南宁盆地泥岩压缩特性分析

赵印良

(桂林市勘察设计研究院，广西 桂林 541002)

0 引言

随着南宁城市的高速发展，高层建筑、交通立交、跨江大桥、水利大坝相继建设，诸多建(构)筑物都利用了南宁盆地泥岩作为天然地基或桩基础的持力层[1]。因此，为了南宁城市建设发展，准确合理地分析掌握南宁盆地泥岩压缩特征及规律，提供安全可靠、经济合理的岩土工程地基变形计算设计参数，对南宁盆地各种状态泥岩的压缩变形特征及规律进行分析研究非常必要。

在过去所做实际工程中，南宁盆地泥岩压缩性试验主要是在100 kPa～200 kPa压力作用的试验，随着建筑物层数增加和构筑物荷重增大，作用于泥岩地基上的基底压力远大于200 kPa，因此，不仅需要进行常规压力作用下固结压缩试验，更需要进行超高压力作用下固结压缩试验。结合实际工程室内试验数据，分析不同风化程度的泥岩在同一压力(常规)条件下和同一风化程度泥岩在不同压力(高压)条件下的压缩性质及规律，应用数理统计方法的最小二乘法对试验数据散点图分布规律性进行函数拟合，找出泥岩压缩指标变化的规律性，得出相关经验计算公式。应用这些相关数据及公式，首先便于在岩土工程勘察分析研究过程中准确地把握南宁盆地泥岩的压缩性变形规律，更好地为工程建设提供安全可靠的数据；其次可节约大量钻探、取样、试验的时间及费用；再者对南宁盆地泥岩压缩性指标的进一步分析研究提供帮助及指导性作用。

1 南宁盆地泥岩基本特性

南宁盆地泥岩为第三系古—渐新统泥岩，呈灰白、浅灰、浅灰绿色，中厚—厚层泥岩和粉砂质泥岩，岩石的固结程度较低，表层风化程度较高[2]。泥岩基本特征主要表现在五个方面[3]：① 成岩时间短，成岩作用差，胶结程度差，呈‘土不土、岩不岩’的半成岩状态；② 颗粒高度分散，富含亲水性的黏土矿物，具有膨胀性，属膨胀岩；③ 岩性成分复杂，有黏土质泥岩、粉土质泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等，互为夹层，千层饼状，软硬强度交替变化，风化带划分困难；④ 裂隙发育，易风化，见风见水，碎裂软化；⑤ 试验制样困难，试验数据离散很大，干燥状态下制样易开裂，饱和状态下由于崩解软化其强度较低。

泥岩分为全风化、强风化、中风化等三层[4]。其中：① 全风化层：呈可—硬塑状态，黏土状，切面光滑，无摇振反应，有光泽，干强度高，韧性高；露出地表且长期被水浸泡的低凹地带，泥岩呈软塑状态，膨胀性中—强，高—中压缩性，土体强度较低；② 强风化层：湿—稍湿，硬塑—坚硬，厚层状，成岩程度较低，偶含贝壳类化石；失水干裂，遇水易软化，膨胀性中—强，低压缩性，为极软岩，与粉砂质泥岩呈互层状；③ 中风化层：稍湿，坚硬，敲击稍有刚性回声，岩石结构部分破坏，厚层状构造，为极软岩—软岩。

2 固结压缩试验结果及分析

在岩石固结压缩试验过程中，把泥岩当一般土体，在压力作用下，孔隙水逐渐排出，孔隙水压力消散，有效压力增大，完成岩体的压缩(固结)试验，得出泥岩的压缩性指标[5]。压缩试验在固结仪中进行，固结仪容器中使用的试样环刀直径为78.9 mm，试样上下面为排水顺畅的透水石，试验加荷设备能垂直在瞬间施加各级规定的荷重，且没有冲击力，试验变形量测设备为量程10 mm、最小分度为0.01 mm的百分表。试验分常规固结压缩和高压固结压缩两种，常规固结压缩，在同一压力条件下变形压缩试验，用不同风化程度即不同孔隙比的岩石，在压力100 kPa～200 kPa常规压力条件下，试验得出压缩系数a和压缩模量Es力学性质指标，分析压缩指标与孔隙比之间的变化规律。高压固结压缩为不同压力条件下固结压缩试验，用同一风化程度即用相同或相近孔隙比的岩石，先用400 kPa压力预压，再加压力，从5×100 kPa～44×100 kPa超高压力条件下，试验得出压缩系数a和压缩模量Es力学性质指标，分析压缩指标与不同压力之间的变化规律。

2.1 不同风化程度泥岩在同一压力条件下变形压缩试验

选取全风化、强风化、中风化泥岩，在压力100 kPa～200 kPa作用下，进行压缩固结试验，得到压缩系数a和压缩模量Es力学性质指标。

2.1.1 全风化泥岩压缩试验

全风化泥岩压缩试验以某学院教学大楼场地的泥岩④-1为例，该场地位于南宁盆地二级阶地上，地面以下18 m内为第四系土层，下伏第三系泥岩，与泥岩接触土层为圆砾层，圆砾之下泥岩为全风化层，呈可塑到软塑状态，属中—高压缩性泥岩，压缩试验结果统计见表1。

表1 全风化泥岩压缩试验物理力学指标统计结果Table 1 Statistic result of physical and mechanical index of fully weathered mudstone in compression test

2.1.2 强风化泥岩压缩试验

强风化泥岩是南宁盆地普遍存在的一种泥岩，常做建筑地基持力层，为硬塑—坚硬状态。以绿港·欢乐里场地的强风化泥岩⑤为例，该场地位于南宁盆地四级阶地上，地面以下第四系土层厚8～10 m，下伏第三系泥岩，与泥岩的接触土层为含黏土圆砾层，圆砾之下为中—低压性土强风化泥岩，强风化泥岩压试验指标统计结果见表2。

表2 强风化泥岩压缩试验物理力学指标统计结果Table 2 Statistic result of physical and mechanical index of strongly weathered mudstone in compression test

2.1.3 中风化泥岩压缩试验

中风化泥岩呈坚硬状态，为低压缩性土。以北部湾科技园总部基地一期A区场地中的风化泥岩⑦为例，该场地位于南宁盆地四级阶地上，地面以下第四系土层厚10～12 m，土层以下为第三系泥岩，与泥岩的接触土层为含黏土圆砾层，圆砾之下为软—可塑的全风化层、硬塑—坚硬的强风化层、坚硬状态的中风化层。本次试验岩石为埋深在20 m以下的坚硬状态中风化泥岩，压缩试验性物理力性质指标统计结果见表3。

表3 中风化泥岩压缩试验物理力指标统计结果Table 3 Statistic result of physical and mechanical index of medium weathered mudstone in compression test

通过以上几个代表性工程实例的全风化、强风化、中风化岩石试验，南宁盆地泥岩的物理力学性质有如下特点：① 物理力学参数差异性很大，往往介于岩和土之间，含水量(W)在13.86%～43.60%之间；孔隙比(e)在0.480～1.228之间：液性指数(IL)在-0.37～0.95之间，压缩系数(a1-2)在0.06～0.75之间，压缩模量Es在3.0～24.1之间。② 压缩性与风化程度相关，或者说风化程度是压缩性指标的影响因素之一，风化程度越强，孔隙比越大，压缩性越高；反之，风化程度越弱，孔隙比越小，压缩性就越低。

2.1.4 孔隙比与压缩系数、压缩模量关系

岩石随风化程度的加剧，其孔隙比势必增大，强度和弹性模量将明显降低[6]，岩石物理性质指标的变化势必反映出压缩性指标的变化。以北部湾科技园总部基地一期A区场地的泥岩为例，分析研究泥岩孔隙比e与压缩性指标之间的规律，试验成果见表4。

表4 全风化—中风化泥岩压缩试验成果Table 4 Compression test result of completely-medium weathered mudstone

利用数理统计方法[7]，分别以压缩系数a1-2和压缩模量Es作纵坐标，以孔隙比e作横坐标，作出a1-2-e散点图(图1)和Es-e散点图(图2)。

图1 a1-2 - e散点图Fig.1 a1-2 - e scatter plot

图2 Es - e散点图Fig.2 Es - e scatter plot

由图1可知，a1-2-e散点分布符合指数曲线分布，用指数函数y=c·exp(bx)来拟合y(代表压缩指数a1-2)与x(代表孔隙比e)之间关系，取对数得

ln(y)=ln(c)+bx

(1)

经计算得：

c=0.010 。

式中：

ln(y)关于x的回归方程：

ln(y)=0.01+3.8x，

化为y关于x的回归方程：

y=0.01exp(3.8x)

(2)

式中：y为压缩指数a1-2，x为孔隙比e。

复相关系数：

上述分析，可见泥岩压缩指数a1-2与孔隙比e符合指数曲线方程(2)分布，相关性良好。

由图2可知，Es-e散点分布符合幂函数曲线分布，用幂函数y=cxb来拟合y(代表压缩模量Es)与x(代表孔隙比e)之间关系，其中c>0，x>0，b<0，方程取对数得：

ln(y)=ln(c)+bln(x)

(3)

经计算得：

c=4.768。

式中：

ln(y)关于ln(x)的回归方程：

ln(y)=1.562-2.081ln(x)，

化为y关于x的回归方程：

y=4.768x-2.081

(4)

式中：y为压缩模量Es，x为孔隙比e。

复相关系数：

上述分析，可见泥岩压缩模量Es与孔隙比e符合幂函数曲线方程(4)分布，相关性良好。

2.2 同一风化程度岩石在不同压力条件下固结压缩试验

为了方便比较试验结果，选用性质相同或相近的、埋深大于24 m的坚硬状态中风化泥岩进行高压固结试验，先对岩样进行预压，预压荷载为400 kPa，再加压进行压缩试验，最大压力大于土的有效自重压力与附加压力之合，得到不同压力条件下压缩系数a和压缩模Es力学性质指标，共做六组样品7个压力段的压缩试验，压力从5×100 kPa～44×100 kPa，试验结果统计见表5。

表5 高压固结成果试验统计Table 5 The statistic data of high pressure consolidation result test

利用数理统计方法，分别以统计平均压缩系数a和平均压缩模量Es作纵坐标，以平均压力p作横坐标，作出a-p散点图(图3)和Es-p散点图(图4)。

图3 a - p散点图Fig.3 a - p scatter plot

图4 Es - p散点图Fig.4 Es - p scatter plot

由图3可知，a-p散点分布符合幂函数曲线分布，用幂函数y=cxb来拟合y(代表压缩指数a)与x(代表压力p)之间关系，其中c>0，x>0，b<0，方程取对数得：

ln(y)=ln(c)+bln(x)

(5)

经计算得：

c=0.061。

ln(y)关于ln(x)的回归方程：

ln(y)= -2.79-0.557ln(x)，

化为y关于x的回归方程：

y=0.061x-0.557

(6)

式中：y为压缩指数a，x为压力p。

复相关系数：

上述分析，可见南宁盆地泥岩压缩指数a与压力p符合幂函数曲线方程(6)分布，相关性良好。

由图4可知，Es-p散点分布符合直线性函数分布，用来直线方程拟合y(代表压缩模量Es)与x(压力p)之间关系，直线方程为：

y=a+bx

(7)

经计算得：

式中：

y关于x的回归方程：

y=52.973+4.092x

(8)

式中：y为压缩模量Es，x为压力p。

相关系数：

上述分析，可见南宁盆地泥岩压缩模量Es与压力p符合直线性函数方程(8)分布，相关性良好。

虽然压缩指数、压缩模量与岩土体性质、应力状态、环境条件等诸多因素相关，但对于南宁盆地泥岩，在特定地质环境、应力状态条件下，根据上述的试验数据统计分析，压缩指数a、压缩模量Es与岩石风化程度、孔隙比、施加应力状态等相关，符合一定的函数规律性分布。

3 结语

1)通过几个代表性工程实例试验数据分析，南宁盆地泥岩物理力学参数差异性很大，往往介于岩和土之间，含水量(W)在13.86%～43.6%之间；孔隙比(e)在0.480～1.228之间：液性指数(IL)在-0.37～0.95之间，压缩系数(a1-2)在0.06～0.75之间，压缩模量Es在3.00～24.10之间。

2)压缩性与风化程度相关，风化程度越强，孔隙比越大，压缩性越高；反之，风化程度越弱，孔隙比越小，压缩性就越低。

3)不同风化程度不同状态的泥岩，在同一压力作用下，压缩系数与孔隙比成指数函数曲线形分布关系，压缩模量与孔隙比成幂函数曲线形分布关系，相关性良好。

4)同一风化程度同一状态的泥岩，在不同压力作用下，压缩系数与压力成幂函数曲线形分布关系，压缩模量与压力成直线形分布关系，相关性良好。