天水地區甘肅群半膠結泥巖的承載力估算分析

余鵬 劉健斌

摘 要：文章通過對天水市新近系甘肅群半膠結泥巖現場測試和室內試驗的整理統計，分析其工程特性，并根據試驗指標對泥巖承載力進行估算，對比分析出較為合理的估算方法，推斷出該地區本地層標貫擊數與地基承載力關系經驗公式。

關鍵詞：半膠結泥巖；承載力基本容許值；試驗分析

1 概述

新近系甘肅群半膠結泥巖，巖性以灰綠色、灰白色、磚紅色和紅褐色的泥巖為主，多呈互層出露，薄層狀碎裂結構，在天水地區廣泛分布，該層具“半巖半土”的特性。在十天高速天水段高速公路勘察過程中，對該層進行了大量的現場標貫測試、室內土工試驗和巖石力學測試，通過對試驗資料的整理統計，分析其承載力基本容許值[fa0]。

2 地層概況

工程區內出露的新近系地層主要為上新近系甘肅群上巖組（NG2）和下巖組（NG1）。

2.1 上巖組（NG2）

巖性為灰綠色泥巖、灰白色泥灰巖、磚紅色泥巖等，多互層出露，巖體完整性極差，多呈薄層狀碎裂結構，上部巖體風化強烈，多呈散體結構。根據區域資料，該層厚度大于130m。主要分布于西和縣城、劉家磨到天水鎮及關同到董家莊一帶兩側的黃土塬上及沖溝兩側。

2.2 下巖組（NG1）

上部紅褐色泥巖、磚紅色粉砂質泥巖、礫巖為主，中薄層，巖體較破碎。根據區域資料，該層厚度大于285m。該層頂部有厚約20余米的泥巖夾密集鈣板層，呈互層狀，單層厚度約0.5～0.6m。該標志層是甘肅群上下巖組標志性分層部位。主要分布于皂角鎮堡子山到店鎮峽門一帶和關同村附近。

3 地層特征

其物理力學性質介于巖與土之間，根據巖石物理力學性質試驗結果，其飽和抗壓強度平均值為0.52～1.29MPa，重度20.3～20.6kN/m3，呈堅硬至硬塑狀態，該層具有弱～中脹縮性，自由膨脹率平均值約38%。

該層巖性松軟，遇水軟化并具有膨脹性，該巖層由于沉積時代較晚，沉積時間較短，呈半膠結狀態，含泥量高，強度均較低，體現出柔性特征，裂隙不發育，各向異性不明顯，風化程度呈漸變過渡狀態，很難找出風化界線，也很難找出不同風化狀態的承載力差異。

4 試驗統計

為了便于試驗統計、對比和分析，結合現場標貫試驗和野外巖芯狀態，將泥巖按照現場標貫實測擊數進行粗略的劃分，以標貫實測擊數30擊、60擊為界限點將泥巖分為三個層次，剔除異常值后，對泥巖有效的345組土工試驗和56組巖石力學試驗指標分層進行整理統計，統計結果見表1、表2。

5 試驗指標分析

5.1 土工試驗指標分析

由于泥巖具有土的性質，從土工試驗參數統計結果可以看出，半膠結泥巖的液性指數I1和天然孔隙比e均比一般粘性土的值偏小，這說明，泥巖在膠結巖化過程中，顆粒之間聯接更加緊密，孔隙減少，與半膠結泥巖的野外狀態較契合。

根據統計值可以看出，泥巖的液性指數I1、壓縮模量越高，孔隙比e、壓縮系數α0.1-0.2越小，標貫擊數N越大。

5.2 巖石力學指標分析

由于泥巖具有半巖性質，從巖石力學統計結果中可以看出，泥巖的飽和抗壓強度Rw<5MPa，屬極軟巖。這是由于泥巖的膠結時間過短，泥質含量較高所致。

根據統計值可以看出，泥巖的天然和飽和單軸抗壓強度與標貫擊數成正比關系，抗壓強度越大，標貫擊數也越高。

5.3 縱波波速值分析

新近系甘肅群半膠結泥巖巖質較軟，因此縱波波速值Vp均較小。實測波速值越大，標貫擊數也隨之增高。

統計結果顯示，泥巖狀態越好，強度越高，標貫擊數越大。因此，標貫擊數可作為泥巖承載力估算的重要指標。

6 各規范估算承載力比對分析

由于泥巖本身膠結狀態較差，在試樣制飽和時易沿沉積層理面和薄弱膠結面崩解，導致飽和單軸抗壓強度有效的試驗結果較少，且泥巖遇水軟化明顯，飽和抗壓強度值無法代表實際地基巖體的強度，當采用飽和抗壓強度估算其承載力時，小值與軟弱粘性土的值相當，明顯偏小，大值也偏大。綜上，由于巖石力學試驗成本較高，可得出的有效數據較少，值較離散，因此巖石力學指標在新近系半膠結泥巖承載力估算的實際運用中并不具有廣泛意義。

泥巖本身性質與老粘土較為接近，土工試驗代表性指標也能較為清晰的體現出泥巖的力學特性，且成本低廉，參照一般粘性土地基采用Il及e進行估算的承載力與當地現場平板載荷試驗的實測值較為接近，因此采用土工試驗代表值估算新近系半膠結泥巖承載力在實際運用中合理且較為便利，可大力推廣。

7 利用標貫值估算承載力的經驗公式

根據上述試驗結果分析和已有資料，標準貫入試驗的擊數與泥巖的強度和狀態呈正比，可作為承載力估算的重要指標。由于土工試驗和巖石力學試驗本身有滯后性，為方便現場判斷新近系半膠結泥巖承載力，可直接采用標準貫入試驗擊數對承載力進行估算。

標貫擊數與地基土承載力關系大多為線性關系，且線性關系方便野外判別承載力的計算，因此實際工程應用采用標準貫入試驗確定新近系甘肅群半膠結泥巖的地基承載力基本值時，經驗關系可以采用一次多項次擬合，可采用下列形式：

[fa0]=aN+b

結合十天高速天水段現場勘察的現場標貫和土工試驗，本次采用反分析方法，先根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTGD63-2007）表3.3.3-6估算試樣的承載力值，再根據該試樣所在段的現場標貫擊數反推出a、b取值，計算結果為a=6，b=50。

從而得出天水地區新近系甘肅群半膠結泥巖標貫擊數與地基承載力的關系為：

[fa0]=6N+50（當N>70時，N取70）

由于該地區泥巖的現場標貫擊數的范圍值在25～108擊，在實際工作中，為偏安全考慮，當N>70時，N取70即可。據此式估算的該地區半膠結泥巖的承載力基本值為200-470之間，與現場實測值和規范中經驗值接近，可在實際工作中直接運用。

8 結束語

采用參照一般粘性土地基采用Il及e進行估算的承載力與當地現場平板載荷試驗的實測值較為接近，且成本低廉，在實際運用中較為合理且便利，可大力推廣；可采用現場標貫擊數和承載力之間的經驗公式在野外直接估算天水地區新近系甘肅群半膠結泥巖承載力。

參考文獻

[1]張喜剛，等.JTG D63-2007.公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[2]祝建農.試用綜合勘探手段確定半成巖巖石承載力[J].鐵道工程學報，1996（4）：66-72.

[3]張永雙，曲永新.硬土-軟巖的厘定及其判別分類[J].地質科技情報，2000，19（1）：77-80.

作者簡介：余鵬（1984-），男，籍貫：湖北宜都，學歷：碩士研究生，職稱：工程師，研究方向：路基、路面工程。