黄河规划设计

西霞院工程电站地基上第三系地层工程地质特性分析

吴伟功1 张一1 邰战稳1 毕晓东2(1.地质工程院；2.太原市市政工程设计研究院) ［摘要］西霞院工程电站厂房地基主要为上第三系软岩组成，其性质十分特殊：成岩时间短，强度低，相变大，岩、土体的工程特性并存。本文分析基坑开挖后对上第三系地层进行的大量的试验研究工作成果认为：细粒含量控制成岩作用，从而控制其工程地质特性。［关键词］软岩成岩作用工程地质特性西霞院电站厂房坝段坝基为上第三系洛阳组粘土(岩)、砂(岩)组成，其性质十分特殊：成岩时间短，强度低，相变大，岩、土性质并存，特别是在卸荷条件下或开挖暴露后受环境条件(特别是水环境)的影响，其工程地质性质容易发生变化。该层埋藏于深厚覆盖层(20～30m)之下，坝址区附近亦无露头，在基坑开挖前无法进行现场试验，仅仅靠钻孔样品所取得的资料又难以反映实际情况，国内外在上第三系地层上修建水利工程较少，资料分散，缺少可以借鉴和参考的经验。近年来，国内外对其地质研究也取得一些进展，但还存在一些不足，目前对这种“似岩非岩、似土非土”的特殊地层以土工试验方法和岩石试验方法均不能很好反映其物理力学特征。本文根据基坑开挖后，对电站地基软岩进行了现场地质测绘、大型现场试验(静力载荷试验、现场直剪试验、现场回弹变形观测)、原位测试(标准贯入试验、静力触探测试和综合测井等)、钻孔取样、刻槽取样及室内试验等，经过综合分析，得出这样的认识：细粒含量控制成岩作用，从而控制其工程地质特性。 1 地层组成特征从基坑开挖后揭露情况及钻孔岩芯看，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。根据传统的岩石和土的划分标准，上述地层的绝大多数是同时具有岩石与土的一些特征。根据细粒(粉粒、粘粒)含量可将其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，包括泥质粉砂岩、(粉砂质)粘土岩及(粉质)粘土等，成岩固结较好，一般呈坚硬、硬塑状，局部较软，接近可塑状。岩体局部夹强度较高的灰色钙质粉砂岩薄层(厚度一般为0.05～0.1m)。由于受构造应力的作用，泥岩中小的隐裂隙发育，一般呈闭合状，裂开为镜面，多有擦痕。 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，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。一般情况是：泥质细砂、粉砂，轻微胶结；较纯的或含泥较少中、细砂，基本没有胶结；在岩性转换的层面上，由于地下水的作用，往往形成厚度小于1m的强度较高的钙质砂岩。 2 试验与测试成果2.1 室内试验鉴于上第三系地层的特殊性，对不同类别的地层采用不同的取样方法。对泥岩类、粘土类及微胶结泥质粉细砂层，均有一定的结构强度，在基坑底及四周刻槽取方块样；对未胶结的中细砂层，基本没有胶结，无法取方块样，直接用环刀在基坑底及四周制样，共取样32组，其中环刀样9组，方块样23组；对于钻孔样，沿岩芯方向用环刀直接制样，取钻孔样共65组。对泥岩类地层，其性质接近岩石，以岩石试验为主，并进行土工试验进行对比；对粘土类、未胶结的中、细砂层、微胶结含泥粉细砂层，基本没有或微胶结，进行土工试验。对方块样与钻孔样试验成果进行对比，除方块样含水率偏低外，干密度基本一致，反映方块样在开挖后失去了部分水分，但钻进对该类地层扰动不大。砂类地层的钻孔样品与方块样有一定差别，这一方面反映了地层的不均一性，另外也反映该类砂层样品容易受扰动。微胶结砂层的钻孔样品与方块样试验成果差别不大，从钻孔岩心及方块样取样看，该类砂层因轻微胶结，样品不容易受扰动。成果统计见表1。试验成果表明，土工试验干密度平均值1.57～1.67g/cm3、孔隙比平均值0.574～0.771，与紧密土接近，但离散性较大，压缩与剪切指标亦是如此，主要与胶结程度关系密切。砂层相对密度为0.79～1.22，平均值为1.04，属密实状态。多数样品的相对密度都大于1，不符合常规。分析认为，该类砂层稍有结构强度，扰动后按照相对密度试验的击实方法，很难恢复到天然的密实状态，这说明该类砂层不同于一般的第四系砂层。本次试验共取8组泥岩类进行岩石试验见表2，从表2可以看出：泥岩类的干密度低(平均值为1.71g/cm3)，含水率高(平均值为20.8%)，饱和抗压强度低(平均值为1.1MPa)，属极软岩。 2.2 大型现场试验本次共布置载荷试验6组，大型剪切试验5组，成果分别见表3和表4。成果显示：砂类和粘土类地层极限强度在550～600kPa，而泥质粉砂岩的极限强度在1400kPa以上。剪切指标中除粘土类较低外，其它均较高。 2.3 标准贯入试验本次试验研究进行了大量的标准贯入试验，由于上第三系地层强度差别较大，地层均一性差，标准贯入击数离散性很大，标准贯入的贯入情况有较大差别，概括起来有三种类型： (1)第一种类型：标准贯入试验情况为：在贯入375px后再贯入750px，击数不超过50击，为典型的标准贯入试验，该种类型在砂类地层和粘土类地层出现较多。 (2)第二种类型：标准贯入试验情况为：在贯入375px后，贯入50击还没有打入750px，击数已超过50击，为可以折算的标准贯入试验，该种类型在砂类地层和粘土类地层均有出现。 (3)第三种类型：标准贯入试验情况为：连最初的375px也打不进去。该种类型在泥岩类地层中出现较多。该类型试验可以定性判别地层的坚硬或胶结程度。统计结果表明：泥岩类地层的标准贯入击数有23组超过50击(占54.8％)，粘土类地层的标准贯入击数有2组超过50击(占16.7％)，砂类地层的标准贯入击数有48组超过50击(占40.7％)。总体上看，砂类地层的标贯击数小于泥岩类地层的标贯击数。泥岩类地层小于50击的标贯击数平均值为42.1，杆长修正后的平均击数为33.6击，说明泥岩类地层总体上属坚硬状态；粘土类地层小于50击的标贯击数平均值为37.4，杆长修正后的平均击数为30.1击，说明粘土类地层总体上属呈硬塑～坚硬状态；砂类地层小于50击的标贯击数平均值为44.0，杆长修正后的平均击数为34.1击，说明砂类地层属密实状态。 3 工程地质特性为便于进一步分析，将西霞院上第三系地层分为特殊地层和一般类地层。其中：砂砾石(岩)强度高、透水性强，零星分布；钙质砂岩饱和抗压强度达20MPa，属典型的岩石类，主要零星分布在透水性强弱地层的分界处，由于地下水活动频繁，钙质富积胶结而成，厚度一般不大。以上两种岩性对工程基础处理稍有影响，但分别较少，不作为西霞院上第三系的代表地层，称为特殊类地层。其它砂类和泥(岩)类是典型的上第三系地层，亦是本次讨论的重点。 3.1 岩、土性质特征该区的上第三系地层属河湖相地层，岩性为砂(岩)类地层与泥(岩)类地层互层，近似岩石的地层与近似土的地层相互穿插，特殊地层镶嵌在一般性地层中，地层的分布很不规律，地层的性质十分特殊。从目前基坑和钻孔揭露的情况看，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，该类地层还是稍有结构强度，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；但泥岩类地层局部粘粒含量高，成岩作用很差，呈可塑～硬塑状，又具有土的性质，可以说“似岩非岩”。总体上看，上第三系地层成岩时间短，胶结程度差，岩、土性质并存，是介于岩与土之间的一种地层，按当前研究可以称为“软岩硬土”。 3.2 成岩作用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：包括胶结较好的泥质粉砂岩、(粉砂质)粘土岩等，成岩固结较好，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。从基坑开挖揭露情况及钻孔岩心看，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，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；但如果粘粒含量显著增加，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，由于细粒含量高，成岩作用急剧变差。 3.3 工程地质特征由于细粒含量控制上第三系地层的成岩作用，其工程地质特性差别很大，主要表现在： (1)从室内试验的物性指标看，除成岩作用较好的钙质砂岩、钙质砾岩外及局部砂卵石层外，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％)，其中砂类和泥岩类的干密度平均值在1.66g/cm3左右；而粘土类干密度平均值为1.57g/cm3，与典型岩石的有关指标差别很大，与土的有关指标十分接近。 (2)力学强度特征：细粒含量既控制成岩作用，同样也控制力学强度，砂类地层细粒含量少，胶结差，极限荷载仅600kPa左右，而细粒含量较高的泥岩类极限荷载达1400kPa以上，两类地层的剪切指标相差不大。而粘土类地层，粘粒含量一般在40％甚至成果40％，成岩作用较差，呈可塑－硬塑状，承载力和抗剪指标均较低。 (3)渗透特征：除成岩作用较好的钙质砂岩、钙质砾岩外，上第三系地层的透水性与细粒含量关系极为密切。总的说来，颗粒组成逐渐变细，细粒(粉粒、粘粒)含量逐渐增多，透水性逐渐减弱，渗透系数从10-2cm/s降低为10-7cm/s，透水性跨越中等透水、弱透水、微透水、极微透水多个透水等级，说明该区上第三系地层的透水性跨度很大，其透水性往往是渐变的，加之各类地层的分布很不规律，形成了较为复杂的水文地质结构。 4 结语该区上第三系地层成岩时间短，胶结程度差，岩、土性质并存，岩性相变大，强度跨度大，产状不清晰，细粒含量控制其成岩作用，从而控制其工程地质特性，总体上土的工程地质特性较为明显，而单一的按土来评价其工程地质特性又不确切，野外试验与室内试验成果不匹配，甚至出现矛盾。笔者认为：基本物性指标当以土工为主，承载力、剪切、固结指标等应以野外试验为主，工程地质评价除应考虑土的性质外，结构面也不应忽视。