陕北白垩系半胶结砂岩工程特性分析

杨 旭 王 倩 孟庆文

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300254;2.天津市津滨轨道交通设计有限公司，天津 300381)

蒙西至华中地区铁路煤运通道工程为我国北煤南运新通道，该铁路经过的纳林河至小河乡段广泛分布有白垩系洛河组砂岩，该岩层岩质较软，易风化，查明该砂岩层的工程特性对于工程安全和工程造价有着重要的影响。

1 区域概况

1.1 地形地貌

蒙西至华中地区铁路煤运通道工程纳林河至小河乡段，地处鄂尔多斯盆地的陕北斜坡构造单元，地势北低南高，海拔高度介于1 123～1 823m之间。北部为毛乌素沙漠边缘，地势较平坦，稍有起伏，为沙丘及丘间凹地;中部为覆砂黄土梁峁区，受水流冲切影响，地势稍有起伏，无定河、芦河等均经过该区域;南部为黄土高原区，主要为黄土丘陵，地形起伏较大，沟壑纵横。

1.2 岩性和地质构造

该区域内主要为华北地层，地层沉积类型复杂，具明显多旋回沉积的特点。表层松散堆积层，主要为风积砂、黄土状砂土、黄土等，下伏白垩系洛河组半胶结砂岩，紫红色、灰紫色，粗至中粒长石砂岩，薄层状斜层理极发育，整体呈厚层至巨厚层状，厚130～350m。

区域内受构造影响轻微，早白垩系，盆地整体持续抬升，处于弱伸展构造环境，仅发生轻微褶皱和断裂，东部持续抬升，西部继续逆冲，盆地多处与古近系呈不整合接触。晚白垩系，全区仍继续隆起，风化剥蚀，缺失沉积，鄂尔多斯盆地发育结束。白垩系以来，鄂尔多斯盆地未受大的剧烈地质构造活动影响，白垩系洛河组砂岩产状平缓，缓倾向西－西北，产状2°～7°，节理裂隙较发育，多为卸荷节理，垂直于斜层理面，少量沿倾斜的斜层理面发育有张节理。

2 白垩系砂岩沉积环境

鄂尔多斯盆地的形成始于中三叠纪纸坊期，发育鼎盛时期为中晚三叠纪延长期和早中侏罗纪延安期，于早白垩纪末盆地消亡，晚白垩纪以来为盆地的后改造期。自盆地形成以来，区域内构造活动微弱，火山活动几乎绝迹，地层之间多数为整合或平行不整合接触。

鄂尔多斯盆地在经历了中生界河湖相沉积以后，侏罗纪末期至早白垩纪时的燕山运动使区内发生了自三叠纪和侏罗纪以后的第三次凹陷，接受沉积。白垩纪早期，气候变得干旱、半干旱，盆地内部地表经不断风化剥蚀，地形趋于准平原化，沉积了较单一的、以河流相为主的紫红色长石砂岩，此即为白垩系洛河组砂岩。

白垩系洛河组砂岩自沉积以来，鄂尔多斯盆地长期处于抬升状态，地表遭受剥蚀，白垩系砂岩处于泥质半胶结状态，在大气环境及干湿交替循环作用下，具有易风化崩解，强度低、耐磨性差的特点。受水流冲切影响，由于竖向裂隙面两侧岩石的黏结力不足以支撑下盘岩石，下盘岩石发生崩塌，常形成陡崖或反坡陡壁。

3 组成成分

白垩系洛河组砂岩为河湖相陆源碎屑岩，粒状碎屑结构，泥质胶结，胶结不完全，岩质较软，砂岩以石英，长石为主，其中石英含量35%～50%，长石含量45%～60%，最高达75%，以斜长石为主，属长石砂岩，含少量黑云母，黏土矿物含量平均为17.8%，其中高岭石含量为1.7%～8.0%，伊利石含量为2.5%～9.0%，蒙脱石含量为1.7%～3.5%。由于铁质氧化物的存在，岩石呈紫红色，铁质氧化物以浸染物的形式依附于矿物颗粒表面，故主要影响岩石的外观形态，对岩石的工程性质没有明显的影响。白垩系洛河组砂岩主要化学成分分布见表1。

表1 白垩系洛河组砂岩主要化学成分

4 工程性质

4.1 物理性质

白垩系洛河组红砂岩为半胶结砂岩，泥质胶结，颗粒间黏结力差，不耐磨，岩质软。全风化砂岩，手捏即成砂状，但出露地表的全风化岩石大部分被风蚀或者水流搬运至低洼处，全风化砂岩地表出露很少。新鲜开采出来的岩石，用手触摸仍会掉落碎屑，而且手上会沾有细砂颗粒，锤轻击即碎，可研磨成砂状。

4.2 力学性质

采取原状岩心制成试样，做岩心的无侧限抗压强度试验(如表2所示)。

表2 白垩系洛河组红砂岩岩石抗压强度

由表2可知，白垩系洛河组砂岩岩石在天然状态下的抗压强度比浸水后的抗压强度高，说明砂岩遇水浸泡后，抗压强度会降低。

由图1可以看出，岩石饱和抗压强度主要集中在3～8 MPa之间，占砂岩试验数量的75.27%，饱和抗压强度值＜15 MPa，最小值＜5 MPa，为软岩—极软岩。

图1 抗压强度与样品数量分布

4.3 水理性质

在地下同一位置，选取岩体完整、受风化作用小的岩块做岩石不同浸水时间下的抗压抗剪强度试验，得到岩石在不同含水率下的强度变化值(如表3所示)。

表3 白垩系洛河组红砂岩岩石不同含水率下抗压、抗剪强度

由表3可以看出，砂岩具有较好的吸水储水性，1 d时间，即达到饱和含水率的92.5%，而后含水率变化不大。随着含水率的增加，岩石的抗压强度和抗剪强度随之减小。

4.4 风化性质

白垩系砂岩半胶结，层理间黏结力差，易风化崩解，自然状态下的岩心易沿层理面裂开，碎裂成薄片状，局部节理裂隙发育地段长期受裂隙水水流侵蚀，岩心呈密实砂状。岩石的结构类型和矿物组成对红砂岩的风化崩解具有决定性的影响，泥质胶结以及蒙脱石和伊利石等亲水性黏土矿物含量较高的红砂岩更容易遭受风化侵蚀。环境温度变化与干湿循环也是影响红砂岩风化崩解的重要因素，温度变化幅度的加大，干湿循环次数的增加，都可以促使风化崩解过程的加快。

5 结论

(1)白垩系洛河组砂岩为长石砂岩、河湖相陆源碎屑岩，薄层状斜层理发育，整体呈厚层至巨厚层状，节理裂隙较发育。

(2)白垩系洛河组砂岩为半胶结泥质砂岩，容易遭受流水侵蚀，暴露于地表易形成深切冲沟。

(3)白垩系洛河组砂岩易风化，暴露于空气中或干湿交替环境作用下，易崩解或整体沿裂隙面崩塌，易形成陡壁。

(4)白垩系洛河组砂岩岩石抗压强度低，为软岩—极软岩。

(5)白垩系洛河组砂岩的抗压强度和抗剪强度随含水率的增加迅速降低。

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