区域性地层分层系统研究.doc

航空学报区域性地层分层系统研究隋耀华 陈晓丹 (广州地铁设计研究院有限公司 广州510010) 摘要： 在进行区域性地下空间的开发与利用时，需要建立区域性地层分层系统，而目前很难找到对此进行专门研究的文献。本文从岩石与土的成因和分类方法的特点出发，分析了岩土体受历史、成因及颗粒组分影响的因素，结合工程勘察、设计与施工使用特点等综合影响因素，提出了区域性地层分层系统建立原则及在此基础上的地层连线原则。关键词： 分层系统 区域性地层 岩土分类Study of Regional Stratigraphic Layered SystemSui Yaohua Chen Xiaodan(Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd. Guangzhou 510010）Abstract: In regional development and utilization of underground space, we need to build the regional stratigraphic layered system, but it is hard to find carries on the special research literature. Based on characteristics of the causes and classification on rock and soil, this article analyze by history and the causes of geotechnical engineering and granular component factors, combine with comprehensive factors of engineering survey, design and construction use features, put forward establishing the principle of regional stratigraphic layered system and the principle of strata attachment on the basis.Key words: Layered system Regional stratigraphic Geotechnical classification 1 引言岩土工程分层在土木工程的勘察、设计及施工中具有重要意义。有些城市已经有了自己的工程地质分层系统，如上海，有些城市的某些大型工程项目有自己的分层系统，如广州地铁。这些分层系统的建立，即有利于指导地质勘察人员进行地质勘察工作，又有利于设计人员快速熟悉工程地层，顺利进入设计工作。然而，大多数城市并没有自己的工程地质分层系统。对于兴建一般工民建工程时，临时建立的分层系统一般能满足工程的需要。但当进行诸如地铁工程等涉及整个城市的地层的开发与利用时，就需要建立能够代表整个城市地质情况的区域性地层分层系统。目前，尚没有相关规范和规程对此进行明确规定，对于区域性地层分层系统研究的文献也十分罕见。鉴于我国目前正迎接新一轮地下空间开发的热潮，有必要对区域性地层进行分层系统的研究。2 岩土的分类方法2.1 岩石的分类方法在土木工程的设计与施工应用中，关于岩体特征最关心的两项指标是岩石的坚硬程度和岩体的完整性。岩石的坚硬程度与其物质组成和成因有关，岩体的完整性与其风化程度和受构造影响程度有关。2.1.1 岩石按物质组成和成因的分类岩石按物质组成和成因的分类可以分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。不论哪种岩石，都直接或间接由岩浆演变而来。岩浆存在于地壳的深处，是处于高温、高压下的硅酸盐熔融体，它的主要成分是硅酸盐，还有其它元素、化合物以及溶解的气体。1岩浆冷却后，形成的主要造岩矿物主要有石英、长石、云母、角闪石、辉石及橄榄石等。上述造岩矿物在岩浆冷却时形成，并作为岩浆岩的基质。岩浆岩经风化作用后被破碎和分解，并伴随有粘土矿物生成，再经剥蚀、搬运和沉积作用后形成土体，土体在一定条件下，经压缩、胶结及重结晶等物理化学过程后，形成沉积岩。沉积岩的物质来源可以是岩浆岩、已有的沉积岩以及变质岩。地壳内已有的岩石，由于受高温、高压及化学成分加入的影响，改变原来的矿物成分和结构、构造，形成新的岩石，称为变质岩。变质岩的物质来源可以是岩浆岩、沉积岩以及变质岩。从上述成岩过程可以看出，不管是岩浆岩、沉积岩还是变质岩，他们最根本的物质来源都是岩浆冷却形成的造岩矿物。因此，要了解各种岩石的组份特征，就必须充分认识岩浆冷却形成的主要矿物，各主要造岩矿物的化学成分及基本性状见表1。表1 主要造岩矿物化学成分及性状表矿物与成分颜色形状石英SiO2无色乳白色六棱柱、双椎状、粒状正长石KAlSi3O8肉色浅玫瑰短柱状、板状、粒状斜长石NaAlSi3O8CaAl2Si2O8白色灰白色长柱状板条状白云母KAl2AlSi3O10OH2无色灰白色板状、片状黑云母K(MgFe)3AlSi3O10OH2深褐墨绿板状、片状角闪石 (Ca Na)(Mg Fe)4 (Al Fe)(Si Al)4O112OH2深绿黑色长柱状纤维状辉石 (Na Ca)(Mg Fe Al)(Si Al)2O6褐黑棕黑短柱状粒状橄榄石(Fe、Mg)2SiO4橄榄绿淡黄绿粒状沉积岩的特有物质组成有粘土矿物、方解石、白云石和有机质等。沉积岩本身强度的高低与胶结物有着密切的关系，硅质胶结沉积岩颜色浅，强度最高；其次为铁质胶结，颜色深，呈红色；再次为钙质胶结，颜色浅，具可溶性；强度最低为泥质胶结，多呈黄褐色，胶结松散，易风化。变质岩特有矿物主要有绢云母、绿泥石和蛇纹石等。岩浆岩的岩石抗压强度都很高。一般地，除硅质沉积岩外，岩浆岩的强度高于沉积岩，沉积岩变质而来的变质岩强度高于沉积岩。同源变质岩，深变质岩的强度要高于浅变质岩的强度；不同源的变质岩，原岩为岩浆岩的强度一般要高于原岩为沉积岩的强度。2.1.2 岩石按风化程度的分类在工程上，岩石风化程度的分类标准采用国家标准岩土工程勘察规范，可分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化及残积土。2未风化岩岩质新鲜，偶有风化痕迹；微风化岩结构基本未变，仅节理面有渲染，少量风化裂隙，岩石抗压强度与新鲜岩石接近；中等风化岩结构部分破坏，节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩石抗压强度为新鲜岩石的一半左右；强风化岩结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩石抗压强度小于新鲜岩石强度的一半以上；全风化岩结构基本破坏，有残余结构强度；残积土组织结构全部破坏，已风化成土状。各类岩石的强风化岩风化程度强烈，强度差异已没有不同类型的中等风化岩石强度差别大。强风化岩的强度与中等风化岩的强度有着明显的差异，所以强风化岩底部与中等风化岩石顶部有着明显的分界线，岩土工程勘察报告中的基岩面即指此分界线。各类岩石的全风化岩已基本不能再做岩石单轴抗压强度，基本上可以视为坚硬土，且其强度特征与土基本一致。残积土形成阶段原岩的化学风化已经相当充分，并形成以高岭石、蒙脱石和伊利石代表的粘土矿物。表1中的矿物从难到易风化的顺序为表中从上至下的顺序。以正长石为例，其与含CO2水的化学作用及水的化学作用的分子式分别为：34KAlSi3O82CO24H2O=Al4Si4O10(OH)88SiO22K2CO3 正长石 高岭石 和4KAlSi3O86H(OH)=Al4Si4O10(OH)88SiO24KOH 正长石 高岭石2.2 土的分类方法土的工程性质与其形成的地质年代、地质成因及土的颗粒组成均有关系，因此，土的分类需要结合以上三者综合确定。2.2.1 根据地质年代分类沉积年代是影响土的工程性质因素之一，堆积年代划分土类是必要的。但土的工程性质受其他许多因素的影响，如成土母岩、过程、环境、厚度等等。老堆积土与一般堆积土的鉴定，首先看地层的沉积顺序、埋深、土的结构、压缩性指标、触探击数等等。往往埋深越大、结构越紧密、压缩系数越低、击数越大、沉积年代越久远。确定地层年代的方法，并不仅仅是“古生物化石（孢子花粉等）”、以及碳14、热释光等方法，在生产过程中最常用的是地层对比法。根据前人研究的成果和本地地质演化史的研究，与标准地层相对照，再结合本地的地层成因类型来进行划分。根据国家标准岩土工程勘察规范，晚更新世Q3及以前的沉积土定为老沉积土，第四纪全新世中近期的沉积土定为新近沉积土。2具体到野外鉴别过程中，除上述判定老沉积土与新沉积土的原则外，一般情况下，晚更新世Q3及以前的沉积的砂土用岩芯管取芯时可以成筒形，掰开后的断面，有粘土矿物固结在砂颗粒周围，使得砂颗粒之间有一定的粘结作用而不散。晚更新世Q3及以前的沉积的粘性土较全新世Q4的粘性土固结程度深，并伴有压密、胶结作用，大部分呈硬塑状。工程勘察过程中，地层的时代与土的物理力学性质密切相关，是对土体进行定性分析的前提。本文收集了代表地点广州新塘（广州市轨道交通十三号线首期工程）、广州萝岗（广州市轨道交通六号线二期工程）、广州海珠区（广州市轨道交通二八号线延长线工程）、佛山（广佛轨道交通线二期南延线工程）、深圳（深圳地铁9号线工程）、长沙（长沙轨道交通二号线西延线工程）及南宁等几个城市的粉质粘土层的物理力学指标，选取的指标主要有代表土层物理性质的含水量、变形指标压缩模量及力学剪切指标，其值见表2。从表2中可以看出，在同样含水量的试验结果下，晚更新世Q3及以前的沉积的粘性土的剪切指标较全新世Q4的粘性土有较大幅度提高。同一成因，不同时代的地层，其物理力学性质的差异很大，且沉积时间越长，其物理力学性能越好。 表2 不同城市粉质粘土物理力学指标代表地点时代含水量%压缩系数MPa-1内聚力kPa内摩擦角广州新塘Q4al29.60.3429.113.8广州萝岗Q4al27.70.3226.414.6广州海珠Q4al28.50.3520.312.7佛山Q4mc24.80.4320.66.2深圳Q4al24.60.3022.814.5长沙Q3al24.00.1659.019.4南宁4Q3al24.40.2257.516.42.2.2 根据地质成因分类地表岩石经过长期风化作用后，形成了和原来岩石不同的风化产物，其中除一部分易溶物质被水溶解流失外，大部分物质残留在原地，这种残留物被称为残积土。残积成因的残积土碎屑物质大小不均匀、棱角显著，无分选，无层理。坡顶残积土在外力及重力作用下向下倾倒，堆积在坡角后形成坡积土。短时间内较大的降雨量，会冲刷坡面土层，大量的雨水汇聚到一起时形成洪流，洪流具较大的搬运能力，颗粒较大泥砂和砾石在短距离的般运后会沉积下来，形成洪积层。河流在运动过程中，能量不断受到损失，当河水夹带的泥沙、砾石等搬运物质超过了河水的搬运能力时，被搬运的物质便在重力作用下逐渐沉积下来，形成河流的冲积层。在入海口或湖泊中，水流速度已经相当和缓，只有极细颗粒的物质才能悬浮在水中，在静水中沉积的物质称之为淤积土。上述泥砂及砾石的沉积过程即为土的形成过程，国家标准岩土工程勘察规范把地质成因划分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土及淤积土等。22.2.3 根据颗粒组成分类根据国家标准岩土工程勘察规范，按颗粒级配或塑性指数可以定名为碎石土、砂土、粉土及粘性土。碎石土又可以分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。砂土又可以分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。粘性土又可以划分为粉质粘土和粘土。工程设计和施工中，通常是采用上述土名进行交流的。上述土名的定名，只与颗粒大小和排列有关，而不能考虑其历史和成因的影响。从表2可以看出，土的物理力学性质与其历史和成因有着密切的关系，因此需要一套科学的分层系统对其进行规范。3 岩土特性分析及分层系统研究岩土体与结构物相互作用中，主要以承载体、荷载及即作为承载体又作为荷载的特征表现。岩土体作为承载体主要以地基形式表现，承载体要满足结构物的荷载要求和变形要求。岩土体作为荷载主要作为抵抗结构物的浮力或水平及有向上分力的剪切力，结构物的受力通过抗拔桩及锚杆（索）等杆体材料传递到岩土体深部，由杆体和土体组成的复合体或深部的岩土体抗剪力承担。岩土体即作为承载体又作为荷载主要指边坡工程或土体开挖时土体的状态，此时土体即作为荷载出现，破坏边坡或土体的稳定性，又作为承载体出现，土体内部剪切强度抵抗自身荷载所产生的外力。从上述岩土体与结构物相互作用关系的作用中分析得出，岩土体的强度、变形特征及整体稳定性是岩土体利用的关键特征。因此，在研究区域性地层分层系统时，应充分结合上述特点进行研究。如何确定区域性岩土层主层的数量对分层系统的建立有着重要的影响。主层数量过多则不便于记忆，会影响工程勘察、设计及施工人员对地层系统的使用效率；主层过少则不能充分反映地层主要层位信息及特征。因此，合理确定主层数量是区域性地层分层系统的关键。结合工程设计使用特点和岩土层地质特性，把主层分为重要主层和次要主层进行分析，其中，重要主层是标志地质层分界限，次要主层是标志地质层分界限之外力学性质有重要差别的地层分界限。重要主层应为中、微风化岩面与全、强风化岩及残积土层底的界限、坡残积土层面与更新统土层底的界限、更新统土层面与全新统土层底的界限及全新统土层面与人工填土层底的界限。次要主层应为微风化岩面与中风化岩底的界限、强风化岩面与全风化岩底的界限、全风化岩面与残积土层底的界限、全新统洪积土层面与冲积土层底的界限、冲积土层面与淤积土底的界限。由于土的沉积作用，更新统土的地质成因对其强度影响已经不大，故可不划分次要主层。亚层的划分对于残积土宜以状态进行划分，如残积硬塑粘性土、可塑粘性土、中密状砂土、稍密状砂土等。而对于全新统和更新统的土层宜以土的颗粒组分进行，如更新统或全新统的粘性土、粉土及砂土作为亚层。当工程需要时，还可以根据土的状态对更新统或全新统的土层进行次亚层的划分，如软塑粘性土、可塑粘性土、硬塑粘性土等。根据上述原则，区域地层系统根据表3地层分层系统原则，在地质剖面连线时可先连重要主层连线，再连次要主层连线。当部分土层缺失时，应先保证重要主层的连续性，再考虑次要主层的连续性。主层连线确定后，再连亚层连线，最后再连接次亚层连线。上述连线原则可概括为“先主层，后亚层；主层不断，亚层平缓”。 表3 地层分层系统样表 层号时代成因岩土名称备注主亚次