南宁第三系浅表层风化泥岩物理力学及膨胀特性指标分析.pdf

书书书 工程地质学报 （ ） 南宁第三系浅表层风化泥岩物理力学及膨胀特性指标 分析 唐迎春 黄钟晖 张 凯 周 峰 欧孝夺 （ 广西大学土木建筑工程学院 南宁 ） （ 广西财经学院管理科学与工程学院 南宁 ） （ 南宁轨道交通有限责任公司 南宁 ） 摘 要 通过对南宁市 个工程第三系泥岩资料进行的分析， 对各物理、 力学及膨胀性指标进行统计研究， 为南宁盆地地下 工程的参数选取提供参考。研究表明， 南宁第三系浅表层风化泥岩物理指标变异性较小， 尤其在 置信区间取值范围偏差 较小， 在参数分析时可作为常量考虑；而力学指标和膨胀特性指标数据变异性较大， 需要考虑其差异性。南宁第三系泥岩具 有抗压强度高， 压缩性低， 抗剪强度高， 黏聚力大的特点。膨胀特性指标方面， 南宁第三系泥岩的自由膨胀率与其他城市膨胀 岩土相比偏低， 为弱膨胀性岩土；膨胀力因岩组成因和风化程度不同差异较大， 建议在参数选取时针对具体工程考虑。 关键词 南宁盆地 泥岩 物理力学指标 膨胀性指标 中图分类号： 文献标识码： 书书书 收稿日期： ；收到修改稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ） ，国家自然科学基金项目（ ） ， 教育部科学技术研究重点项目（ ） ，南宁 市科技项目（ ） 资助 第一作者简介： 唐迎春， 主要从事特殊土力学特性及地下结构工程方面研究 ： （ ， ， ） （ ， ， ） （ ， ， ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 引 言 南宁盆地位于广西西南部， 盆地内部地势平坦， 邕江自西向东穿越其间， 两岸阶地发育明显， 为上部 覆盖填土或圆砾层、 下部泥岩的典型二元结构阶地。 位于浅表层的第三系风化泥岩具有典型膨胀岩土特 性， 其吸水后体积膨胀强度衰减剧烈， 力学性质变化 明显。膨胀性岩土特性和工程问题一直是工程研究 领域的热点和难点， 国内外学者对此进行过许多研 究 ， 但是目前针对南宁盆地胀缩性泥岩的研究 仍缺乏深入性和系统性。 图 南宁市第三系泥岩分布示意图 对岩土参数指标进行概率统计是岩土工程领域 的难点之一， 因区域性岩土结构特性差异、 试验样本 有限等， 将导致统计参数的变异性较大， 但近年来国 内外一些学者对此进行改进和探索 ， 其中张继 周等 对苏中腹地湖相软土的参数变异性统计进 行分析；张先伟等 对湛江强结构性黏土的物理 力学性质指标进行研究；曹亮等 对苏州软弱层 土体微观结构进行定量分析。本文以南宁盆地 个已建工程的地质勘察资料为分析对象， 通过对南 宁第三系泥岩的物理力学及膨胀特性指标变化进行 统计分析和总结， 为该区域岩土参数研究进行补充 和完善， 以期为南宁市涉泥岩的地下工程参数选取 提供参考。 南宁第三系泥岩特性概述 南宁盆地第三系泥岩为湖相沉积地层， 其地质 形成年代从新至老分为渐新统的北湖组（ ） 、 里 彩组（ ） 、 南湖组（ ） 、 佛子坳组（ ） 和古新 始 新统的 组（ ） 、 组（ ） 、 组（ ） 、 组 （ ） （ 书书书 图 ） 。 南宁第三系泥岩的主要矿物成分为伊利石、 高 岭石， 少量蒙脱石， 具有一定胀缩性。第三系泥岩主 要分布在南宁东部和西南部： 其中东部丘陵区主要 为北湖组， 呈灰白、 浅灰、 灰绿色厚层泥岩和粉砂质 泥岩；西南部多为古新 始新统泥岩， 呈浅灰、 灰色 泥岩、 粉砂质泥岩夹钙质泥岩。 在南宁盆地典型地质剖面示意图上可以看到， 南宁第三系泥岩顶部埋深一般为 ， 在南宁 盆地东部和西南部埋深较浅， 其泥岩顶部埋深一般 为 ， 局部区域甚至出露地表（ 图 ） 。南宁盆 地中第三系泥岩层厚度分布由几十米到几百米不 （ ） 唐迎春等：南宁第三系浅表层风化泥岩物理力学及膨胀特性指标分析 图 南宁盆地典型地质剖面示意图（ 剖面） 等， 本文研究对象为距离地表 以内的浅表层风 化泥岩层， 该岩层深度是工程建设最主要的影响深 度范围， 通过对该岩层各参数进行研究可为本区域 中小型岩土工程勘察和设计提供一定借鉴。 统计分析方法 为了增加统计可靠性， 本次研究中要求进行严 格的统计分组， 保证所有样本均为同一地质单元即 第三系泥岩， 同时尽可能获得大量有效样本数， 以减 少统计参数的变异性。 本次统计数据主要来源于南宁市各涉及膨胀岩 地层的已建工程资料， 其中选取统计的各工程点样 本分布（ 书书书 图 ） 。 将每个工程点的取样埋深均值、 参数建议取值 作为一个独立样本， 统计第三系泥岩的基本物理指 标、 力学性质指标和胀缩特性指标。参数统计时， 首 先以 法则剔除异常数据， 再以专业统计软件 对其频率分布进行分析， 以得到各参数的均 值、 标准差、 样本数目、 置信区间取值等常规性 指标， 并对各指标的分布描述参数， 如偏度、 峰度等 简要介绍如下： （ ） 偏度是对分布偏斜方向程度的测定， 通常 用 表示， 以三阶中心矩除以标准差的 次方计 算， 公式如下： （ 珔 ） （ ） 当 为正数， 表示分布为右偏；反之表示为左偏。 （ ） 峰度是频度分布曲线与正态分布相比较顶 端的尖峭程度， 统计中以四阶中心矩测定峰度， 其计 算公式如下： （ 珔 ） （ ） 当 时， 分布曲线为正态分布；当 时， 分 布曲线为平峰分布；当 时， 分布曲线为尖峰 分布。 （ ） 对于参数整体分布规律正态性检验， 采用 （ 简称 检验） 统计量进行判 别， 当检验的显著水平 大于 时， 表示接受 原假设即服从正态分布， 反之则正态分布不明显。 图 工程点样本分布图 统计成果 物理指标 通过对南宁市 个工程的第三系泥岩资料进 行统计和分析， 得到物理指标统计结果 （ 书书书 表 ） 。 从 书书书 表 中可知各物理指标的统计参数如均值、 标准差、 样本数目、 置信区间取值、 偏度、 峰度、 正态分布检验显著水平等参数。为了更具体呈现各 物理指标的分布情况， 绘制其频率分布（ 书书书 图 ） ， 同时 统计各深度物理参数分布变化（ 书书书 图 ） ， 将各物理指 标特征总结如下： （ ） 含水率 均值为 ， 主要分布区间范 围为 ；分组频率分布曲线为向右偏平峰 工程地质学报 书书书 表 南宁第三系泥岩的物理指标统计分析 参数 项 目 单位均值 置信区间 标准差极小值极大值偏度峰度样本数目 检验 下限上限统计量 含水率 天然密度 孔隙比 饱和度 液限 塑限 大于 ， 则说明统计数据服从正态分布， 反之正态分布不明显 图 物理参数统计分布 图 不同埋深的南宁第三系泥岩物理参数变化 （ ） 唐迎春等：南宁第三系浅表层风化泥岩物理力学及膨胀特性指标分析 型分布， 其正态分布不明显。含水率在 以内较 浅位置数值较大， 且随着深度增加略有减小。分析 其原因认为， 南宁盆地地下水位深度一般为 ， 且大气影响深度为 ， 埋深较浅处泥岩处于 大气影响深度范围内或地下水位附近， 因此其含水 率数值较大， 而较深处泥岩层一般位于隔水层以下， 故含水率数值较小。 书书书 表 南宁第三系泥岩的力学性质指标统计分析 参数 项 目 单位均值 置信区间 标准差极小值极大值偏度峰度样本数目 检验 下限上限统计量 黏聚力 内摩擦角 （ ） 压缩系数 压缩模量 抗压强度 标贯击数 击 大于 ， 则说明统计数据服从正态分布， 反之正态分布不明显 （ ） 天然密度 均值为 ， 主要分布 区间范围为 ， 标准差 ， 变化值范 围较小；其频率分布为左偏平峰型分布， 其 检 验显著性水平 为 ， 大于 ， 为正态分布。 孔隙比 均值为 ， 处于较密实状态， 标准差 ， 变化值范围较小， 为右偏平峰型分布， 该参数 正态分布不明显。南宁第三系泥岩随深度增加， 密 度略有增大， 而孔隙比略有减小。 （ ） 饱和度 均值为 ， 主要分布区间范 围为 ， 为左偏平峰型分布， 服从正态分 布， 随深度增加规律变化不明。 （ ） 液限 均值为 ， 为中等液限岩土， 主要分布区间范围为 ， 为右偏平峰型分 布， 正态分布显著。塑限 均值为 ， 主要分 布区间范围为 ， 正态分布不明显。液限 随深度增加规律不明， 塑限随深度增加而略有减小。 从以上统计数据分析， 各参数的标准差值均较 小， 最大的是液限其数值为 ；变异系数最大的 是孔隙比仅为 ， 说明各参数变异性较小， 分布 离散程度较小。各物理参数指标原始数据变化区间 值较大， 但是主体分布较集中。尤其是统计各参数 均值 置信区间范围非常小， 故在参数选取时可 将其视为常量考虑。以含水率指标为例， 其统计原 始极小值和极大值变化范围 ， 但统计 中其 置信区间为 ， 变化幅度 较小， 仅为均值的 。因为本次分析对象分处于 各个工程点， 取各土样的平均埋深数值进行统计， 所 以仅能大致反映参数与埋深关系趋势。 力学指标 对南宁市第三系泥岩的力学指标参数进行统计 分析 （ 书书书 表 ） ， 并绘制各参数的频率分布图 （ 书书书 图 ） 及 各力学参数与埋深关系图 （ 书书书 图 ） 。 将南宁第三系泥岩各力学指标特征描述如下： （ ） 黏聚力 均值为 ， 主要分布区间 范围为 ， 标准差 ， 变异系数为 ， 变化较大；内摩擦角 均值为 ， 主要 分布区间范围为 ；黏聚力和内摩擦角频率 分布曲线均为右偏平峰型分布， 均服从正态分布。 黏聚力和内摩擦角均随着深度增加而略有增大， 其 中黏聚力变化趋势较内摩擦角明显。 （ ） 压缩系数 均值为 ， 主要分 布区间范围为 ， 变异系数为 ； 压缩模量 均值 ， 主要分布区间范围为 ， 变异系数为 ， 变异性较大； 两者频 率分布曲线均为右偏平峰型分布， 正态分布不明显。 压缩系数和压缩模量分布较离散， 随着深度增加关 系不明显。 （ ） 抗压强度 均值为 ， 主要分布区间 范围为 ， 变异系数 ， 变异性较大， 为右偏平峰型分布， 正态分布明显。修正标准贯入 击数 均值为 击， 主要分布范围为 击， 变 异系数 ， 为右偏平峰型分布， 正态分布不明 显。抗压强度和标贯击数均随深度增加而增大明 显。 从以上统计结果可知， 各力学参数指标原始分 工程地质学报 图 第三系泥岩各力学参数统计分布 图 不同埋深的南宁第三系泥岩力学参数变化 布偏差较大， 变异系数值均大于 ， 参数离散性 大。以黏聚力为例说明， 其统计原始极小值和极大 值变化范围 ， 标准差为 ， 变异 系数为 ， 离散性较大。 本次统计黏聚力均值为 ， 相比南宁 盆地第四系黏土强度要高， 前期对南宁地铁一号线 详细勘察 个钻孔资料统计， 黏聚力均值为 。南宁市第三系泥岩为湖湘沉积成因， 处于 由岩石向黏土风化过渡阶段， 描述其为“ 非岩非土” 非常贴切， 即半岩石半土之间， 因此结构性较好， 黏 聚力较大。南宁第三系泥岩的压缩性小， 压缩系数 平均值小于 ， 属于低压缩性岩土。第 三系泥岩抗剪强度偏高， 结构强度较好。 膨胀性指标 对南宁市第三系泥岩的膨胀性指标进行统计分 析 （ 书书书 表 ） ， 并绘制各参数的频率分布图 （ 书书书 图 ） 和各 膨胀性参数与深度关系图 （ 书书书 图 ） 。 南宁第三系泥岩各膨胀性参数特征如下： （ ） 自由膨胀率作为膨胀岩土特性参数的重要 指标， 在膨胀土规范中作为膨胀性潜势分类依 据 。从以上自由膨胀率的频率分布图看出， 本次 （ ） 唐迎春等：南宁第三系浅表层风化泥岩物理力学及膨胀特性指标分析 书书书 表 南宁第三系泥岩的膨胀性指标统计分析 参数 项 目 单位均值 置信区间 标准差极小值极大值偏度峰度样本数目 检验 下限上限统计量 自由膨胀率 （ ） 膨胀力 收缩系数 大于 ， 则说明统计数据服从正态分布， 反之正态分布不明显 图 第三系泥岩膨胀性参数统计分布 图 不同埋深的南宁第三系泥岩膨胀性参数变化 统计数据中自由膨胀率 均值为 ， 主要分 布区间范围为 ， 变异系数为 ， 变异 性较大， 频率分布曲线为右偏平峰型， 正态分布明 显。从 书书书 图 中可以看出自由膨胀率与深度无明显关 系。分析其原因认为， 自由膨胀率主要与矿物成分 及黏粒含量相关， 即矿物亲水性愈强， 黏粒含量愈 高， 其自由膨胀率越大。因此在南宁第三系泥岩中 其膨胀率的主要影响因素为风化程度及形成岩组差 异， 而与深度并无直接关系。 南宁第三系泥岩膨胀潜势为弱膨胀性， 与国内 其他城市的典型膨胀岩土相比， 自由膨胀率数值偏 低 （ 书书书 图 ；数据来源于文献 ） 。 （ ） 膨胀力是反映黏性土膨胀性强弱的指标， 是指在侧限约束时充分吸水， 使其保持不发生竖向 图 几个城市膨胀土自由膨胀率指标分布 膨胀所需施加的最大压力值。膨胀力随深度增加而 略有增大， 但是影响膨胀力的因素较多， 如岩土的矿 物成分、 结构和胶结程度等。本文统计膨胀力均值 为 ， 但数据分布非常离散， 其最大值为 工程地质学报 ， 最小值仅 ， 标准差为 ， 变异系数 ， 空间变异性较大。因此在参数选取时应作为 变量具体分析， 应考虑其岩组的成因及风化程度差 异等。 （ ） 收缩系数是指膨胀土失去单位含水量时所 产生的竖向收缩率， 是计算收缩变形量， 评定地基等 级的重要指标。本次统计收缩系数 均值为 ， 主体均匀分布于 之间， 但在 处有集中 峰值， 变异系数为 ， 分布较离散， 随深度增加 略有降低。 综上所述， 南宁第三系泥岩为典型膨胀岩土， 具 有中等偏弱膨胀潜势， 自由膨胀率与国内外典型膨 胀岩土相比偏低；膨胀力和收缩系数均分布较离 散， 在工程应用中应充分考虑其差异性。 结 论 （ ） 南宁第三系泥岩的各物理指标变异性较 小， 尤其在 置信区间取值偏差较小， 参数分析 可作为常量考虑。 （ ） 力学指标中各参数变异性较大， 应作为变 量处理， 南宁第三系泥岩介于“ 岩” 与“ 土” 之间， 有 较强的结构性， 为低压缩性岩土， 其抗压强度高， 抗 剪强度较高， 黏聚力较大。 （ ） 膨胀特性指标变异性较大， 需要考虑其变 异性影响。南宁第三系泥岩的自由膨胀率与其他城 市典型膨胀土相比偏低， 为弱膨胀性岩土；但膨胀 力因分布区域不同、 岩组成因和地层形成年代不同 而差异较大， 数值分布较离散， 因此在参数选取时需 针对具体工程考虑。 参考文献 谭罗荣，孔令伟 特殊岩土工程土质学 北京： 科学出版 社， ， ， ： ， ，