砂页岩中泥化夹层的工程地质特性分析

李桂平

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024)

1 泥化夹层发育的层位及其工程特点

二叠、三叠纪在我国华北地区大范围内普遍沉积了巨厚层的碎屑岩层，形成了以砂岩、泥岩和页岩为主的互层状的沉积物。砂岩性脆、岩性坚硬，属于硬质类岩石，而泥岩和页岩性柔、岩性软弱，属于软弱类岩石［1］。在周围地质、构造和水文条件适宜的情况下，这种软硬相间互层分布的岩层在适宜的条件下很容易形成泥化夹层。

泥化夹层外观多呈泥土状，随着泥化夹层类型不同，其中碎屑颗粒的含量也不同，泥化夹层上下岩层多为硬质岩层，其突出的特点主要有以下几个方面［2］：

1)泥化夹层是在特定地质、构造和水文条件下的产物，厚度一般不大，多为几毫米至几厘米，但在一定范围内连续性较好，泥化夹层上下多为硬质的砂岩。在工程地质勘察的钻探中很容易被疏漏，为建筑物地基的安全稳定埋下隐患。

2)泥化夹层的物质组成随原岩的成分不同而各异，其共同的特点是遇水泥化、软弱、抗剪强度低，是砂页岩地区主要的工程地质问题之一。

3)泥化夹层中多发育膨胀性矿物，这种遇水膨胀的工程地质特性对建筑物地基的稳定性影响很大。

4)泥化夹层存在于野外复杂的地质体中，由于现场条件的限制，取原状岩样进行室内试验或者进行现场试验的难度大，成本高，时间长，致使大部分中小型工程难以获得试验数据。

文中作者依据自己承担的多个大中型水利工程的地质勘察成果，在大量的室内试验和现场试验资料的基础上，深入分析了泥化夹层的特点、成因、膨胀性和抗剪性能，对工程建筑物地基中有可能出现泥化夹层时，提出了在砂页岩地区进行工程地质勘察应该注意的事项和工程处理措施，以期为今后在砂页岩区建设的工程项目提供借鉴。

2 泥化夹层的形成条件及成因

根据建筑物地基中开挖暴露出来的泥化夹层情况看，大部分泥化夹层位于地下水位以下，厚度多在几毫米至几厘米，原岩多为泥岩及页岩，呈塑性泥土状，原岩的结构完全破坏，外观颜色多呈灰绿、灰红、深褐等杂色，手搓可感觉有含量不等碎屑颗粒，随着泥化夹层类型不同，其中碎屑颗粒的含量也不同。泥化夹层上下岩层均为硬质的砂岩层组成，层内局部发育微型挤压褶曲现象，交界面多发育光面擦痕，含有明显次生绿色条带。泥化夹层在一定的范围内是连续分布的，但厚薄多有变化。泥化夹层多发育于单斜岩层中，产状与地层产状一致。

泥化夹层颗粒组成（质量分数)：砾粒含量0～33.1%，平均4.9%；砂粒含量5.7%～61.8%，平均18.0%；粉粒含量3.8%～70.5%，平均53.9%；黏粒含量1.3%～36.7%，平均23.2%；曲率系数为0.3～2.5，平均值1.2；不均匀系数为1.3～35.0，平均值18.1。泥化夹层大部分归类为泥含粉粒碎屑型、黏泥型，部分为碎屑碎块型或碎屑夹泥型。

泥化夹层含水率 12.8% ～22.4%，平 均值17.1%；天然密度1.74～2.27g／cm3，平均值2.08 g／cm3；干密度1.50～1.98g／cm3，平均值1.78g／cm3；孔隙比 0.427～0.684，平均值 0.559；液限24.9%～38.7%，平 均 值 31.9%；塑限 15.2% ～21.8%，平均值18.0%。

泥化夹层化学成分组成（质量分数)：SiO2含量52.82%～66.62%，平均 值 60.46%；Al2O3含量12.11%～16.17%，平均 值 14.39%；Fe2O3含量4.67%～8.74%，平均值5.87%；CaO含量2.00%～7.21%，平 均 值 4.30%；K2O 含 量 3.04% ～4.23%，平 均 值 3.71%；MgO 含 量 1.98% ～2.42%，平 均 值 2.23%；Na2O 含 量 0.62% ～1.14%，平 均 值 0.89%；TiO2含 量 0.54% ～0.86%，平均值0.64%；SO3含量0.03%～1.31%，平均值0.19%；烧失量5.24%～8.98%，平均值7.06%。

从上述现象和试验成果来看，泥化夹层是经历过强烈的层间挤压、研磨和揉碎作用的［3］。由于长期地应力的作用，在层状岩层中会沿着相对软弱结构面形成层间位移，释放岩层之间的剪应力，这种位移导致层间错动。在砂页岩中砂岩性脆坚硬，泥页岩性柔软弱，是该类岩层中相对软弱的层位，一旦发生层间错动，必然是沿着泥页岩与砂岩交界面发生层间位移［4］，进而对相对软弱的泥页岩进行挤压、研磨和揉碎，破坏原岩结构，在地下水的参与作用下，形成近似于泥土状的泥化夹层。在许多工程地基开挖过程中暴露的泥化夹层的情况都证实了这一点。

3 泥化夹层的膨胀性

泥化夹层中主要矿物成分为黏土矿物和碎屑物质，化学成分以SiO2和Al2O3为主。作为工程建筑物的地基，泥化夹层的膨胀性直接影响建筑物的安全与稳定。

泥化夹层矿物组成（质量分数)为：石英含量20%～44%，平均值34%；伊利石含量13%～45%，平均值24%；方解石含量1%～17%，平均值8%；伊蒙混层（主要为蒙脱石)含量4%～11%，平均值7%；斜长石含量3%～11%，平均值7%；碱性长石含量2%～13%，平均值7%；绿泥石含量3%～11%，平均值6%；高岭石含量2%～6%，平均值4%；白云石含量0～4%，平均值2%；黄铁矿含量0～2%，平均值1%。

泥化夹层中含有一定数量的伊利石和伊蒙混层（主要为蒙脱石)等膨胀性黏土矿物，在特定的地质条件下会对建筑物地基产生一定的影响。

4 泥化夹层的抗剪性能

泥化夹层抗剪强度指标建议值主要考虑以下几个方面：

1)泥化夹层现场剪切试验位于工程现场泥化夹层中，原结构已经发生变化，已经历过层间错动，试验是在饱和条件下进行的，多点摩擦试验代表了泥化夹层的抗剪强度。

2)室内反复剪试验测得的强度是软化夹层的残余强度，其试验状态为排水慢剪。由于现场泥化夹层大多位于地下水位以下，不具备排水固结条件，故分析该试验的内摩擦角试验值可能偏大。

3)配样土饱和快剪试验，较已有泥化夹层干密度的试验平均值稍大，该试验值为在不排水状态下的强度，其结果具有一定的代表性，与现场试验结果相近。

4)据泥化夹层颗分试验结果，按照《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999)，分析该层多属泥夹粉粒碎屑型，其抗剪断参数标准值为f′＝0.19～0.25，C′＝43～64kPa。

5)据《水利水电工程地质勘察规范》，软弱结构面为泥时经验值为f′＝0.18～0.25，C′＝2～5kPa。

根据野外现场直剪试验，结合取原状样进行室内试验、饱和直剪试验、反复剪试验成果，考虑试验现场岩层倾角及试验周围地质条件的影响，给出粘泥型软弱泥化夹层有关力学指标。

式中：C′为抗剪断凝聚力；f′为抗剪断磨擦系数；f为抗剪磨擦系数。

上述结论经过多个工程的验证，证明是安全、有效的。

5 工程地质勘察应注意的事项

由于砂页岩中存在的泥化夹层层薄、软弱，大部分泥化夹层厚度仅几毫米，而且具有不确定性，在砂页岩的工程地质勘察中很容易就被漏掉，给建筑物的安全留下了隐患。因此在砂页岩中进行工程地质勘察应注意［5］：

1)勘察之前应充分了解掌握勘察区的地质情况，预测存在泥化夹层的部位，做到有的放矢，有针对性的布置工作量。

2)在砂页岩区进行钻探工作时，应该采用小口径双管单动金刚石钻进或者其它对岩芯扰动不大的先进的钻探方法［6］，对预测存在泥化夹层的部位，钻进过程中做到小水量、小进尺，尽量减少对岩芯的扰动。

3)钻孔结束后，采用钻孔内高清电视录像设备进行孔内录像，以恢复钻探过程中漏掉的泥化夹层。

6 工程处理措施

在砂页岩地区建筑物地基如果发育泥化夹层，应当采取的工程措施有：

1)根据对地基稳定性计算的不同情况，可考虑采取地基锚索加固、上下游齿槽，桩基或采取地基抗滑键抗滑等工程措施。

2)如果建筑物地基中发育的泥化夹层较厚时，应当考虑持力层范围内的泥化夹层本身压缩变形、膨胀变形对建筑物地基稳定性的影响。

3)工程正常运行后应加强建筑物位移变形安全监测工作，出现问题及时预报并采取处理措施。

［1］张倬元.工程地质分析原理［M］.北京：地质出版社，1996.

［2］钱寿易.岩土工程问题及学科的发展［C］∥岩土力学与工程战略讨论会.岩土力学，1987.8

［3］张咸恭.工程地质学［M］.北京：地质出版社，1981.

［4］肖树芳.岩体力学［M］.北京：地质出版社，1986.

［5］孙志峰.水利水电钻凿施工技术［M］.长春：吉林科学技术出版社，2005.

［6］刑斌.水利水电工程地质钻探（第二版)［M］.北京：水利水电出版社，1982.