耿馬新近紀軟巖-硬土物理力學性質研究

熊向前 張 婷

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

云南省耿馬壩是耿馬縣政治、經濟、文化中心，在經濟建設過程中，起著重要作用。耿馬壩主要巖性為新近紀中新世耿馬組湖泊相灰色、淺灰色極薄層-薄層狀黏土巖、粉砂質黏土巖互層，屬軟巖、硬土過渡性特殊巖土體，到目前為止，對耿馬壩地質研究的手段和方法都不成熟，物理力學參數的系統性討論與研究也相對較少。本次研究對于當地基礎設施建設有著重要意義。

1 大地構造部位

研究區位于橫斷山系南段，總體地勢東北高、西南低，山脈、水系走向多順構造線發育。受構造影響，大山之間形成斷陷盆地，邦馬大山與耿馬大山間夾耿馬盆地。耿馬盆地形成約在喜馬拉雅運動第二幕發生時，先存斷裂的左旋扭張導致地表拉分，在大地構造上位于三級構造單元勐省-東回褶皺束（）的中段耿馬弧形褶皺束。瀾滄江西部分支斷裂從盆地形成以來就成為耿馬盆地的邊界斷裂，其后期活動影響著耿馬盆地的沉積特征。

2 沉積環境及巖相特征

耿馬壩在古生界和中生界（P～J）基底上接受新近紀沉積，其構造-沉積演化分為五個階段:即斷陷初期快速張陷強烈超補償階段、斷陷早期快速張陷欠補償-基底回升階段、斷陷中期快速張陷欠補償階段、斷陷晚期快速張陷補償階段和斷陷晚期萎縮超補償階段。而研究區的軟巖硬土沉積時期為斷陷初期快速張陷強烈超補償階段、斷陷早期快速張陷欠補償-基底回升階段、斷陷中期快速張陷欠補償階段。耿馬盆地地質剖面見圖1。

圖1 耿馬盆地地質剖面

在潮濕氣候條件下，湖相沉積發育有機質多，還原作用強，由大量暗色沉積物生成，根據研究區黏土巖、砂質黏土巖的顏色可判定為還原環境。

研究區內巖性巖相變化較大，縱向和橫向巖相變化明顯，沉積韻律清晰，總體屬于干燥氣候區、山間斷陷盆地類型細碎屑沉積巖建造。

3 物質組成

本次對研究區70m深度內的巖塊隨機取樣進行化學成分及礦物成分分析，結果見表1。

表1 化學成分及礦物成分組成 單位:%

試驗成果:二氧化硅是主要成分，它是以復雜黏土礦物、原生硅酸鹽礦物和游離氧化硅等形態存在的。其次是氧化鋁，氧化鋁是黏土礦物成分的基本組成物質和原生硅酸鹽的組成物質。氧化鐵以游離狀態存在，氧化鈣以碳酸鹽的形式存在，是綠泥石和白云石的主要成分。燒失量反映了有機質的多少。黏土巖中黏粒含量為39.7%，主要以黏土礦物為主，黏土礦物主要來源于硅酸鹽在不同氣候下的產物。黏土礦物的生成，大部分源于硅酸鹽在不同氣候條件下作用的產物，但也可形成于沉積環境時期或者形成于埋藏后的階段。

原生礦物和黏土礦物約各占50%，黏土礦物主要為伊利石和高嶺石，部分為綠泥石；原生礦物主要為石英，少量為斜長石。鐵泥質成分是影響軟巖工程性質的主要因素，其中伊利石作為較強親水礦物，直接影響巖石的變形和強度特征，使得軟巖具備親水性強，遇水易軟化、塑變，強度低，在水的作用下易膨脹，失水易崩解等特性。

對不同深度取樣14組進行顆粒分析試驗，見圖2，黏土巖中黏粒含量近40%，粉砂質黏土巖中黏粒含量近18%。

4 結構及構造特征

在沉積過程中，沉積動力學特征和沉積環境特征直接決定了巖層物質組成、結構構造，進而決定了地層工程地質特性。耿馬盆地為小型第三系陸相張陷盆地，受構造作用控制明顯，盆地形成、沉積相展布均受斷裂控制。耿馬盆地這種受斷裂活動影響的小型陸相盆地，其沉積主要受控于斷裂的多期活動。

圖2 顆粒級配曲線

研究區一般含泥質較多的黏土巖呈極薄層-薄層狀，含粉砂質或鈣質較多的砂質黏土巖呈薄層狀或中厚層狀，局部夾有成巖較差的礫巖、砂巖、粉細砂層透鏡體，為新近紀陸湖泊積為主的細碎屑沉積巖，地層近東西向帶狀分布，水平層理，層序不穩定。

5 室內試驗研究

對不同深度內的18組巖塊進行了天然狀態無側限單軸抗壓強度試驗，試驗結果顯示，樣品最大值4.8MPa，最小值0.88MPa，平均值2.1MPa，屬極軟巖，巖體強度低，飽和狀態強度更低。在開挖過程中可采用機械或人工掘進，為典型的軟巖、硬土過渡型地層。

對15組巖塊樣品按土工試驗方法進行試驗，見表2～表4，天然狀態下黏土巖為中壓縮性土，粉砂質黏土巖為低壓縮性土。兩種巖性混合飽和狀態下為中壓縮性土。該地層為極薄層狀-薄層狀，經過運輸、制樣后樣品試驗成功率較低，對于試驗數據的獲取較為困難。判定新近紀（N1）地層為弱膨脹土（巖）。

表2 物理性質

表3 天然狀態力學性質

表4 飽和狀態力學性質表（未分巖性）

6 原位試驗研究

6.1 注水（壓水）試驗

本次對89段注水（壓水）試驗的統計結果見表5，多數試驗段透水性等級為極微透水和微透水層。

表5 注水（壓水）試驗統計

6.2 標準貫入試驗

本次對5個鉆孔內20m深度范圍內的67點次標準貫入試驗成果進行統計，通過鉆孔及結合實際開挖情況分為上部5m及下部2個深度范圍統計，見表6、表7。

表6 標準貫入試驗統計

表7 標準貫入試驗分析

承載力標準值與標準貫入試驗修正擊數關系采用式（1）進行計算:

式中 fk——承載力標準值，kPa；

N——標準貫入試驗修正擊數標準值，擊/30cm，取3～18。

壓縮模量與標準貫入試驗修正擊數關系采用式（2）進行計算:

式中 Es——壓縮模量，MPa。

6.3 靜力觸探試驗

對新近紀地層上部5 m內9孔靜力觸探孔進行統計，見表8。通過量測系統測土的貫入阻力，可基本換算土的基本物理力學特性，見表9。

表8 靜力觸探試驗成果表

表9 靜力觸探試驗結果分析

承載力標準值與標準貫入試驗比貫入阻力關系采用式（3）進行計算:

式中 f0——承載力標準值，kPa；

ps——比貫入阻力，MPa。

壓縮模量與標準貫入試驗比貫入阻力關系采用式（4）進行計算:

6.4 載荷試驗

對研究區地層上部5m內進行天然狀態與飽和狀態的載荷試驗，各點荷載P與變形W曲線見圖3。荷載試驗成果見表10，上部5m變形模量及壓縮模量計算成果見表11。

圖3 應力-應變曲線

表10 荷載試驗成果

表11 上部5m內變形模量及壓縮模量計算成果

變形模量E與應力-應變關系采用式（5）進行計算:

式中 E——巖體變形模量或彈性模量，MPa；當以全變形代入式中計算時為變形模量E0；

μ——巖體泊松比，飽和0.31，天然0.30；

P——按承壓板面單位面積計算的壓力，MPa；

D——承壓板直徑，cm；

W——巖體表面變形，cm。

6.5 剪切試驗

對選取研究區的3個點采用平推法進行現場剪切試驗，試體體積為50cm×50cm×35cm，根據抗剪斷和摩擦試驗峰值強度與相應的正應力采用圖解法擬合剪應力τ與正應力σ關系曲線（見圖4），回歸計算直剪強度參數（見表12）。

圖4 剪切試驗剪應力-正應力（τ-σ）關系曲線

表12 剪切試驗強度成果

7 物理力學取值探討

研究區地層單點的承載力差異性較大，與其巖性復雜、豎向變化較大的規律是對應的，在剔除異常值后天然狀態與浸水飽和后的極限載荷、比例界線以及計算后的變形模量和壓縮模量基本一致，說明該套巖層浸水飽和后的承載力與天然狀態下相差不大，與該地層微-弱透水性的性質是相關的。根據載荷試驗成果，采用極限承載力的小值及平均值除以安全系數1.5與比例界限值進行對比分析，同時根據標準貫入試驗、靜力觸探成果和室內試驗成果分析，綜合確定該層上部5m內及下部的承載力。

因巖體呈極薄層-薄層狀構造，且傾角近水平，巖性復雜，豎向上差異較大，現場剪切試驗成果顯示剪切試驗多沿層面剪切破壞，抗剪斷強度f＇、C＇及抗剪強度C、φ值均較小，在工程建設后極易沿層面破壞。

通過對黏土巖、粉砂質黏土巖成因、巖相、化學成分、物質組成等分析，綜合試驗成果、試驗方法和試驗過程，提出研究區物理力學性指標建議值（見表13）。

表13 物理力學性質地質建議值

8 結 語

新近紀中新世耿馬組黏土巖、粉砂質黏土巖為湖泊積，成巖時間短，為典型的軟巖、硬土過渡性特殊巖土體。該地層成因較為復雜，巖性、強度及膠結程度等在垂向及水平方向相差較大，強度差異性較大，同時夾成巖較差的礫巖、砂巖透鏡體，造成該地層更大的強度差異。

對于軟巖-硬土特殊巖土體，應重視現場試驗和原位測試成果，采用多種手段相互驗證成果參數的合理性。力學參數宜選取小值平均值，以規避工程風險。對于層面或軟弱結構面發育的巖土體，應加強專門性研究。