新生代半成岩工程特性分析及工程岩体分级方法

2021-06-09杨晓芳李玉倩马秉务

岩土工程技术 2021年3期

杨晓芳李玉倩马秉务

(1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；2.北京市地质矿产勘查开发总公司，北京 100055)

0 引言

近些年，随着城市规模的不断扩大及新城的规划建设，越来越多的特殊性岩土问题在工程建设过程中凸显出来，直接影响工程的经济投入和施工的安全进行。

我国新生代半成岩地层分布广泛，西部和南方为多，且多为裸露型；中部和北方分布相对较少，多以埋藏型为主。由于沉积年代短，成岩作用差，自身结构稳定性差，物理力学性能差，新生代半成岩的工程性质在施工过程中易受工程环境改变的影响产生明显变化。因此，在工程实施过程中对其工程性质进行客观、准确的评价显得尤为重要。

本文通过总结北京市新生代半成岩的分布特征，收集北京市城区及周边新生代半成岩浅埋区及出露区各类工程的勘察及施工资料，归纳新生代半成岩的直观地质特征、物质成分、物理力学与水理性质，依据各相关规范[1-7]中的工程岩体分级(类)方法对新生代半成岩进行分级评价，分析各分级方法对新生代半成岩的适用性，进而在前人研究软岩与新生代半成岩工程特性及分类的基础上，探讨和提出新生代半成岩的工程岩体分级评价思路。

1 北京地区新生代半成岩的分布特征

北京地区的新生代半成岩地层发育不全，缺失古近系古新统，大部分隐伏于山间盆地及平原第四系之下，在西部山麓地带有零星出露[8]。与文献资料中新生代半成岩的分布特征一致，既见于盆地，又见于各型地堑谷和侵蚀溶蚀洼地中，且多为断陷盆地或坳陷盆地。

1.1 山区的分布情况

分布于山区的新生代半成岩为始新统与上新统，主要为由间歇性水流所形成的洪积相砂砾岩夹泥岩，主要分布于丰台区长辛店、辛庄、王佐，房山区良乡、周口店，昌平区南口及延庆区的山前丘陵与浅山过渡带，或直接出露，或隐伏于第四系之下。山麓地带砾岩层较厚，泥岩相对较少，岩层厚约50 m；至平原区逐渐相变为河流-浅湖相沉积的砂岩、泥岩夹砾岩，厚度不大于200 m。

1.2 平原区的分布情况

自始新世中晚期开始，平原区初步形成北东向的“二凹一隆”格局。在“北京凹陷”盆地内沉积了厚度较大的新生代半成岩地层，隐伏于第四系松散覆盖层下几米至数百米，沉积厚度200～1000 m，主要分布始新统长辛店组(E2c)、始-渐新统前门组(E2-3q)、中-上新统天坛组(N1-2t)与上新统天竺组(N2tz)。岩性自西向东由山区洪积相砂砾岩夹泥岩逐渐过渡为河湖相砂岩、泥岩夹砾岩。

2 新生代半成岩的工程特性

根据工程实践过程中钻探、开挖揭示的情况以及室内试验的结果(见表1)，新生代半成岩具有以下工程特性：

表1 某工程新生代半成岩物质成分、物理力学室内试验及野外特征分析结果

(1)单层厚度大，成岩层理不甚发育，产状平缓，副岩性多呈夹层及透镜体状分布；地层中记录构造应力场作用的形迹少，仅在胶结程度较好的钙质砂岩、砂质泥岩中发现少量陡倾、平直光滑、附泥膜的剪节理发育；整体呈厚层状—巨厚层状结构，地层岩性力学性能差，勘察过程中钻取的岩芯多呈柱状—短柱状。

(2)细颗粒的物质成分中含有大量的亲水黏土矿物(蒙脱石、伊利石、高岭石等)，其中，蒙脱石含量高达19.07%～47.18%；另外，交换性阳离子以钙镁为主。遇水易膨胀崩解，失水易干缩开裂，干岩块浸水后的反应多为快速完全崩解为泥膏状、砂泥状或散状砂、砾、泥，置于地表易风化解体，长期受外因作用易形成“土化现象”。图1为某地铁工程采用SH30型孔内锤击钻机在地面下深度8.0～12.0 m采取的岩芯照片，其中，10.6～11.6 m钻遇的泥砾岩长期受地下水浸泡作用形成的“泥包砾”土化层，之下为正常状态下的泥砾岩。

图1 某工程中的新生代半成岩“土化现象”

(3)沉积年代短，成岩作用差，多以泥质、钙质的半胶结—弱胶结状态存在；基质与细颗粒充填物中的黏土矿物含量高，导致岩体的透水性差，多属微—极微透水，局部弱胶结、结构松散及颗粒级配不良的粗砂岩或砂砾岩呈中透水。

(4)抗压强度低，饱和单轴抗压试验难以实现，一般情况下室内试验得到的岩块强度可等同于岩体强度使用。天然岩块抗压强度一般小于1 MPa，受颗粒不均影响、胶结程度较差的砂砾岩岩块抗压强度甚至低于0.1 MPa，极少量胶结程度较好的钙质砂岩岩块抗压强度可达到2～3 MPa。

3 现行规范工程岩体分级方法的应用

工程岩体分级是采用工程地质调查、勘探、野外测试、室内试验等手段，依据单项或多项分类指标将工程建设所涉及的岩体(地基、围岩、边坡等)分成若干等级，其目的是对工程岩体的质量进行分级评价，为合理设计和安全施工提供科学依据。

沉积物在向沉积岩的成岩作用过程中主要经历：压固作用、胶结作用、重结晶作用和成岩矿物的形成等[9]。新生代半成岩虽然经历了长期的成岩作用，具备一定“岩”的特性，但由于其形成时间较短，仅完成了“压固”与“胶结”两步成岩过程，仍不能完全定义为“岩”。再加上其自身的工程特性，应用现行相关规范[1-7]中的工程岩体分级方法对新生代半成岩进行分级评价具有一定的难度，本文仅进行探讨性的应用，进而分析其适用性。

3.1 按坚硬程度划分

相关规范[1-7]根据饱和单轴抗压强度的大小将岩石划分为：坚(或极)硬岩、较坚硬(或较硬、中硬、硬)岩、较软岩、软岩和极软岩5个等级。

通过力学试验数据统计分析，随机选取的新生代半成岩岩样天然单轴抗压强度均小于5 MPa，且多因岩样浸水后迅速解体无法进行饱和单轴抗压试验。各相关规范对饱和单轴抗压强度也可根据计算公式利用饱水点荷载试验强度IS(50)换算获取饱和单轴抗压强度。但由于新生代半成岩的遇水膨胀崩解及蠕变特性，同样难以获取IS(50)值。

新生代半成岩岩样的天然单轴抗压强度一般小于5 MPa。根据理论与实践验证，岩石的饱和单轴抗压强度正常均小于天然单轴抗压强度，因此，可直接将新生代半成岩划为极软岩。

3.2 按完整程度划分

根据岩体完整性指(系)数(Kv)将岩体分为“完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎”5个等级[1-4,6-7]或“完整、较完整、完整性差、较破碎和破碎”5个等级[5]。

从岩体完整性指数的定义分析，Kv由两部分构成，一部分是工程岩体的弹性波波速值，另一部分是工程岩体中岩块的弹性波波速值，两部分的弹性波波速值均可通过测试获得。由于新生代半成岩仍处于成岩过程中，其成岩作用差，结构面不发育，岩体与岩块的弹性波波速值基本无明显的规律性差异；即便用同层位下部岩体的弹性波波速值代替岩块的弹性波波速值，与上部岩体的弹性波波速值亦相差不大。另外，新生代半成岩整体呈厚层—巨厚层状结构，且各类结构面在岩体中不甚发育，采用岩体体积节理数(Jv)对应岩体完整性指数(Kv)基本无明显的差别。因此，新生代半成岩按照完整程度划分的结果为完整—较完整。

3.3 按基本质量等级划分

相关规范[1-7]根据上述两项指标综合评判，将岩体基本质量划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个等级。其中，部分规范[3-4,6-7]针对土质围岩对围岩基本质量进行了对应，并增加了Ⅵ级；另外，部分规范[6-7]针对构造作用强烈的岩质围岩进行了围岩基本质量等级具体定义。

结合3.1与3.2章节对新生代半成岩按照完整程度与坚硬程度的划分结果与相关论述，依据相关规范[1-7]综合评价，新生代半成岩的岩体(岩质围岩)基本质量等级为Ⅴ级；依据相关规范[3-4,6-7]中对土质围岩级别的划分标准，新生代半成岩的围岩基本分级可划至Ⅳ级—Ⅴ级。

3.4 按风化程度划分

相关规范[1-7]根据岩石的风化程度将岩石划分为：全风化、强风化、中等(或弱)风化、微风化及未风化(或新鲜岩体)5个等级，具体各风化等级对应的岩体野外特征及相关参数可参见各相关规范[1-7]中的对应内容。

上述各相关规范均未对新生代半成岩与岩石风化程度划分之间建立起必然联系与对应关系，并且均将半成岩列入风化程度划分的适用范围之外，但是也存在规定与应用自相矛盾的情况。其中，《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001，2009年版)[1]在附录A表A.0.3注中规定，泥岩和半成岩可不进行风化程度划分，并在3.2.1—3.2.3条文说明中阐明新生代砂岩、泥岩等半成岩处于岩石与土之间，划分风化带意义不大。然而，在该相关条文说明中，又以微风化新生代砂岩举例说明岩体基本质量等级的划分情况。笔者认为规范中存在这种模棱两可和分歧之处尚存不妥，导致有些勘察单位和技术人员在执行规范的过程中概念不清和错误理解，习惯性将新生代半成岩划分为全风化—中等风化，甚至有部分专家要求对新生代半成岩进行风化分带。

另外，笔者认为对新生代半成岩进行风化程度划分有悖于地质学的基本概念，具体分析如下：

(1)风化作用是组成地壳的上部岩体在太阳的辐射、水、大气及生物等各种营力的作用下使其成分和结构不断发生变异的地质作用的总称[10]，包括物理风化、化学风化和生物风化。风化作用作为外力地质作用的一种，主要是针对完全意义的岩石进行定义的。由于风化作用的存在，引致不同风化分带中的岩石在结构构造、矿物成分、色泽及结构面状态等方面产生明显的差异。

(2)新生代半成岩是早期母岩风化作用的产物，经搬运、沉积、压固、胶结形成现阶段的物质形态，但尚未经重结晶与成岩矿化作用形成完全的岩化结构与成岩矿物，仍处于沉积成岩的过程中。

(3)在成岩过程中，虽然存在风化作用与成岩作用相伴，但风化特征不明显，结构构造、矿物成分等均未产生明显变化，没有形成相对鲜明的分带现象。从野外的表征现象来看，直接出露或被第四系土层覆盖的新生代半成岩，也仅仅表现为在受大气、水及生物等外因作用影响，浅表层岩体的胶结程度相对较弱，力学性质变差，存在一定程度的土化现象，土化层之下的岩体再无明显的差异性。即便对其进行风化程度划分也是在目前状态的基础上，经过漫长的地质演变，在未来的某个地质时代，将其划定为特征明显的风化壳层。

综上分析，按照岩石风化程度划分不适用于新生代半成岩。

3.5 按软化程度划分

相关规范[1,6]根据岩石的软化系数(KR)将岩石分为两类：当KR值小于或等于0.75时，为软化岩石；当KR值大于0.75时，为不软化岩石。

工程实践中随机选取的新生代半成岩岩样多遇水膨胀崩解，难以通过室内试验获取岩石的饱和单轴抗压强度。参考北京西部地区新生代半成岩的试验结果[11-12](见图2)，并通过查阅相关资料[13-15]，新生代半成岩的软化系数基本都小于0.75，极少数新生代岩样通过试验获取的软化系数大于0.75。因此，新生代半成岩可初步判定为软化岩石，最终根据试验数据定量定义软化程度分类。

图2 黏土岩应力-应变关系曲线[12]

3.6 按岩石质量指标划分

自从1967年由迪尔(Deer)等人提出了岩石质量指标(RQD)[10]，该值被广泛用于评价岩体的完整性与岩体质量分级。根据RQD值的大小统计判断岩体的质量，将岩体划分为：好(很好)、较好(好)、较差(中等)、差(坏)、极差(极坏)5个等级[1,6](括号内等级为参考文献[6]中的划分等级)。

本文采用RQD值对新生代半成岩进行分类评价，并未直接采用直径75 mm二重管金刚石钻头钻进取芯，仅通过常规单管合金钻头采取岩芯。从钻取岩芯的直观状态判断，除粗砂岩及砾岩外，其它新生代半成岩按RQD值划分的等级为好—较好。即使砂砾岩岩芯破碎，也是因粗颗粒相对基质/胶结物属刚性体，在钻进过程中钻头研磨岩体带动粗颗粒旋转破坏弱胶结作用引致岩芯解体；同时，在岩芯取出岩芯管过程中，钻探人员往往采用重锤敲打导致岩芯机械破碎，而并非岩体自身受结构面切割造成的岩体结构破碎。

另外，迪尔(Deer)等人最初提出岩石质量指标(RQD)只是应用于硬质岩体中，后来得到工程人员的认同并在世界各国的岩石工程中得以广泛应用，应用范围基本限于完全意义的岩石地层中。对于软弱的岩石、完整程度差的岩体来说，RQD值往往存在很大的差距。

3.7 按结构类型划分

相关规范[1-7]按结构类型划分岩体的思路主要有两种，岩土工程勘察规范及其它规范[1,6-7]将岩体划分为：整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构、散体状结构5个等级；工程岩体分级标准及其它规范[2-5]将岩体划分为：块状结构、层状结构、镶嵌结构、碎裂结构、散体结构5个主级，进而划分为13个亚级。

上述规范中按照结构类型划分有所差异，前者主要是从几何指标出发，结合成岩机理，更加注重几何指标；而后者是从成岩机理出发，结合几何指标，更加注重成岩机理。

新生代半成岩作为沉积岩，层理、节理等结构面均不发育，不同岩性的岩层之间呈胶结状态。按前者划分新生代半成岩属“整体状结构”，按后者则属于“层状结构之巨厚层状结构”。按照结构类型划分岩体，笔者更倾向于采用后者的划分体系。

4 各工程岩体分级方法的适用性评价

通过上述对相关规范[1-7]工程岩体分级方法在新生代半成岩中的探讨性应用，发现应用上述各种工程岩体分级方法对新生代半成岩的工程岩体分级评价缺乏准确性和针对性，存在较大程度的局限性和不适用性，但其中部分指标对新生代半成岩仍具有一定的指导意义。

(1)按照完整程度与岩石质量指标(RQD)划分工程岩体主要用于评价成岩程度好、节理发育硬质岩的质量好坏，对成岩程度差、呈巨厚层状的新生代半成岩适用性差。

(2)新生代半成岩尚未完成整个的岩化过程，对其进行风化程度的划分不符合地质学的基本概念。因此，按岩石风化程度对岩体进行划分不适用于新生代半成岩。

(3)从按结构类型划分岩体的主级与亚级分析，主要适用于成岩节理与构造节理均有所发育且存在浅表生改造作用的坚硬节理型岩体，对各类结构面不发育的软弱新生代半成岩适用性不强。

(4)按岩石的坚硬程度与软化程度划分岩体等级在新生代半成岩中虽具有一定程度的适用性，但相对分级界限过于宽泛，新生代半成岩间难以划分，缺乏针对性。

(5)上述相关规范[1-7]中的工程岩体分级方法主要适用于水电站、山区铁路及高速公路等大型土木工程中所涉及的多岩性、地质作用强烈、差异性明显的非特殊性地质体，用以评价同一地质状态不同岩性、不同地质状态同一岩性与不同地质状态不同岩性之间的工程性质差异，进而指导设计施工。

因此，对于新生代半成岩地区，为给工程设计和施工提供更为准确和科学的依据，确保合理设计、安全施工，有必要在上述相关规范[1-7]工程岩体分级方法的基础上针对新生代半成岩这一类具特殊性的岩体进行专门的工程岩体分级评价研究。

5 新生代半成岩工程岩体分级方法的探讨

5.1 研究现状

目前，国内外用于风化划分鲜明、节理发育的硬质岩体的工程岩体分级方法很多，针对软岩提出的工程岩体分级方法也不少，然而对新生代半成岩具有一定适用性的工程岩体分级方法却很少。主要有以下几种：

(1)1988年，曲永新等人依据大量不同类型的未扰动岩块的单轴抗压强度和干燥饱和吸水率提出了泥质岩的工程分类方法[16]，分为：极软、软、中硬、硬、特硬5个强度分级，进而又结合岩块的干燥饱和吸水率对5类泥质岩的膨胀性细分为：非膨胀、弱膨胀、膨胀、强膨胀、剧膨胀5个膨胀性分级。

(2)1996年，李承先结合伊朗卡尔赫工程的砾岩、砂岩和泥岩等软岩，采用岩石的可钻性、渗透性、动力特征和变形性质等参数探讨了软岩的工程分类方法[17]，分为：钙质胶结砾岩、砂岩(一般，代号C1)，钙、泥质胶结砾岩、砂岩(差，代号C2)，以及泥质胶结、固结不好的砾岩、砂岩(非常差，代号C3)，接触胶结、固结不好的砾岩、砂岩(极差，代号C4)，泥岩(非常差，代号M)。

(3)1997年，陈庆敏等人从岩体结构特征、地应力状况及简单实用的角度出发，将软岩划分为：松散型、软弱型、破碎型、高应力型及膨胀型五种基本类型[18]。

(4)2007年，万宗礼、聂德新等依托黄河上游新生代半成岩地区的电站工程建设从新生代半成岩的形成地质环境、岩石及岩体特征、水文地质特征、工程特性及相关工程地质问题等对新生代半成岩进行了系统的研究[13,19]。

(5)1997年，国外提出基于抗压强度的分类，将土、软岩、硬岩进行了明确的界限划分，分为：极软土、软土、硬土、坚土、极坚土、极软岩或坚硬土、软岩、中软岩、中硬岩、硬岩、极硬岩[13]。

5.2 方法探讨

通过上述对新生代半成岩工程特性的分析研究，再加上探讨性应用相关规范[1-7]中的各工程岩体分级方法对其评价，发现常规的工程岩体分级方法存在较大程度的局限性和不适用性，并且缺乏准确性和针对性。在工程建设中，难以突出和体现新生代半成岩自有工程特性及其对工程建设的影响。

以常规的工程岩体分级方法为基础，参考目前国内外的研究现状，依据新生代半成岩的工程特性，结合工程类型与工程地质环境，形成新生代半成岩的工程岩体分级评价思路如下：

(1)从新生代半成岩自身的胶结物与胶结程度、坚硬程度、软化性、崩解性、膨胀性及蠕变性着手，进行针对性的细化分级，建立适用于新生代半成岩的工程岩体分级体系。

上述学者及研究人员针对岩石的某些特性进行了细致的等级划分，例如：① 根据胶结系数划分为弱胶结、中等胶结、强胶结、极强胶结；② 根据单轴抗压强度划分为极软土、软土、硬土、坚土、极坚土、极软岩、软岩等；③ 将崩解性划分为强崩解、中崩解、弱崩解、不崩解；④ 将膨胀性划分为剧膨胀、强膨胀、膨胀、弱膨胀、非膨胀。这些对特性指标细化研究的方法和思路可以在对新生代半成岩的分级评价中加以借鉴与利用。

该评价思路是针对新生代半成岩建立相对独立的分级评价体系，需要对体现新生代半成岩工程特性的分级因子进行系统性的梳理与厘定，需要搜集和积累大量的工程实践经验、室内试验与现场测试数据作为技术支撑，是对于新生代半成岩和涉及的大多工程类型具有一定普适性的评价思路。

(2)结合具体工程类型的特点与其所处的工程地质环境，着重研究和评价新生代半成岩因工程环境改变而引致其工程性能大幅度损伤的特性指标，规避因对特性指标研究深度不足或划分精度不够造成在施工与运维过程中因施工工艺的不当和工程环境的改变而带来的投资增加和安全隐患。

该评价思路是针对具体的工程项目建立的。评价工作的开展需要依据具体项目的工程特点与设计条件，结合具体的工程场地及周边工程环境条件(气象、水文、地质、已有设施等)，深入研究场区内新生代半成岩对工程建设有重大影响及对工程环境条件改变存在敏感反应的工程特性。根据与工程建设相关的特性差异细致划分场区内新生代半成岩地层，制定与之相匹配的施组方案，采取与之相适应的施工工艺，规避在施工与运维过程中因工程环境条件改变造成其工程性能的降损。或者，根据新生代半成岩的工程特性，结合项目所处的工程环境条件，考虑因工程环境条件改变造成的工程性能降损，进而调整工程项目的设计条件，确保工程项目的安全性与经济性。

该评价思路是结合具体的工程项目和工程地质问题，针对新生代半成岩的某种或几种工程特性，开展的具体的分级评价思路。