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    通过对鄂尔多斯康巴什新区碎屑岩及泥岩的结构、矿物成分分析,对该地区泥岩的特性如膨胀性、崩解性及力学性质进行了全面的分析评价,为该地区建筑的勘察设计、施工提供了参考依据。 关键词结构、矿物成分、有效蒙脱石、膨胀性、耐崩解性 鄂尔多斯康巴什新区为鄂尔多斯市新建政府所在地,距原鄂尔多斯市政府所在地东胜区约45公里,地处鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内。随着鄂尔多斯市经济建设的快速发展,康巴什新区的高层建筑愈来愈多,建筑特点具有鲜明的高、大、深的特点。以鄂尔多斯市国泰商务广场工程为例,其最层高为55层,建筑高度为240.0米,且建筑规模较大,基坑开挖深度达到17.0米。像类似规模的建筑比比皆是,而该地区地层结构除上部分布有厚度不大的风积沙外,作为建筑物地基持力层及下卧层的下部地层为全风化~强风化状态的第三系上新统~白垩系粉砂质泥岩及泥质砂岩,其工程特性是固结成岩作用差,遇水软化、崩解,出露后再风化,具有典型的软质岩特点。因此研究该地区泥岩、砂岩的工程特性对于在该地区开展工作、形成地区性的建筑经验有着极其重要的意义。 1区域地质概况 鄂尔多斯康巴什新区建筑物能够影响到的地层主要由新生界第三系泥质砂岩、泥岩及中生界白垩系中砂岩及砂砾岩组成,岩层产状为一自北东向南西缓倾斜的单斜构造,基岩产状为N60°W∠3°S。褶皱构造呈穹隆状形式出现,呈宽缓波状起伏。岩体构造节理不发育,裂隙稍发育~不发育。区域地质构造上属于华北地台的鄂尔多斯台坳中的东胜凸起,自中元古代以后,一直处于上升隆起阶段,至晚石炭世又开始下降接受沉积。隆起区基底起伏较大,次一级构造明显。大致在中生代开始出现分化,自北向南出现次一级凸起和凹陷。如乌兰格尔凸起、杭锦旗凹陷和伊金霍洛旗凸起。自中生代以来无大的构造运动。 2矿物成分及结构分析 鄂尔多斯市康巴什新区新生界红色砂岩、泥岩具有半成岩的特性,现场肉眼鉴定一般为粉砂~细砂岩、泥质胶结,通过现场取样化验分析,砂岩及泥岩的矿物成分及胶结物等情况见下表一 砂岩、泥岩物质成分分析测试结果表一 其中有效蒙脱石含量系指蒙脱石占整个天然干燥岩石质量的百分数,采用次甲基兰选择吸附法测定,其测定结果中既包括单矿物蒙脱石又包括混层矿物中蒙脱石晶层。从表一试验结果,该段砂岩以细、中粒砂岩为主,胶结物以钙质、泥质、铁质为主,有效蒙脱石含量较少。表二为碎屑岩鉴定报告 表二碎屑岩鉴定报告 试样编号 结构特征 定名 2009W850 ~851、855 红褐色,具风成层理特征,大颗粒碎屑(0.5~1.0mm)相当于风成波浪的脊部,以分选性好,磨圆度高,重矿物少为特征,小颗粒碎屑(0.06~0.25mm)相当于风成波浪的波谷,以分选性稍差,磨圆度低,重矿物多为特征,两组碎屑形成双峰态结构,胶结物主要为褐铁矿及后生充填的方解石 红褐色双峰态 长石石英砂岩 2009W852 红褐色,中粒砂状结构,分选性很好,磨圆度较高,碎屑包裹红褐色氧化铁薄膜为特征,其中石英为单晶石英,长石为正长石、微斜长石、条纹长石组成的钾长石,含少许斜长石,胶结物主要为褐铁矿及后生充填的方解石。 红褐色中粒 长石砂岩 2009W853 红褐色加灰白色,薄片为红褐色部分,具沙纹交错层理,细粒砂状结构,分选性很好,磨圆度低,定向排列明显,沙屑包裹红褐色氧化铁薄膜为特征。其中石英为单晶石英,长石为钾长石和斜长石组成。胶结物主要为褐铁矿及后生充填的方解石。 红褐色细粒 长石石英砂岩 2009W854 红褐色,含有直径1-3mm的粘土球(镜下全部为伊利石组成),水平纹层理构造,含有砂质微层(宽0.10-0.60mm,顺干裂隙贯入,有分叉现象,碎屑大小0.05-0.25mm,成分以石英为主,胶结物为方解石),泥状结构,胶结物主要由重结晶的伊利石顺层理定向排列,含量约占85%,另有泥晶方解石约占10%,土状褐铁矿约5% 红褐色钙质泥岩 下图为各试样在偏光显微镜下光薄片鉴定结果 试样2009W850试样2009W851 试样2009W852 试样2009W853 试样2009W854 试样2009W855 可以看出碎屑岩主要由中、细粒长石、石英组成,胶结成分主要为褐铁矿和后生充填的方解石组成,中粒长石石英砂岩一般为接触式胶结,强度较高,细粒砂岩一般为基底式或孔隙式胶结,强度较低,泥岩主要矿物成分为伊利石等粘土矿物,胶结物主要为定向排列的伊利石,工程性质较差。沉积岩成因主要为沙漠相及沙漠中间歇河流相,因而其结构具有层状分布特征。因有效蒙脱石及伊利石等粘土矿物的存在,决定了碎屑岩及泥岩的物理力学性质具有遇水崩解、软化的特点。 3膨胀性及崩解性试验 从以上试验结果可以看出,无论是碎屑岩或是泥岩,其矿物成分中含有蒙脱石或伊利石,而蒙脱石及伊利石作为粘土矿物的代表,具有吸水膨胀、软化,失水收缩的特点,因而应进行膨胀性及耐崩解性研究试验。 3.1岩石膨胀性 岩石膨胀性评价是根据干燥不规则岩块浸水崩解试验及岩块干燥饱和吸水率测定结果,即SP(%)确定岩石膨胀势及膨胀等级,也可以根据岩石中有效蒙脱石含量来判断岩石的膨胀势,岩石膨胀性试验结果见下表 表三岩石内膨胀性试验 从表一、三可以看出,岩样的有效蒙脱石含量小于10%,为非膨胀类岩石;而从岩块干燥饱和吸水率分析,为微~弱膨胀性岩石,因而建筑物设计及施工时应考虑其影响。 3.2岩石的耐崩解性 岩石的耐崩解性一般由其所含的矿物成分决定,岩石的崩解性试验一般通过修正的耐崩解试验方法即干燥后样品在水中浸泡12h,试块由在圆筒筛中快速转动改为平面水平筛动,通过测定Id1、Id2两个指标确定岩石的崩解性,Id1、Id2分别是岩块在遭受1个和2个干湿循环周期后残留在筛孔直径为2mm的筛上干样与未浸水干燥样品质量的百分比,并据Id2测定结果进行岩石崩解耐久性的工程分类<30%为很低的;30-60%为低的;60-85%为中等的;>85%为强;也可以通过胶结系数确定岩石的耐崩解性,胶结系数为岩粉吸水率与岩块干燥饱和吸水率比值,比值越大岩石胶结程度越高,崩解耐久性和强度越高。1-2为弱胶结;2-5为中等胶结;5-10为强胶结的。岩石试样的耐崩解性试验结果见下表四 表四岩石耐崩解性试验结果表 试验结果显示,该区第三系~白垩系泥岩、砂岩遇水具有强崩解性,主要取决于碎屑岩的结构及矿物成分,碎屑岩一般具有孔隙式或接触式胶结,颗粒之间相互接触,且胶结物只有在颗粒接触部位才有,胶结物成分多为钙质、粘土矿物及铁质,而粘土矿物中含有蒙脱石及伊利石等亲水性强的矿物。蒙脱石组属三层结构,由两层硅氧四面体夹一层氢氧化铝八面体构成,其特点是两层之间以氧原子与氧原子相联,靠分子间的相互作用力(范德华力)相互连接,连接力很弱,水分子很容易进入晶胞之间,也就是说蒙脱石的晶胞是活动的,吸水后体积会发生膨胀,体积可增大数倍,脱水后则可收缩。而伊利石亦为三层结构,而其分子间作用力较蒙脱石强,因而其遇水膨胀、失水收缩能力低于蒙脱石。正是因该地段岩石胶结物中含有蒙脱石、伊利石等亲水性粘土矿物,遇水后胶结作用丧失或减弱,因而遇水后具有强烈的崩解性。 4力学性质分析 鄂尔多斯康巴什新区普遍分布的粉砂质泥岩及砂岩均属于软质岩,岩石强度较低。特别是中生代以来,地壳运动以上升隆起为主,地层遭受强烈的剥蚀作用,浅层覆盖有厚度不大的风积物,其下部的碎屑岩受大气影响较为强烈,裂隙发育,已达全风化~强风化状态,其力学性质方面已接近粘性土或砂土的性质,取样困难,从现场原位测试结果看,因其形成年代较早,其强度远大于粘性土或砂土,下图为浅层全风化砂岩现场进行的三板载荷试验的p-s曲线。 岩石载荷试验曲线 从上图可以看出当荷载加到1200kpa时其p-s曲线仍未有破坏迹象,且沉降较小,模量达到90.0Mpa。从标准贯入试样结果看,其原始状态下强度亦较大。但从现场取样试验结果分析,从自然状态下单轴抗压看,其值明显偏小,而饱和单轴抗压强度则更低,原因主要是钻探取样过程中,由于碎屑岩的结构为接触式胶结,渗透性较好,采用送水钻进时已将岩样部分饱和,因而其自然抗压强度偏低;而试样在饱和状态时因其强烈的崩解性,结构已遭破坏,故其饱和抗压强度偏低或接近于零。 表五岩石物理力学性质指标 可见该区分布的岩石遇水具有明显的软化、崩解现象,因此在野外取样过程中应注意保持其原始状态,并尽量采用原位测试手段来代替取样试验,取样过程中可采取干钻或采用有保护措施泥浆,或采用单动双重管岩样取芯器采取泥岩或风化砂岩,这样才能保证岩样试验结果的真实性。 5结语 鄂尔多斯康巴什新区普遍分布的碎屑岩及泥岩因其结构、矿物成分的特殊性,决定了其具有相应的工程特性,即遇水软化、崩解,并具有轻微的膨胀性,因而在勘察过程中应注意采取岩样的原状性;对于建筑物地基,开挖至建基面前要预留50cm保护层,同时要取保湿措施,浇筑混凝土时边开挖边浇筑。对于边坡岩面要及时喷射混凝土封闭,防止风化;对于地下工程,快速开挖快速封闭。以上便是抗风化设计的基本要点;对于高大建筑物采用桩基础时,应尽量采用人工挖孔或旋挖钻机成孔的干作业灌注桩,以保证桩侧阻力的充分发挥。 参考文献 [1]钱家欢.土工原理与计算(第二版)〔M〕.北京中国水利水电出版社,2003. [2]林宗元.岩土工程试验检测手册〔M〕.北京中国建筑工业出版社,2005. 注文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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