基于南宁盆地影响泥质岩强度特性的因素分析

钱伟文,张信贵,黄窈婷,马福荣,易念平

(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004； 2.南宁市勘察测绘地理信息院， 广西南宁530001；3.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室， 广西南宁530004)



基于南宁盆地影响泥质岩强度特性的因素分析

钱伟文1,2,张信贵1,3,黄窈婷1,3,马福荣1,3,易念平1,3

(1.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004； 2.南宁市勘察测绘地理信息院， 广西南宁530001；3.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室， 广西南宁530004)

南宁盆地泥岩具有成岩时间短、裂隙发育、较高的超固结特性及钻取完整岩芯较困难等特点，通过对泥岩固结特性的研究，以泥岩干燥后是否浸水崩解为划分标准，建立Ⅰ类超固结、Ⅱ类超固结的概念。比较了盆地中南湖组泥岩与北湖组泥岩强度性质，研究并得出超固结特性、持水性、崩解性、膨胀性等性质对泥岩强度的影响。

泥岩;固结;超固结;持水性;崩解;膨胀

1　南宁盆地泥岩的基本特性

1.1南宁泥岩的基本特性

①成岩时间短，成岩作用差，岩相变化大，岩体强度低，胶结程度差，易风化。干燥状态下的单轴抗压强度R干一般为5～25 MPa，饱和状态下的单轴抗压强度R饱一般为1～4 MPa，甚至更低。软化系数(R饱/R干)很小，一般为0.04～0.4。随着风化程度不同，室内物理力学性质[1-3]的结果差异很大。

②强风化软岩裂隙发育，但一般呈闭合状态，微风化软岩裂隙不甚发育，且多为闭合裂隙。软岩常常具有浸水易崩解软化、失水易干裂的特性。其饱和吸水率一般为5%～20%。

③较高的超固结特性。前期固结压力Pc高于第四系超固结硬粘土，一般为275～7 000 kPa。

④软岩钻取完整岩芯较困难，制备完整岩样也困难。软岩在干燥状态下进行试验时，受裂隙、制样等因素影响，试验数据离散性很大。在饱和状态下进行试验时，则由于崩解软化，其抗剪强度比自然状态要偏小很多[4-6]。

1.2南宁盆地地质概况

南宁盆地东西长约60 km，南北宽10～15 km(最宽处达20 km)，面积370 km2，略呈北东至南西向的纺锤形，周围有低山丘陵环绕，山高海拔200～500 m，盆地底部高程70～80 m，盆地内部地势基本平坦。邕江自西向东穿越盆地腹部，河流两岸发育多级阶级地，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地顶面高程分别为70～80 m，100～120 m和130～150 m。最高一级阶地，已高出现河床120 m。盆地中除主干河流邕江外，尚有支流、湖泊及水库，地表水文网发育[7]。

南宁盆地构造部位处于广西山字形构造前弧顶端的西侧。中生代末期受燕山运动的第三幕影响，南宁一带产生断裂下陷形成狭长形的断陷低洼盆地。第三纪早期在干燥炎热的环境下在盆地内堆积了厚逾百米红色陆相磨拉石建造(简称红色岩相)，后来其后转为温热多雨，在盆地中沉积了厚近1 000 m的湖沼相杂色含煤地层(简称含煤地层)。红色岩组和含煤地层受喜马拉雅运动影响，发生轻度褶皱。形成北东东向平缓开阔的向斜构造(岩层倾角一般在5°～20°)。向斜波状起伏。断裂比较发育，靠近大断层的地段岩层倾角变徒，甚至走向、倾角也发生改变。向斜盆地的基底及周围低山丘陵分布泥盆地系碎屑岩及灰岩以及寒武系轻微变质的砂页岩，其间为不整合接触。南宁盆地地层表见表1[7]。

表1　南宁盆地地层表Tab.1　Strata of Nanning basin

泥岩及其风化物中小于2u的颗粒含量占50%,泥岩及其风化物的化学成分为55%Sio2和26%Al2O3，其硅铝比为4.20，阳离子交换量24.15 me/100g 土，为Mg-Ca型，且不饱和。含有矿物成分约50%的伊利石，约30%的高岭石，约10%～25%的蒙脱石，以及少量埃洛石，绿泥石，石英等。结构构造为泥质或含砂砾泥质结构，聚合体呈定向排列构造，粒状镶嵌，胶结联结。这里需指出的是，本文所指南宁盆地泥岩并非单一岩性岩层，而是不同岩性的岩层组合成的工程岩样，包括：砂质泥岩、粉砂质泥岩、粘土质泥岩。

2　固结特性分析

一般地，土的抗剪强度取决于土本身的抵抗阻力和受力条件两方面。米切尔曾用下述剪切阻力公式简单、扼要地说明了影响强度的许多因素：

剪切阻力=F(e、φ、C、c′、σ′、H、T、ε、ε′、S)，

其中：e为孔隙比，φ为内摩擦角，C为成分，c′为有效凝聚力，σ′为有效应力，H为应力历史，T为温度，ε为应变，ε′为应变率，S为结构。上述参数并不独立[8]，式中没有概括全部影响土强度的因素。

泥岩的强度性质是比较复杂的，实践证明，其强度受环境因素影响，不同于一般粘性土和硬质岩石[8]。

2.1超固结性对泥岩强度的影响

泥岩最主要的特征之一是超固结性，因经历过成岩作用或成岩胶结作用，它的超固结性不同于一般超固结粘性土，而成岩历史、成岩作用密切相关。

据研究表明[8]，粘土变成粘土岩的过程可分为二个阶段：

半成岩阶段：粘土岩在成岩的早期～中期，随着土层埋藏深度加大，上覆压力增加，逐渐发生脱水作用，天然含水量、孔隙度逐渐减小，单轴抗压强度、崩解也逐渐增强。崩解性增强的原因是随着深度增长，粘粒定向性变差，使不崩解的高压密粘土变成非水稳定性的;

完全成岩阶段：即成岩作用晚期，形成了颗粒间坚硬不可逆的抗水粘结结构的泥质岩，全部失去晶体间膨胀的可能性，联接结构持有结晶特征，含水量和孔隙度不再减少，单轴抗压强度增至一稳定值，已无崩解性。

类似地，南宁盆地第三纪早期经历了炎热干燥～温暖潮湿～半干旱炎热的气候变化，沉积了厚约1 000 m的湖相沉积杂色含煤地层，是第三系泥岩形成超固结的直接原因。第四纪(200万年)开始时，地壳缓慢抬升，河流下切，泥岩受到剥蚀而形成超固结土层。上覆压力造成泥岩的超固结特性，但超固结不一定都是受荷历史所致，其他如颗粒间胶体化学性质变化，雨水的淋滤作用，干湿冷热循环，吸引的巨大作用都可以使岩体呈现出一种超固结性状。

为了反映泥岩不同的超固结成因、不同的水理特性，本文试图建立Ⅰ、Ⅱ类超固结的概念：完全成岩的超固结泥岩是在上覆巨大压力下形成的，其性质不受水影响，称为Ⅰ类超固结泥岩。半成岩的超固结泥岩是上覆压力(一部分)和巨大吸引力中占绝大份额的毛细吸力造成的巨大粒间压应力形成的，其性质受水影响较大，称之为Ⅱ类超固结泥岩。试验证实这种划分是合理可行的[9-11]。

2.1.1南湖组泥岩与北湖组泥岩性质比较

由表3和图1可知，年代较新的北湖组泥岩，天然单轴抗压强度R一般低于1.5 MPa。R～ω曲线平缓，对水不十分敏感。年代较老的南湖组泥岩，R一般在1.0～10 MPa，高者达15 MPa，R～ω曲线是线性变化。而⑤、⑥、⑦层泥岩及邕江三桥泥岩的R～ω曲线相对较徒，受水影响大。衰减后的单轴抗压强度高于同含水量下北湖组泥岩[8]。

表2　不同层位单轴抗压强度与含水量关系试验成果表【南湖组(E3n)】Tab.2　The relationship between uniaxial compressive strength and water content of different layers(E3n)

e.试验⑤层泥岩(E3n)，R=1 070ω-2.67MPa；f.试验⑥层泥岩(E3n)，R=236ω-1.72MPa;h.试验⑦层泥岩(E3n)，R=2 811ω-2.94MPa；i.试验⑧层泥岩(E3n)，R=-0.033ω+7.22 MPa

图1单轴抗压强度R与含水量ω曲线

Fig.1The curve between uniaxial compressive strength R and water contentω

按上述超固结类型划分，⑧层泥岩为Ⅰ类超固结泥岩，其他南湖组、北湖组泥岩均为Ⅱ类固结泥岩。对于Ⅱ类超固结泥岩来说，年代越老，含水量越低，强度越高，吸力[12]在强度中所占的份额也越高，浸水使土吸力产生的强度分量消失后，所表现出的崩解性、软化性越强，强度衰减也愈剧烈。这就是南湖组泥岩强度变化不同于北湖组泥岩的原因。

2.1.2前期固结压力Pc的衰减

泥岩前期固结压力变化见表4。

表4　18组泥岩前期固结压力成果表Tab.4　Pre-consolidation pressure of 18 groups of mudstone

泥岩⑧浸水后，Pc几乎不发生变化。泥岩⑤、⑥、⑦浸水后，Pc发生不同程度的衰减。

泥岩⑥衰减最为剧烈。这也说明泥岩⑧结构稳定好、连接强度高、水稳定性好，为Ⅰ类超固结泥岩。泥岩⑤、⑥、⑦结构稳定性差、水稳定性差、软化程度高，Ⅱ类超固结泥岩。

实用上遵循简单、方便的原则。把受水影响小，干燥后浸水不崩解的泥岩划分为Ⅰ类超固结泥岩。受水影响大，干燥后浸水发生崩解的泥岩划分为Ⅱ类超固结泥岩。按干燥后浸水是否发生崩解来进行划分，是因为这种方法基本反映出了泥岩物质成分、胶结物的性质、结构构造及成岩作用的高低。划分的目的是便于研究，对在工程中遇到Ⅰ类超固结泥岩，不必太过考虑水对其的影响，而对Ⅱ类超固结泥岩则根据其生成年代、成岩作用的大小，对其强度随含水量增加而衰减的程度进行研究。

2.2泥岩的持水性、崩解性、膨胀性对强度的影响

泥岩随持水程度不同，对强度影响不同。

图2　南宁泥岩吸力PF～含水量ω曲线Fig.2　The curve between mudstone suction PFand water content ω of Nanning

泥岩的持水性，影响泥岩吸力的变化。吸力的存在使泥岩抗剪强度增加了一个分量，泥岩饱和，毛细吸力消失，吸力产生的强度分量也随之消失。吸力项(Ua—Uw)tgφb得与失[4,8]，直接影响了泥岩的抗剪强度的变化。图2说明了泥岩含水量与吸力的关系，含水量、吸力、抗剪强度的关系是：含水量增大，吸力减小，抗剪强度降低。

处于天然含水量下的试验场地泥岩，几乎不显示其崩解性和膨胀性。浸水后只发生软化，软化程度与泥岩类型、浸泡时间、扰动程度有关。Ⅱ类超固结泥岩浸水时间越长、扰动程度越大，软化程度越高。风干后浸水崩解迅速，显示出很大的膨胀性。泥岩软化、膨胀和崩解，造成强度降低甚至完全丧失。邕江三桥主桥墩水下施工桩基时，一次成孔后灌注的桩基较二次或多次成孔灌注的桩基单桩承载力明显高出很多，即说明了泥岩强度降低是受扰动程度、浸泡时间多因素的影响。

泥岩的强度参数φ、C随含水量呈负幂指数衰减，φ、C迅速衰减后趋于很低的稳定值。

综上所述，泥岩持水的多寡及膨胀性、崩解性如何，对强度的影响非常显著。

2.3室内试验与原位测试的差异

致密、坚硬、超固结并有裂隙泥岩给钻探造成很多困难，取样后会发生应力释放、裂隙张开以及室内制样困难，都影响了试验质量。试验采用立式凿岩机加工由现场取出的大块岩样，其做法较钻探取样质量高。但该法也有缺陷，一是只适用于浅表层泥岩，二是加工后的试样与环刀之间不易密合。室内试验的三轴剪和直减，二种试验的强度互有大小，原因是试验的应力状态不同和泥岩的层状构造、裂隙的影响。

原位测试的强度仅代表测点或岩体中的局部范围，不能完全代表整个岩体，又由于各测点岩性、裂隙、风化程度的不均匀，加之原位测试点的应力状态、土样结构及破坏机理与室内试样不完全相同，所以原位测试与室内试验的结果不一定很符合。

试验数据的离散、变异，是泥岩结构、裂隙影响的结果，同时也是上述诸因素影响的结果。

要全方位地考虑影响泥岩强度的各个因素及特性很困难，一般情况下也是不可能或不必要的。面对工程实践的需要，就在于分清影响因素的主次，为确定泥岩的强度和承载力提供一个反映工程实际，安全而又不保守的实用方法[13]。

3　结　语

①与一般粘性土不同，将泥岩按其成岩作用或成岩胶结作用及历史等划分为Ⅰ类超固结、Ⅱ类超固结两种类型。实践中按其受水影响程度，干燥后是否浸水崩解来进行划分，不必要考虑所受的应力历史等因素，这样划分易于理解，便于应用和研究。Ⅰ类超固结泥岩不受水的影响或影响小，Ⅱ类超固泥岩受水影响的程度与成岩作用强弱有关。通过划分Ⅰ类、Ⅱ类超固结类型，基本综合反映出了泥岩的物质成分(矿物成分、粒度成分、化学成分)、胶结物含量及胶结程度、成岩作用的高低、结构等性质。

②Ⅱ类超固泥岩的风化、干燥是浸水破坏的基本前提。泥岩破坏除与岩石本身的性质有关外，还与失水程度有关，失水程度越高，浸水活化作用越强。因此，干燥的温度、湿度、暴露或干燥持续时间、初始含水量等，对泥岩的膨胀崩解程度都有重要影响。但是，并不是任何微小的水分损失都会产生明显的浸水效应，而是存在一个临界失水量，只有当含水量降低超过这一临界值时，才会发生明显的破坏。泥岩的临界失水含水量在工程实践中具有重要的意义，即在工程开挖到封闭结构实施之前，必须把泥岩的水份损失限制在临界值之内，反之将工程留下隐患。遗憾的是本次试验未准确测出泥岩的临界失水值。据研究，泥质岩的临界失水值在1.5%～3.5%，但它与岩石的类型、性质、天然含水量大小有关，不同类型下的岩石有不同的临界失水值。

③新鲜不扰动的原状泥岩浸水后不发生崩解，几乎不显示膨胀性，仅仅发生软化，软化程度与泥岩的类型、浸水时间、扰动程度、膨胀性有关。风化后的Ⅱ类超固泥岩浸水迅速崩解，强度完全丧失。

④Ⅰ类超固结泥岩单轴抗压强度R与含水量ω的关系呈线性变化，R对ω增加不敏感。Ⅱ类超固泥岩单轴抗压强度R、抗剪强度参数φ、C随含水量ω增加呈负幂指数形式衰减，与承载力随含水比增加衰减规律一致。风干后的Ⅱ类超固泥岩，含水量低，含水量的微小增加，引起吸力急剧降低，当含水量下的增至液限时，吸力变化趋于一稳定值，不再变化。试验反映出低含水量下的Ⅱ类超固泥岩吸力是很大的，浸水后承载力降低是含水量增加吸力降低的结果。风干后浸水表现出的崩解性、膨胀性也是吸力变化的结果。

⑤承载力确定方法。Ⅱ类超固泥岩采用按风化程度；按单轴抗压强度(折减后)；按含水比；按理论公式(合理取φ、C值)等方法综合确定承载力。有载荷试验资料时，经过对比综合确定承载力标准值fk；对无荷载试验资料的中小工程，若这四种方法确定的fk变异不大，则可取后三种方法确定的fk的平均值作为承载力标准值，若fk变异较大，分析原因，取较为合理的fk。Ⅰ类超固结泥岩按前三种方法确定。因土工试验方法难以测出φ、C，所以理论公式不适合此类泥岩。

⑥工程开挖，尤其是地表开挖，往往易造成干湿交替、机械扰动、风化、风化剥落及收缩开挖现象。在地表水和地下水联合作用下，泥岩发生膨胀、崩解、软化，强度发生强烈衰减，带来工程隐患甚至导致工程变形破坏。在施工期间尤其是潮湿环境下施工，恶化了施工场地环境，机械扰动和水的联合作用往往造成施工场地泥泞不堪，影响了施工质量。因此采取快速施工、快速封闭的施工工艺及防风化、防膨胀、地下水预疏干的工程措施是十分必要的，对确保施工质量和工程稳定具有十分重要的意义。

⑦泥岩制样难是试验数据质量不高的最主要因素之一。针对这个问题，特别研制一硬质合金钻头，使钻出的样品面积恰好等于或稍微大于土工试验用的不锈钢环刀面积。此方法使制样较为容易，提高了试验质量。关键在于钻头体上镶嵌硬质合金时，调整硬质合金内出刃间距，直到钻出符合要求的试验为止，这是一个很好的加工泥岩样品方法。

⑧泥岩岩相变化大，本文依据有限的室内外试验及工程资料所推求得到的规律性，距离真实地反映南宁盆地泥岩的工程性质还有很长的路要走，但是在试验及工程资料基础上分析得出的定性或定量结论，对泥岩性质的规律性认识，对今后的研究工作和当前的工程实践，无疑具有现实意义。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Analysis on influence factors of strength characteristics of mudstone in Nanning basin

QIAN Wei-wen1,2, ZHANG Xin-gui1,3, HUANG Yao-ting1,3, MA Fu-rong1,3, YI Nian-ping1,3

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi university, Nanning 530004,China;2. Nanning Exploration and Survey Institute, Nanning 530001,China;3. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education, Guangxi University, Nanning 530004,China)

Mudstone in Nanning basin have the characteristics of short diagenetic time, fracture development, high over consolidation and hardly giving intact rock core, etc. Through a research on the consolidation characteristics of mudstone, the classification of Types I and II over consolidation is established based on whether the mudstone after drying is disintegrable. The strength of mudstone from Nanhu and Beihu was compared, and the effects of over consolidation, water retention capability, disintegration and expansibility on mudstone strength were studied.

mudstone; consolidation; overconsolidation; water retention capability; slaking characteristic; expension

2016-03-01；

2016-04-22

国家自然科学基金资助项目(51268003;51168005);广西防灾减灾与工程安全重点实验室开放课题项目(2012ZDK08;2015ZDK001);广西重点实验室系统性研究项目(2013ZDX11);南宁市科学研究与技术开发计划(科技攻关)项目(南科发字[(2013)46号])

张信贵(1965—)，广西北流人，广西大学教授，博士;E-mail：xgzhangchn@foxmail.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1109

TU451;TU458;TU459

A

1001-7445(2016)04-1109-07

引文格式：钱伟文,张信贵,黄窈婷,等.基于南宁盆地影响泥质岩强度特性的因素分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1109-1115.