山西长治盆地第四系淡水泥灰岩的性状特征及工程意义

张鑫景

(山西省第二建筑设计院,山西 长治 046000)



山西长治盆地第四系淡水泥灰岩的性状特征及工程意义

张鑫景

(山西省第二建筑设计院,山西 长治 046000)

摘要：山西长治地区第四系下更新统地层通常是建筑地基的主要受力层,也被用作高层建筑的桩端持力层,而在该组地层中经常有淡水泥灰岩夹层,它是地基计算及成桩工艺选型的重要影响因素.本文对该地区这层特殊岩土的工程特性进行研究,得出如下结论:在地基设计和变形计算时,淡水泥灰岩不能按基岩地层考虑,只能认为是较大范围的特殊埋藏物;淡水泥灰岩作桩端持力层时,端阻力参数不能按岩石取值,而应按适当修正的硬塑土层取值.同时,本文对这层特殊岩土的化学成分、物理力学指标进行了试验研究.

关键词：山西长治盆地;淡水泥灰岩;力学指标;工程特性;成桩影响

山西省东南部的长治盆地是喜山期新华夏系北北东向构造体系控制下的一个山间断陷盆地,盆地内沉积了厚达200多米的晚新生代第四系松散堆积地层.盆地中部地形平坦开阔,分布有长治古城及长子、屯留、襄垣、潞城、长治县等城镇.近年来,大量工程建设项目的地基工程都涉及到本套地层的岩土工程性质条件.

在地表以下十多米到数十米之间的下更新统粉质黏土(或黏土)地层中,常常遇到若干层灰白色(或灰红色)的钙质岩状硬夹层.当地工程地质业内人士简称其为“钙板”,专业名称是“淡水泥灰岩”．由于挖掘水井及其他生产、生活活动中经常涉及这层特殊的“石头”,当地老百姓把这种“石头”称作“天饼石”.由于其埋藏深度在高层建筑的主要受力层范围内,对于各种桩型的施工造成许多不利影响,成为影响地基基础方案选型的主要因素之一.

迄今为止,针对这层淡水泥灰岩的工程地质特性认识还很粗浅,系统性专项研究工作比较缺乏.笔者根据多年大量的工程地质勘察资料和针对淡水泥灰岩的工程特性试验研究资料,对山西长治盆地第四系淡水泥灰岩的工程特性进行研究,以期引起工程界的关注,补充和提高对于这层特殊地层的工程意义的理解和掌握.

1盆地内第四系松散堆积层概况

山西长治盆地内第四系地层从地表由浅到深依次是:全新统,冲洪积层,黄褐、灰黄粉土,厚0～5 m;上更新统,灰黄、浅黄粉砂土(马兰黄土),厚0～7 m;中更新统,冲洪积黄红、棕红砂质黏土,厚2～50 m;下更新统,静水湖积灰黄、棕红、灰绿、灰褐粉质黏土或黏土,厚40～130 m[1].

淡水泥灰岩所在的地层群组:据大量工程资料,淡水泥灰岩存在于下更新统硬塑至坚硬状态的一套杂色粉质黏土地层中,区域地层资料将其划分于下更新统榆社群楼则峪组(Q1L)[1].本组地层主要分布于长治盆地中,是漳河一、二级阶地下伏于马兰组和离石组的主要堆积物.岩性为一套以紫红色、褐黄色、灰黄色、灰绿色为主的河湖相堆积，主要为亚砂土、亚黏土、杂色黏土、灰白色淡水泥灰岩等.层理及韵律清楚,产状近于水平[2].

2 淡水泥灰岩的成因

在淡水湖泊中,静水地带有化学沉积.湖成泥灰岩是在较冷的地方沉积的,在河流或泉水中携带了重碳酸钙的溶液,入湖泊以后,在生物藻类作用下它与沉积在湖底的矿物或黏土颗粒混合,形成钙质腐泥,其中有时含硅质及铁质混合物,重碳酸钙含量达50%～95%,固结成泥灰岩.如果湖泊周围石灰岩和泥灰岩比较发育,则湖成灰岩也会沉积到很厚[3].

3淡水泥灰岩的工程特性

3.1　分布特征

淡水泥灰岩平面地理分布特征:长治盆地内凡是分布有下更新统地层的区域就有淡水泥灰岩的存在,只是其层数、厚度有所差异.分布范围:东界至北北东向长治大断层及潞城县城,西界至屯留长子山前平原,南界约在长治县韩店一带,北至襄垣县城,其分布面积1 000～1 500 km2.

竖直方向层位高程(海拔高程)特征:分布在市区的淡水泥灰岩层位高程在886.3～916.5 m;在北郊区的泥灰岩层位高程为886.0～890.5 m;在长治县城的层位高程为940～942 m;屯留县城一带为919～928 m;长子县城一带为928.3～932.4 m.

3.2　野外宏观特征

在河流侵蚀及建筑工程开挖形成的下更新统露头点,可清楚地看到:在水平层状展布的杂色粉质黏土中夹有灰白色硬质岩状夹层,厚度一般在0.10～0.50 m,并可见到因风化差异而形成的小龛或小崖,连续分布,厚度稳定,如图1所示.在图1露头点,10多米的黏性土层中,发育有5层泥灰岩，每一层的厚度在水平方向变化不大.最薄的层,厚度仅有1 cm,大多数层厚0.15～0.25 m,目前所发现的最大厚度约0.50 m.区域地层资料显示,第四系下更新统楼则峪组(Q1L),灰黄、土黄色亚砂土与棕红、褐红、灰褐、棕黄色亚黏土、黏土互层夹灰绿色亚黏土、灰白色泥灰岩薄层,其厚度为42～128 m[2].

图1　淡水泥灰岩野外宏观特征

3.3　原生构造与岩体结构

淡水泥灰岩岩层顶面与土层分界呈起伏过渡状,而底面平整与土层截然两样.在自然露头点,泥灰岩层内发育竖向裂隙,但形状不规则,方向性很差,裂隙间距为0.5～1.0 m,不具备构造裂隙的特征,笔者认为是自然风化形成的裂隙.

在野外自然露头点,用锤敲击层状泥灰岩或崩落的泥灰岩块,声音发闷而不清脆,无回弹,较易击碎,属较软岩.肉眼观察岩块内无水平层理,可见灰黄色泥质条带,发育较多的孔洞及针状孔隙,直径最大约1.5 mm,偶见软体动物外壳残片(白色).

3.4　试验指标特征

3.4.1化学成分

为测定泥灰岩的化学成分,在3个地点分别采样进行室内试验,较纯的泥灰岩样品主要化学成分组成见表1.根据表1,样本的试验室定名为石灰岩.由于取样是选择含泥少、耐风化的岩块,所以对于自然地层中的岩层,定名为泥灰岩更切合实际.

表1　淡水泥灰岩主要化学成分

3.4.2物理指标

建立好初始有限元模型后，在Nastran中对安装架结构有限元模型进行模态分析。有限元模态分析结果和试验结果的匹配情况如图3所示。

按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—99)规定的方法对3组样本进行了块体密度试验和吸水率试验,结果见表2.

表2　淡水泥灰岩物理性质指标

3.4.3单轴抗压强度

相对而言,选取的3组泥灰岩样本成分较纯,密度较大,并对其专门进行了室内单轴抗压强度试验.试验结果显示,泥灰岩天然状态单轴抗压强度指标为15.60～18.78 MPa.

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)相关规定,按照岩石的坚硬程度划分为较软岩(规范规定较软岩的单轴抗压强度范围为15～30 MPa).

需要说明的是,试验样品只反映了实际地层中含泥较少、成分较纯的泥灰岩,对于大多数部位的泥灰岩而言,比试验样品强度要低一些,低至接近软岩或黏性土的强度.

3.4.4原位测试特征

在野外勘探中,对这层泥灰岩做过多次标准贯入试验,由于泥灰岩的厚度、纯度变化较大,实测锤击数范围值很大,当泥灰岩较薄、较软时,击数在15～50击,标贯器可以穿透该层.当泥灰岩较厚、较纯时,30击仅贯入1～2 cm.

静力触探试验显示,对于厚度大于10 cm的泥灰岩，锥头就难以穿过,锥头阻力超过8 MPa.

4泥灰岩对成桩机械及工艺的影响

由于该层泥灰岩夹在黏土地层中,似岩非岩,似土非土,所以对不同的成桩机具带来不同的影响.

1)对于一般的复合地基施工,由于泥灰岩所在地层多为超固结土,承载力较高,不在处理深度之内,本层泥灰岩对工程没有影响.

2)对于CFG(水泥粉煤灰碎石桩)复合地基及桩基础或桩筏基础,泥灰岩的影响更为直接和明显(尤其当桩长进入下更新统时),其影响程度同样与其岩层厚度直接相关[4].

3)泥灰岩厚度小于10 cm时,不必考虑其影响,只按所在土层性状选择机型和工艺即可.

4)当厚度在10～30 cm时,就应考虑机械及工艺的适应性,甚至有必要进行针对性的试桩.长螺旋钻机及振动沉管桩机就不容易穿透此层泥灰岩,必须进行现场试桩.适用于土层的大直径正反循环钻机成孔也不宜使用,常常造成钻头损坏(打牙)或出浆管堵塞.正式施钻前,宜选择适当的钻头进行试钻.

5)当泥灰岩厚度超过30 cm时,只能选用能钻进软岩地层的钻机钻头方能穿透此层,如旋挖钻机等.若采用正反循环钻机,必须配备能钻进岩层的滚轮钻头或钢粒全面钻头[5].

6)当需要穿透的泥灰岩岩层位于地下水位以上时,无论多厚的泥灰岩，均可采用人工挖孔成桩工艺.

PHC桩(大直径静压管桩)在长治市区的多个工程中成功应用,可以穿透厚度约20 cm的淡水泥灰岩夹层.管桩外径可至400 cm,单桩承载力达4 500 kN,压桩至9 000 kN仍未破坏.

5泥灰岩的工程意义

1)夹在第四系硬塑状黏性土地层中的淡水泥灰岩,从岩块的角度去认识,其性状及力学指标均与正常的基岩地层所取岩块一般无二；从野外的发育范围和规模考虑,也完全可以认定为淡水泥灰岩．但是,从建筑工程地基的空间介质模型而言,即使遇到多层淡水泥灰岩,地基依然是黏性土地基的范畴,不能按基岩地基对待.笔者认为,把淡水泥灰岩夹层看作是土质地基中的“不利埋藏物”或“孤石”较为合理.换句话说,不把泥灰岩当“岩层”而当作“石块”.

2)勘察工作中,选取地基承载力时,在以黏性土指标确定承载力的基础上,可以适当提高一定幅度.

3)计算地基变形时,对于夹有泥灰岩的土层,压缩模量取值可以比没有泥灰岩的土层略高一些[6].

4)考虑地基地下水作用时,要考虑泥灰岩的隔水作用.

5)选取桩端持力层时,泥灰岩可作桩端持力层,但其承载力不能以岩层取值(抗冲切和抗剪力不足),要按硬塑土略为提高取值.

6)地基处理及桩基施工选择成孔工艺机型时,要充分认识泥灰岩的不利影响.

6结语

1)长治盆地淡水泥灰岩是第四系下更新统静水湖相沉积的黏性土层中的夹层,水平分布连续,厚度稳定，发育多层,最大厚度约0.5 m.发育层位的海拔高程为886～940 m.勘察揭露埋深为15～50 m.

2)泥灰岩的外观特征及物理力学指标与正常的泥页岩接近,化学成分分析符合正常泥岩的成分组成及比例.

3)黏性土地基中,由于泥灰岩的发育,对地基处理及桩基工程的成孔机械工艺选型有着明显的影响.

4)在地基设计和变形计算时,淡水泥灰岩不能按基岩地层考虑,只能认为是较大范围的特殊埋藏物.

5)淡水泥灰岩作桩端持力层时,端阻力参数也不能按岩石取值,而应按适当修正的硬塑土层取值.

参考文献

[1]山西省地层表编写组.华北地区区域地层表：山西省分册(二)[M].北京:地质出版社,1979：1-20.

[2]山西省地质矿产局.长治市综合区域地质调查报告[R].太原:山西省地质矿产局,1989.

[3]谢宇平.第四纪地质学及地貌学[M].北京:地质出版社,2003.

[4]中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范:JGJ 79—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[5]张雁,刘金波.桩基手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[6]张钦喜,郑玉苹,陈鹏,等.CFG桩复合地基沉降计算方法的修正[J].岩土工程技术,2015,29(2):100-104.

(责任编辑：乔翠平)

Property Characteristics and Engineering Significance of Quaternary

Light Cement Limestone in Shanxi Changzhi Basin

ZHANG Xinjing

(The Second Architectural Design Institute of Shanxi Province, Changzhi 046000, China)

Abstract:The strata of lower pleistocene of quaternary system in the Changzhi region is often the main stressed layer of building foundations, and it is also used for the pile tip bearing stratum of high-rise buildings. But it frequently encounters the light cement limestone interlayer; therefore, it is an important factor of foundation calculation and pile selection process. In this paper, the engineering properties of the special rock are studied. The results show that when the foundation design and the deformation calculation, the light cement limestone cannot be considered as bedrock formations, and only can be as a wide range of special treasure trove; when the light cement limestone is used as the pile bearing stratum, the end resistance parameter also cannot be valued as the rock, while be valued as the hard plastic soil layer amended appropriately. At the same time, the chemical composition and the physical and mechanical indexes of this special layer of rock are studied.

Keywords:Shanxi Changzhi basin; light cement limestone; mechanics index; engineering properties; the pile influence

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)06-0051-04

中图分类号：P642.5

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.06.013

作者简介：张鑫景(1963—)，男，山西长治人，高级工程师，国家注册岩土工程师，主要从事工民建岩土工程勘察设计及检测方面的研究.

收稿日期:2015-10-11