攀西地區昔格達組粘土層工程地質特性

安家金 陳鵬飛 羅晉瀟 蔣 良

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

1 昔格達組地層概述

昔格達地層是分布于我國西南地區一套特殊巖土單元，工程性質較差，主要由下部礫巖、中部粘土巖、上部砂巖組成[1]，主要分布于金沙江及其支流安寧河、雅礱江等河谷地帶。自晚白堊紀以來，攀西地區構造運動的主要表現形式為地塊之間的差異升降運動，具體為安寧河斷裂帶所在區域即安寧河谷地區大幅沉降，安寧河斷裂的兩側地塊持續隆升，從而使得安寧河谷宏觀上成為相對沉降的新生代斷陷盆地[2]，為昔格達地層沉積提供了空間場所。早更新世開始，禮州—西昌—黃連關盆地產生持續性的沉降，與此同時盆地內部沉積了大量的松散堆積物并最終形成了厚度巨大的新生界地層，其中包括昔格達組地層[3]。

構成西昌地區昔格達組的碎屑物質、粘土礦物及有機質在相同或不同空間位置獨立或同時沉積，形成了以細粒沉積為主的巖土單元，具體類型包括：粘土巖、粉質粘土巖及砂質粘土巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、細砂巖及粘土含有機質土。淺黃色、灰色和黑色是昔格達地層(如圖1所示)的主色調，同時黑灰～褐灰、灰綠及灰黃等構成了過渡色。昔格達組由中～薄層狀粉砂巖、粘土巖互層組成，有5個～6個由粗到細之沉積旋回，一般旋回下部粗上部細，下厚上薄，層理發育，以水平層理為主，局部見斜層理和交錯層理(見圖2)；以中厚層(0.5 m～0.1 m)和薄層(0.1 m～0.01 m)構造為主，而微薄層構造(<0.01 m)分布也較廣泛。該地層中鈣質結核、團塊較多，粉砂巖中偶見斜層理、波狀層理等，顯示了歷史上沉積環境以平靜湖相沉積為主體，部分地史時期較動蕩[4]。

據前人研究資料[5]，攀西地區昔格達組地層含有的粘土礦物中沒有蒙脫石，主要是伊利石，高嶺石、綠泥石。從礦物成分看，構成昔格達組粉砂巖的造巖礦物主要是長石、方解石和石英，綠簾石、角閃石和磁鐵礦等也較為常見。從化學成分看，昔格達組粘土巖和粉砂巖主要由SiO2構成，此外Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,K2O等也是構成其化學成分的物質之一，除灰黑色粘土中含少量有機質外，其余均無。pH值一般為6.7～8.8。粘土具微細層理，浸水后容易崩解成鱗片狀；粉砂巖半膠結，膠結物為泥質或鈣質。

典型的昔格達組地層主體包括粘土、粉質粘土、粉土及粉砂巖，其中以粘土層居多，因此研究其工程地質特性對認識昔格達組地層的工程性質具有非常重要的意義。限于篇幅，本文重點對昔格達地層中粘土層工程地質特性進行梳理研究。

2 粘土層基本物理特性

昔格達組粘土有灰黃、褐黃、黃褐、綠黃、黃綠、灰、蘭灰、深灰色等顏色，代表其形成過程中環境變化較為劇烈，如弱氧化環境向強還原環境的轉變。為了解昔格達組粘土層的基本物理性質，采取樣品在室內進行了試驗。從表1可以看出，粘土樣品的飽和度80%～100%，平均為92%；孔隙比0.70～1.31，平均為0.97；比重Gs為2.69～2.83，平均為2.76；天然密度1.66～2.05，平均為1.86；天然含水量為24%～42%，平均為32%；自由膨脹率為13%～75%，平均為43%，具弱膨脹性。

水理性質是影響粘土工程性質的重要因素之一，為研究昔格達組粘土層的水理性質，測定了其液限、塑限、液性指數、塑性指數等稠度狀態參數(如表1所示)和水平、垂直方向的滲透系數，其中參與液限和塑限統計的粘土樣品共有136件。從表1可以看出，液限為39.4%～58.3%，平均值為48%；塑限為22%～26%，平均值為28%；塑性指數為17%～31.2%，平均值為20%；液性指數為0%～0.47%，平均值為0.19%。根據滲透試驗結果，多組粘土樣品的垂直滲透均值為7.51×10-6cm/s，水平滲透系數均值為1.91×10-5cm/s，可見水平滲透系數大于垂直滲透系數，體現了近水平層理對滲透系數的影響。從試驗結果也可以看出，昔格達組粘土屬于弱滲透性地層。

表1 昔格達組粘土樣品的基本物理參數一覽表

3 粘土層壓縮固結特性分析

壓縮固結特性是衡量土體地基承載能力的重要指標，其往往與顆粒級配、孔隙度、含水量、顆粒排列形態等密切相關。為此，我們采用室內試驗和現場載荷試驗測試了昔格達組粘土層的壓縮固結特性。室內試驗中，參與壓縮性統計的樣品數有65件，根據統計數據，粘土層的壓縮模量E1-2介于6.1 MPa～17.9 MPa，平均值為11.6 MPa，壓縮系數a1-2為0.10 MPa-1～0.34 MPa-1，平均0.19 MPa-1，屬于中等壓縮性土，具有較好的抗變形能力。

為了進一步了解昔格達組粘土層的承載強度及變形特性，采用現場淺層平板載荷試驗測定了其承載力特征值和變形模量，其結果詳見表2?？梢姡暾徽惩翈r在自然條件下具有較高的承載能力，在浸水后其承載能力明顯降低。經對比，粘土巖在浸水條件下的承載力比自然狀態下的降低約10%～57%，個別浸水前后承載力下降55%～57%。如表2中P13，PB13試驗中，浸水前后試驗得出的承載力特征值分別為616 kPa,277 kPa，浸水后粘土巖的承載力下降幅度達55%。

4 粘土層剪切強度特性

為了研究昔格達組粘土層的剪切強度特性，采用室內剪切試驗和現場直接剪切試驗兩種方法，測試了粘土層的內摩擦角和粘聚力。室內試驗時，選取110個粘土樣品，采用天然快剪、浸水快剪、固結快剪、浸水固結快剪等四種不同條件下的剪切試驗，試驗結束后剔除了部分異常數據，對55個數據進行了統計分析，其結果詳見表3。對比天然和浸水條件下的試驗結果可見，浸水條件下內摩擦角和粘聚力均有不同程度的降低，且粘聚力的降幅明顯高于內摩擦角的。在天然和浸水狀態下，典型昔格達組粘土樣品的剪切試驗曲線如圖3，圖4所示，在天然狀態下其內摩擦角和粘聚力分別為16.9°，40.1 kPa，在浸水條件下其內摩擦角和粘聚力分別為14.5°，28.2 kPa，浸水條件下粘土的內摩擦角和粘聚力較天然狀態下的分別下降了14.2%和29.6%，顯然浸水條件下內摩擦角和粘聚力值均出現了較大程度的下降，且粘聚力值下降更為明顯。

表3 攀西地區昔格達組粘土在不同條件下的抗剪強度參數

在進行現場直接剪切試驗時，根據地層層理情況按切層及順層、天然及浸水條件下進行試驗，試驗結果統計表明：切層剪切條件下，天然粘土巖的粘聚力介于66.6 kPa～95.1 kPa，內摩擦角介于23.7°～28.3°；浸水粘土巖的粘聚力介于42.2 kPa～73.7 kPa，內摩擦角介于20.8°～25.2°。在順層剪切條件下，天然粘土巖的粘聚力介于55.0 kPa～89.0 kPa，內摩擦角介于18.4°～23.6°；浸水粘土巖的粘聚力介于57.9 kPa～74.6 kPa，內摩擦角介于20.2°～21.3°?？傮w上，順層剪切指標降低，但由于多數順層及切層試驗地點不同，致使試驗數據缺乏對比性；浸水對比自然條件下指標下降情況：c值降低了22%～45%，φ值降低了8.5%～12%。總體上c值比φ值下降幅度相對較大，這與室內直剪試驗結果是一致的。

5 結語

昔格達組是攀西地區一類特殊巖土體，主要由淺黃～灰黃色、灰綠色、深灰色互層狀粘土巖和粉砂巖組成，受構造成因而沉積形成。其中，粘土巖工程性質特殊，具有弱膨脹勢，滲透性較差；在天然狀態下具有較高的地基承載力和抗剪切強度，浸水后其工程性質變差。

參考文獻：

[1] 劉惠軍,聶德新.昔格達地層研究綜述[J].地球科學進展,2004(S1):80-82.

[2] 張岳橋,楊 農,孟 暉,等.四川攀西地區晚新生代構造變形歷史與隆升過程初步研究[J].中國地質,2004,31(1):23-33.

[3] 王新民,張成貴,裴錫瑜.晚第四紀安寧河斷裂的新活動與特征[J].四川地震,1997(3):8-16.

[4] 徐則民,劉文連.昔格達組地層研究中需要注意的若干關鍵問題[J].地學前緣,2011,18(5):256-270.

[5] 徐則民,劉文連,黃潤秋,等.西昌昔格達組物質組成及源區分析[J].第四紀研究,2011,31(2):378-396.