南寧盆地泥巖壓縮特性分析

趙印良

(桂林市勘察設(shè)計研究院，廣西 桂林 541002)

0 引言

隨著南寧城市的高速發(fā)展，高層建筑、交通立交、跨江大橋、水利大壩相繼建設(shè)，諸多建(構(gòu))筑物都利用了南寧盆地泥巖作為天然地基或樁基礎(chǔ)的持力層[1]。因此，為了南寧城市建設(shè)發(fā)展，準(zhǔn)確合理地分析掌握南寧盆地泥巖壓縮特征及規(guī)律，提供安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的巖土工程地基變形計算設(shè)計參數(shù)，對南寧盆地各種狀態(tài)泥巖的壓縮變形特征及規(guī)律進(jìn)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(shù)增加和構(gòu)筑物荷重增大，作用于泥巖地基上的基底壓力遠(yuǎn)大于200 kPa，因此，不僅需要進(jìn)行常規(guī)壓力作用下固結(jié)壓縮試驗，更需要進(jìn)行超高壓力作用下固結(jié)壓縮試驗。結(jié)合實際工程室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，分析不同風(fēng)化程度的泥巖在同一壓力(常規(guī))條件下和同一風(fēng)化程度泥巖在不同壓力(高壓)條件下的壓縮性質(zhì)及規(guī)律，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法的最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖分布規(guī)律性進(jìn)行函數(shù)擬合，找出泥巖壓縮指標(biāo)變化的規(guī)律性，得出相關(guān)經(jīng)驗計算公式。應(yīng)用這些相關(guān)數(shù)據(jù)及公式，首先便于在巖土工程勘察分析研究過程中準(zhǔn)確地把握南寧盆地泥巖的壓縮性變形規(guī)律，更好地為工程建設(shè)提供安全可靠的數(shù)據(jù)；其次可節(jié)約大量鉆探、取樣、試驗的時間及費(fèi)用；再者對南寧盆地泥巖壓縮性指標(biāo)的進(jìn)一步分析研究提供幫助及指導(dǎo)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(tǒng)泥巖，呈灰白、淺灰、淺灰綠色，中厚—厚層泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，巖石的固結(jié)程度較低，表層風(fēng)化程度較高[2]。泥巖基本特征主要表現(xiàn)在五個方面[3]：① 成巖時間短，成巖作用差，膠結(jié)程度差，呈‘土不土、巖不巖’的半成巖狀態(tài)；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(fù)雜，有黏土質(zhì)泥巖、粉土質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等，互為夾層，千層餅狀，軟硬強(qiáng)度交替變化，風(fēng)化帶劃分困難；④ 裂隙發(fā)育，易風(fēng)化，見風(fēng)見水，碎裂軟化；⑤ 試驗制樣困難，試驗數(shù)據(jù)離散很大，干燥狀態(tài)下制樣易開裂，飽和狀態(tài)下由于崩解軟化其強(qiáng)度較低。

泥巖分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化等三層[4]。其中：① 全風(fēng)化層：呈可—硬塑狀態(tài)，黏土狀，切面光滑，無搖振反應(yīng)，有光澤，干強(qiáng)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(tài)，膨脹性中—強(qiáng)，高—中壓縮性，土體強(qiáng)度較低；② 強(qiáng)風(fēng)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(qiáng)，低壓縮性，為極軟巖，與粉砂質(zhì)泥巖呈互層狀；③ 中風(fēng)化層：稍濕，堅硬，敲擊稍有剛性回聲，巖石結(jié)構(gòu)部分破壞，厚層狀構(gòu)造，為極軟巖—軟巖。

2 固結(jié)壓縮試驗結(jié)果及分析

在巖石固結(jié)壓縮試驗過程中，把泥巖當(dāng)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(jié))試驗，得出泥巖的壓縮性指標(biāo)[5]。壓縮試驗在固結(jié)儀中進(jìn)行，固結(jié)儀容器中使用的試樣環(huán)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(shè)備能垂直在瞬間施加各級規(guī)定的荷重，且沒有沖擊力，試驗變形量測設(shè)備為量程10 mm、最小分度為0.01 mm的百分表。試驗分常規(guī)固結(jié)壓縮和高壓固結(jié)壓縮兩種，常規(guī)固結(jié)壓縮，在同一壓力條件下變形壓縮試驗，用不同風(fēng)化程度即不同孔隙比的巖石，在壓力100 kPa～200 kPa常規(guī)壓力條件下，試驗得出壓縮系數(shù)a和壓縮模量Es力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，分析壓縮指標(biāo)與孔隙比之間的變化規(guī)律。高壓固結(jié)壓縮為不同壓力條件下固結(jié)壓縮試驗，用同一風(fēng)化程度即用相同或相近孔隙比的巖石，先用400 kPa壓力預(yù)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(shù)a和壓縮模量Es力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，分析壓縮指標(biāo)與不同壓力之間的變化規(guī)律。

2.1 不同風(fēng)化程度泥巖在同一壓力條件下變形壓縮試驗

選取全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖，在壓力100 kPa～200 kPa作用下，進(jìn)行壓縮固結(jié)試驗，得到壓縮系數(shù)a和壓縮模量Es力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

2.1.1 全風(fēng)化泥巖壓縮試驗

全風(fēng)化泥巖壓縮試驗以某學(xué)院教學(xué)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(nèi)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(fēng)化層，呈可塑到軟塑狀態(tài)，屬中—高壓縮性泥巖，壓縮試驗結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 全風(fēng)化泥巖壓縮試驗物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistic result of physical and mechanical index of fully weathered mudstone in compression test

2.1.2 強(qiáng)風(fēng)化泥巖壓縮試驗

強(qiáng)風(fēng)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(tài)。以綠港·歡樂里場地的強(qiáng)風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化泥巖，強(qiáng)風(fēng)化泥巖壓試驗指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 強(qiáng)風(fēng)化泥巖壓縮試驗物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistic result of physical and mechanical index of strongly weathered mudstone in compression test

2.1.3 中風(fēng)化泥巖壓縮試驗

中風(fēng)化泥巖呈堅硬狀態(tài)，為低壓縮性土。以北部灣科技園總部基地一期A區(qū)場地中的風(fēng)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(fēng)化層、硬塑—堅硬的強(qiáng)風(fēng)化層、堅硬狀態(tài)的中風(fēng)化層。本次試驗巖石為埋深在20 m以下的堅硬狀態(tài)中風(fēng)化泥巖，壓縮試驗性物理力性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 中風(fēng)化泥巖壓縮試驗物理力指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)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(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖石試驗，南寧盆地泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)有如下特點(diǎn)：① 物理力學(xué)參數(shù)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(shù)(IL)在-0.37～0.95之間，壓縮系數(shù)(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(fēng)化程度相關(guān)，或者說風(fēng)化程度是壓縮性指標(biāo)的影響因素之一，風(fēng)化程度越強(qiáng)，孔隙比越大，壓縮性越高；反之，風(fēng)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(shù)、壓縮模量關(guān)系

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

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

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

圖1 a1-2 - e散點(diǎn)圖Fig.1 a1-2 - e scatter plot

圖2 Es - e散點(diǎn)圖Fig.2 Es - e scatter plot

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

ln(y)=ln(c)+bx

(1)

經(jīng)計算得：

c=0.010 。

式中：

ln(y)關(guān)于x的回歸方程：

ln(y)=0.01+3.8x，

化為y關(guān)于x的回歸方程：

y=0.01exp(3.8x)

(2)

式中：y為壓縮指數(shù)a1-2，x為孔隙比e。

復(fù)相關(guān)系數(shù)：

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

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

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

(3)

經(jīng)計算得：

c=4.768。

式中：

ln(y)關(guān)于ln(x)的回歸方程：

ln(y)=1.562-2.081ln(x)，

化為y關(guān)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(fù)相關(guān)系數(shù)：

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

2.2 同一風(fēng)化程度巖石在不同壓力條件下固結(jié)壓縮試驗

為了方便比較試驗結(jié)果，選用性質(zhì)相同或相近的、埋深大于24 m的堅硬狀態(tài)中風(fēng)化泥巖進(jìn)行高壓固結(jié)試驗，先對巖樣進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓荷載為400 kPa，再加壓進(jìn)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(shù)a和壓縮模Es力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，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(jié)果統(tǒng)計見表5。

表5 高壓固結(jié)成果試驗統(tǒng)計Table 5 The statistic data of high pressure consolidation result test

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

圖3 a - p散點(diǎn)圖Fig.3 a - p scatter plot

圖4 Es - p散點(diǎn)圖Fig.4 Es - p scatter plot

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

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

(5)

經(jīng)計算得：

c=0.061。

ln(y)關(guān)于ln(x)的回歸方程：

ln(y)= -2.79-0.557ln(x)，

化為y關(guān)于x的回歸方程：

y=0.061x-0.557

(6)

式中：y為壓縮指數(shù)a，x為壓力p。

復(fù)相關(guān)系數(shù)：

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

由圖4可知，Es-p散點(diǎn)分布符合直線性函數(shù)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(guān)系，直線方程為：

y=a+bx

(7)

經(jīng)計算得：

式中：

y關(guān)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(guān)系數(shù)：

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(shù)方程(8)分布，相關(guān)性良好。

雖然壓縮指數(shù)、壓縮模量與巖土體性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境條件等諸多因素相關(guān)，但對于南寧盆地泥巖，在特定地質(zhì)環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)條件下，根據(jù)上述的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，壓縮指數(shù)a、壓縮模量Es與巖石風(fēng)化程度、孔隙比、施加應(yīng)力狀態(tài)等相關(guān)，符合一定的函數(shù)規(guī)律性分布。

3 結(jié)語

1)通過幾個代表性工程實例試驗數(shù)據(jù)分析，南寧盆地泥巖物理力學(xué)參數(shù)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(shù)(IL)在-0.37～0.95之間，壓縮系數(shù)(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(fēng)化程度相關(guān)，風(fēng)化程度越強(qiáng)，孔隙比越大，壓縮性越高；反之，風(fēng)化程度越弱，孔隙比越小，壓縮性就越低。

3)不同風(fēng)化程度不同狀態(tài)的泥巖，在同一壓力作用下，壓縮系數(shù)與孔隙比成指數(shù)函數(shù)曲線形分布關(guān)系，壓縮模量與孔隙比成冪函數(shù)曲線形分布關(guān)系，相關(guān)性良好。

4)同一風(fēng)化程度同一狀態(tài)的泥巖，在不同壓力作用下，壓縮系數(shù)與壓力成冪函數(shù)曲線形分布關(guān)系，壓縮模量與壓力成直線形分布關(guān)系，相關(guān)性良好。