耿马新近纪软岩-硬土物理力学性质研究

熊向前 张 婷

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

云南省耿马坝是耿马县政治、经济、文化中心，在经济建设过程中，起着重要作用。耿马坝主要岩性为新近纪中新世耿马组湖泊相灰色、浅灰色极薄层-薄层状黏土岩、粉砂质黏土岩互层，属软岩、硬土过渡性特殊岩土体，到目前为止，对耿马坝地质研究的手段和方法都不成熟，物理力学参数的系统性讨论与研究也相对较少。本次研究对于当地基础设施建设有着重要意义。

1 大地构造部位

研究区位于横断山系南段，总体地势东北高、西南低，山脉、水系走向多顺构造线发育。受构造影响，大山之间形成断陷盆地，邦马大山与耿马大山间夹耿马盆地。耿马盆地形成约在喜马拉雅运动第二幕发生时，先存断裂的左旋扭张导致地表拉分，在大地构造上位于三级构造单元勐省-东回褶皱束（）的中段耿马弧形褶皱束。澜沧江西部分支断裂从盆地形成以来就成为耿马盆地的边界断裂，其后期活动影响着耿马盆地的沉积特征。

2 沉积环境及岩相特征

耿马坝在古生界和中生界（P～J）基底上接受新近纪沉积，其构造-沉积演化分为五个阶段:即断陷初期快速张陷强烈超补偿阶段、断陷早期快速张陷欠补偿-基底回升阶段、断陷中期快速张陷欠补偿阶段、断陷晚期快速张陷补偿阶段和断陷晚期萎缩超补偿阶段。而研究区的软岩硬土沉积时期为断陷初期快速张陷强烈超补偿阶段、断陷早期快速张陷欠补偿-基底回升阶段、断陷中期快速张陷欠补偿阶段。耿马盆地地质剖面见图1。

图1 耿马盆地地质剖面

在潮湿气候条件下，湖相沉积发育有机质多，还原作用强，由大量暗色沉积物生成，根据研究区黏土岩、砂质黏土岩的颜色可判定为还原环境。

研究区内岩性岩相变化较大，纵向和横向岩相变化明显，沉积韵律清晰，总体属于干燥气候区、山间断陷盆地类型细碎屑沉积岩建造。

3 物质组成

本次对研究区70m深度内的岩块随机取样进行化学成分及矿物成分分析，结果见表1。

表1 化学成分及矿物成分组成 单位:%

试验成果:二氧化硅是主要成分，它是以复杂黏土矿物、原生硅酸盐矿物和游离氧化硅等形态存在的。其次是氧化铝，氧化铝是黏土矿物成分的基本组成物质和原生硅酸盐的组成物质。氧化铁以游离状态存在，氧化钙以碳酸盐的形式存在，是绿泥石和白云石的主要成分。烧失量反映了有机质的多少。黏土岩中黏粒含量为39.7%，主要以黏土矿物为主，黏土矿物主要来源于硅酸盐在不同气候下的产物。黏土矿物的生成，大部分源于硅酸盐在不同气候条件下作用的产物，但也可形成于沉积环境时期或者形成于埋藏后的阶段。

原生矿物和黏土矿物约各占50%，黏土矿物主要为伊利石和高岭石，部分为绿泥石；原生矿物主要为石英，少量为斜长石。铁泥质成分是影响软岩工程性质的主要因素，其中伊利石作为较强亲水矿物，直接影响岩石的变形和强度特征，使得软岩具备亲水性强，遇水易软化、塑变，强度低，在水的作用下易膨胀，失水易崩解等特性。

对不同深度取样14组进行颗粒分析试验，见图2，黏土岩中黏粒含量近40%，粉砂质黏土岩中黏粒含量近18%。

4 结构及构造特征

在沉积过程中，沉积动力学特征和沉积环境特征直接决定了岩层物质组成、结构构造，进而决定了地层工程地质特性。耿马盆地为小型第三系陆相张陷盆地，受构造作用控制明显，盆地形成、沉积相展布均受断裂控制。耿马盆地这种受断裂活动影响的小型陆相盆地，其沉积主要受控于断裂的多期活动。

图2 颗粒级配曲线

研究区一般含泥质较多的黏土岩呈极薄层-薄层状，含粉砂质或钙质较多的砂质黏土岩呈薄层状或中厚层状，局部夹有成岩较差的砾岩、砂岩、粉细砂层透镜体，为新近纪陆湖泊积为主的细碎屑沉积岩，地层近东西向带状分布，水平层理，层序不稳定。

5 室内试验研究

对不同深度内的18组岩块进行了天然状态无侧限单轴抗压强度试验，试验结果显示，样品最大值4.8MPa，最小值0.88MPa，平均值2.1MPa，属极软岩，岩体强度低，饱和状态强度更低。在开挖过程中可采用机械或人工掘进，为典型的软岩、硬土过渡型地层。

对15组岩块样品按土工试验方法进行试验，见表2～表4，天然状态下黏土岩为中压缩性土，粉砂质黏土岩为低压缩性土。两种岩性混合饱和状态下为中压缩性土。该地层为极薄层状-薄层状，经过运输、制样后样品试验成功率较低，对于试验数据的获取较为困难。判定新近纪（N1）地层为弱膨胀土（岩）。

表2 物理性质

表3 天然状态力学性质

表4 饱和状态力学性质表（未分岩性）

6 原位试验研究

6.1 注水（压水）试验

本次对89段注水（压水）试验的统计结果见表5，多数试验段透水性等级为极微透水和微透水层。

表5 注水（压水）试验统计

6.2 标准贯入试验

本次对5个钻孔内20m深度范围内的67点次标准贯入试验成果进行统计，通过钻孔及结合实际开挖情况分为上部5m及下部2个深度范围统计，见表6、表7。

表6 标准贯入试验统计

表7 标准贯入试验分析

承载力标准值与标准贯入试验修正击数关系采用式（1）进行计算:

式中 fk——承载力标准值，kPa；

N——标准贯入试验修正击数标准值，击/30cm，取3～18。

压缩模量与标准贯入试验修正击数关系采用式（2）进行计算:

式中 Es——压缩模量，MPa。

6.3 静力触探试验

对新近纪地层上部5 m内9孔静力触探孔进行统计，见表8。通过量测系统测土的贯入阻力，可基本换算土的基本物理力学特性，见表9。

表8 静力触探试验成果表

表9 静力触探试验结果分析

承载力标准值与标准贯入试验比贯入阻力关系采用式（3）进行计算:

式中 f0——承载力标准值，kPa；

ps——比贯入阻力，MPa。

压缩模量与标准贯入试验比贯入阻力关系采用式（4）进行计算:

6.4 载荷试验

对研究区地层上部5m内进行天然状态与饱和状态的载荷试验，各点荷载P与变形W曲线见图3。荷载试验成果见表10，上部5m变形模量及压缩模量计算成果见表11。

图3 应力-应变曲线

表10 荷载试验成果

表11 上部5m内变形模量及压缩模量计算成果

变形模量E与应力-应变关系采用式（5）进行计算:

式中 E——岩体变形模量或弹性模量，MPa；当以全变形代入式中计算时为变形模量E0；

μ——岩体泊松比，饱和0.31，天然0.30；

P——按承压板面单位面积计算的压力，MPa；

D——承压板直径，cm；

W——岩体表面变形，cm。

6.5 剪切试验

对选取研究区的3个点采用平推法进行现场剪切试验，试体体积为50cm×50cm×35cm，根据抗剪断和摩擦试验峰值强度与相应的正应力采用图解法拟合剪应力τ与正应力σ关系曲线（见图4），回归计算直剪强度参数（见表12）。

图4 剪切试验剪应力-正应力（τ-σ）关系曲线

表12 剪切试验强度成果

7 物理力学取值探讨

研究区地层单点的承载力差异性较大，与其岩性复杂、竖向变化较大的规律是对应的，在剔除异常值后天然状态与浸水饱和后的极限载荷、比例界线以及计算后的变形模量和压缩模量基本一致，说明该套岩层浸水饱和后的承载力与天然状态下相差不大，与该地层微-弱透水性的性质是相关的。根据载荷试验成果，采用极限承载力的小值及平均值除以安全系数1.5与比例界限值进行对比分析，同时根据标准贯入试验、静力触探成果和室内试验成果分析，综合确定该层上部5m内及下部的承载力。

因岩体呈极薄层-薄层状构造，且倾角近水平，岩性复杂，竖向上差异较大，现场剪切试验成果显示剪切试验多沿层面剪切破坏，抗剪断强度f＇、C＇及抗剪强度C、φ值均较小，在工程建设后极易沿层面破坏。

通过对黏土岩、粉砂质黏土岩成因、岩相、化学成分、物质组成等分析，综合试验成果、试验方法和试验过程，提出研究区物理力学性指标建议值（见表13）。

表13 物理力学性质地质建议值

8 结 语

新近纪中新世耿马组黏土岩、粉砂质黏土岩为湖泊积，成岩时间短，为典型的软岩、硬土过渡性特殊岩土体。该地层成因较为复杂，岩性、强度及胶结程度等在垂向及水平方向相差较大，强度差异性较大，同时夹成岩较差的砾岩、砂岩透镜体，造成该地层更大的强度差异。

对于软岩-硬土特殊岩土体，应重视现场试验和原位测试成果，采用多种手段相互验证成果参数的合理性。力学参数宜选取小值平均值，以规避工程风险。对于层面或软弱结构面发育的岩土体，应加强专门性研究。