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(shè)計研究院，太原 030024)

1 泥化夾層發(fā)育的層位及其工程特點(diǎn)

二疊、三疊紀(jì)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(diǎn)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(diǎn)是遇水泥化、軟弱、抗剪強(qiáng)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(fù)雜的地質(zhì)體中，由于現(xiàn)場條件的限制，取原狀巖樣進(jìn)行室內(nèi)試驗或者進(jìn)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(dān)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(chǔ)上，深入分析了泥化夾層的特點(diǎn)、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(jìn)行工程地質(zhì)勘察應(yīng)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(shè)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?jǐn)?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(xué)成分組成（質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)烈的層間擠壓、研磨和揉碎作用的［3］。由于長期地應(yīng)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(yīng)力，這種位移導(dǎo)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(jìn)而對相對軟弱的泥頁巖進(jìn)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(shí)了這一點(diǎn)。

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(xué)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?jǐn)?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(qiáng)度指標(biāo)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(jìn)行的，多點(diǎn)摩擦試驗代表了泥化夾層的抗剪強(qiáng)度。

2)室內(nèi)反復(fù)剪試驗測得的強(qiáng)度是軟化夾層的殘余強(qiáng)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(qiáng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行室內(nèi)試驗、飽和直剪試驗、反復(fù)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(xué)指標(biāo)。

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(yīng)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(jìn)行工程地質(zhì)勘察應(yīng)注意［5］：

1)勘察之前應(yīng)充分了解掌握勘察區(qū)的地質(zhì)情況，預(yù)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(jìn)行鉆探工作時，應(yīng)該采用小口徑雙管單動金剛石鉆進(jìn)或者其它對巖芯擾動不大的先進(jìn)的鉆探方法［6］，對預(yù)測存在泥化夾層的部位，鉆進(jìn)過程中做到小水量、小進(jìn)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(shè)備進(jìn)行孔內(nèi)錄像，以恢復(fù)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(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)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(yùn)行后應(yīng)加強(qiáng)建筑物位移變形安全監(jiān)測工作，出現(xiàn)問題及時預(yù)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(xué)科的發(fā)展［C］∥巖土力學(xué)與工程戰(zhàn)略討論會.巖土力學(xué)，1987.8

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

［4］肖樹芳.巖體力學(xué)［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(xué)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.