克拉玛依泥岩浅析

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摘要　以扫描电子显微镜、x射线衍射仪等试验手段的分析结果为主要依据，从泥岩的微观结构及物质组成方面入手，结合泥岩风化后的宏观变化，并引入克拉玛依地区工程经验，提出了切实可行的处理措施。

关键词　泥岩；风化；崩解；微观解释

1，引言

泥岩，一种层理或页理不明显的粘土岩。矿物成分复杂，主要由粘土矿物(如水云母、高岭石、蒙脱石等)组成，其次为碎屑矿物(石英、长石、云母等)、后生矿物(如绿帘石、绿泥石等)以及铁锰质和有机质。质地松软，固结程度较页岩弱，重结晶不明显。常见类型有：①钙质泥岩，含适量碳酸钙，常见于大陆红色岩系和海洋、泻湖相的沉积岩层；②铁质泥岩，含较多的铁矿物，如赤铁矿、褐铁矿、针铁矿等，多见于红色岩层；③硅质泥岩，SiO2含量较高，不含或极少含铁质和碳酸盐质物，常与铁质岩、硅质岩、锰质岩相伴生。

泥岩，作为软岩的一个主要组成部分，在克拉玛依有着广泛的分布，在城区的西苑公园及东北部的黑油山一带，泥岩地层直接出露地表。随着城市建设的发展，在泥岩成为地基基础主要持力层的同时，也为我们的工程建设带来了许多约束和难题。

克拉玛依地区的泥岩工程危害主要表现在两个方面，首先是泥岩膨胀性导致的地基变形，当泥岩膨胀力超过上部荷载时，便会引起地基变形，导致上部建筑物倾斜开裂；其次是泥岩的干燥活化效应，当泥岩经历浸水一失水一再浸水的过程后，其崩解显得更为迅速，力学性质显著降低，这对基坑边坡稳定性具有很大影响。对于泥岩的处理措施是否得当、是否经济合理，逐渐成为影响工程造价和进度的主要技术指标之一。

本文在参考各种文献资料的基础上，结合克拉玛依地区工程经验，对泥岩的破坏机理进行了一定的分析，并由此总结了相应可行的处理措施。

2，克拉玛依泥岩特点

2，1

泥岩的形成：泥岩是软岩的一个重要分支，也是软岩的典型代表，它可以来源于松散介质经沉积作用、成岩作用向坚硬岩石过度的岩类，也可以来源于坚硬岩经构造作用或风化作用向松散介质转化的岩类。对于泥岩的成因可以参考蓄厚增提出软岩形成模式，如图2－1，依据此模式，我们可以得到克拉玛依泥岩形成模式，如图2－2。

2，2

泥岩的物质成分：克拉玛依泥岩的矿物成分包括碎屑矿物(石英、长石、石膏等)和粘土矿物(伊利石、蒙脱石、高岭石)。根据1989年《克拉玛依钻研所膨胀岩地基对建筑物破坏的机理分析及岩土工程评价》中的结论，克拉玛依泥岩中粘土矿物由高岭石、伊利石、蒙脱石组成，相对含量以高岭石最多，伊利石次之，再次为蒙脱石，根据伊利石与蒙脱石d(001)面衍射峰逐渐过度的特点，可以断定为伊利石一蒙脱石混层(以下简称伊一蒙混层)，此外在

该报告所论述的泥岩的粘土矿物成分与《中国含油气盆地砂泥岩黏土矿物的组合类型》一文中的结论基本吻合，但只论述了各粘土矿物的相对含量，为便于分析研究，笔者采取了后文中数据，即“以富含高岭石为特征，高岭石含量一般为30％～60％”。

在确定粘土矿物含量的同时，根据扫描电子显微镜观察结果，可以清晰的看到游离Fe2O3对粘土矿物的胶结现象，在能谱分析结果中也显示了大量铁的分布。

2，3泥岩的工程特性：在岩土工程勘察中，通过钻探手段采取了大量泥岩样本，在对其进行分析统计之后，笔者注意到克拉玛依泥岩有以下几个特点：

2，3，1

强度偏低，强风化带内泥岩强度分布无规律

2，3，1，1关于软岩的下限即软岩与硬土的界限，根据国际岩石力学学会(ISRM)和国际工程地质联合会(IAEG)的意见，分别为1.25MPa和1.5MPa，根据我国大量软岩、硬土的测试结果，把软岩的下限定为1.5MPa较为合适。但通过对克拉玛依泥岩单轴抗压强度统计，我们可以得出如下结论：大部分泥岩强度偏低，考虑到取样卸荷影响及实验误差，在对其描述时可强调为极软岩。虽然在地质名称定名上仍定义为泥岩，但其强度很低，有别于其他地区及传统意义上的泥岩强度概念，在工程实践中应引起足够重视。

2，3，1，2通过泥岩强度与埋深散点图及单孔波速图我们可以看出，浅层泥岩(一般埋深

2，3，2随砂质含量变化，风化差异显著：将具有代表性的新鲜泥岩岩样(棕红色)放置在大气中进行自然风化，以同深度状态下的砂质泥岩岩样(青蓝色)进行比对，观测照片如下：

观测结果显示，在相同的风化时间内，砂质泥岩的裂隙发育强烈，而且已经形成了贯通面，由横断面的照片可以看出，裂隙的宽度由表面向内部呈递减趋势，三条主裂隙贯通于岩样轴心处，并将轴心处岩体支解破碎；相对而言，泥岩的风化现象要轻微一些，只在表层局部发育宽度较小的节理，从横断面观测，并未出现贯通现象。

将风化后岩样继续放入水中，浸泡12小时后观测照片如下：

观测结果显示，两种岩样整体结构均遭受破坏，尤其是砂质泥岩，浸泡时有大量气体冒出，短时间内即崩解完全，残余物均为泥状；泥岩只有少量气体逸出，甭解过程相对缓慢，残余物约2／3为泥状，1／3为块状，切开块状残余物，其内部结构仍相对完好，完全全解时间约为22小时。

综上所述，泥岩内成分含量不同，其风化的难易程度也不相同，透水性较好的砂质泥岩，透气性也相对较好，岩样表面和内部的风化程度比较接近；而透水性较差的泥岩，透气性也相对较差，岩样表面和内部的风化程度存在较大差异。

3，微观解释

3，1膨胀作用的解释：风化作用的结果是普遍增加了岩石的微孔隙体积和孔隙表面积，当水贯人岩石的孔隙时，由于高岭石、伊一蒙混层等粘土矿物颗粒较小，亲水性很强，细小岩粒的吸附水膜便会增厚，引起岩石体积的膨胀。如伊利石与水发生物理化学反应引起泥岩膨胀，可使原体积增加50％～60％，其反应的化学方程为

3，2风化差异的解释：对于泥岩，一种普遍的观点是：影响泥岩工程性质的主要因素是粘土矿物，那么在粘土矿物成分含量接近、风化环境相同时，造成泥岩风化差异的主要因素，笔者认为应该是石英，石英在泥岩中广泛存在，且普遍含量很高(根据x一射线衍射谱)，相关分析如下：

首先，石英是一种比较稳定的矿物，不溶于水，石英颗粒的存在阻隔了Fe2O3对粘土矿物胶缩的连续性，石英的含量与粘土矿物的整体胶结力成反比。

其次，克拉玛依的盐溃土分布十分广泛，地下水类型多为浅层滞水。这使得地下水中普遍携带大量Cl－、SO2－，而石英表面携带负电，分子间的排斥作用加剧

了宏观上崩解的速度和范围。

再次，石英颗粒的存在也为岩石内微孔隙、裂隙的产生提供了基础，从砂质泥岩的失水开裂照片(图2－9、图2－11)中可以看出，三条主裂缝均分布在砂质集中的岩块处。

4，处理措施

通过上述分析，我们可以清楚的看到在泥岩的风化过程中，水的作用非常显著。特别是当泥岩经过浸水一失水一再浸水的过程后，岩石的崩解显得更为迅速，这就是典型的泥岩干燥活化现象，而其本质是泥岩含水率的变化。曲永新、王幼麟、罗鸿禧等对长江葛洲坝二三江工程泥岩的研究结果表明：未经干燥失水和机械破坏的完整粘土岩在水的长期作用下其工程性质是稳定的(可保持其天然强度，几乎不显示其膨胀性)。针对泥岩的这种特性，设计施工时可采取相应措施如下：

(1)对泥岩的处理措施关键是防水保湿，即基础施工时应采取快速开挖、快速封闭，防止基坑浸水及曝晒，以保持泥岩的天然含水率。

(2)采用砂垫层，砂垫层采用的材料应为非盐渍化砂石，对其要求如下：

①砂砾石垫层的粒度级配宜用中砂，施工时必须分层夯实，密实度要达到中等密实，重度v应在15.5～16.5kN／m3之间；

②砂垫层的调节与补偿作用与垫层的厚度与宽度密切相关，垫层厚度h≥0.3m，宽度应不少于基础宽度的1.5倍。

(3)为了防止地表水的渗入，宜采用宽散水的处理方法，其宽度应大于2.0m，具体做法为：

①面层可采用C15强度等级的混凝土，厚80～100mm；

②隔热保温层可采用1：3石灰焦渣，厚100～200mm；

③垫层可采用2：8灰土或三合一，厚100～200mm。

(4)建筑物周围6.0rn内场地坡度不得小于2％，以便于排水。

(5)墩基或柱基隔一定的距离设置独立墩基或柱基加地基梁的基础形式要比条形基础好。墩基和柱基上的地基梁宜采用现浇钢筋混凝土连续梁配筋。并要求地基梁底部与膨胀岩土脱空，净空在10cm以上。

(6)对重要的建筑物和设备基础。当沉降要求很严时，可采用桩基穿过膨胀岩层支撑在非膨胀岩层上的措施。若膨胀岩很深时，可采用短桩支撑在膨胀岩层内，但必须堙置于大气影响急剧层深度(一般规定为5m)以下一定深度，其基础锚固摩擦阻力必须大于膨胀岩膨胀时的上拔力。

5，结论

(1)克拉玛依泥岩中粘土矿物成分主要以高岭石、伊一蒙混层矿物为主，高岭石相对含量较高，符合泥岩具膨胀性的宏观表现；

(2)泥岩强度偏低，有别于传统泥岩强度概念，在强风化带内(埋深13m)，风化程度显著减弱，强度也随之大幅度增加。

(3)同一深度内泥岩风化程度的差异主要取决于泥岩成分的不同，在泥岩中粘土矿物成分近似时，碎屑矿物含量的差别就起到了主要作用，石英的大量存在对风化差异的影响不言而喻。在克拉玛依特殊地质条件下，石英含量的差别在一定程度上主导了泥岩风化程度的不同。

(4)对于泥岩的处理措施关键是防水保湿，施工过程中的快速开挖快速封闭措施至关重要，同时应尽量避免对泥岩原始状态的扰动，尤其是应尽量避免其天然含水率的变化。