1996 年 12月 第 4期( 总 52)铁 道 工 程 学 报 JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETYDecember 1996 No. 4( Ser. 52)试用综合勘探手段确定半成岩岩石承载力祝建农X( 铁道部第一勘测设计院西安分院)提 要 半成岩是一类特殊岩石, 国内现行的各种规范对此类岩石的承载力如何确定尚未作出明确的规定。本文根据南宁市清川大桥上第三系岩石抗压、 标贯、 动探和土工试验等多种测试手段获取的大量数据资料, 结合有关规范和文献, 提出了确定半成岩类岩石地基承载力的思路和方法。最后给出了设计建议值。主题词 综合勘探 确定 半成岩 承载力1 引言南宁市清川大桥( 即邕江四号桥) 位于南宁盆地的西部, 南宁市西郊约 7km 的陈村, 为南宁市跨邕江而设的一座公路连续刚构梁桥, 全长 878. 44m, 桥面宽 38. 5m。 桥址处邕江河床顺直, 呈“ U” 型, 谷底水面宽约 380m, 主流水深约 12m。河床内有厚 211m 的圆砾土覆盖; 两岸为邕江一级阶地, 地形平缓开阔, 覆盖全新统冲积层厚 1428m, 上部以杂色粘土、 棕黄色粘土、 青灰色淤泥质亚粘土为主, 下部为圆砾土。 桥址范围内圆砾土层下 为一套上第三系河湖沼泽相泥岩、 泥质砂岩为主的地层( 见图 1) 。大桥采用桩基, 基础持力层主要为上第三系岩石( 以下简称岩石) 。该桥在工程地质初勘和详勘中, 经过对较多岩( 土) 样品进行测试, 尤其是对岩体作了动探和标贯试验, 获得了较多的试验数据。 由于南宁市区及附近第四系松散层之下的岩层与大桥处 类同, 且市区高层建筑及跨邕江已建成的 3 座公路大桥和 1 座铁路大桥也多以该岩体作为基础持力层, 预计它将成为今后南宁市工程地质勘探的主要岩体。因此, 加强对该岩体工程地质特征( 尤其是承载力) 的研究, 将对该市区高层建筑及拟建的邕江 5 号、 6 号、 7 号 3 座公路大桥 的工程地质勘察, 也具有一定的实际意义。2 岩石的工程地质特征桥渡区岩层主要为泥岩、 粉砂质泥岩, 其次为粉砂岩; 泥灰岩; 褐煤及炭质泥岩等多以夹层X 本文收稿日期: 19960708 祝建农 工程师 铁道部第一勘测设计院西安分院主管工程师 西安 邮码: 710043 参加本项工程的还有谢永勋、 张富忠、 王建鹏 3 名同志状产出( 见图 1、 表 1) 。测区构造简单, 岩层产状平缓, 倾角一般为 4 7 。图 1 清川大桥桥址工程地质纵断面图泥岩、 粉砂质泥岩: 为主要岩层。 青灰深灰色, 成岩作用差, 岩性软而硬度变化大。钻探岩芯取出后易风化 干裂, 似坚硬粘土状, 含蚌壳碎片, 局部夹成岩作用较好的硬块体多具中等压缩性。 天然含水量一般随深度逐渐减少, 在距基岩面下 10m 内减少较快, 以下则变化较慢,平均为15. 4% 。 泥岩表层浸 水后易软化, 岩芯有拉长变形现象, 局部表现为泥土状。浸水深度两岸阶地区一般为0. 54. 9m, 河床内为 2. 04. 5m。矿物成分: 伊利石 38. 5% , 高岭石 30. 7%38. 7% , 蛭石23. 4% 30. 3% ; 粘粒含量小于 2um 占 25. 3% 53. 7%, 小于 5um 占 37. 3%73. 6% ; 无荷膨胀量平均为 14% , 属弱膨胀性岩石。表 1 清川大桥上第三系地层综合柱状图层位地层厚度(m)岩 性 特 征68砂质泥岩夹泥质粉砂岩及粉砂岩23 号煤层0. 390. 8933青灰色泥岩夹褐灰色泥岩, 局部为砂质泥岩夹粉砂岩。22 号煤层0. 360. 61厚度变化大, 局部可开采。39青灰色泥岩为主, 内部夹 5. 0m 厚的灰色粉砂岩21 号煤层0. 22. 0煤层于煤田中心较厚20 号煤层1822 0. 052. 35青灰、 浅灰厚层状泥岩, 夹砂质泥岩及透镜状粉砂岩 煤层往东变厚, 其结构变复杂19 号煤层1517 0. 15青灰色泥岩为主, 夹深灰粉砂质泥岩, 内夹 12 层灰黄色泥灰岩 厚度变化较大, 且不稳定18 号煤层1517 0. 041. 71深灰泥岩为主, 夹薄层褐色, 暗灰泥岩, 部分层底夹 3. 5m砂岩 黑色、 褐煤23. 5褐灰、 青灰泥岩, 粉砂质泥岩与暗灰色泥岩互层, 向下过渡为泥质 粉砂岩, 下 10m 夹一层泥灰岩, 下 20m 夹一层煤注: 根据南宁市砂井煤矿有关资料及本桥钻探资料综合编制67第 4期 试用综合勘探手段确定半成岩岩石承载力粉砂岩: 与上述泥岩、 粉砂质泥岩呈互层或夹层状产出。 灰色、 褐灰色为主, 中厚一厚层状, 粉砂质结构, 泥质及少量钙质胶结。矿物成份主要为石英、 绢云母及高岭石等。砂岩表层浸水后, 一般风化严重, 岩芯呈散砂状或饼状、 块状, 手轻捏即碎( 散) 。浸水深度两岸阶地区一般为0. 5m, 河床内为 1. 04. 5m; 浸水深度以下, 岩芯多为短柱状, 密实, 但胶结差, 手锤轻击即碎。局部层位在钻探过程中有坍孔现象。 在泥岩、 粉砂岩中的夹层有:泥灰岩: 灰黄色, 厚 0. 05m0. 9m, 薄层状为主, 致密、 坚硬, 工程性质好。钙质泥岩: 褐灰深灰色, 厚 13m, 富含蚌壳碎片, 较坚硬, 工程性质较好。 褐煤及炭质泥岩: 黑灰灰黑色, 多达 10 余层, 两者呈互层状产出, 一般厚 0. 10. 5m, 最厚 2. 35m。岩性软弱, 工程性质较差。各岩层的主要物理力学性质详见表 2。表 2 岩层主要物理力学性质岩层名称数值试验项目含水量 W (% )密度 Q (g/cm3)孔隙比 e液限 WL ( % )塑限 WP (% )青灰色泥岩波动值14. 019. 62. 092. 200. 3490. 54526. 240. 014. 020. 0均值15. 42. 140. 43330. 616. 6褐灰色泥岩波动值硬11. 011. 82. 152. 360. 2890. 39423. 428. 013. 616. 3软12. 820. 32. 052. 200. 3790. 56128. 546. 317. 019. 8均值硬11. 42. 260. 34225. 714. 7软16. 42. 130. 47135. 818. 7炭质泥岩波动值/均值19. 02. 110. 52839. 020. 5粉砂岩波动值11. 217. 02. 052. 230. 3820. 51922. 330. 012. 618. 3均值13. 82. 140. 43326. 416. 43 岩石承载力的确定从岩石的岩性特征和物理力学性质中可以看出, 桥址处岩石成岩作用差, 具有部分土的工程性质( 孔隙比 0. 2890. 5610) , 属半成岩类。因此, 这类特殊岩石可类比土类并运用多种勘 探测试资料进行综合分析, 确定其承载力。由于工点处第四系覆盖层厚 1428m, 现场无法进行荷载或旁压试验, 直接确定下部岩石的承载力。 为此, 在野外对岩石采取了动探和标贯测试,室内进行了土工试验和抗压试验, 取得了大量对比资料。现将各测试成果介绍如下。68铁 道 工 程 学 报1996 年 12 月续表 2岩层 名称数 值试验项目塑性指数IP液性指数IL压缩系数a1- 2MPa- 1压缩数量Es(M Pa)摩擦角U( )凝聚力C( kPa)青灰色泥岩波动值10. 120. 8- 0. 3100. 270 0. 100. 225. 7814. 76 4 42 22 32228均值14. 2- 0. 0680. 1310. 5119 4789褐灰色泥岩波动值硬9. 811. 7 - 0. 4530. 1840. 0432. 3236. 66软 11. 124. 1- 0. 4590.0190. 060. 0915. 522. 73/均值硬10. 5- 0. 3190. 0434. 49软17. 1- 0. 1370. 0819. 0812 24260炭质色泥岩波动值/均值18. 5- 0. 0810. 1113. 3214 34120粉砂岩波动值9. 112. 6 - 0. 6070. 048 0. 020. 0527. 949. 8/均值9. 95- 0. 3820. 0437. 632 12423. 1 抗压试验共完成 59 个岩石样品的抗压试验。天然单轴抗压强度合钙质较多的褐灰色泥岩最大, 青灰色泥岩、 粉砂质其次, 炭质泥岩最小, 一般为 0. 22. 44MPa, 平均为 0. 84MPa, 属极软岩类。经对比, 当天然单轴抗压强度为 0. 630. 93MPa 时, 饱和单轴抗压强度为 0. 100. 14MPa,强度降底了近 6. 5 倍。若依据有关规范 公路桥涵地基与基础设计规范 、 铁路工程地质技术规范 以节理发育程度查表确定岩石承载力, 则桥址处岩石岩芯较完整( 浸水深度以下) , 其承载力应不小于 800MPa, 显然不符合实际情况。说明半成岩类软质岩的承载力不能仅以岩石节理发育程度来确定。若参照国标 工程岩体分级标准 ( 送审稿) 依据公式Q = 93+ 3Rc+ 250( Rc 岩石饱和单轴抗压强度, MPa; Kv 岩体完整性系数) 先求得岩体基本质量指标( Q) 后, 再评价其承载力。 对于软质岩 Rc用岩石天然单轴抗压强度值代替。设 Kx= 0. 75 Rc= 0. 84MPa Kv= 0. 750 0. 03 Rc+ 0. 4= 0. 43 取 Kv= 0. 43 代入上式则 Q = 93 + 3 0. 84 + 250 0. 43 = 203 250判定岩体基本质量为 V 级, 对应承载力小于 500kPa。 结果与实际较吻合。 同时, 由于该规范对软质岩 Kv作了限制性修正, 因此, 使用该承载力值是安全的。3. 2 标贯试验在 23 个钻孔中对基岩面下 1. 0513. 07m 范围内的岩石进行了标贯测试, 共取得 32 个69第 4期 试用综合勘探手段确定半成岩岩石承载力标贯数据, 试验击数波动值为 1281( 击) , 平均为 36( 击) 。标贯试验评价地基承载力依据 建 筑地基基础设计规范 ( GBJ789) 参考粘性土标贯击数与承载力关系求得。青灰色泥岩厚度大, 岩性较均匀, 试验数据离散性较小, 承载力为 470kPa, 较接近实际; 褐灰色泥岩和粉砂岩中, 由于夹层多, 不均一, 试验数据离散性较大, 承载力为 480680kPa; 灰质泥岩因只有 2 个试验数据, 可对比性差, 承载力为 540kPa, 结果稍偏大。3. 3 动探试验在符合条件的 6个孔中对基岩面下 0. 11. 63m 范围内的青灰色泥岩和炭质泥岩进行了 重型( 2) 动探试验, 共获得 16 个动探数据。试验击数波动值为 313( 击) 平均为 9( 击) 。动探试验, 评价地基承载力依据原第一机械工业部第二勘探公司建立的一般粘性土动探击数与承载力关系求得, 承载力为 320kPa。由于工点处泥岩浸水深度一般 13m, 最深可达 67m。因此, 全部动探深度均属浸水范 围, 得到的只相当于岩石风化层承载力。 由此可以看出, 软质岩浸水软化以后工程性质变差, 与标贯测试结果相比, 其承载力亦减少较多。3. 4 土工试验共采取了 36 组样品作室内土工试验进行对比, 成果见表 2。孔隙比平均为 0. 433, 多属中压缩性土。 承载力根据压缩模量 ( E) 及 液限( ) 与孔隙比( e) 等几项指标参考有关规范查粘土性土承载力表确定。 青灰色泥岩、 砂质泥岩 E 值最小, 平均为 10. 51MPa, 承载力为 390kPa