互层泥岩强度变化规律与物理力学特性试验研究

互层泥岩强度变化规律与物理力学特性试验研究

0广西地区互层泥岩工程面临的问题广西第三系岩石广泛分布，尤其是南宁盆地、白埠盆地和明江盆地。天然、新鲜的原位泥岩通常表现出良好的力学性质。南宁盆地泥岩在中国第三系地层中具有代表意义,随着南宁城市建设步伐的加快,基础深度越来越大,往往选择泥岩层作为地基持力层或桩基持力层。南宁盆地在湖泊环境中,形成了1000～2000m厚的灰色泥岩层,该岩层主要是由不同岩性的互层岩组成,其岩性有粘土质泥岩、粉质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩以及煤夹层,它们交替出现,形成“三明治”似的互层泥岩。有文献仅对南宁盆地纯泥岩的物理力学性做过一些研究,并没有指出软硬交互出现的泥岩对工程的影响,确定承载力的通常做法就是取弱层参数作为地基设计值,这样做是不经济的。由于南宁盆地泥岩属于膨胀性泥岩,具有遇水膨胀失水收缩的特性,成岩作用差,风化带划分困难,室内试验参数变异大等特性,使得其承载力的确定有别于土和硬岩,当岩层为软硬交错的泥岩时,承载力的确定更为复杂了。因此在工程设计与施工时常常会遇到以下几个问题:①岩层多变,室内试验指标过低,参数难以确定,导致试验指标无法采用;②地层变化多样,承载力确定困难,需寻找确定承载力的半经验公式;③施工难以控制施工质量,互层泥岩容易给施工造成假象,软弱下卧层容易被忽视;④工程设计中为了满足设计要求,通常只是一味增加桩长或桩径,没有针对性的处治措施,从而使基础工程造价大幅度提高。以上问题归根结底就是没有进一步深入研究软硬互层泥岩的力学特性,因此针对上述问题,本文结合南宁某工程试验分析与研究,探讨互层泥岩的基本特性与强度特性。1含煤地层的互层泥岩模型南宁盆地地层上以河流冲积相为主的第四纪地层,下为岩性多变的第三系泥岩层,主要岩性为灰色、青灰色泥质岩、粉砂质泥岩、粉砂岩,其间夹1～4层厚度在0.01～2.0m的褐煤层,呈不均匀分布态。在第三系泥岩层中主要存在两大类水平互层:一类是含煤岩层的泥岩互层,另一类则是软硬相间的泥岩、砂泥岩、砂岩互层。互层泥岩典型组合模型有以下几种,见图1。文献已对含煤层泥岩的基本特性作了研究,煤夹层的存在改变了整个泥岩层的特性,表现为改变了地基中应力的传递方式,容易产生应力集中,增大地基的沉降量。与泥岩层相比,煤层的天然密度降低了约33%,质地较轻。顺层向的天然单轴抗压强度为3.4～11.5MPa,变形模量的变化区间为15～210MPa。有文献[10,11,12,13,14,15,16]对盆地泥岩的力学特性做过研究,但对互层泥岩基本性质的研究少见报道,本文将从试验的角度分析互层泥岩的基本特性与强度特性。2抗压强度试验本试验泥岩试样取自于南宁盆地中部,对其进行了物理力学试验、单轴抗压强度试验(包括天然单轴抗压强度试验、饱和单轴抗压强度试验、风干单轴抗压强度试验)、三轴剪切试验以及天然状态下岩石抗剪断强度试验。同时在现场采集了标准贯入试验数据,以分析软硬互层强度特性。2.1储质较薄的砂岩据地质勘察报告本场区地层主要由第四系新近冲积土(Qal)、新近冲洪积土(Qal+pl)以及第三系湖积泥岩(E)组成。此处主要介绍第三系湖积泥岩(E)。泥岩⑦-1:灰色、灰褐色夹黑色,硬塑-坚硬状态,主要成分为粘质泥岩,粉质泥岩,呈互层状产出,夹泥质粉砂岩,砂岩及煤层,局部含炭质及薄层状灰白色泥灰岩,含少许灰白色钙质结核及黑色碳化锰结核,局部含贝壳化石,岩芯采取率一般大于80%,该层岩石风化剧烈,局部近于全风化,层厚3.2～29.0m。泥岩⑦-2:灰色、灰褐色夹黑色,坚硬状态,粘质泥岩,粉质泥岩,泥质粉砂岩,砂岩呈互层状产出,夹煤层及泥灰岩薄层,局部含炭质及贝壳化石,含少量钙质结核及炭化锰结核,岩芯采取率大于80%～100%,RQD为一般70%～95%,9.5～38.0m。泥岩⑦-3:灰色、灰褐色夹黑色,坚硬状态,粘质泥岩,粉质泥岩,泥质粉砂岩,砂岩呈互层状产出,夹煤层,含少量钙质结核,局部含炭质、贝壳化石及薄层状灰白色泥灰岩。岩芯采取率大于85%～100%,RQD值一般80%～100%。2.2前期固结压力的确定室内对泥岩⑦-1、⑦-2、⑦-3进行了基本物理力学试验、三轴剪切试验以及天然状态下岩石抗剪断强度试验,利用卡萨格兰德(A.Casagrande)作图法确定了泥岩的前期固结压力,试验成果见表1和表2。2.3压强度试验结果分别从场区内不同位置采取试样,试样深度分布范围从埋深18.0～68.3m,共进行了150多点次单轴抗压强度试验,包括天然状态下的单轴抗压强度试验、饱和状态下的单轴抗压强度试验、风干状态下的单轴抗压强度试验。具体试验结果见表3。从表3的岩石单轴极限抗压强度试验结果来看,互层泥岩的强度变化差异大,天然状态下的泥岩强度大小之比为0.169,说明互层泥岩受到其岩性、成分、胶结状态以及沉积作用与环境的影响。饱和状态下与风干状态下的互层泥岩强度大小之比分别为0.319、0.420,说明在饱和及风干后,其强度差别不是很大。天然状态与饱和状态下强度变化表现为:⑦-2和⑦-3层饱和抗压强度与天然抗压强度之比分别为0.25和0.23,说明岩石在长期浸泡下,强度将衰减约75%,表现出受水作用后将大大降低其强度,⑦-2层与⑦-3层的软化系数也表明泥岩在水岩作用下破坏了泥岩内部结构,降低了其结构连接。2.4制度试验结果标准贯入试验是了解泥岩性质随深度和岩性变化的最为直接的测试手段,能够直观了解软硬互层的强度变化,从而揭露互层泥岩强度变化规律。为此,在现场对不同埋深的泥岩进行标准贯入试验,本次试验共进行了150多点次的贯入试验,试验深度变化范围从9～70m之间,现对试验数据进行数理统计分析(剔除了异常数据),标准贯入试验击数与埋深关系如图2所示。从标准贯入试验可以看出,同一深度标准贯入击数相差较大,根据锤击数划分风化程度时同一层将会出现不同风化程度,也就造成了互层泥岩风化带划分的困难。互层泥岩岩性多变,多存在软弱薄层或软弱夹层,降低了泥岩的整体承载性能。泥岩结构层多为泥质胶结、钙质胶结,胶结程度差,多存在不连续裂隙、裂纹、节理面和孔洞,水作用易改变岩石的成分与结构,造成结构损伤,从而降低泥岩的强度。3泥岩的特性与强度特性现在的工程建设活动中多涉及到盆地泥岩,泥岩层也成为主要的持力层,而在南宁盆地泥岩层中多以互层状形式出现,互层状泥岩的基本特性与强度特性是工程界一直关心的问题,通过本文试验研究,得出水平互层泥岩的基本特性与强度特性:①互层泥岩强度低,强度变异大,天然状态下的单轴抗压强度为1.0～7.0MPa,饱和单轴抗压强度为0.4～1.3MPa。岩石在长期浸泡下,强度将折减约75%。水作用下泥岩极易崩解软化,强度降低快,数值极低,工程上无法采用。②成岩时间短,成岩作用差,岩相变化大,胶结程度差