探讨工程岩体分类“规范法”在新生代半成岩中的应用

杨晓芳1李玉倩2

2.北京市地质矿产勘查开发总公司北京100050

摘要：我国新生代半成岩地层分布广泛，西部和南方为多，且多为裸露型；中部和北方分布相对较少，多以埋藏型为主。由于沉积年代短，成岩作用差，自身结构稳定性差，物理力学性能差，新生代半成岩的工程性质在施工过程中易受工程环境影响产生明显变化。因此，在工程实施过程中对其工程性质进行客观、准确的评价显得更为重要。

关键词：新生代；半成岩；工程岩体分类；规范法

1北京地区新生代半成岩的分布特征

北京地区的新生代半成岩地层发育不全，大部分隐伏于山间盆地及平原第四系之下，在西部山麓地带有零星出露[1]。与文献资料中新生代半成岩的分布特征一致，既见于盆地，又见于各型地堑谷和侵蚀溶蚀洼地中，且多为断陷盆地或拗陷盆地。

1.1山区的分布情况

分布于山区的新生代半成岩为始新统长辛店组(E2c)，为一套在山麓地带由间歇性水流所形成的洪积相砂砾岩夹泥岩，主要分布于丰台区长辛店、辛庄、王佐及房山区良乡一带。西部山麓地带砾岩层较厚，泥岩相对较少，岩层厚约50m；至东部平原区逐渐相变为河流-浅湖相沉积的砂泥岩夹砾岩，厚度不大于200m。

1.2平原区的分布情况

自始新世中晚期开始，平原区初步形成北东向的“二凹一隆”格局。在“北京凹陷”盆地内沉积了厚度较大的新生代半成岩地层，隐伏于第四系松散覆盖层下几米至数百米，沉积厚度200m~1000m，主要分布始新统长辛店组(E2c)、始-渐新统前门组(E2-3q)、中-上新统天坛组(N1-2t)与上新统天竺组(N2tz)。岩性自西向东由山区洪积相砂砾岩夹泥岩逐渐过渡为河湖相砂泥岩夹砾岩。

2新生代半成岩的工程特性

根据工程实践过程中钻探、开挖揭示的情况以及室内物理力学试验的结果，新生代半成岩具有以下工程特性：

(1)单层厚度大，产状平缓，构造错动少，裂隙不发育，整体呈厚层状~巨厚层状结构。钻取的岩芯多呈柱状~短柱状，仅在胶结程度较好的钙质砂岩、砂质泥岩中发现少量陡倾、平直光滑、附泥膜的剪节理发育。

(2)细颗粒的物质成分中含有大量的亲水粘土矿物（蒙脱石、伊利石、高岭石等），其中，蒙脱石含量高达19.07%~47.18%；另外，交换性阳离子以钙镁为主。外部现象：置于地表易风化解体，遇水易膨胀崩解，失水易干缩开裂。

(3)沉积年代短，成岩作用差，多以泥质、钙质的半胶结~弱胶结状态存在；岩体多属微~极微透水，弱胶结、结构松散的粗砂岩或砂砾岩呈中透水。

(4)抗压强度低，饱和抗压试验难以实现。一般情况下，通过室内试验得到的岩块抗压强度小于1MPa，受颗粒不均影响的胶结程度较差的砂砾岩岩样抗压强度甚至低于0.1MPa，极少量胶结程度较好的钙质砂岩岩样的抗压强度可达到2～3MPa。

3工程岩体分类“规范法”的应用

工程岩体分类是采用工程地质调查、勘探、野外测试、室内试验等手段，依据单项或多项分类指标将工程建筑物所涉及的岩体（基础、围岩、边坡等）分成若干等级，其目的是对工程岩体的质量进行分级评价，为合理设计和安全施工提供科学依据。

3.1按坚硬程度分类

根据饱和单轴抗压强度的大小将岩石分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩五个等级[2]。

通过力学试验数据统计分析，随机选取的新生代半成岩岩样天然单轴抗压强度均小于5MPa，且因岩样浸水后迅速解体无法实现饱和单轴抗压试验。“规范法”对无法取得饱和单轴抗压强度的岩体可根据计算公式将点荷载试验强度IS(50)换算获取饱和单轴抗压强度。

通常饱和单轴抗压强度小于天然单轴抗压强度，据此可将新生代半成岩划为极软岩。

3.2按完整程度分类

“规范法”根据岩体完整性系数（Kv）将岩体分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎五个等级[2]。

从岩体完整性系数的定义分析，Kv由两部分构成，一是岩体的压缩波速值，另一部分是新鲜岩石的压缩波速值。新生代岩体的压缩波速可通过测试获得，但由于新生代半成岩仍处于成岩过程中，无法获得同时期新鲜岩石的压缩波速。即便用同一时期下部岩体的压缩波速值代替，其值亦与上部岩体的压缩波速值相差无几，分类的结果为完整，虽与实际的岩体状态相符，但同一时期上、下岩体之间无等级差别，失去了岩体分类的意义。

3.3按基本质量等级分类

“规范法”根据上述两项指标的分类成果综合评判，将岩体质量划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个等级[2][3]。前面已分别对完整程度与坚硬程度分类在新生代半成岩中的应用进行了论述，综合评价新生代半成岩的基本质量等级为Ⅴ级。

3.4按风化程度分类

风化作用是组成地壳的上部岩体在太阳的辐射、水、大气及生物等各种营力的作用下使其成分和结构不断发生变异的地质作用的总称[4]。理想的风化分带自上而下可分为残积土、全风化、强风化、弱风化（中等风化）、微风化及新鲜岩体。各风化等级对应的岩体野外特征及相关参数可参见参考文献中的相关内容[2]。

3.5按软化程度分类

“规范法”根据岩石的软化系数（KR）将岩石分为两类：当KR值小于或等于0.75时，为软化岩石；当KR值大于0.75时，为不软化岩石[2]。

工程实践中随机选取的新生代半成岩岩样均遇水崩解、软化，未获得岩石的饱和单轴抗压强度，亦无法通过计算公式转换获取饱和单轴抗压强度。通过查阅相关资料，新生代半成岩的软化系数基本都小于0.75，极少数新生代岩样通过试验获取的软化系数大于0.75，因此，新生代半成岩可初步判定为软化岩石，最终根据试验数据定量定义软化程度分类。

3.6按岩石质量指标分类

自从1967年由迪尔（Deer）等人提出了岩石质量指标（RQD），该值被广泛用于评价岩体的完整性与岩体质量分级。“规范法”根据RQD值的大小统计判断岩体的质量，将岩体划分为5类[2]。

本文中采用RQD值对新生代半成岩进行分类评价，并未采用直径75mm二重管金刚石钻头，仅通过常规旋转钻具采取岩芯。

从岩芯状态的直观判断，除粗砂岩、砂砾岩及砾岩外，其它新生代半成岩按RQD值划分的等级为好~较好，但此等级与其工程性质不相对应，故该分类方法对新生代地层仍不适用，分析原因有以下两个方面：

一、新生代半成岩力学性质差，层理节理不发育，不同岩性的岩层之间呈胶结状态，使得RQD值的统计在新生代半成岩分类评价中失去了意义。

二、由于新生代半成岩中的砾岩所含砾石粒径大小不均，砾石相对基质/胶结物属刚性体。在钻探过程中，旋转钻头研磨岩体，迫使砾石扰动软弱的胶结物，以致砾岩在钻进过程中解体。因此，RQD值的统计分类不适用于新生代砾岩地层。

3.7按结构类型分类

“规范法”按岩体的结构类型将岩体划分为整体状、块状、层状、碎裂状、散体状五个等级[2]。

在工程实践中钻遇的新生代半成岩层理、节理等结构面均不发育，不同岩性的岩层之间呈胶结状态。经“规范法”划分，新生代半成岩属“整体状”。

参考文献

[1]北京市地质矿产局.北京市区域地质志[M].北京：地质出版社，1991.

[2]中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范(GB50021-2001，2009年版)[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

作者简介：杨晓芳(1983–)，男（汉族），河南濮阳人，工学硕士，工程师.