廣東紅層特性及主要工程地質問題與建議

李小虎，陳干,2，張赟，黃金龍

（1.廣州市設計院集團有限公司巖土與地下空間院，廣州 510665；2.華南理工大學土木與交通學院，廣州 510640）

1 廣東紅層的形成與分布

1.1 廣東紅層形成的大地構造背景

廣東紅層主要形成于中生代中后期，為碎屑巖。廣東紅層的形成及分布特點與大地構造密切相關。在廣東紅層形成時期，陸地形態(tài)與現(xiàn)今基本相似，是盆地內陸相碎屑巖的沉積，與大面積的地臺型沉積有所不同。

1.2 廣東紅層的分布

空間分布整體上被重大深大斷層控制，與斷層帶的方向有很大的聯(lián)系。主要受制于5 條深大斷裂，走向呈北東—北北東向，分別是恩平—新豐、郴州—懷集、吳川—四會、河源、蓮花山。其次還受到高要—惠來斷裂帶和瓊州海峽斷裂帶的影響，走向為東西向，形成了現(xiàn)今帶狀和串珠狀的分布特征[1]。

1.3 廣東紅層沉積環(huán)境

紅層需要古老沉積盆地，有足夠的沉積物來源才能沉積。沉積盆地一般為內陸盆地，小部分是海濱、海相沉積。沉積物源是周圍山地。

1.4 廣東紅層主要組成物質

礦物成分有黏土礦物，包括長石、石英、云母和高嶺土等，紅層碎屑含礫石、砂。其中碎屑成分一般與周圍山地物源相吻合。膠結物主要由含硅質、鈣質和鐵質成分的泥、砂和化學膠結物組成。

2 廣東紅層的特征

2.1 結構和構造特點

紅層結構類型有砂質、粉砂狀、砂礫狀、礫狀以及泥質、粉砂泥質。薄中厚層狀構造是紅層碎屑的主要構造類型。

2.2 盆地分布特征

1）外圍山地地貌帶：紅層丘陵之間的接觸帶常以斷層分隔，紅層盆地外圍多為較高山地，其外圍多由非紅色巖系構成。

2）盆地邊緣：盆地邊緣逐漸變薄到盆地中央的趨勢下，沉積物顆粒逐漸變細，與盆地邊緣斷裂帶分布吻合的厚角礫巖和砂巖沉積發(fā)生變化。

3）部分紅層盆地含較多的灰?guī)r礫石和紅色膠結物。

4）紅層丘陵帶：紅層丘陵帶巖性主要為砂巖或頁巖，在紅層盆地的中心區(qū)域，主要是丹霞地貌、平原，是向心水系聚集地，河谷兩側常出現(xiàn)砂礫巖和礫巖[2]。

2.3 地貌特征

在廣東，丹霞地貌是典型紅層地貌，始于喜馬拉雅造山運動[3]。此運動使紅層發(fā)生傾斜，紅色盆地抬起。經(jīng)風化逐漸形成巷谷、巷谷崖麓、崩積錐、緩坡、堡狀殘峰、石壁、石柱、溶溝、石芽和溶洞、石鐘乳、漏斗等地貌[4]。

2.4 巖性特征

廣東紅層主要由新生代上下第三系和中生代白堊系侏羅系三疊系組成，巖性主要為礫巖、砂巖、粉砂巖、黏土質粉砂巖、黏土巖或泥（砂）質頁巖等，亦可見石英砂巖或長石英砂巖，夾雜有灰?guī)r結核。

3 工程地質評價

3.1 不同時代的紅層分布特征與工程地質評價

1）侏羅紀紅層以軟弱夾層變形破壞為主。

2）白堊紀紅層除軟弱夾層變形破壞外，還存在溶蝕、腐蝕等問題。

3）新近、古近紀時期，紅層與蒸發(fā)巖互層。受構造影響大，除軟弱夾層共性問題外，還有紅層巖溶、滲漏、腐蝕等問題。

3.2 紅層地區(qū)的巖石基本特征與工程地質評價

1）礫巖有孔隙式膠結、基底式膠結兩種類型，膠結物為鈣質、鈣泥質或泥質。礫巖強度有較大差異，易發(fā)生巖溶。

2）砂巖礫石含量低，膠結物以硅質、鈣質、鈣泥質和泥質為主。砂巖強度較低，開挖后易風化，有較強透水性。

3）黏土巖以細碎屑物質為主，膠結物以鈣質或鈣質泥質為主，石脈或鈣質薄層常在裂隙中填充。黏土巖水穩(wěn)定性極差，開挖后易發(fā)生崩解和軟化。

3.3 典型沉積類型紅層的其他工程地質評價

1）軟硬巖層的強度差異和風化程度明顯，導致節(jié)理發(fā)育、巖體破碎，常常引起邊坡崩塌和破壞。

2）湖相沉積地層成分為含煤沉積物和紅色沉積物，紅層與煤層互層，紅層沉積物是危及礦洞工程安全的主要因素。

4）有機質含量較高，對巖土體的物理性質和力學性質影響較大。

4 廣東紅層主要的工程地質問題與應對措施

4.1 滑坡問題與應對措施

4.1.1 滑坡變形破壞模式

1）失穩(wěn)模式：因邊坡臨空條件影響，巖體卸荷變形，巖體產(chǎn)生陡傾坡外的卸荷裂隙，裂隙為巖體失穩(wěn)提供了后緣邊界。在風化作用下，斜坡巖體剝落，硬質巖剝落速度慢，軟巖快。差異風化導致軟硬巖層交界處軟巖內縮，形成凹巖腔，硬巖則懸空外部，形成懸挑狀危巖。

2）進一步破壞模式：懸挑狀危巖在外界力作用下，坡體上部會再次發(fā)生崩塌，形成新臨空面，從而形成累進式破壞[5]。

4.1.2 應對措施

采用清坡+局部削坡+掛網(wǎng)噴混凝土+鋼筋混凝土支撐柱+排水治理措施[5]。

4.2 軟硬互層問題與應對措施

4.2.1 項目概況與基礎選型

廣州黃埔區(qū)某項目魚珠街道，包括1#辦公樓36F（139.9 m）、2#辦公樓29F（139.9 m），3#裙樓2F（10 m），1 棟垃圾收集站1F（6 m），地下室暫定為4 層，建筑物高度約140 m，擬采用嵌巖灌注樁基礎。持力層選用無強風化夾層的連續(xù)穩(wěn)定中微風化巖帶。

4.2.2 勘察情況

本場地巖層以礫巖為主，夾含礫砂巖、細砂巖等，泥質鈣質膠結為主。巖層分為4 個亞層：全風化帶、強風化帶、中風化帶和中微風化帶。下部基巖風化帶總厚度較大，風化程度在深度方向呈現(xiàn)出逐漸減弱的總體規(guī)律。同一亞層中，巖石的風化程度存在差異，強風化帶中夾雜著中風化巖，中風化帶中夾著強風化和微風化巖。物理力學性質差異大。

1）巖層天然濕度單軸抗壓強度

項目共取持力層巖樣347 個，巖石天然濕度單軸抗壓強度標準值為22.3 MPa，范圍值為10.3～68.2 MPa。

2）巖體的完整性與軟化系數(shù)

從鉆探巖芯采取率（＞80%）看本場地中微風化巖帶中的巖體完整性均屬完整巖層，其完整性指數(shù)經(jīng)波速測試大于0.75，其完整性也是完整巖層。這是本項目基礎設計的有利條件之一。綜合巖芯完整性程度和波速測試，中微風化巖帶屬完整巖層。

紅層巖石表現(xiàn)出遇水軟化、失水開裂的特點，大部分屬于軟巖-較軟巖，只有少數(shù)屬于較硬巖-堅硬巖，軟巖-較軟巖的巖石軟化系數(shù)一般在0.60 以下。在本項目場地中，中微風化巖帶軟化系數(shù)均大于0.60，平均值為0.76，其他軟化系數(shù)小于0.60。

4.2.3 應對措施

1）設計參數(shù)取值建議

確定持力層抗壓強度和持力層端阻側阻系數(shù)是項目樁基礎設計最大難點。本項目在單軸抗壓強度的天然濕度下，樁基礎持力層表現(xiàn)出較大的離散性。為了確定合理的設計參數(shù)，逐樁取值，選擇單樁超前鉆孔巖樣試驗值的最小值作為持力層天然濕度單軸抗壓強度。最小值高于單軸抗壓強度統(tǒng)計標準值的，取標準值。場地中微風化巖帶屬于完整巖，端阻發(fā)揮系數(shù)c1取值為0.6，側阻發(fā)揮系數(shù)c2取值為0.06。通過試驗，本項目持力層軟化系數(shù)大于0.6，不進行折減。

2）勘察建議

第一，編錄時區(qū)分各種巖性，按不同巖性區(qū)分風化程度。

第二，在滿足設計施工需要的前提下，編錄時依照占多數(shù)情況的風化程度按照巖帶進行劃分，在編錄描述中對夾層情況詳細敘述。

第三，編錄時擬作為持力層的巖層定名應遵循巖層夾層風化程度不能差于定名風化程度的原則。例如，中微風化巖帶內不得夾雜強風化巖。

第四，鉆孔持力層取樣數(shù)量不應少于3 組。持力層建議抗壓強度值取試驗最低值且不高于所有巖樣試驗結果統(tǒng)計標準值。

第五，側阻與端阻系數(shù)應按照巖芯采取率、波速測試綜合進行完整性判斷，不應簡單認為中風化巖系數(shù)應低于微風化巖系數(shù)。

第六，通過實際試驗判斷軟化系數(shù)。

第七，利用周邊工程經(jīng)驗。以廣州市為例，天河區(qū)及東山區(qū)東部、海珠區(qū)主要為巖石完好性較好，軟質夾層較少，巖石單軸抗壓強度值較高的礫巖和砂礫巖，其中，風化單軸抗壓強度值通常在6.0～15.0 MPa，微風化通常在15.0～45.0 MPa；市區(qū)其他地段則以泥質粉砂巖和軟質砂巖為主，巖層裂隙較發(fā)育，完整度較差，夾層較多。微風化巖天然濕度單軸抗壓強度一般在9.0～15.0 MPa，少數(shù)情況下大于15.0 MPa[6]。紅層巖石抗壓能力與含泥量呈反向關系。

第八，鉆探過程中應注意的問題：（1）以勘察軟弱巖層力學性質、變形特征、產(chǎn)狀、厚度及分布規(guī)律等內容為重點，采取減少回次進尺，使用合理鉆速與壓力，采用合適鉆頭等有效措施，提高軟弱巖層采樣率。（2）主要采集和包裝試樣的部位應根據(jù)勘察對象的不同而有所不同。對于地下線開挖的勘測，要以坑道深度為界，以站內基坑邊線為界；對于建構筑物樁基礎，以樁端巖層為主。（3）因紅層基巖易失水干裂，應立即密封裝箱，及時送實驗室化驗，暫存陰涼處，以保證試樣不失水。

4.3 巖溶、軟化崩解問題與應對措施

4.3.1 項目情況

廣州番禺某項目，該場地地貌為風化剝蝕殘丘，場地基巖出露，采用天然地基上的淺基礎[7]。

經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn)，該場地基巖多為白堊系紅層，基巖內夾有硬塑型殘積土、礫石和風化砂礫巖。經(jīng)分析應為溶洞，形成原因為場地礫巖的鈣質膠結物被侵蝕流失。溶洞所占比例為21%，屬于中等發(fā)育。同時進行的跨孔彈性波CT 技術證實了該場地的溶洞發(fā)育程度較高，溶洞洞高最高為8.31 m，最低1.14 m；跨度最長為10.34 m，最窄為1.25 m。

本項目視溶洞埋深情況，采用開挖換填、灌漿對溶洞進行處理，并采取了加厚底板的措施。

4.3.2 應對措施

因紅層（主要是礫巖）存在溶洞發(fā)育的可能，在紅層勘察工作中，應重視對溶洞和強風化礫巖進行鑒別[8]。

首先，強風化礫巖采取率較小，鉆探取芯芯樣以礫石為主，應進行動探試驗，根據(jù)動探數(shù)對其進行鑒別，區(qū)分其為強風化礫巖還是溶洞填充物（如動探數(shù)有保證，則其密實程度就有保證，即使其為溶洞填充物，其力學性質也有保障）。

其次，提高采取率，檢查取芯樣內是否有殘積土成分；如基巖內揭露殘積土，則溶洞可能性大。

最后，注意觀察取芯芯樣內巖土芯是否有溶蝕痕跡。

另外，應注意淺基礎持力層與坡體紅層的保護，施工時紅層易軟化崩解。應避免基坑進水，邊坡夾層可采取封閉防水、加強支護等措施來控制水分滲透。

5 結語

紅層地層形成于中-新生代熱帶亞熱帶半干旱炎熱氣候環(huán)境條件下，該時期條件的獨特性，致使其在記錄豐富地球演化信息的同時，也因其易損性特性具有獨特工程屬性。過去人們主要研究的是紅層地貌與沉積規(guī)律，對紅層地質災害、工程病害、生態(tài)損害以及在紅層災變孕育、成因與防控的理論與技術方法等工程屬性方面的研究相對當前工程建設需求仍然顯得單薄，亟須系統(tǒng)開展紅層工程研究，為以紅層地區(qū)的大規(guī)模工程建設和生態(tài)保護提供理論與技術支撐，推動紅層研究向工程實踐深入轉化，保障紅層地區(qū)人居安全、生態(tài)文明建設、社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的高效實施。