南水北调中线工程第三系软岩工程地质性质研究.pptx

南水北调中线工程，在总干渠经过的陶岔白河、南水北调中线工程，在总干渠经过的陶岔白河、南水北调中线工程，在总干渠经过的陶岔白河、南水北调中线工程，在总干渠经过的陶岔白河、方城沙河方城沙河方城沙河方城沙河200.6km200.6km渠渠渠渠段，分布有第三系地层。岩性包段，分布有第三系地层。岩性包段，分布有第三系地层。岩性包段，分布有第三系地层。岩性包括粘土岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩和泥灰岩共五种类型。括粘土岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩和泥灰岩共五种类型。括粘土岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩和泥灰岩共五种类型。括粘土岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩和泥灰岩共五种类型。上述岩石饱和单轴抗压强度小于上述岩石饱和单轴抗压强度小于上述岩石饱和单轴抗压强度小于上述岩石饱和单轴抗压强度小于30MPa30MPa30MPa30MPa。根据。根据。根据。根据工程岩工程岩工程岩工程岩体分级标准体分级标准体分级标准体分级标准，它们均属于软岩。，它们均属于软岩。，它们均属于软岩。，它们均属于软岩。勘察查明，上述渠道地面至渠道底板以下勘察查明，上述渠道地面至渠道底板以下勘察查明，上述渠道地面至渠道底板以下勘察查明，上述渠道地面至渠道底板以下5m5m中，由中，由中，由中，由第三系软岩及其与第四系土体组合形成的渠道边坡总长第三系软岩及其与第四系土体组合形成的渠道边坡总长第三系软岩及其与第四系土体组合形成的渠道边坡总长第三系软岩及其与第四系土体组合形成的渠道边坡总长度为度为度为度为63.25km63.25km，占该地区渠道总长度的，占该地区渠道总长度的，占该地区渠道总长度的，占该地区渠道总长度的31.54%31.54%。因此，。因此，。因此，。因此，第三系软岩渠道边坡是该段渠道边坡的主要组成形式；第三系软岩渠道边坡是该段渠道边坡的主要组成形式；第三系软岩渠道边坡是该段渠道边坡的主要组成形式；第三系软岩渠道边坡是该段渠道边坡的主要组成形式；其工程地质性质是南水北调中线工程重要工程地质问题其工程地质性质是南水北调中线工程重要工程地质问题其工程地质性质是南水北调中线工程重要工程地质问题其工程地质性质是南水北调中线工程重要工程地质问题之一。之一。之一。之一。软岩典型地层剖面与岩性软岩典型地层剖面与岩性 研研究究区区草草墩墩河河钻钻孔孔CHC15资资料料揭揭示示，第第三三系系软软岩岩分分布布厚厚度度27.75m，可可划划分分为为12小小层层；岩岩性性依依次次为为粘粘土土岩岩、砂砂砾砾岩岩、泥泥灰灰岩岩、砂砂砾砾岩岩、粉粉细细砂砂岩岩、粘粘土土岩岩、中中粗粗粒粒砂砂岩岩、粘粘土土岩岩、粉粉细细砂砂岩岩、中中粗粗粒粒砂岩和粘土岩，单层厚度砂岩和粘土岩，单层厚度0.67.0m。岩相与沉积建造岩相与沉积建造 根据典型地层剖面，第三系软岩地层分别为根据典型地层剖面，第三系软岩地层分别为河床、河漫滩和湖泊相沉积产物。其中，第三系河床、河漫滩和湖泊相沉积产物。其中，第三系软岩地层中分布的砂砾石及其斜交错层理是典型软岩地层中分布的砂砾石及其斜交错层理是典型河床相产物；含砾细砂岩、中细砂岩是河漫滩相河床相产物；含砾细砂岩、中细砂岩是河漫滩相产物；粘土岩与泥灰岩是湖泊相产物。产物；粘土岩与泥灰岩是湖泊相产物。第三系软岩地层具有明显的河床相到湖泊相第三系软岩地层具有明显的河床相到湖泊相沉积建造和沉积旋回特征，它反映了研究区古地沉积建造和沉积旋回特征，它反映了研究区古地理环境演变的过程。理环境演变的过程。软岩粒度成份软岩粒度成份 岩石粒度成份不仅是岩石分类的基础、沉积岩石粒度成份不仅是岩石分类的基础、沉积环境的标志，而且是决定其工程地质性质的重要环境的标志，而且是决定其工程地质性质的重要因素。因素。研究区粘土岩粒度成分实验成果：粒径小于研究区粘土岩粒度成分实验成果：粒径小于0.005mm粒级的粘粒占有相当大的比例，有粒级的粘粒占有相当大的比例，有75%的实验样品的粘粒含量超过的实验样品的粘粒含量超过30%，最高可达，最高可达52.43%。这说明研究区粘土岩含有较多的高分。这说明研究区粘土岩含有较多的高分散性粘土矿物。散性粘土矿物。矿物成分矿物成分 研究区粘土岩矿物成分研究区粘土岩矿物成分X射线衍射、差热分射线衍射、差热分析测试成果表明，不同粘土岩样本的粘土矿物析测试成果表明，不同粘土岩样本的粘土矿物组成大体相似，即以蒙脱石伊利石、高岭石组成大体相似，即以蒙脱石、伊利石、高岭石和细分散石英矿物组合为主。其中，蒙脱石和和细分散石英矿物组合为主。其中，蒙脱石和伊利石含量占伊利石含量占3560%，是主要的次生粘土矿，是主要的次生粘土矿物。物。亲水性指标亲水性指标 亲亲亲亲水水水水性性性性指指指指标标标标主主主主要要要要指指指指其其其其液液液液限限限限和和和和塑塑塑塑性性性性指指指指数数数数。从从从从岩岩岩岩石石石石材材材材料料料料的的的的亲亲亲亲水水水水性性性性角角角角度度度度来来来来看看看看，软软软软岩岩岩岩的的的的亲亲亲亲水水水水性性性性越越越越强强强强（即即即即液液液液限限限限越越越越高高高高、塑塑塑塑性性性性指指指指数数数数越越越越大大大大），其膨胀势就越大。实验结果：其膨胀势就越大。实验结果：其膨胀势就越大。实验结果：其膨胀势就越大。实验结果：灰绿色粘土岩灰绿色粘土岩灰绿色粘土岩灰绿色粘土岩液限液限液限液限41.1441.1473.25%73.25%，塑性指数，塑性指数，塑性指数，塑性指数20.3320.3343.4543.45；黄褐色粘土岩黄褐色粘土岩黄褐色粘土岩黄褐色粘土岩液限液限液限液限33.1833.1868.00%68.00%，塑性指数，塑性指数，塑性指数，塑性指数20.1320.1347.8047.80；灰绿色细砂岩灰绿色细砂岩灰绿色细砂岩灰绿色细砂岩液限液限液限液限29.1029.1047.03%47.03%，塑性指数，塑性指数，塑性指数，塑性指数15.8015.8027.1527.15。由上述实验成果不难看出，研究区软岩的含水量和亲水性指由上述实验成果不难看出，研究区软岩的含水量和亲水性指由上述实验成果不难看出，研究区软岩的含水量和亲水性指由上述实验成果不难看出，研究区软岩的含水量和亲水性指标与第四系松散土体的同类指标比较接近，因此，具有与第四系标与第四系松散土体的同类指标比较接近，因此，具有与第四系标与第四系松散土体的同类指标比较接近，因此，具有与第四系标与第四系松散土体的同类指标比较接近，因此，具有与第四系松散土体相似的工程地质性质。松散土体相似的工程地质性质。松散土体相似的工程地质性质。松散土体相似的工程地质性质。膨胀性指标膨胀性指标 自由膨胀率自由膨胀率自由膨胀率自由膨胀率(%)(%)：（1 1 1 1）灰绿色粘土岩为）灰绿色粘土岩为）灰绿色粘土岩为）灰绿色粘土岩为61%61%；（；（；（；（2 2 2 2）黄褐色粘土岩）黄褐色粘土岩）黄褐色粘土岩）黄褐色粘土岩54%54%。无荷膨胀量无荷膨胀量无荷膨胀量无荷膨胀量(%)(%)：（1 1 1 1）灰绿色粘土岩为）灰绿色粘土岩为）灰绿色粘土岩为）灰绿色粘土岩为15.4%15.4%；（；（；（；（2 2 2 2）黄褐色粘土岩）黄褐色粘土岩）黄褐色粘土岩）黄褐色粘土岩9.5%9.5%。根据上述膨胀性指标判定，第三系粘土岩属膨胀岩。根据上述膨胀性指标判定，第三系粘土岩属膨胀岩。根据上述膨胀性指标判定，第三系粘土岩属膨胀岩。根据上述膨胀性指标判定，第三系粘土岩属膨胀岩。进一步分析，第三系粘土岩与第四系粘土在自由膨胀率进一步分析，第三系粘土岩与第四系粘土在自由膨胀率进一步分析，第三系粘土岩与第四系粘土在自由膨胀率进一步分析，第三系粘土岩与第四系粘土在自由膨胀率(%)(%)、无荷膨胀量、无荷膨胀量、无荷膨胀量、无荷膨胀量(%)(%)和膨胀力和膨胀力和膨胀力和膨胀力(MPa)(MPa)三项膨胀性指标上，三项膨胀性指标上，三项膨胀性指标上，三项膨胀性指标上，二者无数量级上的差别，其膨胀特性近似。二者无数量级上的差别，其膨胀特性近似。二者无数量级上的差别，其膨胀特性近似。二者无数量级上的差别，其膨胀特性近似。膨胀力与其它物理指标关系膨胀力与其它物理指标关系 膨膨胀胀力力可可以以直直接接影影响响到到渠渠道道边边坡坡工工作作的的状状态态，如如渠渠道道混混凝凝土土衬衬砌砌裂裂缝缝、挡挡土土墙墙倾倾覆覆等等渠渠道道边边坡坡失失稳稳破破坏坏形形式式都都与与软软岩岩的的膨膨胀胀力力有有关关。软软岩岩膨膨胀胀力力的的大大小小与与诸诸多多物物理理指指标标相相关关。研研究究表表明明，粘粘土土岩岩膨膨胀胀力力随随起起始始含含水水量量、饱饱和和度度的的增增大大而而减减小小；随随干干容容重重的的增增大大而而增增大大；膨膨胀胀力力与与膨膨胀胀率率呈呈近近似似线性的相关关系线性的相关关系。软岩应力应变全过程曲线软岩应力应变全过程曲线 岩石应力应变全过程曲线能综合反映岩石在岩石应力应变全过程曲线能综合反映岩石在受力状态下的强度特征与变形特征。受力状态下的强度特征与变形特征。软岩由于其取样、加工试件的困难，通常是比软岩由于其取样、加工试件的困难，通常是比较难以获得较难以获得“全过程曲线全过程曲线”的。在原长江委科技发的。在原长江委科技发展基金的支持下，作者经过精心的准备，应用中国展基金的支持下，作者经过精心的准备，应用中国地质大学伺服压力机系统，首次在该工程中取得了地质大学伺服压力机系统，首次在该工程中取得了这方面的成果。这方面的成果。灰灰白白色色泥泥灰灰岩岩应应力力应应变变（）全全过过程程曲曲线共划分为线共划分为5个阶段：个阶段：OAOA段段段段，曲线稍向上凹，曲线稍向上凹，曲线稍向上凹，曲线稍向上凹，为塑性变形，代表试件微为塑性变形，代表试件微为塑性变形，代表试件微为塑性变形，代表试件微裂隙的闭合，试件密实，裂隙的闭合，试件密实，裂隙的闭合，试件密实，裂隙的闭合，试件密实，A A点称为压密极限，表征点称为压密极限，表征点称为压密极限，表征点称为压密极限，表征着岩石试件裂隙压密闭合着岩石试件裂隙压密闭合着岩石试件裂隙压密闭合着岩石试件裂隙压密闭合的结束和线弹性变形的的结束和线弹性变形的的结束和线弹性变形的的结束和线弹性变形的开始，开始，开始，开始，A A点的应力强度值点的应力强度值点的应力强度值点的应力强度值为为为为1.65MPa1.65MPa。ABAB段段段段，曲线为直线段，曲线为直线段，曲线为直线段，曲线为直线段，代表试件的弹性变形状态，代表试件的弹性变形状态，代表试件的弹性变形状态，代表试件的弹性变形状态，B B点称为弹性极限，是试件点称为弹性极限，是试件点称为弹性极限，是试件点称为弹性极限，是试件线弹性变形的终点和弹塑性线弹性变形的终点和弹塑性线弹性变形的终点和弹塑性线弹性变形的终点和弹塑性变形的起点，变形的起点，变形的起点，变形的起点，B B点的应力值点的应力值点的应力值点的应力值为为为为5.20MPa5.20MPa。BCBC段段段段，曲线稍向下凹，为塑性变形，代表试件屈服的，曲线稍向下凹，为塑性变形，代表试件屈服的，曲线稍向下凹，为塑性变形，代表试件屈服的，曲线稍向下凹，为塑性变形，代表试件屈服的开始，开始，开始，开始，C C点称为强度极限（也称峰值强度），应力值为点称为强度极限（也称峰值强度），应力值为点称为强度极限（也称峰值强度），应力值为点称为强度极限（也称峰值强度），应力值为6.68MPa6.68MPa。CD段段，曲曲线线斜斜率率为为负负值值，表表示示试试件件的的应应力力水水平平显显著著下下降降，同同时时试试件件应应变变的的明明显显增增加加，D点点对对应的应力值称为残余强度，值为应的应力值称为残余强度，值为4.0MPa。DG段段，为近水平段，代表试件的蠕变变形特征。，为近水平段，代表试件的蠕变变形特征。工程中，软岩残余强度具有重要的工程实际工程中，软岩残余强度具有重要的工程实际意义，它代表已破坏的岩石在地下洞室、边坡、意义，它代表已破坏的岩石在地下洞室、边坡、桩基基础中仍具有一定的承载力。桩基基础中仍具有一定的承载力。结论结论（1 1）南水北调中线工程陶岔白河、方城沙）南水北调中线工程陶岔白河、方城沙河段第三系软岩分别经历了河床、河漫滩和湖泊河段第三系软岩分别经历了河床、河漫滩和湖泊三大相沉积环境，具有明显的沉积建造和沉积旋三大相沉积环境，具有明显的沉积建造和沉积旋回特征；回特征；（2 2）第三系粘土岩小于）第三系粘土岩小于0.005mm粒级的粘粒占粒级的粘粒占有相当大的比例，含有较多的高分散性矿物，蒙有相当大的比例，含有较多的高分散性矿物，蒙脱石和伊利石是其主要的次生粘土矿物；脱石和伊利石是其主要的次生粘土矿物；（3 3）第三系粘土岩含水量和亲水性指标与第四）第三系粘土岩含水量和亲水性指标与第四系粘土的同类指标比较接近。因此，具有与第四系粘土的同类指标比较接近。因此，具有与第四系粘土相似的工程地质性质；系粘土相似的工程地质性质；（4 4）第三系粘土岩与第四系粘土在自由膨胀率）第三系粘土岩与第四系粘土在自由膨胀率(%)、无荷膨胀量、无荷膨胀量(%)和膨胀力和膨胀力(Pe)三项膨胀性指三项膨胀性指标上，二者无数量级的差别，其膨胀特性近似；标上，二者无数量级的差别，其膨胀特性近似；（5 5）实验结果表明，研究区灰白色泥灰岩和红）实验结果表明，研究区灰白色泥灰岩和红色粘土岩都属于极低强度软岩。色粘土岩都属于极低强度软岩。本文刊载在本文刊载在本文刊载在本文刊载在地质科技情报地质科技情报地质科技情报地质科技情报2004200420042004年第一期上。年第一期上。年第一期上。年第一期上。