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浅析柳州市白垩纪地层岩土工程特性

作者:原创论文网 时间:2014-01-09 10:50 加入收藏
   [摘 要] 通过野外调查并结合勘察工程实例,介绍柳州白垩纪地层的岩土工程特性,供工程参考。
  [关键词] 柳州;白垩系;砂砾岩;工程特性
   1 前言柳州市区位于广西山字型构造马蹄形地盾与脊柱的过渡地带,地处南北向的太阳村背斜东翼和近东西向的长塘背斜南翼。受太阳村背斜控制,柳州市地层自西向东(从太阳村往东到三门江林场—洛埠一带)依次岀露为泥盆系上统、石炭系、二迭系、三迭系。地层产状表现为走向北北东~南西西、倾向东、倾角10o~30o。在市区范围内出露地层主要为中、下石炭统白云岩,白云质灰岩,柳东以石灰岩为主,柳北以白云岩为主。
  此外,第四纪地层亦较为发育,由于柳江河流地质作用,形成的下更新统含少量黏性土卵石层分布于柳西螃蟹岭Ⅳ~Ⅴ级高阶地,厚度仅数米;中更新世冲—洪积形成的深红色网状黏土及卵石层,主要分布于鹅山以西,柳江以南地段,形成Ⅲ级阶地,厚度变化大,数米至数十米不等;Ⅱ级阶地为上更新世形成的黏性土、粉土 、含黏性土圆砾层,是中心城区主要建筑场地;柳江Ⅰ级阶地、河漫滩、心滩(如萝卜洲、鹞鹰洲)为全新世沉积的黏性土、粉土、砾卵石等,2005年柳江下游的红花电站蓄水后,现已多被江水淹没。
  由于碳酸盐岩广泛分布,中更新世以来,柳州地区气候炎热、潮湿,红土化作用强烈,因此在市区大部分地段分布有红黏土,此外,市区及周边还零星出露有白垩纪地层。在柳州市的工程活动中,过去稀有涉及该地层,对其岩性、风化层变化、力学强度等知之不多,现结合工程实例和野外调建筑勘测2013.09-103查情况,将该地层岩土工程特性分述如下。
  2 白垩纪地层岩性及成因据1/20万区域地质资料,白垩纪时期,柳州市区以内陆盆地河湖相沉积为主,形成的地层主要为碎屑沉积岩相的钙质砾岩、砂岩、泥岩。据其岩性可划分为a、b两组,即k1a、k1b,柳州市区主要为a组。其中a组与下伏地层呈角度不整合接触,总厚度约为500m,该组下部为紫红色、灰色、灰绿色砾岩夹紫红色钙质泥质粉砂岩、钙质泥岩、含钙砂质泥岩及三层灰、灰绿色薄层状泥质灰岩,底部与下层灰岩接触带为紫红色底砾岩,其中砾石成份以灰岩为主,硅质灰岩次之,并以紫红色砂、泥质和钙质为胶结介质;而中部及上部为紫红色钙质、砂质泥岩夹灰色、灰绿色薄层至中层状泥质灰岩,夹层厚度约为1m,另于上部夹有一层厚度约1m的紫红色砾状砂岩,砾石成份以硅质岩为主,灰岩含量少,胶结介质为紫红色砂、泥质和钙质。b组则与a组呈整合接触关系,该组底部为砾岩,往上则为紫红色钙质砂质泥岩夹砾岩,砾石成份以灰岩为主,其次为硅质岩或砂岩,厚度超过100m。
  3 白垩纪地层分布、规模据区域资料及实地调查,柳州市白垩纪地层分别出露于柳江县的咸甫、驼背山、槎山及市区的鹅山、柳东洛埠一带,露头规模不大,面积为0.1km2~4.5km2。在槎山及大、小鹅山,本层之下与中石炭统大浦组呈角度不整合接触,两者共同形成陡峭孤峰山体,其岩性为钙质砂岩夹角砾岩,母岩主要为石英质砂岩,胶结介质为钙质或铁质。其因出露时间久远,外表风化呈灰~黑灰色,远观跟市区中时常出露的灰岩、白云岩山体外表无异样。
  在大鹅山东麓,岩石坚硬难击碎,敲击声脆且回弹震手,呈微~未风化状,断面大多呈紫红色,少许呈灰紫色,仔细观察发现含有角砾岩于其中,砾石成份主要为方解石,滴盐酸后冒泡剧烈。因其含有钙质、铁质,所以在岩石出露的浅部亦会受地表水冲刷或溶蚀作用而出现小型孔洞或溶蚀沟槽等现象。
  在柳江进德街附近的驼背山乃由中石炭统大浦组白云岩构成孤峰山体,白垩系则分布在驼背山南的山麓地带,由于附近道路隧道施工,可见白垩系裸露地表,其岩性为紫红色钙质、铁质砂砾岩,呈中~微风化状。而在柳东洛埠一带,由于岩石已呈全风化状而表现为圆滑低丘地貌。岩性主要为钙质泥质粉砂岩、钙质泥岩(k1a),亦呈紫红色,但其浅部已基本风化为残坡积土,原岩结构全部破坏,浸水后可捏成团,具有可塑性;往深部则呈全风化或强风化状,原岩结构基本破坏,用锤敲击声哑、无回弹,且侵入水后可掰开。
  另外,在石炭系碳酸盐岩相地层中,由于岩溶发育,可形成规模较大的溶洞,洞穴堆积作用,往往亦可能在洞底形成白垩纪堆积物。柳州市勘察测绘研究院在上世纪80年代于东环路的西江宾馆场地工程钻探时,在一钻孔揭露洞高约8m的溶洞底板图1 由白垩系砂砾岩构成的大鹅山图2 大鹅山白垩系未~微风化状钙质砾岩、砂岩(k1a)断面处,取一节长约0.2m的柱状岩心,岩心显示上半段1/3为紫红色粉砂岩,属白垩纪洞穴堆积层,下半段约2/3为中石炭统黄龙组(C2h)浅灰色白云质灰岩,两者连接完整,但有明显的分界面,前者的结构显然不及后者致密,坚硬程度也不及后者。洞穴堆积形成的白垩纪地层规模不大,厚度有限,分布无规律,在柳州市的工程勘察活动中并不多见。
  4 白垩纪地层工程地质特征柳州市区及周边出露的白垩纪地层大多以孤峰形态出露,笔者在鹅山一带现场调查时,在其地层上取得18件未~微风化状钙质砂岩、砾岩岩样做点荷载试验,得其饱和单轴极限抗压强度fr为63.5MPa~91.9MPa,平均值frm=79.6MPa,标准值73.6MPa。按《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001,2009年版),其坚硬程度为坚硬岩。按《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)公式5.2.6取折减系数ψr=0.2,得其承载力特征值fak=ψr×frk=0.2×73.6MPa=14.72MPa≈14000kPa。
  另在驼背山一带,取得中~微风化钙质砂砾岩7件岩样做点荷载试验,得其饱和单轴极限抗压强度fr为25.3MPa~43.3MPa,平均值frm=33.2MPa,标准值为27.9MPa。按《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001,2009年版)表3.2.2-1,其坚硬程度为较软岩。按《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)公式5.2.6取折减系数ψr=0.2,得承载力特征值为fak=ψr×frk=0.2×27.9MPa=5.58MPa≈6000kPa。
  2012年10月,柳州市勘察测绘研究院在柳东洛埠一带所做的柳东某物流中心工程岩土工程勘察中揭露到该地层,根据所获资料,现将该场区白垩纪地层的工程地质特性简述如下:柳东某物流中心工程场区面积约36万m2,属低丘山地地貌,地面标高变化于86m~115m之间,总体地势为北高南低,各丘陵从山脚到山顶的高度变化于20m~30m之间,山坡坡度为10o~25o,地表植被良好,主要种植甘蔗和小叶桉林。勘察工作共布设钻孔46个,其中有45个钻孔揭露到白垩系下统a段(K1a)地层中的钙质泥质粉砂岩。
  钻孔揭露该白垩纪地层已呈全风化~强风化状,故其产状不得而知,除地表处多有耕植土覆盖外,自上而下表现如下:残坡积形成的含紫红岩屑黏性土;全风化状含泥钙质粉砂岩、泥岩;强风化钙质泥质粉砂岩,总厚度变化为15m~30m。下伏岩层为下石炭统大塘阶中段(C1d2)青灰色含硅质灰岩,岩石坚硬完整,呈微风化或未风化状,其产状为走向北西西~南东东、倾向南南西、倾角约17o,上覆白垩系下统a段(K1a)地层与之呈角度不整合接触。
  由此看来,场区内的白垩纪地层主要为全风化钙质泥质粉砂岩或强风化钙质泥质粉砂岩。其中的全风化钙质泥质粉砂岩可冲击钻进,取上岩芯一图3 由于溶蚀作用,大鹅山白垩系钙质砾岩表面形成小型孔洞或溶蚀沟槽图4 驼背山南麓岀露的白垩系紫红色钙质砾岩(呈中~微风化状)建筑勘测2013.09-105般以黏性土为主,多呈硬塑状或坚硬状,深部则呈可塑状。其中风化岩块、岩粉占20%~60%,含量时多时少,均匀性较差,岩块主要为紫红色粉砂岩,部分为灰色含钙砂质泥岩,大部分岩块用手可折断,钻孔揭露层面埋深为1.5m~10.2m、层厚3.0m~30.2m。该层共取64件土样,其主要物理力学指标统计见表1,由表1可知该层属中等压缩性土,并据其物理力学指标知其承载力特征值为214kPa。该层另作标准贯入测试81段次,经杆长修正后锤击数为6.2击/30cm~23.3击/30cm,标准值为10.1击/30cm,承载力特征值为261kPa。
  强风化钙质泥质粉砂岩(k1a)以紫红色为主,无泵钻进进尺较快,欠平稳,有机械破碎声,取上岩芯为风化岩块、岩粉夹杂少量黏性土,岩块主要为紫红色粉砂岩,部分为灰色含钙砂质泥岩,部分岩块手可折断,但是该层仅于3个钻孔有揭露,呈团带状分布于下石炭统大塘阶中段(C1d2)青灰色含硅质灰岩之上,钻孔揭露层面埋深为23.8m~27.4m(标高69.12m~72.53m),揭露层厚为7.3m~16.9m,该层共作重型动力触探原位测试5.1m,经杆长修正后锤击数N63.5为10击/10cm~25击/10cm,标准值为8.8击/10cm,承载力特征值为352kPa。
  根据上述统计计算可知,柳东洛埠一带白垩系全风化钙质泥质粉砂岩承载力特征值在210kPa~260kPa之间,可作一般建筑浅基础持力层;强风化钙质泥质粉砂岩承载力特征值在350kPa~500kPa之间,除可作为一般建筑浅基础持力层外,还可作小直径桩的桩端持力层。而大、小鹅山一带未~微风化钙质砂岩、砾岩饱和单轴极限抗压强度fr为63.5MPa~91.9MPa,标准值73.6MPa,属坚硬岩,是良好建筑石材。驼背山一带的岩石呈中~微风化状,单轴极限抗压强度fr为25.3MPa~43.3MPa,标准值27.9MPa,属较软岩,亦可作建筑石材。由此可知,在柳州市区及周边的白垩纪地层上进行工程建设是可行的,其地基承载力强度能满足一般工程建设需要,据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)及《高层岩土工程勘察规范》(JGJ72—2004),采用嵌岩桩时白垩纪地层的桩基设计所需参数可参考表2。
  5 结语综上所述可知,柳州市白垩纪地层分布有限,表1 白垩系全风化钙质泥质粉砂岩物理力学指标统计表土层然含水量w(%)天然容重γ(kN/m3)孔隙比e 液性指数IL压缩系数α1-2(MPa-1)压缩模量Es(MPa)全风化钙质泥质粉砂岩范围值 16.9~39.6 17.8~21.6 0.438~1.111 -0.28~0.78 0.16~0.46 4.14~9.78平均值 25.6 19.2 0.771 0.16 0.27 7.02标准差 4.372 0.743 0.117 0.205 0.081 1.592变异系数 0.171 0.039 0.152 1.260 0.300 0.227统计个数 64 64 64 64 63 63指标项目注:①qsik、qpk值系按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)表5.3.5查得;②qsik、qpk值系按《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72—2004)查得。
  岩石饱和单轴抗压强度标准值frk(MPa)按《建筑桩基技术规范》提供 按《高层岩土工程勘察规范》提供桩的极限侧阻力标准值qsik(kPa)桩的极限端阻力标准值qpk(kPa)极限侧阻力qsr(kPa)极限端阻力qpr(kPa)全风化钙质泥质粉砂岩 — 120 1200 — —强风化钙质泥质粉砂岩 — 200 1800 — —中风化钙质泥质粉砂岩 28.0 — — 800 9000微风化钙质泥质粉砂岩 73.0 — — 2000 36000表2 桩基设计参数建议表指标风化程度106-CitiesandtownsConstruCtioninGuanGxi- 广西城镇建设理论ThEORIES&TEChNOLOGIES·科技 编辑_刘 珺 设计_姜 璠规模不大,工程建设活动过去少有涉及,但柳州是广西的工业重镇,城市经济突飞猛进,城市建设亦随经济的发展不断向外拓展,特别是在柳州市政府提出要在柳东新区再建一个柳州的情况下,我们的城市建设已涵盖到柳东洛埠一带,因此结合物流中心工程实例的分析,笔者认为在白垩纪地层场地的工程勘察中应注意以下几点:
  (1)柳州市区及周边裸露地表的白垩纪地层外表风化呈灰~黑灰色,远观跟市区中时常出露的灰岩、白云岩山体外表无显着差异,但其岩性为致密坚硬状的砂岩、砾岩,是建筑物良好岩基,其胶结介质多为钙质或泥质,在与下伏灰岩或白云岩交接地带,受地下水的作用,会对胶结介质中的钙质产生溶蚀作用,从而形成小规模溶蚀裂隙带或孔洞。
  (2)柳州市地貌形态以岩溶景观为主要特征,白垩纪地层呈角度不整合状零星覆盖于碳酸盐岩老地层之上,在工程勘察过程中勿要形成惯性思维,误把全风化白垩纪地层当作碳酸盐岩红土化作用形成的含岩屑红黏土来评价。
  (3)柳东洛埠一带作工程建设时,若以全风化或强风化钙质泥质粉砂岩作地基持力层,应做好地表水的抽排工作,防止水体浸泡使地基岩石中的泥质软化,因而影响地基的强度。
  [参考文献][1]gB 5001—2001,岩土工程勘察规范(2009年版)[s].[2]DBJ/T 45-002-2011,广西壮族自治区岩土工程勘察规范[s].[3]1︰200000区域地质测量报告书(柳州幅)[Z].[4]柳州市勘察测绘研究院.某物流中心工程岩土工程勘察报告[Z].
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