滇西芒棒盆地芒棒组碳质粉砂岩的工程地质特性

郭长宝，李海华，陈溪华，和 勇，歹家文，张 能

1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081

2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610500 3.云南地质工程第二勘察院，昆明 650050

滇西芒棒盆地芒棒组碳质粉砂岩的工程地质特性

郭长宝1，2，李海华2，陈溪华3，和 勇3，歹家文3，张 能3

1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081

2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610500 3.云南地质工程第二勘察院，昆明 650050

滇西芒棒盆地是在上新世喜山运动后期高黎贡山强烈隆升过程中形成的近SN向的断陷盆地，在盆地内发育芒棒组碳质粉砂岩等半成岩，规划建设中的中缅公路保山－腾冲高速公路段从该套地层中通过。野外调查发现：该套碳质粉砂岩具有成岩差、易崩解、结构性强等特性，容易引发边坡失稳、隧洞围岩冒顶等工程地质问题。室内试验测试表明：该类岩石具有天然含水量高、孔隙度大、低膨胀性和有机质含量高等特点。由于有机质的胶结作用，天然岩体和干燥岩块浸水后的性状显著不同，岩体干燥后具有水稳性增强和膨胀势降低的特性。结合典型工程实例，开展了原位直接剪切试验。试验结果表明：碳质粉砂岩具有抗剪强度较高、峰残降差小等特点，是该类地层中大型不稳定斜坡体和蠕滑型滑坡发育的主要因素之一。

芒棒组；碳质粉砂岩；半成岩；工程地质

0 引言

滇西腾冲地区芒棒组碳质粉砂岩是一种典型的半成岩［1］。半成岩是一类特殊的岩土体，与正常意义上的岩石及土均有明显的区别：一般讲来，半成岩具有一定的成岩性，但成岩度不高，而干燥时强度却较高，具有脆性破坏的特性［2］；在物质组成、结构和构造等方面，其既具有部分土的特征，又具有部分岩石的特征，因而工程地质性质复杂［2－3］。在半成岩地层中，一些大型或者超大型滑坡比较发育，如查纳滑坡、洒勒山滑坡等［2，4］，并且因其特殊的工程地质性质，对工程的勘察设计、施工和安全具有重要的影响［3，5］。

滇西腾冲地区是中国西南大通道工程建设的重要区域［6－7］，随着该区工程建设规模和范围的加大，越来越多的工程遇到了与芒棒组碳质粉砂岩相关的工程地质问题，如：规划建设中的中缅公路保山－腾冲段高速公路即穿越芒棒盆地，龙川江大桥附近芒棒组地层内滑坡极为发育［8］；大理－瑞丽铁路也曾在该区选线，但由于芒棒组地层中滑坡、不稳定性斜坡体等地质灾害强烈发育而放弃［9］；芒市－猴桥铁路也将穿越该盆地，作为工程建设的路基、边坡组成的芒棒组砾岩、粉砂岩等岩体的工程地质性质已引起广泛关注。前人主要对该区出露的芒棒组地层的地质时代和地层分布等方面进行了研究［1，10］，并结合工民建和铁路、公路等工程建设，对芒棒组碳质粉砂岩的基本物理指标、抗剪强度等参数进行了测试分析［8－9］，尚缺乏关于芒棒组碳质粉砂岩物质组成、物理水理性质、膨胀性、结构性等工程地质特性，以及相关工程地质问题的成因分析研究。

因此，笔者基于野外地质调查、原位测试和室内试验结果，重点研究了芒棒组碳质粉砂岩的发育特征、成因时代，并从物质成分与胶结物、物质组成和力学性质测试等方面分析了其工程地质特性和主要工程地质问题。研究结果对于指导该区重大工程规划建设和地质灾害防治具有重要的理论和实际意义，同时对于促进青藏高原东南缘第四纪工程地质研究具有重要的理论意义。

1 地质背景

芒棒盆地是位于横断山脉东南端的一个近SN向山间断陷盆地（图1），盆地东侧为高黎贡山，中部为龙川江，具有典型的山间盆地地貌。该区地处印度板块与欧亚板块缝合线东侧之腾冲微陆块上，地质构造复杂，是世界上罕见的高山地貌及其演化的代表地区。腾冲微陆块原属冈瓦纳大陆的一部分，二叠纪末从冈瓦纳大陆分裂出来向北漂移而与扬子板块拼合。始新世，印度板块与欧亚板块强烈碰撞形成山系，上新世喜山运动早期之后，由于龙川江断裂的活动和高黎贡山的抬升，使该区处于拉张的构造环境，进而形成了早期的芒棒盆地，并接受河湖相沉积，芒棒组碳质粉砂岩即在这个时期形成。随着断裂的活动，区内发生多次火山喷溢活动，形成上新世玄武岩，局部还发育第四纪早更新世火山岩，从而在芒棒盆地内发育了上新统至更新统的火山－河湖相沉积建造。盆地内局部分布第四系河湖相沉积。

芒棒盆地现今分布高程为1 200～1 500m，盆地南北长约108km，东西宽约5～10km，总面积约700km2。盆地基底与周边地区主要由下古生界高黎贡山群（Pz1Gl）、石炭系勐洪组（Cmn3）石英杂砂岩夹黑色板岩及燕山期、喜马拉雅期花岗岩（γ5）组成，上部地层主要由新近系芒棒组（N2m1－3）陆相碎屑岩系、第四系全新统（Q4）松散砂砾层及第四纪火山岩（Q1b）组成（图1）。

2 芒棒组碳质粉砂岩的基本特征

2.1 芒棒组地层分布特征及沉积环境

资料分析和野外地质调查表明，芒棒组在芒棒盆地出露范围较广，主要为一套碎屑岩夹火山岩及薄煤层，多为半成岩状态，岩体工程地质性质较差，分为3段：上、下亚段（N2m1、N2m3）为砂砾岩、细砂岩、黏土质粉砂岩及薄煤层，沉积环境以河床相为主，局部为滨湖沼泽相，本文研究的碳质粉砂岩即分布于其中；芒棒组中期（N2m2）火山活动频繁，玄武岩喷发，岩性以厚层块状玄武岩为主，其中心位于盆地中偏南部的席草塘至三甲街一带，玄武岩厚度最大约200m。

图1 滇西芒棒盆地及邻区地层分布特征图Fig.1 Stratum distribution characteristics of Mangbang basin and the adjacent area

李锡康等［1］通过岩石特征、分布及基本层序分析认为：芒棒组下段（N2m1）沉积环境为河流、沼泽、湖泊相，并且沉积期间地壳小幅度上升、下降比较频繁，在本段下部的岩矿鉴定资料中显示含有火山物质，表明这套地层沉积时期或之前曾有火山活动；芒棒组中段（N2m2）为火山喷发－沉积相；芒棒组上段（N2m3）沉积环境与下段类似，仅在盆地边缘发育一些冲积扇相。同时认为芒棒盆地很可能经历了断裂拉张－火山喷发－火山堰塞盆地沉积－地壳上升盆地消亡的演化过程，并且在碳质粉砂岩等地层中发育植物和硅藻等古生物，均为淡水植物，这表明沉积环境为较深的、停滞的静水还原性盆地。

2.2 碳质粉砂岩的物质成分

野外调查表明，该地区的碳质粉砂岩总体上呈灰黑色，局部含煤和较大砾石，砾石分选性及磨圆性均比较差，棱角明显，体积分数也极不均匀（0%～40%），天然含水量较高，湿－饱和，干燥后呈灰白色，在该类岩土体中崩塌和滑坡等地质灾害强烈发育，工程地质问题较多。

芒棒组碳质粉砂岩属于典型的半成岩，其粒度成分和矿物成分是决定其工程地质特性的物质基础。室内测试表明：其容重一般为1.95～2.15g／cm3；含水量较高，多为10%～20%；孔隙度较大，为25%～40%，平均32%（表1）。根据筛分法和移液管全分散法的粒度分析结果，芒棒组碳质粉砂岩颗粒较细，具有高分散性，主要由粉粒和砂粒组成，粒径多分布在0.005～0.250mm（表2）。碳质粉砂岩粉粒和砂粒体积分数一般为90%以上，少数为70%左右，黏粒（以粒径小于5μm粒级计）较少，多为5%～15%，一般在10%左右，小于2μm的黏粒含量较少。

2.3 碳质粉砂岩的黏土矿物组成

采用乙二醇、550℃加热等方法对样品进行了处理［11－13］，并对天然样品、乙二醇处理样品和550℃加热处理等这3种碳质粉砂岩试样中d＜2μm的黏粒进行了黏土矿物X射线衍射定量测试（表3，图2）。测试结果表明，碳质粉砂岩的黏土矿物组成主要为伊利石／蒙脱石混层矿物（I／S）、高岭石（K）和伊利石（I）的共生组合，但以伊利石／蒙脱石混层矿物为主，其相对体积分数为51%～60%，绝对体积分数为2.22%～5.22%。总体上，碳质粉砂岩中膨胀性黏土矿物含量低，且以膨胀性中等的伊利石／蒙脱石混层矿物为主，而非强膨胀性的蒙脱石，使得芒棒组碳质粉砂岩的膨胀性较低。

3 碳质粉砂岩物理性质和力学性质

芒棒组碳质粉砂岩主要为粉砂、泥质结构，天然含水量高，节理、裂隙弱发育，现场锤击声哑，无回弹，有较清晰的凹痕，用手易捏碎，浸水后成粉砂状，工程地质性质较复杂。

表1 芒棒组碳质粉砂岩物理水理性质测试结果Table 1 Test results of physical and water physical of Mangbang Group carbon siltstone

表2 芒棒组碳质粉砂岩颗粒组成及基本工程性质Table 2 Grain composition and basic engineering characteristics of Mangbang Group carbon siltstone

表3 芒棒组碳质粉砂岩黏土矿物定量测试结果Table 3 Quantitative analysis results of clay mineral composition of Mangbang Group carbon siltstone

图2 典型芒棒组碳质粉砂岩＜2μm粒组X射线衍射曲线图Fig.2 Oriented X－ray diffraction curves of＜2μm clay fraction of Mangbang Group carbon siltstone

3.1 物理水理性质

半成岩的力学强度、膨胀和崩解特性等工程地质特性受物质成分、结构状态的影响和控制，其中胶结物的成分和含量影响尤为显著。室内试验和测试表明：天然状态下的碳质粉砂岩，由于含水量较高，其岩块强度、硬度相对较低，浸水后易崩解为散砂状；而干燥岩块浸水后一般表现为不崩解、不破坏，工程性质较好，仅部分样品发生碎屑状和碎裂破坏。两种状态下的物理水理性质的显著不同与碳质粉砂岩的微观物质组成具有较大关系。从表2中可见，碳质粉砂岩被有机质和碳酸钙（CaCO3）胶结成岩，岩石结构性与这些胶结物的特性有关。由于CaCO3质量分数很低，多为0.30%～0.65%，其对碳质粉砂岩的工程性质影响较弱；笔者采用重铬酸钾容量法测定的有机质质量分数较高，一般为1%～3%，最大为4.64%（SDZ220－3样品），平均为1.69%。由于有机质质量分数偏高，大量高分散有机质与伊利石／蒙脱石混层矿物、伊利石和高岭石等黏土矿物发生相互胶结作用，形成有机－无机复合体，并对岩石产生显著的胶结作用，从而降低了碳质粉砂岩的活性，不仅增加其黏聚力，而且增大其水稳性，具体表现为降低了干燥岩块的饱和吸水率（表1），即降低其膨胀势。

3.2 力学强度特性

现场调查表明，该碳质粉砂岩锤击声哑、无回弹、有较深凹痕，手可捏碎，浸水后成粉砂状，可捏成团，根据《工程岩体分级标准》（GB50218－94），属于极软岩类。此外，芒棒组碳质粉砂岩岩体完整性差，处于半固结状态，中等－弱风化，浅层岩体风化强烈，呈砂土状，岩块间一般有泥质充填、胶结，结构面较发育，间距一般小于30cm，综合判别该区的碳质粉砂岩基本质量分级为V级。

由于该半成岩结构较差、易碎，较大的原状样难制取，从而分析其抗剪强度等力学强度特性较为困难。为更好地研究碳质粉砂岩的强度特征，笔者采用目前在测定岩土体的抗剪强度方面应用较广并且取得较好效果的原位直剪试验［14－15］，以该区某水电工程为典型工程实例［16］，对探洞中揭露的碳质粉砂岩进行了抗剪强度测试研究。

3.2.1 试验方法

本次原位直剪试验采用水平推剪原理，每组试验由3个试样构成，每个试样分别在不同的法向堆载作用下，施加水平剪力进行剪切，得到各试样的剪应力－位移（τ－ΔL）曲线和每组试样的法向压力－剪应力（σ－τ）关系曲线，据此计算堆积体的抗剪强度参数c、φ值，确定岩土体的剪切强度特性。

本组原位直剪试验位于龙川江右岸水电勘察探洞中的23.50～26.50m深度处，岩性为灰黑色、深灰色碳质粉砂岩，每组试验点制备试样3个。制备试样时，先清除表层的浮土，然后四周开挖沟槽，制成剪切面积为1 000cm2、高为20cm的方形试样。试样制备后，通过安装法向加载系统、剪力加载系统和剪切位移量测系统等设备（图3，图4），分别施加10、20、30kN的法向应力，并记录剪切过程中的压力表读数和位移读数，绘制剪应力－位移曲线（τ－ΔL）和法向压力－剪应力（σ－τ）曲线图，通过线性回归方法得到剪应力与垂向压力的线性方程，从而在σ－τ抗剪强度曲线图上读取c、φ值。

图3 原位直接剪切试验装置图Fig.3 In－situ direct shearing test device

图4 原位直接剪切破坏面特征Fig.4 Failure surface characteristics of in－situ shearing test

3.2.2 试验结果分析

从两组试样的剪应力－位移曲线可以看出：剪切过程中试样没有明显的弹性变形阶段，施加剪力时试样便进入应力强化阶段（图5），在较小的位移形变下试样即达到峰值强度，试样沿底部预定剪切面形成贯通且较平整的剪切破坏面（图4）；从而剪切面上的应力计算准确程度较高，表明原位直剪试验是获取碳质粉砂岩剪切强度的有效方法。

试验结果表明芒棒组碳质粉砂岩在不同正应力下剪应力与剪切变形曲线具有明显的峰值（图5（a）、（b）），应力应变关系分别为应变硬化型（PD－sy1试样）和应变软化型（PD－sy2试样），抗剪强度与法向应力呈较好的线性关系。经过线性回归计算得到抗剪强度参数为：黏聚力c为75.23和93.02kPa（表4），内摩擦角φ为12.51°和16.09°，黏聚力值较一般黏土、砂土高，但低于成岩作用较好的泥岩、砂岩等岩体的抗剪强度。从图6（a）、（b）中可见，碳质粉砂岩试样的残余强度也与垂直压力呈良好的线性关系，与一般岩土体不同的是，该半成岩的残余强度与剪切强度值相差较小，PD2－sy1试样黏聚力cr最小仅降低6.15%，内摩擦角φr仅降低2.78%，即具有峰残降差低的特点。

表4 龙川江某电站平洞内大型直剪试验成果统计表Table 4 In－situ shearing test result in one power station adit of Longchuan River

4 主要工程地质问题分析

滇西芒棒组碳质粉砂岩是一种较软的半成岩，具有成岩差、易崩解、易散落等特性，容易引发边坡失稳、隧洞围岩冒顶等工程地质问题。研究区龙川江某水电探洞勘察过程中在洞顶部碳质粉砂岩中发生的围岩冒顶事故，其原因是由于碳质粉砂岩含水量较高，并且含有一定的有机质，成岩作用差，抗拉强度和抗剪强度等力学指标要弱于成岩作用和完整性好的岩石，在探洞开挖后整体强度不足，同时又无支护措施，因而发生围岩冒顶破坏，冒落的碳质粉砂岩多呈无规则块状。

图5 PD2－sy1与PD2－sy2试样τ－ΔL关系曲线图Fig.5 Shear stress and deformation curve of PD2－sy1and PD2－sy2specimen

图6 PD2－sy1与PD2－sy2试样σ－τ抗剪强度曲线图Fig.6 Anti－shear strength curve of PD2－sy1and PD2－sy2specimen

芒棒组是龙川江两岸边坡的主要地层，野外地质调查过程中，在龙川江两岸发育大量滑坡和不稳定斜坡体，多为大型－巨型，斜坡体坡度较陡，一般为30°～45°，滑坡地貌明显，如响水湾村大型不稳定斜坡体，斜坡体长轴长约700m，平面宽度400～500 m，滑体厚度20～50m，总方量约1 200～1 400万m3，坡体的蠕变变形已经引起坡体中后缘村内房屋开裂，该村庄在当地政府的指导下已进行分批次搬迁。

由于触发天然滑坡的主要因素为斜坡体的变形破坏过程中滑带土的抗剪强度向残余强度过渡，并最终由残余强度控制斜坡体的稳定性，当剪切面上的残余强度提供的抗滑力小于下滑力时，斜坡发生变形破坏。龙川江地区的斜坡体坡度较大，可能滑动的方量多达几百万立方米至上千万立方米，在地质历史演化过程中，由碳质粉砂岩等半成岩组成的斜坡体处于极限平衡状态；但在河流冲刷坡角、人类工程活动等外界扰动下，坡体内发生应力变化和蠕动变形。由于该岩土体峰残降差小，由岩体的残余强度控制仍能提供较大的抗滑力，不易发生长距离的滑动，故由该类岩土体组成的斜坡体多发育有大型不稳定斜坡体，而整体大规模滑动较少，与野外地质调查结果相一致。

5 结论和讨论

1）芒棒盆地形成于上新世喜山运动后期，盆地内发育上新统至更新统的火山－沉积建造，芒棒组地层在该盆地内分布较广，其中碳质粉砂岩等半成岩的岩体工程地质性质较差。

2）芒棒组碳质粉砂岩颗粒较细，主要由粉粒和砂粒组成，黏土矿物含量较低，以伊利石／蒙脱石混层矿物为主，其次为高岭石和伊利石，岩体的膨胀性较低。

3）芒棒组碳质粉砂岩具有高含水量、高孔隙性、成岩作用差、结构性强等特点，在天然状态下强度较低，浸水后易崩解为散砂状。由于有机质含量较高，与黏土矿物一起对岩块形成显著的胶结作用，降低了碳质粉砂岩的活性，并增强了其水稳性，干燥岩块饱和吸水率低，浸水后一般不崩解、不破坏，膨胀势降低。

4）原位直剪试验表明，芒棒组碳质粉砂岩的抗剪强度值较高，高于一般的土体。由于天然状态下碳质粉砂岩的力学性质较差，在探洞、隧道等工程施工过程中容易发生围岩冒顶事故；同时由于残余强度值较高，与抗剪强度峰值差异较小，由该类半成岩组成的大型斜坡体多发生蠕滑变形。从而在龙川江两岸发育有较多不稳定斜坡体，而整体大规模滑动较少。

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Engineering Geology Characteristic of the Carbonaceous Siltstone in Mangbang Basin，West of Yunnan Province

Guo Chang－bao1，2，Li Hai－hua2，Chen Xi－hua3，He Yong3，Dai Jia－wen3，Zhang Neng3

1.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China 2.State Key Laboratory of Geological Hazard Prevention ＆Geological Environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610500，China 3.Yunnan Geological Engineering the Seoond Investigation Institute，Kunming 650218，China

Mangbang basin is a SN directed fault depression basin which was shaped when Gaoligong Mountains intensely upheaved at the end of Himalayan movement in Pliocene period，where carbonaceous siltstone of Mangbang group，a kind of soft half－diagenesis rock，is well distributed.The Baoshan－Tengchong high way section of Burma Road will pass through this basin.Field geology survey indicates that this kind of carbonaceous siltstone is characterized by weak diagenesis，easy disintegration and strong structural strength，which can cause the engineering geological problems of slope failure and roof fall of surrounding rock in tunnel.Laboratory test results show a high natural water content，high porosity，low expansibility and high organic content of it.Due to organic cementation，striking difference can be obtained in the engineering properties of natural rock and dry rock after immersion in water，which indicates the enhancement in water stability and reduction in swelling potential of driedrock.Based on typical project example，in－situ shearing test was conducted on the carbonaceous siltstone，and the results indicate that it has the characteristics of high shear strength and little difference between peak and residual strength，which is one of the main factors for the development of large unstable slope body and creeping landslide in this kind of rock stratum.

Mangbang group；carbonaceous siltstone；half－diagenesis rock；engineering geology

book=2012,ebook=614

P642.2

A

1671－5888（2012） 04－1090－09

2011－10－06

国家自然科学基金项目（41072269）；“十二·五”科技支撑计划课题（2012BAK10B02）；铁道部科技研究开发计划项目（2008G027－B）；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金项目（SKLGP2010K015）

郭长宝（1980－），男，工程师，博士，主要从事工程地质与地质灾害方面的研究工作，E－mail：guochangbao＠163.com。