砂頁巖中泥化夾層的工程地質(zhì)特性分析

李桂平

（山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024)

1 泥化夾層發(fā)育的層位及其工程特點

二疊、三疊紀在我國華北地區(qū)大范圍內(nèi)普遍沉積了巨厚層的碎屑巖層，形成了以砂巖、泥巖和頁巖為主的互層狀的沉積物。砂巖性脆、巖性堅硬，屬于硬質(zhì)類巖石，而泥巖和頁巖性柔、巖性軟弱，屬于軟弱類巖石［1］。在周圍地質(zhì)、構(gòu)造和水文條件適宜的情況下，這種軟硬相間互層分布的巖層在適宜的條件下很容易形成泥化夾層。

泥化夾層外觀多呈泥土狀，隨著泥化夾層類型不同，其中碎屑顆粒的含量也不同，泥化夾層上下巖層多為硬質(zhì)巖層，其突出的特點主要有以下幾個方面［2］：

1)泥化夾層是在特定地質(zhì)、構(gòu)造和水文條件下的產(chǎn)物，厚度一般不大，多為幾毫米至幾厘米，但在一定范圍內(nèi)連續(xù)性較好，泥化夾層上下多為硬質(zhì)的砂巖。在工程地質(zhì)勘察的鉆探中很容易被疏漏，為建筑物地基的安全穩(wěn)定埋下隱患。

2)泥化夾層的物質(zhì)組成隨原巖的成分不同而各異，其共同的特點是遇水泥化、軟弱、抗剪強度低，是砂頁巖地區(qū)主要的工程地質(zhì)問題之一。

3)泥化夾層中多發(fā)育膨脹性礦物，這種遇水膨脹的工程地質(zhì)特性對建筑物地基的穩(wěn)定性影響很大。

4)泥化夾層存在于野外復雜的地質(zhì)體中，由于現(xiàn)場條件的限制，取原狀巖樣進行室內(nèi)試驗或者進行現(xiàn)場試驗的難度大，成本高，時間長，致使大部分中小型工程難以獲得試驗數(shù)據(jù)。

文中作者依據(jù)自己承擔的多個大中型水利工程的地質(zhì)勘察成果，在大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗資料的基礎上，深入分析了泥化夾層的特點、成因、膨脹性和抗剪性能，對工程建筑物地基中有可能出現(xiàn)泥化夾層時，提出了在砂頁巖地區(qū)進行工程地質(zhì)勘察應該注意的事項和工程處理措施，以期為今后在砂頁巖區(qū)建設的工程項目提供借鑒。

2 泥化夾層的形成條件及成因

根據(jù)建筑物地基中開挖暴露出來的泥化夾層情況看，大部分泥化夾層位于地下水位以下，厚度多在幾毫米至幾厘米，原巖多為泥巖及頁巖，呈塑性泥土狀，原巖的結(jié)構(gòu)完全破壞，外觀顏色多呈灰綠、灰紅、深褐等雜色，手搓可感覺有含量不等碎屑顆粒，隨著泥化夾層類型不同，其中碎屑顆粒的含量也不同。泥化夾層上下巖層均為硬質(zhì)的砂巖層組成，層內(nèi)局部發(fā)育微型擠壓褶曲現(xiàn)象，交界面多發(fā)育光面擦痕，含有明顯次生綠色條帶。泥化夾層在一定的范圍內(nèi)是連續(xù)分布的，但厚薄多有變化。泥化夾層多發(fā)育于單斜巖層中，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致。

泥化夾層顆粒組成（質(zhì)量分數(shù))：礫粒含量0～33.1%，平均4.9%；砂粒含量5.7%～61.8%，平均18.0%；粉粒含量3.8%～70.5%，平均53.9%；黏粒含量1.3%～36.7%，平均23.2%；曲率系數(shù)為0.3～2.5，平均值1.2；不均勻系數(shù)為1.3～35.0，平均值18.1。泥化夾層大部分歸類為泥含粉粒碎屑型、黏泥型，部分為碎屑碎塊型或碎屑夾泥型。

泥化夾層含水率 12.8% ～22.4%，平 均值17.1%；天然密度1.74～2.27g／cm3，平均值2.08 g／cm3；干密度1.50～1.98g／cm3，平均值1.78g／cm3；孔隙比 0.427～0.684，平均值 0.559；液限24.9%～38.7%，平 均 值 31.9%；塑限 15.2% ～21.8%，平均值18.0%。

泥化夾層化學成分組成（質(zhì)量分數(shù))：SiO2含量52.82%～66.62%，平均 值 60.46%；Al2O3含量12.11%～16.17%，平均 值 14.39%；Fe2O3含量4.67%～8.74%，平均值5.87%；CaO含量2.00%～7.21%，平 均 值 4.30%；K2O 含 量 3.04% ～4.23%，平 均 值 3.71%；MgO 含 量 1.98% ～2.42%，平 均 值 2.23%；Na2O 含 量 0.62% ～1.14%，平 均 值 0.89%；TiO2含 量 0.54% ～0.86%，平均值0.64%；SO3含量0.03%～1.31%，平均值0.19%；燒失量5.24%～8.98%，平均值7.06%。

從上述現(xiàn)象和試驗成果來看，泥化夾層是經(jīng)歷過強烈的層間擠壓、研磨和揉碎作用的［3］。由于長期地應力的作用，在層狀巖層中會沿著相對軟弱結(jié)構(gòu)面形成層間位移，釋放巖層之間的剪應力，這種位移導致層間錯動。在砂頁巖中砂巖性脆堅硬，泥頁巖性柔軟弱，是該類巖層中相對軟弱的層位，一旦發(fā)生層間錯動，必然是沿著泥頁巖與砂巖交界面發(fā)生層間位移［4］，進而對相對軟弱的泥頁巖進行擠壓、研磨和揉碎，破壞原巖結(jié)構(gòu)，在地下水的參與作用下，形成近似于泥土狀的泥化夾層。在許多工程地基開挖過程中暴露的泥化夾層的情況都證實了這一點。

3 泥化夾層的膨脹性

泥化夾層中主要礦物成分為黏土礦物和碎屑物質(zhì)，化學成分以SiO2和Al2O3為主。作為工程建筑物的地基，泥化夾層的膨脹性直接影響建筑物的安全與穩(wěn)定。

泥化夾層礦物組成（質(zhì)量分數(shù))為：石英含量20%～44%，平均值34%；伊利石含量13%～45%，平均值24%；方解石含量1%～17%，平均值8%；伊蒙混層（主要為蒙脫石)含量4%～11%，平均值7%；斜長石含量3%～11%，平均值7%；堿性長石含量2%～13%，平均值7%；綠泥石含量3%～11%，平均值6%；高嶺石含量2%～6%，平均值4%；白云石含量0～4%，平均值2%；黃鐵礦含量0～2%，平均值1%。

泥化夾層中含有一定數(shù)量的伊利石和伊蒙混層（主要為蒙脫石)等膨脹性黏土礦物，在特定的地質(zhì)條件下會對建筑物地基產(chǎn)生一定的影響。

4 泥化夾層的抗剪性能

泥化夾層抗剪強度指標建議值主要考慮以下幾個方面：

1)泥化夾層現(xiàn)場剪切試驗位于工程現(xiàn)場泥化夾層中，原結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，已經(jīng)歷過層間錯動，試驗是在飽和條件下進行的，多點摩擦試驗代表了泥化夾層的抗剪強度。

2)室內(nèi)反復剪試驗測得的強度是軟化夾層的殘余強度，其試驗狀態(tài)為排水慢剪。由于現(xiàn)場泥化夾層大多位于地下水位以下，不具備排水固結(jié)條件，故分析該試驗的內(nèi)摩擦角試驗值可能偏大。

3)配樣土飽和快剪試驗，較已有泥化夾層干密度的試驗平均值稍大，該試驗值為在不排水狀態(tài)下的強度，其結(jié)果具有一定的代表性，與現(xiàn)場試驗結(jié)果相近。

4)據(jù)泥化夾層顆分試驗結(jié)果，按照《混凝土重力壩設計規(guī)范》（DL5108-1999)，分析該層多屬泥夾粉粒碎屑型，其抗剪斷參數(shù)標準值為f′＝0.19～0.25，C′＝43～64kPa。

5)據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，軟弱結(jié)構(gòu)面為泥時經(jīng)驗值為f′＝0.18～0.25，C′＝2～5kPa。

根據(jù)野外現(xiàn)場直剪試驗，結(jié)合取原狀樣進行室內(nèi)試驗、飽和直剪試驗、反復剪試驗成果，考慮試驗現(xiàn)場巖層傾角及試驗周圍地質(zhì)條件的影響，給出粘泥型軟弱泥化夾層有關(guān)力學指標。

式中：C′為抗剪斷凝聚力；f′為抗剪斷磨擦系數(shù)；f為抗剪磨擦系數(shù)。

上述結(jié)論經(jīng)過多個工程的驗證，證明是安全、有效的。

5 工程地質(zhì)勘察應注意的事項

由于砂頁巖中存在的泥化夾層層薄、軟弱，大部分泥化夾層厚度僅幾毫米，而且具有不確定性，在砂頁巖的工程地質(zhì)勘察中很容易就被漏掉，給建筑物的安全留下了隱患。因此在砂頁巖中進行工程地質(zhì)勘察應注意［5］：

1)勘察之前應充分了解掌握勘察區(qū)的地質(zhì)情況，預測存在泥化夾層的部位，做到有的放矢，有針對性的布置工作量。

2)在砂頁巖區(qū)進行鉆探工作時，應該采用小口徑雙管單動金剛石鉆進或者其它對巖芯擾動不大的先進的鉆探方法［6］，對預測存在泥化夾層的部位，鉆進過程中做到小水量、小進尺，盡量減少對巖芯的擾動。

3)鉆孔結(jié)束后，采用鉆孔內(nèi)高清電視錄像設備進行孔內(nèi)錄像，以恢復鉆探過程中漏掉的泥化夾層。

6 工程處理措施

在砂頁巖地區(qū)建筑物地基如果發(fā)育泥化夾層，應當采取的工程措施有：

1)根據(jù)對地基穩(wěn)定性計算的不同情況，可考慮采取地基錨索加固、上下游齒槽，樁基或采取地基抗滑鍵抗滑等工程措施。

2)如果建筑物地基中發(fā)育的泥化夾層較厚時，應當考慮持力層范圍內(nèi)的泥化夾層本身壓縮變形、膨脹變形對建筑物地基穩(wěn)定性的影響。

3)工程正常運行后應加強建筑物位移變形安全監(jiān)測工作，出現(xiàn)問題及時預報并采取處理措施。

［1］張倬元.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1996.

［2］錢壽易.巖土工程問題及學科的發(fā)展［C］∥巖土力學與工程戰(zhàn)略討論會.巖土力學，1987.8

［3］張咸恭.工程地質(zhì)學［M］.北京：地質(zhì)出版社，1981.

［4］肖樹芳.巖體力學［M］.北京：地質(zhì)出版社，1986.

［5］孫志峰.水利水電鉆鑿施工技術(shù)［M］.長春：吉林科學技術(shù)出版社，2005.

［6］刑斌.水利水電工程地質(zhì)鉆探（第二版)［M］.北京：水利水電出版社，1982.