熊向前 張 婷

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

云南省耿馬壩是耿馬縣政治、經(jīng)濟、文化中心，在經(jīng)濟建設過程中，起著重要作用。耿馬壩主要巖性為新近紀中新世耿馬組湖泊相灰色、淺灰色極薄層-薄層狀黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖互層，屬軟巖、硬土過渡性特殊巖土體，到目前為止，對耿馬壩地質(zhì)研究的手段和方法都不成熟，物理力學參數(shù)的系統(tǒng)性討論與研究也相對較少。本次研究對于當?shù)鼗A設施建設有著重要意義。

1 大地構造部位

研究區(qū)位于橫斷山系南段，總體地勢東北高、西南低，山脈、水系走向多順構造線發(fā)育。受構造影響，大山之間形成斷陷盆地，邦馬大山與耿馬大山間夾耿馬盆地。耿馬盆地形成約在喜馬拉雅運動第二幕發(fā)生時，先存斷裂的左旋扭張導致地表拉分，在大地構造上位于三級構造單元勐省-東回褶皺束（）的中段耿馬弧形褶皺束。瀾滄江西部分支斷裂從盆地形成以來就成為耿馬盆地的邊界斷裂，其后期活動影響著耿馬盆地的沉積特征。

2 沉積環(huán)境及巖相特征

耿馬壩在古生界和中生界（P～J）基底上接受新近紀沉積，其構造-沉積演化分為五個階段:即斷陷初期快速張陷強烈超補償階段、斷陷早期快速張陷欠補償-基底回升階段、斷陷中期快速張陷欠補償階段、斷陷晚期快速張陷補償階段和斷陷晚期萎縮超補償階段。而研究區(qū)的軟巖硬土沉積時期為斷陷初期快速張陷強烈超補償階段、斷陷早期快速張陷欠補償-基底回升階段、斷陷中期快速張陷欠補償階段。耿馬盆地地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 耿馬盆地地質(zhì)剖面

在潮濕氣候條件下，湖相沉積發(fā)育有機質(zhì)多，還原作用強，由大量暗色沉積物生成，根據(jù)研究區(qū)黏土巖、砂質(zhì)黏土巖的顏色可判定為還原環(huán)境。

研究區(qū)內(nèi)巖性巖相變化較大，縱向和橫向巖相變化明顯，沉積韻律清晰，總體屬于干燥氣候區(qū)、山間斷陷盆地類型細碎屑沉積巖建造。

3 物質(zhì)組成

本次對研究區(qū)70m深度內(nèi)的巖塊隨機取樣進行化學成分及礦物成分分析，結果見表1。

表1 化學成分及礦物成分組成 單位:%

試驗成果:二氧化硅是主要成分，它是以復雜黏土礦物、原生硅酸鹽礦物和游離氧化硅等形態(tài)存在的。其次是氧化鋁，氧化鋁是黏土礦物成分的基本組成物質(zhì)和原生硅酸鹽的組成物質(zhì)。氧化鐵以游離狀態(tài)存在，氧化鈣以碳酸鹽的形式存在，是綠泥石和白云石的主要成分。燒失量反映了有機質(zhì)的多少。黏土巖中黏粒含量為39.7%，主要以黏土礦物為主，黏土礦物主要來源于硅酸鹽在不同氣候下的產(chǎn)物。黏土礦物的生成，大部分源于硅酸鹽在不同氣候條件下作用的產(chǎn)物，但也可形成于沉積環(huán)境時期或者形成于埋藏后的階段。

原生礦物和黏土礦物約各占50%，黏土礦物主要為伊利石和高嶺石，部分為綠泥石；原生礦物主要為石英，少量為斜長石。鐵泥質(zhì)成分是影響軟巖工程性質(zhì)的主要因素，其中伊利石作為較強親水礦物，直接影響巖石的變形和強度特征，使得軟巖具備親水性強，遇水易軟化、塑變，強度低，在水的作用下易膨脹，失水易崩解等特性。

對不同深度取樣14組進行顆粒分析試驗，見圖2，黏土巖中黏粒含量近40%，粉砂質(zhì)黏土巖中黏粒含量近18%。

4 結構及構造特征

在沉積過程中，沉積動力學特征和沉積環(huán)境特征直接決定了巖層物質(zhì)組成、結構構造，進而決定了地層工程地質(zhì)特性。耿馬盆地為小型第三系陸相張陷盆地，受構造作用控制明顯，盆地形成、沉積相展布均受斷裂控制。耿馬盆地這種受斷裂活動影響的小型陸相盆地，其沉積主要受控于斷裂的多期活動。

圖2 顆粒級配曲線

研究區(qū)一般含泥質(zhì)較多的黏土巖呈極薄層-薄層狀，含粉砂質(zhì)或鈣質(zhì)較多的砂質(zhì)黏土巖呈薄層狀或中厚層狀，局部夾有成巖較差的礫巖、砂巖、粉細砂層透鏡體，為新近紀陸湖泊積為主的細碎屑沉積巖，地層近東西向帶狀分布，水平層理，層序不穩(wěn)定。

5 室內(nèi)試驗研究

對不同深度內(nèi)的18組巖塊進行了天然狀態(tài)無側(cè)限單軸抗壓強度試驗，試驗結果顯示，樣品最大值4.8MPa，最小值0.88MPa，平均值2.1MPa，屬極軟巖，巖體強度低，飽和狀態(tài)強度更低。在開挖過程中可采用機械或人工掘進，為典型的軟巖、硬土過渡型地層。

對15組巖塊樣品按土工試驗方法進行試驗，見表2～表4，天然狀態(tài)下黏土巖為中壓縮性土，粉砂質(zhì)黏土巖為低壓縮性土。兩種巖性混合飽和狀態(tài)下為中壓縮性土。該地層為極薄層狀-薄層狀，經(jīng)過運輸、制樣后樣品試驗成功率較低，對于試驗數(shù)據(jù)的獲取較為困難。判定新近紀（N1）地層為弱膨脹土（巖）。

表2 物理性質(zhì)

表3 天然狀態(tài)力學性質(zhì)

表4 飽和狀態(tài)力學性質(zhì)表（未分巖性）

6 原位試驗研究

6.1 注水（壓水）試驗

本次對89段注水（壓水）試驗的統(tǒng)計結果見表5，多數(shù)試驗段透水性等級為極微透水和微透水層。

表5 注水（壓水）試驗統(tǒng)計

6.2 標準貫入試驗

本次對5個鉆孔內(nèi)20m深度范圍內(nèi)的67點次標準貫入試驗成果進行統(tǒng)計，通過鉆孔及結合實際開挖情況分為上部5m及下部2個深度范圍統(tǒng)計，見表6、表7。

表6 標準貫入試驗統(tǒng)計

表7 標準貫入試驗分析

承載力標準值與標準貫入試驗修正擊數(shù)關系采用式（1）進行計算:

式中 fk——承載力標準值，kPa；

N——標準貫入試驗修正擊數(shù)標準值，擊/30cm，取3～18。

壓縮模量與標準貫入試驗修正擊數(shù)關系采用式（2）進行計算:

式中 Es——壓縮模量，MPa。

6.3 靜力觸探試驗

對新近紀地層上部5 m內(nèi)9孔靜力觸探孔進行統(tǒng)計，見表8。通過量測系統(tǒng)測土的貫入阻力，可基本換算土的基本物理力學特性，見表9。

表8 靜力觸探試驗成果表

表9 靜力觸探試驗結果分析

承載力標準值與標準貫入試驗比貫入阻力關系采用式（3）進行計算:

式中 f0——承載力標準值，kPa；

ps——比貫入阻力，MPa。

壓縮模量與標準貫入試驗比貫入阻力關系采用式（4）進行計算:

6.4 載荷試驗

對研究區(qū)地層上部5m內(nèi)進行天然狀態(tài)與飽和狀態(tài)的載荷試驗，各點荷載P與變形W曲線見圖3。荷載試驗成果見表10，上部5m變形模量及壓縮模量計算成果見表11。

圖3 應力-應變曲線

表10 荷載試驗成果

表11 上部5m內(nèi)變形模量及壓縮模量計算成果

變形模量E與應力-應變關系采用式（5）進行計算:

式中 E——巖體變形模量或彈性模量，MPa；當以全變形代入式中計算時為變形模量E0；

μ——巖體泊松比，飽和0.31，天然0.30；

P——按承壓板面單位面積計算的壓力，MPa；

D——承壓板直徑，cm；

W——巖體表面變形，cm。

6.5 剪切試驗

對選取研究區(qū)的3個點采用平推法進行現(xiàn)場剪切試驗，試體體積為50cm×50cm×35cm，根據(jù)抗剪斷和摩擦試驗峰值強度與相應的正應力采用圖解法擬合剪應力τ與正應力σ關系曲線（見圖4），回歸計算直剪強度參數(shù)（見表12）。

圖4 剪切試驗剪應力-正應力（τ-σ）關系曲線

表12 剪切試驗強度成果

7 物理力學取值探討

研究區(qū)地層單點的承載力差異性較大，與其巖性復雜、豎向變化較大的規(guī)律是對應的，在剔除異常值后天然狀態(tài)與浸水飽和后的極限載荷、比例界線以及計算后的變形模量和壓縮模量基本一致，說明該套巖層浸水飽和后的承載力與天然狀態(tài)下相差不大，與該地層微-弱透水性的性質(zhì)是相關的。根據(jù)載荷試驗成果，采用極限承載力的小值及平均值除以安全系數(shù)1.5與比例界限值進行對比分析，同時根據(jù)標準貫入試驗、靜力觸探成果和室內(nèi)試驗成果分析，綜合確定該層上部5m內(nèi)及下部的承載力。

因巖體呈極薄層-薄層狀構造，且傾角近水平，巖性復雜，豎向上差異較大，現(xiàn)場剪切試驗成果顯示剪切試驗多沿層面剪切破壞，抗剪斷強度f＇、C＇及抗剪強度C、φ值均較小，在工程建設后極易沿層面破壞。

通過對黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖成因、巖相、化學成分、物質(zhì)組成等分析，綜合試驗成果、試驗方法和試驗過程，提出研究區(qū)物理力學性指標建議值（見表13）。

表13 物理力學性質(zhì)地質(zhì)建議值

8 結 語

新近紀中新世耿馬組黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖為湖泊積，成巖時間短，為典型的軟巖、硬土過渡性特殊巖土體。該地層成因較為復雜，巖性、強度及膠結程度等在垂向及水平方向相差較大，強度差異性較大，同時夾成巖較差的礫巖、砂巖透鏡體，造成該地層更大的強度差異。

對于軟巖-硬土特殊巖土體，應重視現(xiàn)場試驗和原位測試成果，采用多種手段相互驗證成果參數(shù)的合理性。力學參數(shù)宜選取小值平均值，以規(guī)避工程風險。對于層面或軟弱結構面發(fā)育的巖土體，應加強專門性研究。