天水地区甘肃群半胶结泥岩的承载力估算分析

余鹏 刘健斌

摘 要：文章通过对天水市新近系甘肃群半胶结泥岩现场测试和室内试验的整理统计，分析其工程特性，并根据试验指标对泥岩承载力进行估算，对比分析出较为合理的估算方法，推断出该地区本地层标贯击数与地基承载力关系经验公式。

关键词：半胶结泥岩；承载力基本容许值；试验分析

1 概述

新近系甘肃群半胶结泥岩，岩性以灰绿色、灰白色、砖红色和红褐色的泥岩为主，多呈互层出露，薄层状碎裂结构，在天水地区广泛分布，该层具“半岩半土”的特性。在十天高速天水段高速公路勘察过程中，对该层进行了大量的现场标贯测试、室内土工试验和岩石力学测试，通过对试验资料的整理统计，分析其承载力基本容许值[fa0]。

2 地层概况

工程区内出露的新近系地层主要为上新近系甘肃群上岩组（NG2）和下岩组（NG1）。

2.1 上岩组（NG2）

岩性为灰绿色泥岩、灰白色泥灰岩、砖红色泥岩等，多互层出露，岩体完整性极差，多呈薄层状碎裂结构，上部岩体风化强烈，多呈散体结构。根据区域资料，该层厚度大于130m。主要分布于西和县城、刘家磨到天水镇及关同到董家庄一带两侧的黄土塬上及冲沟两侧。

2.2 下岩组（NG1）

上部红褐色泥岩、砖红色粉砂质泥岩、砾岩为主，中薄层，岩体较破碎。根据区域资料，该层厚度大于285m。该层顶部有厚约20余米的泥岩夹密集钙板层，呈互层状，单层厚度约0.5～0.6m。该标志层是甘肃群上下岩组标志性分层部位。主要分布于皂角镇堡子山到店镇峡门一带和关同村附近。

3 地层特征

其物理力学性质介于岩与土之间，根据岩石物理力学性质试验结果，其饱和抗压强度平均值为0.52～1.29MPa，重度20.3～20.6kN/m3，呈坚硬至硬塑状态，该层具有弱～中胀缩性，自由膨胀率平均值约38%。

该层岩性松软，遇水软化并具有膨胀性，该岩层由于沉积时代较晚，沉积时间较短，呈半胶结状态，含泥量高，强度均较低，体现出柔性特征，裂隙不发育，各向异性不明显，风化程度呈渐变过渡状态，很难找出风化界线，也很难找出不同风化状态的承载力差异。

4 试验统计

为了便于试验统计、对比和分析，结合现场标贯试验和野外岩芯状态，将泥岩按照现场标贯实测击数进行粗略的划分，以标贯实测击数30击、60击为界限点将泥岩分为三个层次，剔除异常值后，对泥岩有效的345组土工试验和56组岩石力学试验指标分层进行整理统计，统计结果见表1、表2。

5 试验指标分析

5.1 土工试验指标分析

由于泥岩具有土的性质，从土工试验参数统计结果可以看出，半胶结泥岩的液性指数I1和天然孔隙比e均比一般粘性土的值偏小，这说明，泥岩在胶结岩化过程中，颗粒之间联接更加紧密，孔隙减少，与半胶结泥岩的野外状态较契合。

根据统计值可以看出，泥岩的液性指数I1、压缩模量越高，孔隙比e、压缩系数α0.1-0.2越小，标贯击数N越大。

5.2 岩石力学指标分析

由于泥岩具有半岩性质，从岩石力学统计结果中可以看出，泥岩的饱和抗压强度Rw<5MPa，属极软岩。这是由于泥岩的胶结时间过短，泥质含量较高所致。

根据统计值可以看出，泥岩的天然和饱和单轴抗压强度与标贯击数成正比关系，抗压强度越大，标贯击数也越高。

5.3 纵波波速值分析

新近系甘肃群半胶结泥岩岩质较软，因此纵波波速值Vp均较小。实测波速值越大，标贯击数也随之增高。

统计结果显示，泥岩状态越好，强度越高，标贯击数越大。因此，标贯击数可作为泥岩承载力估算的重要指标。

6 各规范估算承载力比对分析

由于泥岩本身胶结状态较差，在试样制饱和时易沿沉积层理面和薄弱胶结面崩解，导致饱和单轴抗压强度有效的试验结果较少，且泥岩遇水软化明显，饱和抗压强度值无法代表实际地基岩体的强度，当采用饱和抗压强度估算其承载力时，小值与软弱粘性土的值相当，明显偏小，大值也偏大。综上，由于岩石力学试验成本较高，可得出的有效数据较少，值较离散，因此岩石力学指标在新近系半胶结泥岩承载力估算的实际运用中并不具有广泛意义。

泥岩本身性质与老粘土较为接近，土工试验代表性指标也能较为清晰的体现出泥岩的力学特性，且成本低廉，参照一般粘性土地基采用Il及e进行估算的承载力与当地现场平板载荷试验的实测值较为接近，因此采用土工试验代表值估算新近系半胶结泥岩承载力在实际运用中合理且较为便利，可大力推广。

7 利用标贯值估算承载力的经验公式

根据上述试验结果分析和已有资料，标准贯入试验的击数与泥岩的强度和状态呈正比，可作为承载力估算的重要指标。由于土工试验和岩石力学试验本身有滞后性，为方便现场判断新近系半胶结泥岩承载力，可直接采用标准贯入试验击数对承载力进行估算。

标贯击数与地基土承载力关系大多为线性关系，且线性关系方便野外判别承载力的计算，因此实际工程应用采用标准贯入试验确定新近系甘肃群半胶结泥岩的地基承载力基本值时，经验关系可以采用一次多项次拟合，可采用下列形式：

[fa0]=aN+b

结合十天高速天水段现场勘察的现场标贯和土工试验，本次采用反分析方法，先根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）表3.3.3-6估算试样的承载力值，再根据该试样所在段的现场标贯击数反推出a、b取值，计算结果为a=6，b=50。

从而得出天水地区新近系甘肃群半胶结泥岩标贯击数与地基承载力的关系为：

[fa0]=6N+50（当N>70时，N取70）

由于该地区泥岩的现场标贯击数的范围值在25～108击，在实际工作中，为偏安全考虑，当N>70时，N取70即可。据此式估算的该地区半胶结泥岩的承载力基本值为200-470之间，与现场实测值和规范中经验值接近，可在实际工作中直接运用。

8 结束语

采用参照一般粘性土地基采用Il及e进行估算的承载力与当地现场平板载荷试验的实测值较为接近，且成本低廉，在实际运用中较为合理且便利，可大力推广；可采用现场标贯击数和承载力之间的经验公式在野外直接估算天水地区新近系甘肃群半胶结泥岩承载力。

参考文献

[1]张喜刚，等.JTG D63-2007.公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[2]祝建农.试用综合勘探手段确定半成岩岩石承载力[J].铁道工程学报，1996（4）：66-72.

[3]张永双，曲永新.硬土-软岩的厘定及其判别分类[J].地质科技情报，2000，19（1）：77-80.

作者简介：余鹏（1984-），男，籍贯：湖北宜都，学历：硕士研究生，职称：工程师，研究方向：路基、路面工程。