新疆某工程上第三系地层工程地质性状初探

滕杰 胡宁 吴彤

新疆某工程上第三系地层工程地质性状初探

滕杰 胡宁 吴彤

新疆部分地区分布有较多的上第三系地层，随着涉及该地层的铁路、水利枢纽、输水隧洞、引水渠道等重大工程的日益增多，了解该地层的工程地质性质是非常必要的。通过对新疆某工程多年勘察实践，研究了上第三系地层的主要工程地质性质，为有关上第三系地层的水利工程设计施工提供参考与依据。

上第三系 泥质岩 工程地质性状

上第三系（N）地层年代距今170万～2 000万年之间，新疆某工程分布的上第三系地层主要分布于山间盆地及山前低洼台地，为河湖相碎屑沉积。研究其主要工程地质性质，对评价工程中存在的主要工程地质问题是非常重要。

1 概述

工程区上第三系地层主要分布于山间盆地及山前低洼台地，地貌上主要为浑圆状缓丘，部分地区坡面沟谷密集，切割深陡。

上第三系地层的沉积厚度最大约300 m，地层主要岩性为砂质黏土岩、泥质砂岩、砂岩和砂砾岩等，多为红色，泥质、砂泥质结构，泥质、钙质胶结，胶结程度中等。各种岩性多间隔分布。

受构造运动影响，上第三系地层多为巨厚层状或块状构造，主要表现为近水平的单斜构造，局部地区上第三系地层也发育有曲度较小的膝状构造、宽缓的向斜构造、轴面陡立的背斜并伴有小型断层发育。上第三系地层与下伏地层呈角度不整合接触。

上第三系地层中砂质黏土岩和泥质砂岩黏土矿物含量较高，多属微透水—极微透水层，部分砂砾岩胶结较弱，透水性相对较强，分布在地下水位以下部分可能成为含水层或承压含水层，在降雨量相对丰沛地区上第三系地层中也有泉水出露。

表1 上第三系泥质岩物质成分测试结果平均值

2 主要性状

2.1 颗粒组成及矿物成分

上第三系地层岩石颗粒组成主要为黏粒、砂粒及砾石等，胶结物成分主要有泥质、碳酸钙（CaCO3）等。砂的主要成分为长石、石英及岩石碎屑；砾石母岩主要为凝灰质砂岩、砂岩、灰岩等；泥岩的黏粒含量一般在20%左右，主要矿物成分为CaCO3、蒙脱石等。因含有不等量的三氧化二铁成分，因此颜色呈红色色调。各类泥质岩物质成分含量及黏土矿物定量测试成果分别见表1和表2。

2.2 物理及水理性质

上第三系地层不同分布位置含水率具有明显变化，地下水位以上岩层含水率一般小于5%，地下水位以下的含水率为多在10%～15%，在构造带等部位泥岩的含水率会更高一些。岩石的干密度具有随砂砾的含量增加而增长大的特点，干密度在1.93～2.20 g/cm3范围内。

岩块干燥饱和吸水率较高，一般为22.47%～26.34%，表现出较强的亲水性。含砾泥岩、砂质泥岩、泥岩胶结系数平均值分别为1.57、2.53、1.54，以弱胶结为主，部分属中等胶结。泥质岩物理水理性质试验成果见表3。

2.3 力学性质

由于上第三系地层在我国各地区的工程地质性质存在一定的差异性，因此，应用于水利水电工程中的定名也是不同的，主要有岩石、硬土—软岩、硬土3种观点。工程区上第三系地层钙质胶结作用较好，具有一定的强度，见表4，因而属于弱胶结的岩石。

表2 上第三系泥质岩黏土矿物定量测试结果平均值%

表3 泥质岩水理性质测试结果统计值

表4中泥岩、砂质泥岩的天然状态抗压强度平均值为4.19 MPa，饱和抗压强度平均值为0.89 MPa；砂岩天然状态抗压强度平均值为5.86 MPa，饱和抗压强度平均值为1.93 MPa，据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》岩石坚硬程度分类，多属极软岩。另一方面也反映出了上第三系岩石内有水理性差、岩石强度指标与含水率变化关系密切的特点。

表4 泥质岩物理力学试验成果统计表

根据表5岩石三轴试验成果可知，岩石的强度具有随围压增大而增高的特点，岩石的内聚力并没有随岩石的黏粒含量增高而增大，岩石内聚力主要受岩石胶结程度影响；而岩石的内摩擦角则具有明显的随岩石砂、砾含量增加而增高的特点。

2.4 岩土腐蚀性评价

工程区上第三系岩层表面风化为土状，厚度多为0.2～0.8 m。其下浅部（深度小于10 m）地层中多发育有风化裂隙，裂隙宽度一般5～10 mm，最宽可达20 mm，部分裂隙充填有白色石膏晶体，而石膏的主要化学成分为CaSO4。石膏并不具有腐蚀性，但其属于易溶盐类，当其溶于水后，常导致环境水中SO42-含量高，从而具有硫酸盐型腐蚀性。

表5 泥质岩三轴压缩试验成果表

对上第三系深部岩体中钻探取样进行强（易）溶解性盐类化学分析及腐蚀性评价，试验成果见表6。

由表6可知，深部岩体中所含的主要阴离子为HCO3-及SO42-。总体而言，上第三系岩石对普通混凝土及钢结构均无腐蚀性。

2.5 透水性

在断层、褶曲不发育的上第三系地层单层层厚多大于100 cm，岩体内发育的结构面较少，一般属块状构造或巨厚层状构造，透水性较弱。据钻孔压水试验成果，在泥岩中进行的31段（次）压水试验中，其透水率值为0.10～0.52 Lu，平均为0.28 Lu；在砂砾岩中进行，11段（次）压水试验，其透水率值为0.14～1.56 Lu，平均为0.51 Lu。由此可见上第三系泥岩多呈微透水，砂砾岩多呈弱透水—微透水。局部岩体受构造影响透水性较强，存在富水构造和承压含水层。

表6 强（易）溶解性盐类化学分析及腐蚀性评价成果

2.6 崩解性

上第三系地层泥岩、砂质泥岩和砂岩等黏粒含量相对较高，具有遇水崩解的特性。耐崩解试验成果表明，泥岩的耐崩解性指数的差异性较大，大部分泥岩试件的耐崩解指数为62.93%～76.60%，属中等的耐久性；极少部分试件耐崩解指数最低值为6.40%，属极低的耐久性。

2.7 膨胀性

据上第三系岩石物质成分测试结果，含砾泥岩、砂质泥岩和泥岩的蒙脱石含量平均值分别为14.35%、14.13%、16.15%。

据侧向约束膨胀力试验成果，泥岩膨胀力为10～486 kPa，平均值为128.9 kPa；砂岩膨胀力为32.9～133 kPa，平均值为80.7 kPa。

根据上述2种试验成果判断，泥岩多为弱膨胀岩，部分为非膨胀岩或中等膨胀岩；砂岩多属于非膨胀岩，部分为弱膨胀岩。

3 工程地质

3.1 隧洞工程

由于上第三系地层具有复杂的工程地质性质，造成隧洞围岩的稳定状态变化很大，主要表现在：

（1）在地下水位以上，岩体含水率低（≤10%）时，隧洞围岩自稳能力较好。但应及时进行一期支护，封闭围岩。防止岩石干湿交替、软化、膨胀等恶化围岩稳定的条件。该种隧洞围岩类别一般可判定为Ⅳ类。

（2）当隧洞围岩（特别是泥岩类岩石）含水率逐渐增大，围岩的稳定性将逐渐下降。据工程统计，当泥岩含水率达到14%～15%时，围岩将要发生较大的变形或失稳，围岩类别宜按Ⅴ类。

（3）随着隧洞埋深的增大，当上覆岩（土）体自重应力与岩体强度之比值越小，围岩变形及失稳问题越突出。工程实践证明，埋深大且含水率高的隧洞段，因围岩大变形和塌方使TBM受困的事例很多。

（4）承压含水层对隧洞工程的危害甚大，隧洞围岩变形迅速，甚至发生流砂、塑性挤出等，不适于TBM法施工。采用钻爆法施工往往也十分困难，需要采取特殊的工程处理措施；因此，应按特殊不良地质洞段考虑。

3.2 建筑物地基

上第三系地层具有较高的承载力，可作为电站厂房、楼房等建筑物的地基持力层，也可以做为桥梁墩基和桩基的持力层。建筑物浅基础施工过程中应加强地表水的疏排，尽量避开雨季施工，防止地表水及地下水入渗破坏岩体的结构，诱发地基膨胀变形及开挖基坑边坡失稳等。

3.3 边坡开挖

上第三系砂质泥岩、砂砾岩，为巨厚层状或块状构造，岩层多近水平，岩体内节理裂隙均不发育。建筑物开挖高边坡，稳定性较好。长期运行因冻融、风化、雨水冲刷等作用，会有剥落、掉块、塌滑等发生。需在坡顶布置排水沟，对坡面采取格构等防护措施。

在节理发育或有间歇地下水出溢的地方边坡易发生破坏，需采取封堵、排水及锚固等措施。

在过水建筑物（如渠道及过水建筑物的开挖边坡等）通常采用混凝土衬砌+土工布+换垫碎石土或砂砾石的工程措施。

3.4 天然建筑材料

上第三系地层表面的风化土料多分布在低山地区，岩性多为含砾壤土，厚度一般0.5～2 m，最厚可达4 m。

风化土具有弱膨胀性。土质含盐量较高的特点，局部见有石膏晶体，为中等盐渍土。风化土不能完全满足规范要求的堤防、当地材料坝、黏土芯墙等填筑土料或防渗土料的质量要求。对其改良加工亦有一定难度。但可以直接作为围堰等临时性工程的防渗土料；若作为路堤填料，应进行碾压处理。

3.5 路基工程

上第三系砂质泥岩、砂砾岩，具有遇水崩解性，失水干裂的特征，岩石本身也具有弱膨胀性，且易溶盐含量较高，为中等盐渍土（亚氯盐渍土）。因此，该层直接作为高等级公路路基时，需采取铺设非膨胀岩（土）垫层及隔、排水设施。

4 结语

工程区分布的上第三系泥质岩主要岩性为泥岩、泥质砂岩、含砾泥岩及砂砾岩等，属弱—中等胶结的软弱岩石，天然或干抗压强度明显高于饱和抗压强度。具有吸水软化崩解、变形模量低、弱膨胀性等主要工程特性。

在工程勘察设计过程中，需结合其主要工程地质性质，采取适当工程勘察手段和施工处理措施。

滕杰 男 高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

胡宁 男 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

吴彤 男 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

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