缪林昌，陈俊波•苏中腹地湖相软土土性参数变异性统计描述[J]•岩土力学，2010,31(2):471~477.ZhangJizhou，MiaoLinchang，ChenJunbo.Statisticalcharacterizationofvariabilityoflacustrinesoftsoil