黄河规划设计

西霞院上第三系地层软岩硬土特性概述

吴中伟徐伟韩志广陈超云(岩土工程与材料科学研究院) [摘要] 西霞院上第三系地层泥质沉积物被地质部门概化为泥岩类。它是一种介于岩石和土之间的过渡型岩土体。世界上不少国家在工程建设中都遇到过这种岩土体及其引起的工程地质问题。为合理的选择工程地质参数、确定地基处理方案，在基础开挖后进行了现场和室内相关的物理力学性试验。通过试验对其物理力学特性有了进一步的认识和了解。此外本文就软岩硬土的研究方法及其特性表述做了初步讨论。[关键词] 软岩硬土仿真试验现场原位试验西霞院 1概述黄河小浪底水利枢纽配套工程——西霞院反调节水库(以下简称西霞院工程)，位于黄河干流中游河南省境内，上距小浪底工程16km，下距郑州145km。作为小浪底的配套工程，其工程开发任务以反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用。西霞院工程电站厂房地基为上第三系地层，其泥质沉积物为泥质粉砂岩、(粉砂质)粘土岩等，因其性质接近故概化为泥岩类。该泥岩类地层性质特殊，具有成岩时间短，强度低，相变大，岩、土性质并存等特点。被称之为“软岩硬土”，也有人称“非岩非土”、“似岩似土”。这种过渡性岩土体的性质比一般土和岩石都复杂，目前，国内外对其研究十分有限，无论按现有的岩石试验规程还是土工试验规程都难以准确地表述这类岩层的物理力学特征。与西霞院工程遇到的泥岩类沉积相类似，我国一些工程在建设中也与到过类似岩土体。如南水北调中线穿黄工程、北京西客站地铁站建设工程、鲁西南隐蔽型煤田建设等工程。国外如巴西、英国、日本等国家也都由于上第三系泥质沉积物存在而导致滑坡、隧洞变形和泥石流的发生。国际上于1993年和1998为此召开了专题讨论会，加强了对这种特殊岩土体的研究。但截至目前国内外对其认识仍然不成熟，研究成果十分有限。因此，对于西霞院工程来说，加强对该层岩、土体的试验研究，准确了解其物理力学特性，对于保证电站厂房安全是十分重要的。以往由于该地层埋深较大(30m左右)无法取得具有代表性的原状样品，也无法开展现场原位试验。2004年初主体工程正式开工，通过基础开挖，这种特殊岩层被揭露出来，为深入研究上第三系地层物理力学特性提供了良机。 2 基本物理力学特性针对泥岩类地层，安排了现场原位抗剪和载荷试验，同时在有代表性的部位取原状方块样进行室内相关物理力学性试验，较深部位采用钻孔样。因泥岩类地层硬程度有比较大的差别，因此对较硬的方块试样依据岩石试验规程安排相关试验，对于较软的方块试验依据土工试验规程安排相关试验。2.1 基本物理性质图1为软岩硬土的颗粒分布曲线。从中看出，粘粒含量为31.5％，粉粒含量为52.3％，两者占整个颗粒级配的83.8％。按塑性图定名为低液限粘土。表1是用土工试验方法取得的基本物理特性指标。从表中10组原状方块样试验结果看出，天然状态下试样的含水率平均值为20.1％，最大值为24.2％，最小值为17.4％；其饱和度平均值为81％，最大可达到91％，最小为63％，基本处于饱和状态。天然干密度介于1.53～1.73g/cm3，平均值为1.63g/cm3。天然含水率小于塑限，即液性指数(IL)小于0，说明这种特殊岩土体处于坚硬状态。表2为用岩石试验方法取得的含水率、密度指标。结果显示，含水率与土工方法取得的结果比较接近，但干密度值偏大。 2. 2 化学性质表3为软岩硬土矿物分析结果。结果表明，其组成以粘土矿物为主，蒙脱石、伊利石和高岭石三者含量总和的平均值占整个矿物组成的63％。而蒙脱石含量平均值高达33％，因此，西霞院这种岩土体应该具有明显的吸水膨胀和脱水收缩的特征，或者说具有较强的亲水性。表4为土化分析成果。成果表明，21组泥岩类样品的pH值为8.76～9.24，土质呈弱碱性；有机质含量为0.03%～0.13%；易溶盐含量为0.02%～0.09%，属非盐渍土。这种土的结构仍然是以土的颗粒组成为特征，盐类的存在对其工程性质无重大影响。 2.3 力学性质(1)抗压强度表5为无侧限单轴抗压强度试验结果。试验采用两种设备，一种是土工路面材料强度试验仪，另一种是岩石试验普通压力试验机。泥岩类试样在自然状态下采用路强仪进行试验，其单轴抗压强度介于0.40～1.41MPa，平均值为0.94MPa；采用压力机进行试验其单轴抗压强度介于0.24～2.04MPa，平均值为0.83MPa。可以看出，采用土工方法得到的结果其平均值高于岩石方法得到的结果。另外，同一种方法不同状态下样品的单轴抗压强度有着明显的差别：干燥状态下的单轴抗压强度明显高于自然和饱和状态下的单轴抗压强度。泥岩类试样脱水硬塑后其强度明显提高，这一点在现场取样时感觉特别明显。(2)膨胀特性表6为原状方块样膨胀特性试验成果。6组试样自由膨胀率介于30～85％，平均值为61％；膨胀力平均值为55.67kPa，最大值为183.33kPa。表7为西霞院某钻孔的3组原状样膨胀性试验结果，可以看出，其膨胀特性尤为明显，自由膨胀率均在80％以上，最大达到110％，膨胀力的最大值达到400kPa。以上结果表明，西霞院第三系地层泥岩类试样具有明显的膨胀潜势，且具有较大的膨胀力。(3)变形特性 (A)室内试验对从现场取回的方块样安排了10组高压固结试验，9组高压回弹试验，三组弹模试验，结果见表8。从压缩系数的统计结果看，其平均值为0.105MPa-1,10组试样中压缩系数有6组大于0.1MPa-1,小于0.5MPa-1,4组小于0.1MPa-1，总体上看，属于中等压缩性或低压缩性岩土体。3组弹性模量试验其最小值为144.29MPa，最大值为194.17MPa。从以往小浪底粉砂质粘土岩和页岩的试验结果看，其弹性模量值一般为500～3200MPa，与之相比，西霞院这种特殊岩土体的弹性模量小了很多。(B)现场载荷试验图2为现场载荷试验的p-s曲线。可以看出，在某一压力范围内变形随着压力的增加而增加，表现出线弹性变形的特点。当超过这一压力时，变形量有明显的增加，及△s1<△s2，在2倍的设计压力范围内p-s曲线没有明显的陡变，具有粘弹塑性体变形特征。 (4)抗剪强度 (A)室内试验抗剪试验用两种方法：直接剪切试验采用饱和固结块剪，三轴压缩试验采用固结不排水剪。统计结果见表9。结果表明，两种方法得到的摩擦角平均值一般在20°左右，最小值大概在10°左右。最小值明显偏低，分析认为，造成这种情况的原因主要是试样内部存在隐裂隙和镜面结构所致。 (B)现场原位抗剪试验表10为现场原位抗剪试验结果。其抗剪断强度摩擦系数f＝0.41，内摩擦角为22.3°，残余强度摩擦系数f＝0.38，内摩擦角为20.8°。比对室内结果发现，现场抗剪强度内摩擦角高于室内摩擦角平均值，说明岩土体内部的隐裂隙和结构面对室内试验结果影响较大。(5)渗透性室内渗透试验结果表明，泥岩类试样的渗透系数为3.48×10-7cm/s，可见其透水性很小。 3 几点认识1)试验方法的确定。西霞院上第三系地层泥岩类沉积物具有明显的软岩硬土特性。正是由于这种特性，使得试验方法难以确定。如究竟是执行土工试验方法标准还是岩石试验方法标准。造成这种困难的主要原因是目前人们对其研究认识还不够成熟，相应的方法、手段和设备跟不上。在西霞院工程中的做法是，根据现场取样时泥岩类沉积物的软硬程度确定相应的试验方法。比如，用切土刀等工具容易切割的，则安排用土工方法进行试验，反之，则安排用岩石方法进行试验。但笔者认为这种方法是不够科学的，必须要有相应的取样手段和与之匹配的试验方法，只有这样才能够准确的获取物理力学参数。2)仿真试验目前岩石强度是以饱和单轴抗压试验结果确定的，现场载荷试验确定的变形参数也是在上覆土体被挖除后进行试验得出的。但这与实际岩土体的受力状况不相符，得出的结果往往偏小。因此，应该结合岩土体的实际受力情况开展仿真试验研究，取得符合实际的岩土体的强度和变形参数。3) 现场原位试验自然界中的软岩硬土因其成因、组成、结构、区域等因素的影响，造成其性质复杂多变。因此，实际工程中对其参数进行选取时，应当重视并加强大型现场原位试验研究工作。4) 特性表述及判定国内已有的研究成果显示，硬土软岩具有的基本特征为“①蒙脱石含量高，物理化学活性强，含水量高，具有显著的干燥收缩和吸水膨胀特性；②在天然状态(而不是干燥状态)可以用切土刀制备土工试验的原状样品，在现场用铲镐可开挖；③单轴或无侧限抗压强度一般在0.3～1.5 MPa；④密度一般在1.95～2.10 kg/cm3；⑤具有超固结性和裂隙性。”。西霞院上第三系泥岩类沉积物也基本具有上述特征。除此之外，既然软岩硬土是处于软岩和硬土之间的特殊岩土体，那么还应该按软岩的特性指标，如风化、崩解以及蠕变等，同时按粘土的特性指标，如灵敏度、触变性等指标进一步开展研究，以便对这种过渡型岩土体的特性有一个比较完整的认识。参考文献[1] 张振营.岩土力学.北京：中国水利水电出版社，2000[2] 张永双、曲永新.硬土—软岩的厘定及其判别分类.