南寧盆地泥巖壓縮特性分析

趙印良

(桂林市勘察設計研究院，廣西 桂林 541002)

0 引言

隨著南寧城市的高速發展，高層建筑、交通立交、跨江大橋、水利大壩相繼建設，諸多建(構)筑物都利用了南寧盆地泥巖作為天然地基或樁基礎的持力層[1]。因此，為了南寧城市建設發展，準確合理地分析掌握南寧盆地泥巖壓縮特征及規律，提供安全可靠、經濟合理的巖土工程地基變形計算設計參數，對南寧盆地各種狀態泥巖的壓縮變形特征及規律進行分析研究非常必要。

在過去所做實際工程中，南寧盆地泥巖壓縮性試驗主要是在100 kPa～200 kPa壓力作用的試驗，隨著建筑物層數增加和構筑物荷重增大，作用于泥巖地基上的基底壓力遠大于200 kPa，因此，不僅需要進行常規壓力作用下固結壓縮試驗，更需要進行超高壓力作用下固結壓縮試驗。結合實際工程室內試驗數據，分析不同風化程度的泥巖在同一壓力(常規)條件下和同一風化程度泥巖在不同壓力(高壓)條件下的壓縮性質及規律，應用數理統計方法的最小二乘法對試驗數據散點圖分布規律性進行函數擬合，找出泥巖壓縮指標變化的規律性，得出相關經驗計算公式。應用這些相關數據及公式，首先便于在巖土工程勘察分析研究過程中準確地把握南寧盆地泥巖的壓縮性變形規律，更好地為工程建設提供安全可靠的數據；其次可節約大量鉆探、取樣、試驗的時間及費用；再者對南寧盆地泥巖壓縮性指標的進一步分析研究提供幫助及指導性作用。

1 南寧盆地泥巖基本特性

南寧盆地泥巖為第三系古—漸新統泥巖，呈灰白、淺灰、淺灰綠色，中厚—厚層泥巖和粉砂質泥巖，巖石的固結程度較低，表層風化程度較高[2]。泥巖基本特征主要表現在五個方面[3]：① 成巖時間短，成巖作用差，膠結程度差，呈‘土不土、巖不巖’的半成巖狀態；② 顆粒高度分散，富含親水性的黏土礦物，具有膨脹性，屬膨脹巖；③ 巖性成分復雜，有黏土質泥巖、粉土質泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖等，互為夾層，千層餅狀，軟硬強度交替變化，風化帶劃分困難；④ 裂隙發育，易風化，見風見水，碎裂軟化；⑤ 試驗制樣困難，試驗數據離散很大，干燥狀態下制樣易開裂，飽和狀態下由于崩解軟化其強度較低。

泥巖分為全風化、強風化、中風化等三層[4]。其中：① 全風化層：呈可—硬塑狀態，黏土狀，切面光滑，無搖振反應，有光澤，干強度高，韌性高；露出地表且長期被水浸泡的低凹地帶，泥巖呈軟塑狀態，膨脹性中—強，高—中壓縮性，土體強度較低；② 強風化層：濕—稍濕，硬塑—堅硬，厚層狀，成巖程度較低，偶含貝殼類化石；失水干裂，遇水易軟化，膨脹性中—強，低壓縮性，為極軟巖，與粉砂質泥巖呈互層狀；③ 中風化層：稍濕，堅硬，敲擊稍有剛性回聲，巖石結構部分破壞，厚層狀構造，為極軟巖—軟巖。

2 固結壓縮試驗結果及分析

在巖石固結壓縮試驗過程中，把泥巖當一般土體，在壓力作用下，孔隙水逐漸排出，孔隙水壓力消散，有效壓力增大，完成巖體的壓縮(固結)試驗，得出泥巖的壓縮性指標[5]。壓縮試驗在固結儀中進行，固結儀容器中使用的試樣環刀直徑為78.9 mm，試樣上下面為排水順暢的透水石，試驗加荷設備能垂直在瞬間施加各級規定的荷重，且沒有沖擊力，試驗變形量測設備為量程10 mm、最小分度為0.01 mm的百分表。試驗分常規固結壓縮和高壓固結壓縮兩種，常規固結壓縮，在同一壓力條件下變形壓縮試驗，用不同風化程度即不同孔隙比的巖石，在壓力100 kPa～200 kPa常規壓力條件下，試驗得出壓縮系數a和壓縮模量Es力學性質指標，分析壓縮指標與孔隙比之間的變化規律。高壓固結壓縮為不同壓力條件下固結壓縮試驗，用同一風化程度即用相同或相近孔隙比的巖石，先用400 kPa壓力預壓，再加壓力，從5×100 kPa～44×100 kPa超高壓力條件下，試驗得出壓縮系數a和壓縮模量Es力學性質指標，分析壓縮指標與不同壓力之間的變化規律。

2.1 不同風化程度泥巖在同一壓力條件下變形壓縮試驗

選取全風化、強風化、中風化泥巖，在壓力100 kPa～200 kPa作用下，進行壓縮固結試驗，得到壓縮系數a和壓縮模量Es力學性質指標。

2.1.1 全風化泥巖壓縮試驗

全風化泥巖壓縮試驗以某學院教學大樓場地的泥巖④-1為例，該場地位于南寧盆地二級階地上，地面以下18 m內為第四系土層，下伏第三系泥巖，與泥巖接觸土層為圓礫層，圓礫之下泥巖為全風化層，呈可塑到軟塑狀態，屬中—高壓縮性泥巖，壓縮試驗結果統計見表1。

表1 全風化泥巖壓縮試驗物理力學指標統計結果Table 1 Statistic result of physical and mechanical index of fully weathered mudstone in compression test

2.1.2 強風化泥巖壓縮試驗

強風化泥巖是南寧盆地普遍存在的一種泥巖，常做建筑地基持力層，為硬塑—堅硬狀態。以綠港·歡樂里場地的強風化泥巖⑤為例，該場地位于南寧盆地四級階地上，地面以下第四系土層厚8～10 m，下伏第三系泥巖，與泥巖的接觸土層為含黏土圓礫層，圓礫之下為中—低壓性土強風化泥巖，強風化泥巖壓試驗指標統計結果見表2。

表2 強風化泥巖壓縮試驗物理力學指標統計結果Table 2 Statistic result of physical and mechanical index of strongly weathered mudstone in compression test

2.1.3 中風化泥巖壓縮試驗

中風化泥巖呈堅硬狀態，為低壓縮性土。以北部灣科技園總部基地一期A區場地中的風化泥巖⑦為例，該場地位于南寧盆地四級階地上，地面以下第四系土層厚10～12 m，土層以下為第三系泥巖，與泥巖的接觸土層為含黏土圓礫層，圓礫之下為軟—可塑的全風化層、硬塑—堅硬的強風化層、堅硬狀態的中風化層。本次試驗巖石為埋深在20 m以下的堅硬狀態中風化泥巖，壓縮試驗性物理力性質指標統計結果見表3。

表3 中風化泥巖壓縮試驗物理力指標統計結果Table 3 Statistic result of physical and mechanical index of medium weathered mudstone in compression test

通過以上幾個代表性工程實例的全風化、強風化、中風化巖石試驗，南寧盆地泥巖的物理力學性質有如下特點：① 物理力學參數差異性很大，往往介于巖和土之間，含水量(W)在13.86%～43.60%之間；孔隙比(e)在0.480～1.228之間：液性指數(IL)在-0.37～0.95之間，壓縮系數(a1-2)在0.06～0.75之間，壓縮模量Es在3.0～24.1之間。② 壓縮性與風化程度相關，或者說風化程度是壓縮性指標的影響因素之一，風化程度越強，孔隙比越大，壓縮性越高；反之，風化程度越弱，孔隙比越小，壓縮性就越低。

2.1.4 孔隙比與壓縮系數、壓縮模量關系

巖石隨風化程度的加劇，其孔隙比勢必增大，強度和彈性模量將明顯降低[6]，巖石物理性質指標的變化勢必反映出壓縮性指標的變化。以北部灣科技園總部基地一期A區場地的泥巖為例，分析研究泥巖孔隙比e與壓縮性指標之間的規律，試驗成果見表4。

表4 全風化—中風化泥巖壓縮試驗成果Table 4 Compression test result of completely-medium weathered mudstone

利用數理統計方法[7]，分別以壓縮系數a1-2和壓縮模量Es作縱坐標，以孔隙比e作橫坐標，作出a1-2-e散點圖(圖1)和Es-e散點圖(圖2)。

圖1 a1-2 - e散點圖Fig.1 a1-2 - e scatter plot

圖2 Es - e散點圖Fig.2 Es - e scatter plot

由圖1可知，a1-2-e散點分布符合指數曲線分布，用指數函數y=c·exp(bx)來擬合y(代表壓縮指數a1-2)與x(代表孔隙比e)之間關系，取對數得

ln(y)=ln(c)+bx

(1)

經計算得：

c=0.010 。

式中：

ln(y)關于x的回歸方程：

ln(y)=0.01+3.8x，

化為y關于x的回歸方程：

y=0.01exp(3.8x)

(2)

式中：y為壓縮指數a1-2，x為孔隙比e。

復相關系數：

上述分析，可見泥巖壓縮指數a1-2與孔隙比e符合指數曲線方程(2)分布，相關性良好。

由圖2可知，Es-e散點分布符合冪函數曲線分布，用冪函數y=cxb來擬合y(代表壓縮模量Es)與x(代表孔隙比e)之間關系，其中c>0，x>0，b<0，方程取對數得：

ln(y)=ln(c)+bln(x)

(3)

經計算得：

c=4.768。

式中：

ln(y)關于ln(x)的回歸方程：

ln(y)=1.562-2.081ln(x)，

化為y關于x的回歸方程：

y=4.768x-2.081

(4)

式中：y為壓縮模量Es，x為孔隙比e。

復相關系數：

上述分析，可見泥巖壓縮模量Es與孔隙比e符合冪函數曲線方程(4)分布，相關性良好。

2.2 同一風化程度巖石在不同壓力條件下固結壓縮試驗

為了方便比較試驗結果，選用性質相同或相近的、埋深大于24 m的堅硬狀態中風化泥巖進行高壓固結試驗，先對巖樣進行預壓，預壓荷載為400 kPa，再加壓進行壓縮試驗，最大壓力大于土的有效自重壓力與附加壓力之合，得到不同壓力條件下壓縮系數a和壓縮模Es力學性質指標，共做六組樣品7個壓力段的壓縮試驗，壓力從5×100 kPa～44×100 kPa，試驗結果統計見表5。

表5 高壓固結成果試驗統計Table 5 The statistic data of high pressure consolidation result test

利用數理統計方法，分別以統計平均壓縮系數a和平均壓縮模量Es作縱坐標，以平均壓力p作橫坐標，作出a-p散點圖(圖3)和Es-p散點圖(圖4)。

圖3 a - p散點圖Fig.3 a - p scatter plot

圖4 Es - p散點圖Fig.4 Es - p scatter plot

由圖3可知，a-p散點分布符合冪函數曲線分布，用冪函數y=cxb來擬合y(代表壓縮指數a)與x(代表壓力p)之間關系，其中c>0，x>0，b<0，方程取對數得：

ln(y)=ln(c)+bln(x)

(5)

經計算得：

c=0.061。

ln(y)關于ln(x)的回歸方程：

ln(y)= -2.79-0.557ln(x)，

化為y關于x的回歸方程：

y=0.061x-0.557

(6)

式中：y為壓縮指數a，x為壓力p。

復相關系數：

上述分析，可見南寧盆地泥巖壓縮指數a與壓力p符合冪函數曲線方程(6)分布，相關性良好。

由圖4可知，Es-p散點分布符合直線性函數分布，用來直線方程擬合y(代表壓縮模量Es)與x(壓力p)之間關系，直線方程為：

y=a+bx

(7)

經計算得：

式中：

y關于x的回歸方程：

y=52.973+4.092x

(8)

式中：y為壓縮模量Es，x為壓力p。

相關系數：

上述分析，可見南寧盆地泥巖壓縮模量Es與壓力p符合直線性函數方程(8)分布，相關性良好。

雖然壓縮指數、壓縮模量與巖土體性質、應力狀態、環境條件等諸多因素相關，但對于南寧盆地泥巖，在特定地質環境、應力狀態條件下，根據上述的試驗數據統計分析，壓縮指數a、壓縮模量Es與巖石風化程度、孔隙比、施加應力狀態等相關，符合一定的函數規律性分布。

3 結語

1)通過幾個代表性工程實例試驗數據分析，南寧盆地泥巖物理力學參數差異性很大，往往介于巖和土之間，含水量(W)在13.86%～43.6%之間；孔隙比(e)在0.480～1.228之間：液性指數(IL)在-0.37～0.95之間，壓縮系數(a1-2)在0.06～0.75之間，壓縮模量Es在3.00～24.10之間。

2)壓縮性與風化程度相關，風化程度越強，孔隙比越大，壓縮性越高；反之，風化程度越弱，孔隙比越小，壓縮性就越低。

3)不同風化程度不同狀態的泥巖，在同一壓力作用下，壓縮系數與孔隙比成指數函數曲線形分布關系，壓縮模量與孔隙比成冪函數曲線形分布關系，相關性良好。

4)同一風化程度同一狀態的泥巖，在不同壓力作用下，壓縮系數與壓力成冪函數曲線形分布關系，壓縮模量與壓力成直線形分布關系，相關性良好。