攀西地区昔格达组粘土层工程地质特性

安家金 陈鹏飞 罗晋潇 蒋 良

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650000)

1 昔格达组地层概述

昔格达地层是分布于我国西南地区一套特殊岩土单元，工程性质较差，主要由下部砾岩、中部粘土岩、上部砂岩组成[1]，主要分布于金沙江及其支流安宁河、雅砻江等河谷地带。自晚白垩纪以来，攀西地区构造运动的主要表现形式为地块之间的差异升降运动，具体为安宁河断裂带所在区域即安宁河谷地区大幅沉降，安宁河断裂的两侧地块持续隆升，从而使得安宁河谷宏观上成为相对沉降的新生代断陷盆地[2]，为昔格达地层沉积提供了空间场所。早更新世开始，礼州—西昌—黄连关盆地产生持续性的沉降，与此同时盆地内部沉积了大量的松散堆积物并最终形成了厚度巨大的新生界地层，其中包括昔格达组地层[3]。

构成西昌地区昔格达组的碎屑物质、粘土矿物及有机质在相同或不同空间位置独立或同时沉积，形成了以细粒沉积为主的岩土单元，具体类型包括：粘土岩、粉质粘土岩及砂质粘土岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩及粘土含有机质土。浅黄色、灰色和黑色是昔格达地层(如图1所示)的主色调，同时黑灰～褐灰、灰绿及灰黄等构成了过渡色。昔格达组由中～薄层状粉砂岩、粘土岩互层组成，有5个～6个由粗到细之沉积旋回，一般旋回下部粗上部细，下厚上薄，层理发育，以水平层理为主，局部见斜层理和交错层理(见图2)；以中厚层(0.5 m～0.1 m)和薄层(0.1 m～0.01 m)构造为主，而微薄层构造(<0.01 m)分布也较广泛。该地层中钙质结核、团块较多，粉砂岩中偶见斜层理、波状层理等，显示了历史上沉积环境以平静湖相沉积为主体，部分地史时期较动荡[4]。

据前人研究资料[5]，攀西地区昔格达组地层含有的粘土矿物中没有蒙脱石，主要是伊利石，高岭石、绿泥石。从矿物成分看，构成昔格达组粉砂岩的造岩矿物主要是长石、方解石和石英，绿帘石、角闪石和磁铁矿等也较为常见。从化学成分看，昔格达组粘土岩和粉砂岩主要由SiO2构成，此外Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,K2O等也是构成其化学成分的物质之一，除灰黑色粘土中含少量有机质外，其余均无。pH值一般为6.7～8.8。粘土具微细层理，浸水后容易崩解成鳞片状；粉砂岩半胶结，胶结物为泥质或钙质。

典型的昔格达组地层主体包括粘土、粉质粘土、粉土及粉砂岩，其中以粘土层居多，因此研究其工程地质特性对认识昔格达组地层的工程性质具有非常重要的意义。限于篇幅，本文重点对昔格达地层中粘土层工程地质特性进行梳理研究。

2 粘土层基本物理特性

昔格达组粘土有灰黄、褐黄、黄褐、绿黄、黄绿、灰、兰灰、深灰色等颜色，代表其形成过程中环境变化较为剧烈，如弱氧化环境向强还原环境的转变。为了解昔格达组粘土层的基本物理性质，采取样品在室内进行了试验。从表1可以看出，粘土样品的饱和度80%～100%，平均为92%；孔隙比0.70～1.31，平均为0.97；比重Gs为2.69～2.83，平均为2.76；天然密度1.66～2.05，平均为1.86；天然含水量为24%～42%，平均为32%；自由膨胀率为13%～75%，平均为43%，具弱膨胀性。

水理性质是影响粘土工程性质的重要因素之一，为研究昔格达组粘土层的水理性质，测定了其液限、塑限、液性指数、塑性指数等稠度状态参数(如表1所示)和水平、垂直方向的渗透系数，其中参与液限和塑限统计的粘土样品共有136件。从表1可以看出，液限为39.4%～58.3%，平均值为48%；塑限为22%～26%，平均值为28%；塑性指数为17%～31.2%，平均值为20%；液性指数为0%～0.47%，平均值为0.19%。根据渗透试验结果，多组粘土样品的垂直渗透均值为7.51×10-6cm/s，水平渗透系数均值为1.91×10-5cm/s，可见水平渗透系数大于垂直渗透系数，体现了近水平层理对渗透系数的影响。从试验结果也可以看出，昔格达组粘土属于弱渗透性地层。

表1 昔格达组粘土样品的基本物理参数一览表

3 粘土层压缩固结特性分析

压缩固结特性是衡量土体地基承载能力的重要指标，其往往与颗粒级配、孔隙度、含水量、颗粒排列形态等密切相关。为此，我们采用室内试验和现场载荷试验测试了昔格达组粘土层的压缩固结特性。室内试验中，参与压缩性统计的样品数有65件，根据统计数据，粘土层的压缩模量E1-2介于6.1 MPa～17.9 MPa，平均值为11.6 MPa，压缩系数a1-2为0.10 MPa-1～0.34 MPa-1，平均0.19 MPa-1，属于中等压缩性土，具有较好的抗变形能力。

为了进一步了解昔格达组粘土层的承载强度及变形特性，采用现场浅层平板载荷试验测定了其承载力特征值和变形模量，其结果详见表2。可见，完整原位粘土岩在自然条件下具有较高的承载能力，在浸水后其承载能力明显降低。经对比，粘土岩在浸水条件下的承载力比自然状态下的降低约10%～57%，个别浸水前后承载力下降55%～57%。如表2中P13，PB13试验中，浸水前后试验得出的承载力特征值分别为616 kPa,277 kPa，浸水后粘土岩的承载力下降幅度达55%。

4 粘土层剪切强度特性

为了研究昔格达组粘土层的剪切强度特性，采用室内剪切试验和现场直接剪切试验两种方法，测试了粘土层的内摩擦角和粘聚力。室内试验时，选取110个粘土样品，采用天然快剪、浸水快剪、固结快剪、浸水固结快剪等四种不同条件下的剪切试验，试验结束后剔除了部分异常数据，对55个数据进行了统计分析，其结果详见表3。对比天然和浸水条件下的试验结果可见，浸水条件下内摩擦角和粘聚力均有不同程度的降低，且粘聚力的降幅明显高于内摩擦角的。在天然和浸水状态下，典型昔格达组粘土样品的剪切试验曲线如图3，图4所示，在天然状态下其内摩擦角和粘聚力分别为16.9°，40.1 kPa，在浸水条件下其内摩擦角和粘聚力分别为14.5°，28.2 kPa，浸水条件下粘土的内摩擦角和粘聚力较天然状态下的分别下降了14.2%和29.6%，显然浸水条件下内摩擦角和粘聚力值均出现了较大程度的下降，且粘聚力值下降更为明显。

表3 攀西地区昔格达组粘土在不同条件下的抗剪强度参数

在进行现场直接剪切试验时，根据地层层理情况按切层及顺层、天然及浸水条件下进行试验，试验结果统计表明：切层剪切条件下，天然粘土岩的粘聚力介于66.6 kPa～95.1 kPa，内摩擦角介于23.7°～28.3°；浸水粘土岩的粘聚力介于42.2 kPa～73.7 kPa，内摩擦角介于20.8°～25.2°。在顺层剪切条件下，天然粘土岩的粘聚力介于55.0 kPa～89.0 kPa，内摩擦角介于18.4°～23.6°；浸水粘土岩的粘聚力介于57.9 kPa～74.6 kPa，内摩擦角介于20.2°～21.3°。总体上，顺层剪切指标降低，但由于多数顺层及切层试验地点不同，致使试验数据缺乏对比性；浸水对比自然条件下指标下降情况：c值降低了22%～45%，φ值降低了8.5%～12%。总体上c值比φ值下降幅度相对较大，这与室内直剪试验结果是一致的。

5 结语

昔格达组是攀西地区一类特殊岩土体，主要由浅黄～灰黄色、灰绿色、深灰色互层状粘土岩和粉砂岩组成，受构造成因而沉积形成。其中，粘土岩工程性质特殊，具有弱膨胀势，渗透性较差；在天然状态下具有较高的地基承载力和抗剪切强度，浸水后其工程性质变差。

参考文献：

[1] 刘惠军,聂德新.昔格达地层研究综述[J].地球科学进展,2004(S1):80-82.

[2] 张岳桥,杨 农,孟 晖,等.四川攀西地区晚新生代构造变形历史与隆升过程初步研究[J].中国地质,2004,31(1):23-33.

[3] 王新民,张成贵,裴锡瑜.晚第四纪安宁河断裂的新活动与特征[J].四川地震,1997(3):8-16.

[4] 徐则民,刘文连.昔格达组地层研究中需要注意的若干关键问题[J].地学前缘,2011,18(5):256-270.

[5] 徐则民,刘文连,黄润秋,等.西昌昔格达组物质组成及源区分析[J].第四纪研究,2011,31(2):378-396.