滇西芒棒盆地芒棒組碳質粉砂巖的工程地質特性

郭長寶，李海華，陳溪華，和 勇，歹家文，張 能

1.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081

2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610500 3.云南地質工程第二勘察院，昆明 650050

滇西芒棒盆地芒棒組碳質粉砂巖的工程地質特性

郭長寶1，2，李海華2，陳溪華3，和 勇3，歹家文3，張 能3

1.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081

2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610500 3.云南地質工程第二勘察院，昆明 650050

滇西芒棒盆地是在上新世喜山運動后期高黎貢山強烈隆升過程中形成的近SN向的斷陷盆地，在盆地內發育芒棒組碳質粉砂巖等半成巖，規劃建設中的中緬公路保山－騰沖高速公路段從該套地層中通過。野外調查發現：該套碳質粉砂巖具有成巖差、易崩解、結構性強等特性，容易引發邊坡失穩、隧洞圍巖冒頂等工程地質問題。室內試驗測試表明：該類巖石具有天然含水量高、孔隙度大、低膨脹性和有機質含量高等特點。由于有機質的膠結作用，天然巖體和干燥巖塊浸水后的性狀顯著不同，巖體干燥后具有水穩性增強和膨脹勢降低的特性。結合典型工程實例，開展了原位直接剪切試驗。試驗結果表明：碳質粉砂巖具有抗剪強度較高、峰殘降差小等特點，是該類地層中大型不穩定斜坡體和蠕滑型滑坡發育的主要因素之一。

芒棒組；碳質粉砂巖；半成巖；工程地質

0 引言

滇西騰沖地區芒棒組碳質粉砂巖是一種典型的半成巖［1］。半成巖是一類特殊的巖土體，與正常意義上的巖石及土均有明顯的區別：一般講來，半成巖具有一定的成巖性，但成巖度不高，而干燥時強度卻較高，具有脆性破壞的特性［2］；在物質組成、結構和構造等方面，其既具有部分土的特征，又具有部分巖石的特征，因而工程地質性質復雜［2－3］。在半成巖地層中，一些大型或者超大型滑坡比較發育，如查納滑坡、灑勒山滑坡等［2，4］，并且因其特殊的工程地質性質，對工程的勘察設計、施工和安全具有重要的影響［3，5］。

滇西騰沖地區是中國西南大通道工程建設的重要區域［6－7］，隨著該區工程建設規模和范圍的加大，越來越多的工程遇到了與芒棒組碳質粉砂巖相關的工程地質問題，如：規劃建設中的中緬公路保山－騰沖段高速公路即穿越芒棒盆地，龍川江大橋附近芒棒組地層內滑坡極為發育［8］；大理－瑞麗鐵路也曾在該區選線，但由于芒棒組地層中滑坡、不穩定性斜坡體等地質災害強烈發育而放棄［9］；芒市－猴橋鐵路也將穿越該盆地，作為工程建設的路基、邊坡組成的芒棒組礫巖、粉砂巖等巖體的工程地質性質已引起廣泛關注。前人主要對該區出露的芒棒組地層的地質時代和地層分布等方面進行了研究［1，10］，并結合工民建和鐵路、公路等工程建設，對芒棒組碳質粉砂巖的基本物理指標、抗剪強度等參數進行了測試分析［8－9］，尚缺乏關于芒棒組碳質粉砂巖物質組成、物理水理性質、膨脹性、結構性等工程地質特性，以及相關工程地質問題的成因分析研究。

因此，筆者基于野外地質調查、原位測試和室內試驗結果，重點研究了芒棒組碳質粉砂巖的發育特征、成因時代，并從物質成分與膠結物、物質組成和力學性質測試等方面分析了其工程地質特性和主要工程地質問題。研究結果對于指導該區重大工程規劃建設和地質災害防治具有重要的理論和實際意義，同時對于促進青藏高原東南緣第四紀工程地質研究具有重要的理論意義。

1 地質背景

芒棒盆地是位于橫斷山脈東南端的一個近SN向山間斷陷盆地（圖1），盆地東側為高黎貢山，中部為龍川江，具有典型的山間盆地地貌。該區地處印度板塊與歐亞板塊縫合線東側之騰沖微陸塊上，地質構造復雜，是世界上罕見的高山地貌及其演化的代表地區。騰沖微陸塊原屬岡瓦納大陸的一部分，二疊紀末從岡瓦納大陸分裂出來向北漂移而與揚子板塊拼合。始新世，印度板塊與歐亞板塊強烈碰撞形成山系，上新世喜山運動早期之后，由于龍川江斷裂的活動和高黎貢山的抬升，使該區處于拉張的構造環境，進而形成了早期的芒棒盆地，并接受河湖相沉積，芒棒組碳質粉砂巖即在這個時期形成。隨著斷裂的活動，區內發生多次火山噴溢活動，形成上新世玄武巖，局部還發育第四紀早更新世火山巖，從而在芒棒盆地內發育了上新統至更新統的火山－河湖相沉積建造。盆地內局部分布第四系河湖相沉積。

芒棒盆地現今分布高程為1 200～1 500m，盆地南北長約108km，東西寬約5～10km，總面積約700km2。盆地基底與周邊地區主要由下古生界高黎貢山群（Pz1Gl）、石炭系勐洪組（Cmn3）石英雜砂巖夾黑色板巖及燕山期、喜馬拉雅期花崗巖（γ5）組成，上部地層主要由新近系芒棒組（N2m1－3）陸相碎屑巖系、第四系全新統（Q4）松散砂礫層及第四紀火山巖（Q1b）組成（圖1）。

2 芒棒組碳質粉砂巖的基本特征

2.1 芒棒組地層分布特征及沉積環境

資料分析和野外地質調查表明，芒棒組在芒棒盆地出露范圍較廣，主要為一套碎屑巖夾火山巖及薄煤層，多為半成巖狀態，巖體工程地質性質較差，分為3段：上、下亞段（N2m1、N2m3）為砂礫巖、細砂巖、黏土質粉砂巖及薄煤層，沉積環境以河床相為主，局部為濱湖沼澤相，本文研究的碳質粉砂巖即分布于其中；芒棒組中期（N2m2）火山活動頻繁，玄武巖噴發，巖性以厚層塊狀玄武巖為主，其中心位于盆地中偏南部的席草塘至三甲街一帶，玄武巖厚度最大約200m。

圖1 滇西芒棒盆地及鄰區地層分布特征圖Fig.1 Stratum distribution characteristics of Mangbang basin and the adjacent area

李錫康等［1］通過巖石特征、分布及基本層序分析認為：芒棒組下段（N2m1）沉積環境為河流、沼澤、湖泊相，并且沉積期間地殼小幅度上升、下降比較頻繁，在本段下部的巖礦鑒定資料中顯示含有火山物質，表明這套地層沉積時期或之前曾有火山活動；芒棒組中段（N2m2）為火山噴發－沉積相；芒棒組上段（N2m3）沉積環境與下段類似，僅在盆地邊緣發育一些沖積扇相。同時認為芒棒盆地很可能經歷了斷裂拉張－火山噴發－火山堰塞盆地沉積－地殼上升盆地消亡的演化過程，并且在碳質粉砂巖等地層中發育植物和硅藻等古生物，均為淡水植物，這表明沉積環境為較深的、停滯的靜水還原性盆地。

2.2 碳質粉砂巖的物質成分

野外調查表明，該地區的碳質粉砂巖總體上呈灰黑色，局部含煤和較大礫石，礫石分選性及磨圓性均比較差，棱角明顯，體積分數也極不均勻（0%～40%），天然含水量較高，濕－飽和，干燥后呈灰白色，在該類巖土體中崩塌和滑坡等地質災害強烈發育，工程地質問題較多。

芒棒組碳質粉砂巖屬于典型的半成巖，其粒度成分和礦物成分是決定其工程地質特性的物質基礎。室內測試表明：其容重一般為1.95～2.15g／cm3；含水量較高，多為10%～20%；孔隙度較大，為25%～40%，平均32%（表1）。根據篩分法和移液管全分散法的粒度分析結果，芒棒組碳質粉砂巖顆粒較細，具有高分散性，主要由粉粒和砂粒組成，粒徑多分布在0.005～0.250mm（表2）。碳質粉砂巖粉粒和砂粒體積分數一般為90%以上，少數為70%左右，黏粒（以粒徑小于5μm粒級計）較少，多為5%～15%，一般在10%左右，小于2μm的黏粒含量較少。

2.3 碳質粉砂巖的黏土礦物組成

采用乙二醇、550℃加熱等方法對樣品進行了處理［11－13］，并對天然樣品、乙二醇處理樣品和550℃加熱處理等這3種碳質粉砂巖試樣中d＜2μm的黏粒進行了黏土礦物X射線衍射定量測試（表3，圖2）。測試結果表明，碳質粉砂巖的黏土礦物組成主要為伊利石／蒙脫石混層礦物（I／S）、高嶺石（K）和伊利石（I）的共生組合，但以伊利石／蒙脫石混層礦物為主，其相對體積分數為51%～60%，絕對體積分數為2.22%～5.22%。總體上，碳質粉砂巖中膨脹性黏土礦物含量低，且以膨脹性中等的伊利石／蒙脫石混層礦物為主，而非強膨脹性的蒙脫石，使得芒棒組碳質粉砂巖的膨脹性較低。

3 碳質粉砂巖物理性質和力學性質

芒棒組碳質粉砂巖主要為粉砂、泥質結構，天然含水量高，節理、裂隙弱發育，現場錘擊聲啞，無回彈，有較清晰的凹痕，用手易捏碎，浸水后成粉砂狀，工程地質性質較復雜。

表1 芒棒組碳質粉砂巖物理水理性質測試結果Table 1 Test results of physical and water physical of Mangbang Group carbon siltstone

表2 芒棒組碳質粉砂巖顆粒組成及基本工程性質Table 2 Grain composition and basic engineering characteristics of Mangbang Group carbon siltstone

表3 芒棒組碳質粉砂巖黏土礦物定量測試結果Table 3 Quantitative analysis results of clay mineral composition of Mangbang Group carbon siltstone

圖2 典型芒棒組碳質粉砂巖＜2μm粒組X射線衍射曲線圖Fig.2 Oriented X－ray diffraction curves of＜2μm clay fraction of Mangbang Group carbon siltstone

3.1 物理水理性質

半成巖的力學強度、膨脹和崩解特性等工程地質特性受物質成分、結構狀態的影響和控制，其中膠結物的成分和含量影響尤為顯著。室內試驗和測試表明：天然狀態下的碳質粉砂巖，由于含水量較高，其巖塊強度、硬度相對較低，浸水后易崩解為散砂狀；而干燥巖塊浸水后一般表現為不崩解、不破壞，工程性質較好，僅部分樣品發生碎屑狀和碎裂破壞。兩種狀態下的物理水理性質的顯著不同與碳質粉砂巖的微觀物質組成具有較大關系。從表2中可見，碳質粉砂巖被有機質和碳酸鈣（CaCO3）膠結成巖，巖石結構性與這些膠結物的特性有關。由于CaCO3質量分數很低，多為0.30%～0.65%，其對碳質粉砂巖的工程性質影響較弱；筆者采用重鉻酸鉀容量法測定的有機質質量分數較高，一般為1%～3%，最大為4.64%（SDZ220－3樣品），平均為1.69%。由于有機質質量分數偏高，大量高分散有機質與伊利石／蒙脫石混層礦物、伊利石和高嶺石等黏土礦物發生相互膠結作用，形成有機－無機復合體，并對巖石產生顯著的膠結作用，從而降低了碳質粉砂巖的活性，不僅增加其黏聚力，而且增大其水穩性，具體表現為降低了干燥巖塊的飽和吸水率（表1），即降低其膨脹勢。

3.2 力學強度特性

現場調查表明，該碳質粉砂巖錘擊聲啞、無回彈、有較深凹痕，手可捏碎，浸水后成粉砂狀，可捏成團，根據《工程巖體分級標準》（GB50218－94），屬于極軟巖類。此外，芒棒組碳質粉砂巖巖體完整性差，處于半固結狀態，中等－弱風化，淺層巖體風化強烈，呈砂土狀，巖塊間一般有泥質充填、膠結，結構面較發育，間距一般小于30cm，綜合判別該區的碳質粉砂巖基本質量分級為V級。

由于該半成巖結構較差、易碎，較大的原狀樣難制取，從而分析其抗剪強度等力學強度特性較為困難。為更好地研究碳質粉砂巖的強度特征，筆者采用目前在測定巖土體的抗剪強度方面應用較廣并且取得較好效果的原位直剪試驗［14－15］，以該區某水電工程為典型工程實例［16］，對探洞中揭露的碳質粉砂巖進行了抗剪強度測試研究。

3.2.1 試驗方法

本次原位直剪試驗采用水平推剪原理，每組試驗由3個試樣構成，每個試樣分別在不同的法向堆載作用下，施加水平剪力進行剪切，得到各試樣的剪應力－位移（τ－ΔL）曲線和每組試樣的法向壓力－剪應力（σ－τ）關系曲線，據此計算堆積體的抗剪強度參數c、φ值，確定巖土體的剪切強度特性。

本組原位直剪試驗位于龍川江右岸水電勘察探洞中的23.50～26.50m深度處，巖性為灰黑色、深灰色碳質粉砂巖，每組試驗點制備試樣3個。制備試樣時，先清除表層的浮土，然后四周開挖溝槽，制成剪切面積為1 000cm2、高為20cm的方形試樣。試樣制備后，通過安裝法向加載系統、剪力加載系統和剪切位移量測系統等設備（圖3，圖4），分別施加10、20、30kN的法向應力，并記錄剪切過程中的壓力表讀數和位移讀數，繪制剪應力－位移曲線（τ－ΔL）和法向壓力－剪應力（σ－τ）曲線圖，通過線性回歸方法得到剪應力與垂向壓力的線性方程，從而在σ－τ抗剪強度曲線圖上讀取c、φ值。

圖3 原位直接剪切試驗裝置圖Fig.3 In－situ direct shearing test device

圖4 原位直接剪切破壞面特征Fig.4 Failure surface characteristics of in－situ shearing test

3.2.2 試驗結果分析

從兩組試樣的剪應力－位移曲線可以看出：剪切過程中試樣沒有明顯的彈性變形階段，施加剪力時試樣便進入應力強化階段（圖5），在較小的位移形變下試樣即達到峰值強度，試樣沿底部預定剪切面形成貫通且較平整的剪切破壞面（圖4）；從而剪切面上的應力計算準確程度較高，表明原位直剪試驗是獲取碳質粉砂巖剪切強度的有效方法。

試驗結果表明芒棒組碳質粉砂巖在不同正應力下剪應力與剪切變形曲線具有明顯的峰值（圖5（a）、（b）），應力應變關系分別為應變硬化型（PD－sy1試樣）和應變軟化型（PD－sy2試樣），抗剪強度與法向應力呈較好的線性關系。經過線性回歸計算得到抗剪強度參數為：黏聚力c為75.23和93.02kPa（表4），內摩擦角φ為12.51°和16.09°，黏聚力值較一般黏土、砂土高，但低于成巖作用較好的泥巖、砂巖等巖體的抗剪強度。從圖6（a）、（b）中可見，碳質粉砂巖試樣的殘余強度也與垂直壓力呈良好的線性關系，與一般巖土體不同的是，該半成巖的殘余強度與剪切強度值相差較小，PD2－sy1試樣黏聚力cr最小僅降低6.15%，內摩擦角φr僅降低2.78%，即具有峰殘降差低的特點。

表4 龍川江某電站平洞內大型直剪試驗成果統計表Table 4 In－situ shearing test result in one power station adit of Longchuan River

4 主要工程地質問題分析

滇西芒棒組碳質粉砂巖是一種較軟的半成巖，具有成巖差、易崩解、易散落等特性，容易引發邊坡失穩、隧洞圍巖冒頂等工程地質問題。研究區龍川江某水電探洞勘察過程中在洞頂部碳質粉砂巖中發生的圍巖冒頂事故，其原因是由于碳質粉砂巖含水量較高，并且含有一定的有機質，成巖作用差，抗拉強度和抗剪強度等力學指標要弱于成巖作用和完整性好的巖石，在探洞開挖后整體強度不足，同時又無支護措施，因而發生圍巖冒頂破壞，冒落的碳質粉砂巖多呈無規則塊狀。

圖5 PD2－sy1與PD2－sy2試樣τ－ΔL關系曲線圖Fig.5 Shear stress and deformation curve of PD2－sy1and PD2－sy2specimen

圖6 PD2－sy1與PD2－sy2試樣σ－τ抗剪強度曲線圖Fig.6 Anti－shear strength curve of PD2－sy1and PD2－sy2specimen

芒棒組是龍川江兩岸邊坡的主要地層，野外地質調查過程中，在龍川江兩岸發育大量滑坡和不穩定斜坡體，多為大型－巨型，斜坡體坡度較陡，一般為30°～45°，滑坡地貌明顯，如響水灣村大型不穩定斜坡體，斜坡體長軸長約700m，平面寬度400～500 m，滑體厚度20～50m，總方量約1 200～1 400萬m3，坡體的蠕變變形已經引起坡體中后緣村內房屋開裂，該村莊在當地政府的指導下已進行分批次搬遷。

由于觸發天然滑坡的主要因素為斜坡體的變形破壞過程中滑帶土的抗剪強度向殘余強度過渡，并最終由殘余強度控制斜坡體的穩定性，當剪切面上的殘余強度提供的抗滑力小于下滑力時，斜坡發生變形破壞。龍川江地區的斜坡體坡度較大，可能滑動的方量多達幾百萬立方米至上千萬立方米，在地質歷史演化過程中，由碳質粉砂巖等半成巖組成的斜坡體處于極限平衡狀態；但在河流沖刷坡角、人類工程活動等外界擾動下，坡體內發生應力變化和蠕動變形。由于該巖土體峰殘降差小，由巖體的殘余強度控制仍能提供較大的抗滑力，不易發生長距離的滑動，故由該類巖土體組成的斜坡體多發育有大型不穩定斜坡體，而整體大規模滑動較少，與野外地質調查結果相一致。

5 結論和討論

1）芒棒盆地形成于上新世喜山運動后期，盆地內發育上新統至更新統的火山－沉積建造，芒棒組地層在該盆地內分布較廣，其中碳質粉砂巖等半成巖的巖體工程地質性質較差。

2）芒棒組碳質粉砂巖顆粒較細，主要由粉粒和砂粒組成，黏土礦物含量較低，以伊利石／蒙脫石混層礦物為主，其次為高嶺石和伊利石，巖體的膨脹性較低。

3）芒棒組碳質粉砂巖具有高含水量、高孔隙性、成巖作用差、結構性強等特點，在天然狀態下強度較低，浸水后易崩解為散砂狀。由于有機質含量較高，與黏土礦物一起對巖塊形成顯著的膠結作用，降低了碳質粉砂巖的活性，并增強了其水穩性，干燥巖塊飽和吸水率低，浸水后一般不崩解、不破壞，膨脹勢降低。

4）原位直剪試驗表明，芒棒組碳質粉砂巖的抗剪強度值較高，高于一般的土體。由于天然狀態下碳質粉砂巖的力學性質較差，在探洞、隧道等工程施工過程中容易發生圍巖冒頂事故；同時由于殘余強度值較高，與抗剪強度峰值差異較小，由該類半成巖組成的大型斜坡體多發生蠕滑變形。從而在龍川江兩岸發育有較多不穩定斜坡體，而整體大規模滑動較少。

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Engineering Geology Characteristic of the Carbonaceous Siltstone in Mangbang Basin，West of Yunnan Province

Guo Chang－bao1，2，Li Hai－hua2，Chen Xi－hua3，He Yong3，Dai Jia－wen3，Zhang Neng3

1.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China 2.State Key Laboratory of Geological Hazard Prevention ＆Geological Environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610500，China 3.Yunnan Geological Engineering the Seoond Investigation Institute，Kunming 650218，China

Mangbang basin is a SN directed fault depression basin which was shaped when Gaoligong Mountains intensely upheaved at the end of Himalayan movement in Pliocene period，where carbonaceous siltstone of Mangbang group，a kind of soft half－diagenesis rock，is well distributed.The Baoshan－Tengchong high way section of Burma Road will pass through this basin.Field geology survey indicates that this kind of carbonaceous siltstone is characterized by weak diagenesis，easy disintegration and strong structural strength，which can cause the engineering geological problems of slope failure and roof fall of surrounding rock in tunnel.Laboratory test results show a high natural water content，high porosity，low expansibility and high organic content of it.Due to organic cementation，striking difference can be obtained in the engineering properties of natural rock and dry rock after immersion in water，which indicates the enhancement in water stability and reduction in swelling potential of driedrock.Based on typical project example，in－situ shearing test was conducted on the carbonaceous siltstone，and the results indicate that it has the characteristics of high shear strength and little difference between peak and residual strength，which is one of the main factors for the development of large unstable slope body and creeping landslide in this kind of rock stratum.

Mangbang group；carbonaceous siltstone；half－diagenesis rock；engineering geology

book=2012,ebook=614

P642.2

A

1671－5888（2012） 04－1090－09

2011－10－06

國家自然科學基金項目（41072269）；“十二·五”科技支撐計劃課題（2012BAK10B02）；鐵道部科技研究開發計劃項目（2008G027－B）；地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室開放基金項目（SKLGP2010K015）

郭長寶（1980－），男，工程師，博士，主要從事工程地質與地質災害方面的研究工作，E－mail：guochangbao＠163.com。