黄河规划设计

西霞院工程电站厂房地基上第三系地层工程地质分类初步探讨

张一路新景吴伟功(地质工程院) ［摘要］西霞院工程电站厂房地基上第三系地层的性质十分特殊，其成岩时间短，强度低，相变大。本文根据基坑开挖后进行的大量试验研究工作，对上第三系地层的工程地质分类进行了探讨。分析认为：该类地层岩、土性质并存，但更多具有土的工程地质特性，划为特殊硬土更为合适，以土力学的方法进行评价为宜。［关键词］西霞院上第三系硬土软岩单轴抗压强度西霞院工程电站厂房坝段坝基为上第三系洛阳组地层，其性质十分特殊：成岩时间短，强度低，相变大，岩、土性质并存。目前对这种“似岩非岩、似土非土”的特殊地层还没有被普遍接受、相对统一完善的分类标准、试验方法与评价标准，因此在工程实践中对其进行摸索和探讨十分必要，而分类标准是其基础内容。在电站厂房基坑开挖后，对该类地层进行了现场地质调查、大型现场试验、原位测试等大量的试验研究工作，本文根据西霞院工程上第三系试验成果及勘察实践，对传统的岩、土概念提出思考，对该区上第三系地层的进行初步的工程地质分类，并对该类地层的分类标准提出初步意见。 1 地层组成与分布特征该区上第三系地层为河湖相地层，沉积环境比较复杂，地层岩性繁乱，可概括为以下几种类别：未胶结(含泥、含砾)砂层、微胶结(泥质)砂层、砾砂层、砂卵(砾)石层、砂砾岩、钙质砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩、粘土(岩)等见表1。根据传统的岩石和土的划分标准，上述地层的绝大多数同时具有岩石和土的性质。该区地层的分布规律不明显，砂(岩)类地层与泥(岩)类地层互层分布，近似岩石的地层与近似土的地层相互穿插，特殊地层(主要指钙质砂岩、砂卵石层)呈透镜体或薄层镶嵌在一般性地层中。鉴于上第三系地层的以上特点，为了对该地层有较为全面的认识，下面首先根据岩性、成岩作用分别对上第三系地层进行分类和概化。 2 岩性分类根据细粒(粉粒、粘粒)含量可将该区上第三系地层概化为以下两大类岩性地层： Ⅰ类地层：总称为泥(岩)类地层，该类地层颗粒组成以粉粒、粘粒为主，粘粒含量一般大于20％。包括泥质粉砂岩、(粉砂质)粘土岩及(粉质)粘土等，成岩固结一般较好，一般呈坚硬、硬塑状，局部较软，接近可塑状。由于受构造应力的作用，泥岩中小的隐裂隙发育。 Ⅱ类地层：总称为砂(岩)类地层，该类地层颗粒组成以砂粒为主，粘粒含量较低(一般小于15％)，岩性以(含泥、泥质)砂层、砂岩为主，局部为砂卵石层、砾砂层，胶结程度各处不一，和颗粒的组成、级配及细粒(粉粒、粘粒)含量有关。 3 成岩作用分类从开挖揭露的情况及钻孔岩心看，除薄层强度较高的钙质胶结的砂岩、砾岩外，上第三系地层的成岩作用一般与颗粒的组成、级配有关，从总体上看，颗粒越细，颗粒级配越好，并含有一定的泥质(粉粒、粘粒)，则成岩作用就越好；但如果粘粒含量增加到一定程度，由于排水困难，固结十分缓慢，则成岩作用往往又发生改变，较纯的粘土往往有表现为硬塑或接近可塑粘土的性质。根据上第三系地层的成岩作用可将其概化为以下两大类地层。似土地层：包括未胶结的(含泥)中细砂层、砂卵石层、砾砂层、微胶结的(含泥)泥质细砂、粉砂及少量呈可塑～硬塑状的粘土类地层，成岩作用差，颗粒连接弱或没有连接，具有沉积层理，主要具有土的工程地质特性，总称为似土地层。似岩地层：包括胶结较好泥质粉砂岩、(粉砂质)粘土岩及钙质砂岩、砾岩等，成岩固结较好，其单轴饱和抗压强度一般为1～2MPa，隐裂隙较发育，主要具有岩石的工程地质特性，总称为似岩地层。另外在Ⅱ类地层中，钙质砂岩、砾岩属比较典型的岩石，其单轴饱和抗压强度一般为15～27MPa，为该区成岩作用最好的岩石。 4 传统的岩、土概念与分类标准4.1 传统的岩、土概念岩石和土都是地质作用的产物，通常的观点是，岩石的矿物颗粒间具有牢固的结晶连接或胶结连接，强度高，变形小；土的矿物颗粒连接很弱或者无连接，强度低，易变形。鉴于岩石和土的性质有较大差别，往往采用不同的研究和评价方法，即土力学方法和岩石力学方法。但是，岩石和土有时并不能截然分开，它们又是可以相互转化的。岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积等过程后，形成的各种疏松沉积物(或碎屑)，在地质学上称为“土”；疏松沉积物或碎屑物质(如卵石、砾石、砂粒、粉粒、粘粒等)经过压密、化学物质的胶结或再结晶等硬结成岩作用后，就形成较为坚硬的沉积岩(如砾岩、砂岩、泥岩等)。由于风化、剥蚀、搬运、沉积等成土过程的各个环节的交错反复，成土的自然地理环境的复杂多样，因此土的类型与性质是千差万别的；通常的观点是，认为第四系的沉积物，都正处于成岩过程而未完成这个过程，基本没有成岩，都呈松散状态，均作为土来看待，但第四系是距今两、三百万年开始的相当长的时期，早期沉积的土和近期沉积的土，性质就有着相当大的差别，这种影响对粘性土尤为明显，故工程实际中，考虑粘性土沉积时间时间的早晚，将粘性土分为一般粘性土与老粘性土区别对待。同样由于成岩作用及成岩时间的差别，岩石(特别是沉积岩)的性质也不一样，其强度往往差别也很大。通常的观点认为，第三系地层沉积的时间较长，往往已经完成成岩过程，即使成岩作用差，也十分接近岩石性质，应按岩石对待。 4.2 国内外硬土和软岩的划分标准岩石和土虽然有时并不能截然分开，但鉴于岩石和土的性质迥异，在工程实践中往往采用不同的试验研究方法和评价方法，因此国内外对软岩和硬土分别给出了不同的划分标准［1］见表2。从表中可以看出，由于对一些概念的理解亦不完全相同和区域差别，对硬土和软岩的划分标准不很一致，但多数标准以单轴(无侧限)抗压强度Rc作为划分硬土和软岩界限的指标，有的认为应考虑凝聚力c和变形模量Es的差别，也有的认为应考虑浸水后的强度变化等。 5 上第三系地层岩土性质及工程地质分类西霞院工程上第三系地层有着十分特殊的性质。总体上看，该区上第三系地层成岩时间短，胶结程度差，岩、土性质并存，同时具有岩石和土的一些特性。从基坑和钻孔揭露的情况看，主要表现在以下两个方面：该地层中砂类地层的颗粒多数几乎没有胶结或连接很弱，未胶结或微胶结，主要具有土的性质；但从施工开挖的情况看，该类地层还是稍有一点的结构强度的，又稍具岩石的一点性质，可以说“似土非土”。另一方面，该地层中的泥(岩)类地层一般又有一定胶结程度，存在微结构面，具有软岩的一些特性；但泥(岩)类地层局部在物性指标、压缩模量等方面又具有土的性质，可以说“似岩非岩”。根据工程地质特性及物理力学性质，将岩性及成岩作用结合起来，可将上第三系概化为以下6类地层(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4)，不同类别地层所处的岩、土位置见表1。 Ⅰ-1：泥岩类地层，为Ⅰ类地层中似岩类地层，成岩作用相对较好，主要包括泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩等，多呈互层状分布，总称为泥岩类地层。 Ⅰ-2：粘土类地层，为Ⅰ类地层中的土类或似土类地层，主要包括粉质粘土、粘土，该类地层往往由于粘类含量高，成岩作用差，呈可塑～硬塑状，镜面相对发育，分布不稳定，具有老粘土的性质，总称为粘土类地层。 Ⅱ-1：为砂类地层中的土类地层，主要为密实的(含泥)中细砂层，较纯，基本没有胶结，局部为(含砾)中粗砂、砾砂层。 Ⅱ-2：为砂类地层中的似土类地层，主要为(含泥、泥质)粉细砂层，微胶结，较均一。 Ⅱ-3：为砂类地层中的岩石地层，是本区成岩作用最好的地层，主要为钙质中细砂岩层，局部为薄层钙质砾岩，厚度较薄，分布不稳定。 Ⅱ-4：为砂类地层中的砂卵石层或砂砾石层，局部微胶结，呈透镜体分布，厚度较薄，分布不稳定。从室内试验的物性及力学试验成果看，该区上第三系地层除成岩作用较好的钙质砂岩、钙质砾岩(Ⅱ-3)外及局部砂卵石层(Ⅱ-4)等特殊地层外，其总体特点是含水率高(17％～24%)、干密度低(1.54～1.74g/cm3)、孔隙比大(0.574～0.771)、孔隙率高(35％～44％)，变形模量较小(一般不超过200MPa)，抗压强度极低(Ⅰ类地层一般不超过2MPa，Ⅱ类地层很难进行抗压强度试验)，与典型岩石的有关指标相差很大，与土的有关指标十分接近，故从总体上看，上第三系地层虽然具有岩、土性质并存的特点，但更多具有土的工程地质特性。 6 结语 (1)通过对不同划分标准的比较，并结合西霞院工程上第三系地层试验研究成果，笔者认为：Johnston和Vaughan提出的“将岩石和土看成连续变化的地质材料，土和岩石的之间通过其结构和性状相联系”，是十分新颖的分类观念和研究思路，可以克服岩石力学和土力学相互脱节的理论缺陷，应作为今后这类特殊地层分类标准的指导思想和重点研究方向。 (2)鉴于目前分类标准不完全一致，岩石力学和土力学还存在相互脱节的问题，结合西霞院工程的实践经验，笔者认为应首先对地层的胶结程度、结构强度及成岩作用作出初步判断，然后仍以单轴(无侧限)抗压强度作为划分硬土和软岩界限的首要指标，并辅以干密度、液性指数、压缩模量等指标进行综合评价后进行分类思考。 (3)以单轴(无侧限)抗压强度作为划分硬土和软岩界限的指标，虽然存在这样那样的问题，但却简单易行。基于评价方法的选择，笔者建议以单轴(无侧限)抗压强度0.2MPa、 2 MPa分别作为这类特殊岩土分类的下限和上限，单轴(无侧限)抗压强度大于2 MPa的作为岩石对待，单轴(无侧限)抗压强度小于0.2 MPa的作为一般土层对待。因为在0.2MPa～2 MPa分单轴(无侧限)抗压强度范围内的地层，一般很难进行完整的岩石试验，但用环刀制样可勉强进行土工试验，可以用土力学理论来进行评价，故此建议在现有标准条件下暂把这类特殊岩土称为特殊硬土。对于抗压强度为2MPa～5MPa 的地层无论叫什么名称(软岩和极软岩)，基本可以进行完整的岩石试验，均应按岩石力学的方法进行评价。 (4)西霞院电站厂房地基上第三系地层，成因复杂，岩性繁乱，具有岩、土性质并存的特点，但由于成岩时间短，与传统意义上的岩石差别较大，总体上看，是介于岩石和土的性质之间，但更多具有土的工程地质特性，按目前通常的认识，暂划归为硬土，为统一标准，总体上暂以土工方法为基础进行计算和评价为宜。