古近系红层岩土工程特性分析

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1引言

红层在我国主要是指中生代以来的在热带或亚热带干旱环境下沉积的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪积相等陆相红色砂岩、砾岩和页岩等所组成的红色碎屑岩地层，在我国分布比较广泛。合肥地区由于地处特殊的大地构造部位，盆地内广泛，沉积了侏罗系、白垩系、古近系的以棕红、褐红、紫红色等色调为主的巨厚红色碎屑岩地层(红层)，岩性主要有细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩、泥岩夹砾岩等，一般上覆5~50m的第四系松散岩类。合肥地区红层岩石的力学强度一般较低，按岩石坚硬程度划分一般属软岩~极软岩，其中以古近系碎屑岩类工程性质最差。改革开放以来，合肥市经济迅速发展，高层建筑不断涌现，这些建筑一般均以红层基岩作为桩端持力层，部分深基坑也位于红层中，因此，准确了解合肥地区红层的工程性质对于合肥地区的工程建设具有重要的意义。但由于红层岩石具有抗风化能力差、遇水易软化泥化、易崩解等不良性质，在实际勘察工程中难以获得理想的岩芯采取率，也难以取得较准确的物理力学强度指标参数，尤其是全风化带和强风化带，不仅分层界线难以准确划分，也造成一些重要的岩土参数依然处于半定性半定量的阶段，在勘察报告中岩土参数多半只能提供经验值。本文根据工作经验，结合合肥市某场地岩土工程勘察中在古近系极软岩中的专项测试(测试采用的仍是常规的勘探取样测试及原位测试方法)，对该场地的古近系极软岩全、强风化带的划分及工程性质进行简要探讨，希望能对合肥地区古近系红层工程性质分析评价提供参考。

2岩性特征

该场地分布的古近系红色碎屑岩类主要为砂质泥岩、泥质砂岩，间夹泥岩、粉砂质泥岩互层，泥质中细粒结构，薄层~中厚层状构造，碎屑矿物以石英为主，含少量长石、岩屑、云母片，黏土矿物以绿泥石、伊利石、蒙脱石为主，化学成分以SiO2含量为最高(一般达50%以上)，其次为Al2O3，另有少量Fe2O3、CaO、MgO、MnO、TiO2[1]，泥质及钙质胶结为主，呈棕红色间夹褐红、紫红、棕褐色，上覆18.80~25.30m的第四系松散岩类，中风化的饱和抗压强度标准值为1MPa，为极软岩。场地内全风化带厚度约0.80~3.70m，强风化带厚度约0.20~5.10m，中风化带厚度大于50m。

3风化带划分标准

本场地的古近系红色碎屑岩属极软岩，也是半成岩，根据GB50021—2001《岩土工程勘察规范》(2009年版)[2]，可不进行风化带划分，认为划分风化带意义不大，同时全风化、强风化、中风化带是逐渐过渡的，没有十分明确的界线，尤其是全风化、强风化带在实际勘察作业中稍不注意，很难划分清楚。但根据合肥地区工程实践表明，将古近系极软岩划分出全风化带、强风化带、中风化带，对于工程建设是有必要的。如果均按强风化工程性质对待(有些勘察单位认为应按硬质岩风化划分标准，将合肥地区极软岩的中风化带划为强风化带)，则会造成工程的极大浪费，如果均按中风化工程性质对待，则可能造成工程安全隐患。根据笔者经验及本场地测试成果，笔者认为要对古近系极软岩全风化、强风化、中风化带进行相对准确的划分，应综合以下几方面进行。3.1根据钻进难易程度。根据合肥地区及本场地施工经验，表明汽车钻及落地钻在全风化层中采用螺纹钻头均能钻进，但汽车钻较落地钻钻进容易。在强风化层中汽车钻采用螺纹钻头尚能钻进但钻进速度明显减慢，落地钻采用螺纹钻头时钻进相对已较困但采用回转钻进时钻进较容易。中风化层中汽车钻及落地钻均要采用回转钻进方式，钻进时明显感觉到与全、强风化层有差异。在感觉到差异时及时调整钻探工艺可大大提高岩芯采取率，提高分层准确性。3.2肉眼鉴别标准。全风化层基本呈粉质(砂质)黏土夹黏土状态，坚硬状态，韧性中等~高，黏土矿物已全部风化为土，夹少量碎石，具有残余结构强度，除了颜色不同外，这是与上覆土体的明显区别。强风化层基本呈粉土夹碎石状，密实状态，遇水明显软化，可观察到部分石英、长石、云母等矿物。中风化层岩性虽较软，但已明显具有岩石结构强度和构造特征，具有一定的抗压强度，在强度上与上部全、强风化层有明显的区别。3.3原位测试判别标准全风化层中可采用标准贯入试验，标准贯入试验锤击数(未修正)一般为18~50击，大吨位静探设备一般也可贯入一定深度，贯入阻力Ps值一般为6~12MPa。强风化层中标准贯入试验尚可采用，但击数则普遍高于全风化，标准贯入试验锤击数(未修正)一般为30~80击，也可能因为其中所含碎石的影响贯入不了30cm，静探在强风化层中已不适合采用，一般仅能贯入表部20~30cm。中风化层中采用标准贯入试验已很难完整地贯入30cm，经换算后的标准贯入试验锤击数则一般大于100击(安徽省也将此作为红层中进入中风化的一个判断标准)，静探完全不适用。3.4相关物理力学指标判别标准。根据该场地中对古近系极软岩全、强风化层中专项测试数据，全风化层和强风化层在物理力学指标上有比较明显的区别。在全风化层中含水率、重度、塑性指数、孔隙比均要高于强风化，同时液性指数远远小于上部黏性土层，塑性指数一般大于10，抗剪强度与上部硬塑~坚硬状态黏性土相近，与强风化层差异较大。而强风化层的塑性指数均值小于10，液性指数变化区间极大，黏聚力明显小于全风化层，反映了强风化颗粒粒径变大且级配不良，是判断为强风化层的一个显著标志。

4岩土工程性质分析

4.1全风化层基本物理力学指标及岩土工程性质。全风化层基本物理力学指标及岩土工程性质如表1和表2所示。根据取样测试数据表明，全风化层的性质接近黏性土，但压缩模量要大于上部黏土，因此，变形较上部黏土低，其地基承载力要高于上部黏土，在以上部黏土为持力层时，全风化层作为下卧层性质良好。由于其矿物组成中含有伊利石、蒙脱石等亲水矿物，因此，也具有一定膨胀性，在基坑支护时该层的黏聚力和内摩擦角值应适当折减，在选取桩基参数时建议按现行JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》参照坚硬状态黏性土取值。4.2强风化岩基本物理力学指标及岩土工程性质分析。强风化层基本物理力指标和力学指标如表3和表4所示。从塑性指数看，场地内强风化性质接近粉土，取样测试的压缩模量较全风化层低，压缩系数也稍小于全风化层，明显不合理，分析原因，是该层中夹有碎石，取样时易受扰动造成土工试验的压缩模量偏小，实际上，因该层属密实状态，又夹有碎石，其变形要较全风化层低，因此，强风化层的地基承载力宜通过原位测试数据结合地区经验及《工程地质手册》中经验公式综合确定较为合适。强风化层在饱水时强度会明显降低，因此，无论该层是作为天然地基持力层，还是作为桩端持力层，或是基坑工程中，均应注意地下水控制及防水措施，其桩基参数可按JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》软质岩强风化取值，在基坑支护设计时应考虑地下水的可能不利影响，黏聚力值不应过高。

5结论和启示

1)通过本次对古近系极软岩全、强风化带的专项测试，可以看出全风化层与强风化层的物理力学性质和岩土工程性质是有一定差异的，与中风化层更有较大差异，在工程实际中可以进行较准确的区分，有利于工程建设时达成合理经济安全的目标。2)本次在古近系极软岩全风化、强风化带带中的专项测试虽获得大量岩土参数，但由于古近系红色碎屑极软岩岩性多样，不能通过本场地单独的一次工作就对合肥地区古近系极软岩形成完整的认识，合肥地区目前对于红层工程性质的研究工作尚远远不够深入，相关单位在条件许可时应多开展相关测试工作，尤其是在地基载荷试验、桩基载荷试验、崩解试验等方面，以形成成熟的理论经验指导今后合肥地区的工程建设工作。

【参考文献】

【1】叶朝汉.合肥市红层的工程地质研究[D].合肥:合肥工业大学,2004.

【2】GB50021—2001岩土工程勘察规范(2009年版)[S].

作者:王小勇 陈诚 单位:安徽工程勘察院