页岩膨胀

湖北襄阳地区膨胀土工程特性及处理措施研究发布时间：2021-07-22T15:13:30.877Z 来源：《城镇建设》2021年9期 作者： 龚豪杰[导读] 为了确定湖北襄阳地区膨胀土的工程性质及解决膨胀土地基处理的设计方案

龚豪杰

武汉丰达地质工程有限公司襄阳分公司 湖北 襄阳 441000

摘要：为了确定湖北襄阳地区膨胀土的工程性质及解决膨胀土地基处理的设计方案，对湖北襄阳地区的膨胀土的工程地质条件、膨胀土的胀缩机理进行分析，结合襄阳地区膨胀土的处理经验，提出相应的地基处理措施和建筑设计、施工相关的措施，研究成果可为类似工程处理膨胀土地基时提供一定参考和借鉴。

关键词 湖北襄阳；膨胀土；工程特性；地基处理

0 引言膨胀土一般是土中指黏粒成份主要由亲水性矿物组成（主要为蒙脱石和伊利石），同时具有吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土[1-

2]。其力学性质很不稳定，对工程危害较大。襄阳地区膨胀土主要分布于襄阳以北汉江河谷及唐北河一带，其成因多以洪积为主，一般为弱膨胀土，其矿物成分一般为伊利石[3]。本文结合湖北襄阳地区膨胀土地基基础设计实践经验，在分析地区膨胀土的工程分布工程特性基础上，对其胀缩机理进行研究，并有针对性地提出膨胀土地基处理措施。1 气象条件研究区域地处亚热带季风区，气候温和多雨，冬季（12月～次年2月）寒冷少雨，春季（3～5月）多阴雨，雨量不大；初夏（6～7月上旬）雨量集中，易发生洪水；盛夏（7～8月）高温炎热，伏旱频繁，时有特大暴雨发生；秋季（9～11月）气候凉爽。多年平均降雨量约为910mm。一般情况下，冬季雨量约占年总量的10%，春秋季雨量约占年总量的40%，夏季雨量约占年总量的50%。 2 工程地质条件2.1 地形地貌襄阳地区地貌以汉江为界，两侧差异较大。汉江以东为南襄盆地（南阳盆地）西南部的汉江冲积平原区，地形平坦开阔，与丘陵相接地段地形略有起伏，多呈垄岗状，侵蚀风化严重，冲沟发育。汉江以西呈垄岗间丘陵地貌，其中岘山－隆中、庙滩镇、谷城县城附近主要为汉江阶地，其余地段属丘陵地带，地势总体呈起伏状。2.2 区域地层岩性及地质构造垄岗表层为第四系中、上更新统网纹黏土，粉质黏土，黏土，局部夹有钙质结核，下部为砂砾石层或黏性土充填的砾石层，黏性土层具弱－中膨胀性，一般以硬塑－半干硬为主。坳谷表层局部分布有软塑－可塑的松软土，厚度一般为3～6m。下伏地层以汉江为界，汉江以东以白垩系泥质砂岩、泥岩为主，汉江以西主要为志留系粉砂岩、页岩。襄阳地区属南襄盆地南缘，覆盖层较厚，沿线地质构造多以隐伏构造为主，地面出露较少，对工程影响较小。2 区域膨胀土工程特性襄阳地区膨胀土以Q2、Q3黏性土地层为主，为区域最具代表性的标志性地层之一，广泛分布于垄岗及河流阶地上，呈棕黄、棕红、棕褐色、砖红色、褐黄色，外表呈网纹、蠕虫状，垄岗以硬塑－坚硬为主，坳谷多为可塑。第四系覆盖层一般厚10～20m，往南襄盆地方向厚度趋增，在襄阳附近达到最大（钻孔80m尚未揭示完全）。对研究地区的膨胀土工点取样化验结果显示：膨胀土的自由膨胀率一般大于40%，蒙脱石含量为25%左右，阳离子交换量一般为240～355mmol/kg，膨胀潜势级别以中等膨胀性为主；个别地段膨胀土的自由膨胀率达到80%左右，蒙脱石含量40%左右，阳离子交换量大于360mmol/kg，属强膨胀土。综合分析表明，研究区取样中－弱膨胀土约占46%，取样中膨胀土约占53%，取样强膨胀土不到1%。 3 膨胀土胀缩机理根据其成因，膨胀土地基变形可分为饱水膨胀变形和失水收缩变形，总称膨胀土的胀缩变形。根据《膨胀土地区建筑技术规范》，膨胀土变形计算可分为3种情况（即Se、Ss、Ses）[4]，对于天然状态下的某种特定膨胀土，其最高含水量对应其最大体积，其最小含水量对应其最大收缩量。从最小体积至最大体积的往复变形中，其最大变形量为一定值C，即max（Se）=max（Ss）=max（Ses）=C。 以上膨胀－收缩过程随水文年自由循环。随着含水率的增长，膨胀率缓慢增大，当含水率达到一定程度后，膨胀率急剧增大；初始含水率越小，膨胀程度越严重。在外部荷载一定的条件下，膨胀进程受到外部荷载限制，整个膨胀－收缩变形在达到最小含水率时完成最大收缩变形，其膨胀－收缩过程的最大变形量为加荷状态下的膨胀变形量，并以此为振幅往复振荡，但并非完全可逆。4 膨胀土地基的处理措施处理膨胀土地基的本质就是减少土粒晶胞的负点特性，只要能较少土粒晶胞之间间距，使土体的空隙减少，就可以大大减少水的影响,从根本上杜绝水膜增厚，减少晶胞间距。膨胀土地基的处理措施主要有以下几种：（1）改良法。石灰改良法通常在膨胀土中掺入一定量石灰，利用石灰中的解离的钙离子与黏土中的钾离子、钠离子进行交换，增加晶胞的正电价，在一定程度上中和了土粒的负电性，减少土粒晶胞的排斥作用，从而降低了水分子进入的可能性，其胀缩特性可以得到一定缓解。由于石灰与土粒的胶结反应完全需要几个月，时间较长影响工期，加之石灰处理后的膨胀土地基强度较低，目前多采用水泥对膨胀土进行改良。（2）换填法。将膨胀土清除干净后换填非膨胀性的黏性土、砂石土等，从根本上消除膨胀土的影响。一般多用于膨胀土层较薄的地区，但在实际施工过程中往往很难将换填土与膨胀土完全区分开来，影响了换填效果。（3）压实法。一般采用机械压实使土体，使其凝聚力和内摩擦角增大、地基承载力提高。但土体的膨胀性并没有得到改善。实际工程中一般多用于弱膨胀土作为路基填料的道路工程，房屋建筑工程一般不采用。此外还有隔水法、保湿法等处理措施，但其效果并不理想，在这里就不逐一介绍了。5 建筑设计和施工相关措施对于膨胀土地基的影响，一方面从地基本身进行处理减少其影响，另一方面从房屋基础形式、主体结构、施工组织等方面采取相应的处理措施。（1）适当增加天然基础的埋置深度不小于当地大气影响急剧深度，当建筑物对变形有特殊要求时，尚应通过地基胀缩变形计算确定。（2）垫层法。一般多用于膨胀土层较厚的地基，在天然基础下铺设砂石垫层，减少地基胀缩变形和调节不均匀沉降。通常与增加天然基础埋深一并施工。施工简单易行，是一种较为经济适用的方法。（3）采用桩基础。桩端应锚固于非膨胀土层中，承台梁下应预留空隙或虚铺炉渣，避免膨胀土的影响。此外当膨胀土层较厚时，还应复核膨胀土胀缩对桩基的不利影响。（4）地基土防水保湿①基槽回填时采用非膨胀性黏性土或三七灰土进行分层压实回填；②合理增加散水宽度。（5）加强上部结构刚度和整体性。如在砌体结构中设置圈梁和地梁等。（6）建筑施工措施。一是提前平整场地，减少挖、填场地土壤湿度差异；二是基槽开挖对其进行有效保护，避免暴晒、雨淋、风吹，减少土壤含水率变化；三是合理安排施工时间，避免雨季施工，基础施工完毕后及时填实基槽。同时施工过程中也应避免生产、生活用水等地基的侵害。6 结束语膨胀土性质很不稳定，给建筑工程安全带来很大隐患。本文通过对对湖北襄阳地区的膨胀土的工程地质条件、膨胀土的胀缩机理进行分析，结合襄阳地区膨胀土的处理经验，提出相应的地基处理措施和建筑设计、施工相关的措施，研究成果可为类似工程处理膨胀土地基时提供一定参考和借鉴。参 考 文 献：[1]陈宝义,殷琨,刘大军.高速公路膨胀土填料的改性及其施工技术[J].公路,2004(12):82-84. [2]胡明鉴,刘观仕,孔令伟.高速公路膨胀土路堤处治后期土体性状试验验证[J].岩土力学,2004(9):1419-1422. [3]杨和平,张锐,等.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律[J].岩土工程学报,2006(11):1936-1941. [4]住房城乡建设部,国家质量监督检验检疫局. GB50112—2013 膨胀土地区建筑技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2012.

页岩一一基本知识页岩是粘土岩的一种。

页岩成分复杂，除粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母、莫来石等）外，还含有许多碎屑矿物（如石英、长石、云母等）和自生矿物（如铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等）。

页岩具有页状或薄片状层理，用硬物击打易裂成碎片。

页岩是由粘土物质经压实作用、脱水作用、重结晶作用后形成的。

1、页岩的类型常见的页岩有：①黑色页岩②碳质页岩③油页岩④硅质页岩⑤铁质页岩⑥钙质页岩。

1.1黑色页岩岩石中含有较多的有机质或细分散状的硫化铁而呈黑色。

外貌与炭质页岩相似，其区别在于不染手。

黑色页岩一般形成于缺氧、富含H2S的较闭塞海湾和湖泊的较深水地区。

如我国北方白垩系中的黑色页岩中含有丰富的有机质和介形虫、抱粉等微体古生物，是重要的生油岩系。

1.2炭质页岩这种页岩中含有大量呈细分散状均匀分布于岩石中的炭化有机质，黑色、能染手。

但灰分＞30%, —般很难作燃料。

常含大量植物化石，是湖泊、沼泽环境下的产物，出现于煤系中，常形成煤层的顶板与底板。

1.3油页岩油页岩是含有一定数量干酪根（＞10%）的页岩。

颜色有浅黄、黄褐、暗棕、棕黑、黑色等。

一般来说，含有机质愈多，其颜色也愈深。

其特点是比一般的页岩轻，而且有弹性，用小刀刮之，往往可成刨花状的薄片。

易燃，并发出沥青味及流出油珠。

油页岩属于页岩的范畴，但具有腐泥煤的特征，也有人把它叫做高灰分的腐泥煤”。

油页岩主要是在闭塞海湾或湖沼环境中由低等植物如藻类及浮游生物的遗体死亡后，在隔绝空气的还原条件下形成的，常与生油岩系或含煤岩系共生。

1.4硅质页岩页岩中SiO2平均值约58%,而硅质岩中的SiO2,可达85%以上。

在富含高岭石的硅质泥岩、页岩中，常保存有硅藻、海绵和放射虫化石，所以一般认为这种岩石中硅质的来源与生物有关，有的也可能和海底喷发的火山灰有关。

故硅质页岩中含有较多的玉髓、蛋白质等。

1.5铁质页岩岩石中含有铁矿物，铁质矿物作为色素使岩石带色，多呈红色或灰绿色。

炭质页岩工程特性及其边坡防护技术应用研究
杜日俊;梁日裕;赵世景;李博
【期刊名称】《西部交通科技》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】文章以环江县高铁站至金禾南路一级公路为例,通过野外地质调查、取样测试等方法,对环江地区炭质页岩的崩解机理、浸水抗剪强度开展研究。

结果表明:(1)炭质页岩经历干湿循环后,水分渗入原生缺陷中,岩体膨胀与收缩产生裂纹,裂纹在水岩相互作用下不断扩张、贯通,岩体由块状最终崩解成小颗粒状;(2)炭质页岩的抗剪强度随着饱水时间、含水率的增加而降低。

同时,根据炭质页岩的崩解性与抗剪强度受降雨影响较大这一研究结果,提出了素混凝土临时封面+植被混凝土绿化护坡方案,对环江县高铁站至金禾南路一级公路的炭质页岩路堑边坡进行防护,并取得了良好的防护效果。

【总页数】4页(P12-14)
【作者】杜日俊;梁日裕;赵世景;李博
【作者单位】广西路桥集团勘察设计有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U416.14
【相关文献】
1.土工膜+挂网客土喷播防护技术在炭质页岩边坡处治中的应用
2.炭质页岩蠕变特性及软弱夹层边坡稳定性分析
3.降雨入渗下炭质页岩路堑边坡渗流特性研究
4.基
于FLAC3D的炭质页岩边坡变形特性分析5.粤北地区炭质页岩填料工程特性与填筑施工技术研究
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水平定向钻进安装地下管线答题可以分为三个阶段，即钻导向孔，扩孔，管道回拖。

在长距离岩石水平定向钻进中，这三个阶段许多的施工工序及方法较之短距离钻进都有了一定的变化，以下从这三个阶段分别对长距离岩石水平定向钻进进行分析。

2导向孔钻进阶段2.1长距离岩石水平定向钻中导向孔钻进的难点在岩石层中进行导向孔施工，一般采用泥浆马达，即动力钻具作为动力源，其工作原理是使用高压泥浆驱动泥浆马达中的涡轮高速旋转，进而带动钻头旋转破碎岩石。

经过对实际施工经验和相关资料的总结，在长距离岩石层中进行导向孔钻进，所遇到的难点主要有以下几点：（1）长距离岩石钻进地层变化大，造成地层情况复杂，钻进过程困难。

水平定向钻进的岩石层主要为河流相沉积岩，主要是砂岩、砂砾岩、泥岩、页岩等地层，由于多数岩层都会经过多次的地壳运动，河流变迁，风化等地质作用，导致地层出现褶皱，断层，裂隙，层间角度不整合等地质构造，地层情况复杂多变，这就给水平定向钻进造成了许多困难，主要表现为：①在细砂岩，中粗砂岩等风化程度比较小的坚硬岩石中钻进，由于此类岩石抗压强度大，且切削下来的岩屑对钻具的磨损比较大，导致钻进功效比较低。

②较软岩层中，如破碎风化程度比较大的岩层钻进，由于钻具本身自重比较大，钻头会趋向于重力方向钻进，导致钻进角度比较难调整。

③软硬交互地层，钻进趋势会趋向于软岩层，造成钻进曲线偏离设计曲线。

④裂隙、断层岩层中钻进，主要是钻井液的漏失，导致钻井液无法满足施工，钻进功效降低。

（2）钻井液对复杂地层的适应性不足。

由于钻进距离长，可能经过的地层比较多，钻井液原则上需要根据不同的地层采取不同的配方，如切削的岩屑比较大的地层，主要考虑钻井液的携带能力。

但是由于实际施工需要同时保证施工质量和进度，还要控制施工成本，如果单纯从钻井液要符合地层情况角度考虑，则付出的成本过高，且不利于施工进度。

（3）钻进距离长，作用于钻头上的压力不易控制。

由于钻进距离长，孔中钻杆发生多次弯曲变化，钻杆应力及所受外力十分复杂，钻机操作台上的读数可能与实际情况相差比较大，这对司钻人员的施工造成了一定的困难。

页岩——基本知识页岩是粘土岩的一种。

页岩成分复杂，除粘土矿物(如高岭石、蒙脱石、水云母、莫来石等)外，还含有许多碎屑矿物(如石英、长石、云母等)和自生矿物（如铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等)。

页岩具有页状或薄片状层理，用硬物击打易裂成碎片。

页岩是由粘土物质经压实作用、脱水作用、重结晶作用后形成的。

1、页岩的类型常见的页岩有：①黑色页岩②碳质页岩③油页岩④硅质页岩⑤铁质页岩⑥钙质页岩。

1.1黑色页岩岩石中含有较多的有机质或细分散状的硫化铁而呈黑色。

外貌与炭质页岩相似，其区别在于不染手。

黑色页岩一般形成于缺氧、富含H2S的较闭塞海湾和湖泊的较深水地区。

如我国北方白垩系中的黑色页岩中含有丰富的有机质和介形虫、孢粉等微体古生物，是重要的生油岩系。

1.2炭质页岩这种页岩中含有大量呈细分散状均匀分布于岩石中的炭化有机质，黑色、能染手。

但灰分>30%，一般很难作燃料。

常含大量植物化石，是湖泊、沼泽环境下的产物，出现于煤系中，常形成煤层的顶板与底板。

1.3油页岩油页岩是含有一定数量干酪根(>10%)的页岩。

颜色有浅黄、黄褐、暗棕、棕黑、黑色等。

一般来说，含有机质愈多，其颜色也愈深。

其特点是比一般的页岩轻，而且有弹性，用小刀刮之，往往可成刨花状的薄片。

易燃，并发出沥青味及流出油珠。

油页岩属于页岩的范畴，但具有腐泥煤的特征，也有人把它叫做“高灰分的腐泥煤”。

油页岩主要是在闭塞海湾或湖沼环境中由低等植物如藻类及浮游生物的遗体死亡后，在隔绝空气的还原条件下形成的，常与生油岩系或含煤岩系共生。

1.4硅质页岩页岩中SiO2平均值约58%，而硅质岩中的SiO2，可达85%以上。

在富含高岭石的硅质泥岩、页岩中，常保存有硅藻、海绵和放射虫化石，所以一般认为这种岩石中硅质的来源与生物有关，有的也可能和海底喷发的火山灰有关。

故硅质页岩中含有较多的玉髓、蛋白质等。

1.5铁质页岩岩石中含有铁矿物，铁质矿物作为色素使岩石带色，多呈红色或灰绿色。

钻井液用抗温抗盐润滑降滤失剂SLJWP的制备及性能评价邱维清【摘要】在深井复杂地层钻井过程中,高温、高盐和高摩阻一直是困扰钻井工作的难题.在钻井液中加入抗温抗盐润滑降滤失剂,可以在降低摩阻的同时,还具有抗温、抗盐降滤失的效果.利用反相乳液聚合方法制备了一种抗温抗盐润滑降滤失剂SLJWP,在确定合成条件的基础上,对抗温抗盐润滑降滤失剂SLJWP进行了性能评价.红外光谱分析表明,新研制的SLJWP抗温抗盐润滑降滤失剂具有多羟基结构,该结构易和水分子结合,阻止水分子渗入地层.利用旋转粘度计,失水仪、极压润滑仪等仪器,对其性能进行了评价分析.结果表明,SLJWP降滤失剂具有良好的降滤失、抗温、润滑、抗Na+污染能力.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2014(033)011【总页数】5页(P97-100,105)【关键词】降滤失剂;抗温;抗盐;润滑;钻井液【作者】邱维清【作者单位】胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司,山东东营257064【正文语种】中文【中图分类】TE254.1在石油钻井过程中，钻井液用降滤失剂是保证钻井液性能稳定、减少有害液体向地层滤失、稳定井壁和保证井径规则的重要处理剂[1-2]。

在深井复杂地层钻井过程中，降滤失剂由于受地层高温及高价离子的影响，常常性能变差或失效，滤失量大幅上升，进而导致各种井下复杂情况的发生，给钻井作业带来巨大困难和损失。

同时随着定向井、水平井钻井工艺技术在复杂地层的推广应用，对钻井液性能提出了更高的要求，如何降低钻井摩阻，提高钻井液的润滑性能，成为定向井、水平井施工的关键。

为了解决钻井工作遇到的高温、高盐和高摩阻等问题，袁丽等[3]以淀粉，液体润滑剂等为原料，合成固体润滑降滤失剂，该产品虽有良好润滑性和降滤失效果，但在抗温抗盐方面则有待提高。

同样，刘传禄等[4]以改性纤维素和多种表面活性为原料制得PPL 防卡降滤失剂，其润滑性能优于柴油，而抗温性能也需进一步完善。

第七章地层压力与地层温度主要内容一、有关地层压力的概念二、异常地层压力研究三、油层压力研究四、地层温度研究五、油气藏驱动类型地层压力与地层温度是开发油气田的能量，也是油气田开发中重要的基础参数。

油气藏地层压力和温度的高低，不仅决定着油气等流体的性质，还决定着油气田开发的方式、油气开采的技术特点与经济成本，以及最终的采收率。

因此，对一个油气田来说，在勘探阶段以至整个开发过程中，都非常重视地层压力和温度这两个基础参数的获取。

第一节有关地层压力的概念压力的单位是帕，符号是Pa。

1Pa是指1m2面积上受到1N的力时形成的压力。

即：1Pa= 1N/m21MPa=103KPa=106Pa1MPa=10.194kgf/cm2或 1kgf/cm2=98.067kPa粗略计算时，可认为1kgf/cm2=100kPa=0.1MPa，其误差约为2%。

1、上覆岩层压力（地静压力）上覆岩石骨架和孔隙空间流体的总重量所引起的压力。

其值的大小与上覆岩层的厚度、骨架密度和孔隙流体密度有关。

单位为MPa 。

上覆岩层压力梯度:单位岩柱高的压力。

单位为MPa/m 。

据统计,第三纪岩层的平均压力梯度为0. 0231MPa/m （密度测井）;碎屑岩岩层的最大压力梯度为0.031MPa/m ;浅层的岩层压力梯度一般小于0.031MPa/m 。

2、静水压力（流体静压力）液柱重量所产生的压力。

其大小与液体的密度和液柱的高度有关，而与液体的形状和大小无关。

静水压力梯度：单位液柱高度的压力值。

由于水的密度一般为1×103kg/m 3 ，所以，静水压力梯度约为 0.01MPa/m 。

3.地层压力作用于岩层孔隙空间内流体上的压力，又称为孔隙流体压力。

常用Pf 表示。

含油、气区内的地层压力称为油层压力或气层压力。

地层压力全部由流体本身所承担。

油气层未被钻开之前，油层内各处的地层压力保持相对平衡状态。

一旦油气层被钻开并投入开采，油气层压力的平衡状态遭到破坏，在油气层压力与井底压力之间产生的压差作用下，油气层内的流体就会流向井筒，有时甚至喷出到地面。

聚醚胺页岩抑制剂的性能评价及现场应用郭文宇;彭波【摘要】Performances of various polyetheramines as shale inhibitors in drilling fluids were investigated.The results showed that lower average molecular weight,hydrophobic oxypropylene segment,and plentiful amino group of polyetheramines favored the improvement of inhibitive properties.Among the polyetheramines,D230 possessed optimal inhibitive capabilities as well as well fluid loss properties.Its application temperature was able to reach 150 ℃.D230 had not biological toxi city and could mitigate the corrosion of drilling tools.It had been applied successfully in jiangsha 33-8 well.%考察了各种聚醚胺作为钻井液用页岩抑制剂的性能.结果表明,较低平均相对分子质量、亲油环氧丙烷重复结构单元和丰富的氨端基等结构均有利于聚醚胺抑制性能的提高.在所有聚醚胺牌号中,D230具有最优抑制性并兼顾良好的滤失性能.抗150℃高温,无生物毒性,能缓解钻具腐蚀.该聚醚胺已在江沙33-8井中得到成功应用.【期刊名称】《精细石油化工》【年(卷),期】2017(034)003【总页数】5页(P48-52)【关键词】钻井液;聚醚胺;抑制剂;性能;应用【作者】郭文宇;彭波【作者单位】绵阳师范学院化学与化学工程学院,四川绵阳621000;四川仁智油田技术服务股份有限公司,四川绵阳621000【正文语种】中文【中图分类】TE254+.4在水基钻井液中添加3%～20%的KCl，是抑制页岩水化膨胀的传统方法[1]。