（地质工程专业论文）川中红层工程地质特性与路用性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着经济不断发展，近年来高等级道路建设越来越多地向红色砂泥岩( 以下 简称红层) 分布地区深入，给勘察、设计和施工提出了越来越多新的课题，首当 其冲的是红层的工程地质特性及其填筑路堤的性能。由于红层具有遇水易崩解 软化，失水干缩，且本身强度低等不良工程地质性质，其变形破坏的力学机制 复杂，目前对其路用性的评价还处于定性阶段，系统的定量研究还进行得很少。 红层填筑路堤的主要问题主要有两个：即沉降变形和耐久性能。 本文以川中侏罗系的遂宁组、沙溪庙组泥岩、泥质砂岩为研究对象，对川 中红层泥岩采用常规化学方法、电子显微镜法及x 射线衍射法进行了详细的化 学成分、矿物成分分析，并对其渗透、压缩、崩解等工程地质特性进行实验， 对其影响因素及产生影响的机理进行了详细分析。 本文对红层填料的级配、含水量、密实度对其强度的影响进行了实验研究， 详细分析了三种指标对红层强度产生的影响和机理，并利用实验参数，采用数 值方法对路堤边坡稳定性进行了分析计算，对路堤填筑过程中和填筑完成后的 最终沉降及侧向变形进行了数值模拟，并与现场实际观测数据进行了对比分析， 最后，分析了红层填筑路堤的抗水性能和抗风化性能。从沉降变形和耐久性能 两方面论证了红层填筑路堤的可行性和可靠性。 关键词：红层工程地质特性路用性沉降 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , m o r ea n dm o r eh i g h c r i t e r i o n w a y sb u i l dt or e d m a d s t o n ea n ds a n d s t o n e ( r e d b e d s f o rs h o r tt h e r e i n a f t e r ) d i s t r i b u t i o ni nr e c e n t y e a r s ，t h e r ea p p e a rm a n yp r o b l e m s i nt h ec o u r s eo f i n v e s t i g a t i n g d e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i n g n eg e o l o g i c a la n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r a n db u i l de m b a n k m e n tb e h a v i o rs t a n di nt h eb r e a c h b e c a u s eo f t h es p e c i a lc h a r a c t e r a sc o l l a p s ea n db es o f t e nw h e ne n c o u n t e rw a t e r ，s h r i n ka n da p p e a ri n t e r s t i c ew h e n l o s ew a t e r ，a n dt h ei n t e n s i t yi t s e l f i sl o w ，e t c i t sd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mi sc o m p l e x a tp r e s e n t ，t h ee s t i m a t eo ft h eb u i l db e h a v i o rc h a r a c t e ri sq u a l i t a t i v e ，a n dt h e r ei s l i t t l ea b o u ts y s t e m i cq u a n t i f i c a t i o n a ls t u d yo f i t t h e r ea r et w om a i np r o b l e m so f r e d b e d se m b a n k m e n t ，t h e ya r ed e f o r m a t i o na n d l o n g - t e r mb e h a v i o r i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rs t u d y e dt h er e d b e d so fs u i n i n gg r o u pa n ds h a x i m i a o g r o u po fj u r a s s i ca ts u l n i n ga n dh e c h u a n i nt h ec e n t e ro fs i c h u a nb a s i n i n t h ec o u r s eo fr e s e a r c h i n g ，t h ea u t h o rg e tt h ec h e m i c a le l e m e n t sa n dt h em i n e r a l c o m p o n e n t s o fr e d b e d sb y e x p e r i m e n t s ，a n da c q u i r e d t h e p e n e t m b i l i t y ， c o m p r e s s i b i l i t ya n dc o l l a p s eb e h a v i o r ，a n a s y s e dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r sa n dt h e i n f l u e n c em e c h a n i s m d e t a i l e d l y n l i s 也e s i sr e s e a r c h e dt h ev a r i e t yo fi u t e n s i t yo ft h em d b e d sm a t e r i a lv si t s g r a i ng r a d e ，w a t e rc o n t e n t ，c o m p a c t i o nd e g r e e ，a n a s y s e dt h ei n f l u e n t i a lf o r ma n dt h e m e c h a n i s mo ft h et h r e ei n d e x e s t h e nt h ea u t h o ru s e dt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s b yn u m e r i c a lm e t h o d s ，a n a s y s e dt h es t a b i l i t yo fe m b a n k m e n ts l o p e sa n dc a l c u l a t e t h ed i s p l a e e m e n t s ，a n a s y s e dc o m b i n e dw i t ht h eo b s e r v a l i o n a t1 a s t ，t h ea u t h o r a n a s y s e dt h ec a p a b i l i t yo fe x l u d i n gw a t e ra n dr e s i s t i n gw e a t h e r i n g ，e x p a t i a t e dt h e f e a s i b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo f r e d b e d se m b a n k m e n t k e y w o r d s ：r e d b e d sg e o l o g i c a la n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r b u i l d e m b a n k m e n t b e h a v i o r s i n k a g e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出及选题意义 随着铁路建设的跨越式发展，行车速度高达2 0 0 k m h 的高等级铁路将是现 在及今后新建国有铁路的主要部分，新标准规定时速2 0 0 k m h 的铁路路基施工 后总沉降量不得超过1 5 c m ，每年沉降量不得超过4 c m 。而在我国西南、中南、 华南广大地区，红色砂泥岩( 以下简称“红层”) 广泛分布。已有的研究资料表 明，红层泥岩是一种特殊岩土，具有易崩解、易风化、遇水易软化、填筑密实 度对含水量很敏感、强度衰减等特点。特别是在西南地区，由于铁路所经地区 山间谷地众多，气候湿润多雨，排水不畅，这种特殊环境地质条件下，红层会 沉积为特殊软粘土( 俗称“松软土”，规范无正式定名) 。这种特殊软粘土在高填 路堤荷载及列车动荷载作用下不但会产生竖向沉降，使路堤沉降不能满足规范 要求，而且容易发生基底失稳的横向滑移，轻者造成工程隐患，严重者危及行 车安全。近几年西南地区已建成的内昆、株六、水柏等铁路建设中，曾有过不 少经验教训。另一方面，由于地质条件的限制，西南地区路基填料不得不考虑 就地选用工程性质较差的红层泥岩，由于红层本身强度较低，沉降变形大，且 受水影响大，一般认为其达不到时速2 0 0 k m h 铁路路基填料的要求。 近十几年，我国铁路、公路部门对高等级铁路和高速公路路堤沉降特性的 进行了大量研究。研究表明，高等级铁路和高速公路路堤质量控制的关键是填 料选取、压实标准及质量检测。在填料选择方面，我国初步建成的第一条高等 级铁路秦沈客运专线的路基采用了十分严格的填料标准。早期国外路基施工中， 不合格的填料坚决不用。其次，为了研究路堤的沉降特性，控制工后沉降值， 普遍将压实系数提高到9 5 ，6 0 c m 直径的荷载板试验弹性模量达到4 5 6 0 m p a ， 并采用“山羊蹄”压路机施工，高度超过2 0 m 的路堤必须在铺轨前1 年竣工。再 次，非常重视对路堤沉降的监测，尤其对高路堤，基本上每个工点都设有长期 沉降的观测点，积累有非常丰富的观测资料。通过以上措施，为保证较高速度 下列车的安全、舒适提供了基础。 近年来，随着高等级铁路、高速公路和机场工程实践与运营经验的积累和 新技术的运用，对原先次级填料的合理利用曰益成为共识。西班牙在9 0 年代初 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 建设的第一条高速铁路，为了降低工程造价，采用了较多的高路堤，并采用了 “风化岩填料”。交通部在京珠高速岳长段对花岗岩残积土路用性质进行了全面 系统的研究。以上成果表明，通过次级土的合理利用，在保证质量的前提下， 工程投资大大减少。但是，这些成果中，对红层软岩合理利用的施工技术和必 要的试验研究还较少。 在松软土地基处理方面，国内外对滨海相、三角洲相、湖泊相沉积软土特 性研究甚多，地基处理方法多种多样，不乏成功的工程实例。而对类似我国西 南地区大量分布的山间谷地相沉积的特殊红层“松软土”的特性及地基处理方 法的研究实为少见。西南交大、铁二院等通过总结近年西南地区铁路、高速公 路、机场等建设的实践经验与教训，对特殊红层“松软土”的工程处理措施积 累了一定的经验，但还需结合高等级铁路的工程建设进一步完善。 以正在修建中的遂渝铁路为例。遂渝铁路是西南地区建设的第一条时速 2 0 0 k m h 的快速铁路，仅遂宁合川约l o o k m 丘陵地段间，8 0 为红层泥岩，其 中有7 0 多处路堤工点建在山间谷地红层泥岩松软土地基上，还有高度1 5 2 0 m 路堤近2 0 处。即将改建的达成铁路情况相似。在这种特殊地质条件下修建高等 级铁路，必须解决红层松软土地基强度不足问题。同时，从工程投资角度考虑， 不可能采用大规模的换土方案，还必须解决红层泥岩填料路堤沉降超标问题。 因此开展本课题研究具有十分重要的实际意义和经济价值。 1 2 国内外研究现状 对红层地质特性的研究在人们研究红层初期就已经开始进行了，早在1 9 2 3 年，在俄罗斯学者研究俄罗斯地台东部红层时便确定了红层属于陆相沉积或陆 缘浅水沉积”1 。章泽军等人对赣西北陆相红色盆地北东段底层研究认为是由冲 积形成，并根据量化沉积学特征及成生背景分析，确定其形成始于晚白垩世、 止于早第三纪始新世一渐新世“。对于四川红层的时代，李悦言、陈秉范等人于 1 9 3 9 年对四川遂宁城郊的红色页岩进行了研究，认为该地层属于白垩系， 1 9 5 5 1 9 5 9 年四川石油普查队进行普查时认为该底层属于侏罗系上统，并命名 为遂宁组。1 9 4 6 年，杨博泉、孙万铨等人对上覆于遂宁组的一套紫灰色、棕红 色砂泥岩互层进行研究时认为其属于上侏罗统，并命名为蓬莱镇组，1 9 6 2 年， 盛莘夫等首次公开引用此名称，同年顾知微等也沿用。在对重庆合川附近沙溪 庙的砂泥岩进行研究时，杨博泉等人只统称为沙溪庙组，1 9 5 7 四川地质局认为 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 其结构构造和古生物化石都有较大的区别，并且分组标志层明显，遂将其划分 为上、下沙溪庙组，并沿用至今。 对红层成分的研究在国内外都进行得比较深入，目前对红层的矿物组成， 化学成分，各种成分的含量等的研究方法已经日趋成熟，诸如扫描电子显微镜， x 射线衍射仪，偏光显微技术等等，都已是微观一细观研究系列方法中成熟的 方法。何满潮等对我国部分矿区的泥岩，砂质泥岩等物质成分进行研究发现， 在古生代形成的一般不含蒙脱石，而高岭石含量较高，而形成于中生代的含有 少量蒙脱石及大量蒙脱石与伊利石的混层，而高岭石则偏少，新生代红层蒙脱 石含量高，比表面积大( 1 5 0 4 5 0 m 2 ) g ，吸水性较强啪1 。刘汝明、孙英勋等在对 云南中生代红层矿物组成时发现其中泥质胶结物占了4 3 0 鼽8 4 8 ，主要矿物 为方解石，长石石英以及云母，绿泥石等，铁的氧化物，氢氧化物约占1 0 左 右“。李奎、张玉光等在对四川恐龙化石进行研究时对四川红层的微量素及其 组合进行了详细的研究，发现四川红层中钡、砷、锌、铀等元素较一般的沉积 岩高，而铬、锯等元素则表现为异常地低。1 。 现在广泛分布在地壳表面的红层，大多学者认为是形成于相对干燥的陆相 强氧化环境下，从而使红层含有较多的红色高价铁质氧化物，同时含有诸如 s i o 。、a 1 。0 。、c a o 、m g o 、f e o 等化合物，矿物成分主要为石英、方解石、粘土 矿物，以及少量长石、燧石、云母、石膏、芒硝及有机质等。 红层作为工程软弱岩体，其力学特性对工程影响极大。何满潮等根据岩体 在受力情况下变形不同把软岩分为低应力软岩( o 。2 5 m p a ) 、高应力软岩( o 。 2 5 m p a ) 、节理化软岩、复合型软岩四类，并研究了不同时代软岩的强度分布， 得出吉生代软岩 中生代软岩 新生代软岩。吉随旺、宋光润等在对四川红 层力学特性进行的研究中得出川中红层泥岩的单轴强度为3 - 1 2 m p a ，粉砂岩单 轴强度为9 3 2 m p a ，软化系数都小于0 7 5 ，属于易软化岩石”。何满潮等认为 作为工程岩体的红层分级应与作用在其上的工程力相对应，在作用力能使岩体 进入大变形阶段时，才把红层认为是软岩”“。红层碎石土作为路堤填料的性能 研究方面，董泽福、刘多文认为一般的红层碎石土最大干密度为 1 9 5 - 2 0 5 9 c m 3 ，抗剪强度参数f 可达到1 0 4 5 k p a ，毋为2 7 1 0 ，其值较大， 而渗透系数都小于1 1 0 1 c m s ，作为路堤填料是稳定的。邓觐宇对湖南耒阳 红层研究后认为红层按照“预崩解一耙压一碾压”工序填筑路堤是可行的，在对 施工进行较好的控制的情况下，路堤的强度较高，水稳定性好，工后沉降微小 “”。柏树田等用直径3 0 0 m m 的大型土工试验仪器对砂岩、页岩堆石料试样进行 压实特性试验，并得出了软岩堆石料在不同级配的情况下的压实度，渗透特性， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 可压缩性，及对应孔隙比的关系，认为软岩在级配良好的情况下可以通过严格 的施工工艺达到较好的填筑效果。曲永新、时梦熊等对低应力软岩的崩解性 作了很多工作，时梦熊根据崩解特征，将软岩归结为4 种崩解形式：崩解物分 别为泥状、碎屑状、碎岩片状、整体岩块”“。谭罗荣等对粘土岩的崩解、泥化 机理进行了详细讨论，认为红层崩解是由于失水引起了粘土矿物水活性的复活， 产生了拉力，当拉力大于抗拉强度时，岩石开始从表及里的开裂脱落，导致粘 土岩崩解为小块，再与水作用被泥化，其理论抛开了单纯认为粘土岩崩解是由 于有粘土矿物存在，加入了地质成岩作用的影响，使崩解机理的研究向前迈进 一步m “1 。但对于软岩的颗粒级配对其强度及水稳定性的研究却还很少，仅有 铁道第二设计院的曾宪瑞在其文章中对颗粒级配对填筑效果的影响进行过研究 1 。其余涉及颗粒级配研究的内容大多是在崩解性质研究中，但并未对其对填 筑效果及填筑后强度的影响进行研究。所有这些多对红层软岩的理论研究和工 程应用研究打下了坚实的基础，提供了进一步深化的依据和工具。 我国红层软岩虽然分布面积广，但由于中东部地区经济较发达，工程建设 量大，遇到红层软岩较多，因此对中东部地区的红层路用特性研究也比较多， 湖南省已建公路及京珠高速湖南段均通过红层区域，并且发生了病害的道路也 相当多，1 9 9 6 年3 月，湖南省交通厅专门成立了“京珠高速公路湘潭至耒阳段 红砂岩地带路基修筑技术研究”课题组，对红砂岩的结构、分类、工程性质、 填筑机理、填筑方案、施工工艺、质量检测标准等进行了全面系统的研究，因 此对东部地区的红层砂岩类路用性研究已经取得了较多的成果，对工程施工提 供了较强的指导。 中西部地区由于经济欠发达，工程建设数量相对中东部地区较少，所以对 中西部地区红层软岩的研究较少，但是近年来高等级道路相继修建，如上世纪 九十年代中期的达成线，修建运营至今路基多次发生病害( 第五章) ，对路堤填 料的要求越来越高，远距离运输高等级填料而把开挖的次级红层土石料堆弃的 代价越来越高，因此对西部红层软岩的路用性研究也开始越来越多的被提上日 程。本文将就西部红层工程地质特征及路用性参数进行详细的实验研究。 1 3 本文的主要研究内容和方法 1 、研究内容 ( 1 ) 川中红层工程地质特性包括地质特性与工程力学特性。地质特性研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 主要包括红层的成因时代及物质组成：新构造运动及盆地沉积对川中红层形成 的影响，红层化学成分及矿物成分分析。工程力学特性研究包括红层重塑土抗 压，抗剪强度及可塑性，崩解性等与成分、密实度、颗粒级配、含水量关系的 定性定量研究。 ( 2 ) 不同级配红层填料的变形破坏机理，碾压密实度与沉降关系分析。 ( 3 ) 对原岩与重塑土风化特性进行对比研究，探索西部红层岩体及路堤随时 间及环境变化而发生变化的规律。 2 、研究方法 ( 1 ) 采用扫描电子显微镜、x 射线分析、化学分析等手段，分析红层软岩 的化学矿物成分，岩块细微观矿物晶粒排列规律等结构特征。 ( 2 ) 进行红层原岩岩块及重塑样的崩解试验，对崩解前后岩块结构面的发 育情况及程度、岩块及重塑样崩落物性状及成分进行统计，分析其崩解机理， 并对原岩和重塑土风化崩解特性的异同进行详细研究。 ( 3 ) 对不同级配的红层填料进行击实实验和室内抗压( 一0 、抗剪( e 中) 、 三轴、压缩、渗透等实验，分析试验结果，得出不同级配，不同密实度，不 同含水量对红层填料强度的影响。 ( 4 ) 结合红层路堤室内实验结果及现场调查，对红层作为路堤填料的性 能进行评价分析，确定红层作为道路新标准的填料的可行性和可靠性。 1 4 论文工作时间安排 2 0 0 4 年9 月2 0 0 4 年1 2 月 2 0 0 5 年1 月2 0 0 5 年9 月 2 0 0 5 年l o 月2 0 0 5 年1 1 月 2 0 0 5 年1 1 月2 0 0 5 年1 2 月 收集资料，阅读文献，准备实验工作 室内试验，现场实验观测 实验数据整理，统计，分析 论文撰写 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章中国红层分布及四川红层基本特征 2 1 红层的界定 红层这个名称在中国最早由李四光提出，红层主要指侏罗系、白垩系及少 量三叠系及早第三系形成的，已经成岩的，主色调为红色的泥岩、粉砂岩、砂 岩等岩性的一套陆相及浅水湖相沉积物，但红层并非只是中生代及以后的产物， 在北美一俄罗斯古陆以及我国的山西及塔里木盆地等部在古生代就有陆相“老红 层”沉积嘲。 2 2 中国红层的分布 我国红层大多形成于中、新生代，主要沉积时代为三叠纪、侏罗纪、白垩 纪、第三纪( 最早的红色地层出现于二叠纪早期，但仅在山西和塔里木地区有少 量分布，是以红色为主的杂色碎屑岩) 。 在三叠纪，我国大体可以古昆仑一古秦岭一古大别山为界，分为南北地区， 北区为广阔的陆区，南区则基本为海洋所覆盖，即“南海北陆”格局。三叠纪 时期，中国北方出现的亚洲古大陆中分布羞稀疏的中小型山间盆地，如古天山 前的准葛尔盆地、吐鲁番盆地，古祁连山前的河西走廊盆地及古秦岭以北的陕 甘宁盆地、沁水盆地等。三叠纪早中世为半干热气候，中三叠世后期及晚三叠 世变为温湿气候。因此，在中国北方的陕甘宁等盆地普遍沉积有大陆性干热气 候下形成的早中三叠系的红层。三叠纪中晚期为半干热至温湿环境下沉积的含 煤含油岩系，三叠纪中国南方则以海相沉积为主，红层较少。因此我国三叠纪 的红层主要分布在北方的陕甘宁等盆地中，主要为早、中三叠统的地层。 在中三叠世晚期的印支运动，给我国南方的古地理面貌带来了深刻的改造 和影响，三叠纪晚期普遍发生海退，我国侏罗纪除西藏、青海南部、云南西部、 广东和黑龙江东北部等地区为海水占据外，其余均为陆地。中国侏罗纪的陆相 沉积主要分布在各个盆地中，如巴蜀湖、西昌湖、滇湖、庆阳湖等，但由于各 个盆地所处的构造位置和古地理、古气候条件的不同，其沉积类型是非常复杂 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的，岩性和岩相的变化也比较大。( 1 ) 中国西北地区属于内陆盆地型沉积，主要 分布于陕甘宁盆地、柴达木盆地、吐鲁番盆地、准葛尔盆地和其他山问盆地中， 受气候的影响，下、中统多为含煤底层，而上统多为红色岩层和杂色岩层。( 2 ) 中国东北地区( 包括蒙、冀、京、鲁、辽、吉、黑等省) ，大部分由火山岩、火 山碎屑岩、沉积岩的互层组成，火山岩发育，下、中统多为含煤底层，上统有 少量红色岩层。( 3 ) 中国语南地区( 包括川、渝、云、贵和广西的大部分) ，主要 为四川盆地、滇中等山间盆地中，侏罗系除四川盆地北部边缘地带下统为含煤 地层外，其余全部为红层，其中西部的昌都、兰坪、思茅地区以陆相沉积为主 夹海相层( 滇西红层) ，与滇中红层基本相似。( 4 ) 中国中南和东部沿海地区，陆 相沉积主要分布于各种断陷山间小盆地中。在中国的东南地区( 包括皖、苏、浙、 闽及赣东、鄂东等地区) ，下统多为含煤沉积，中统下部多为灰、灰绿、黄绿色 的砂泥岩沉积，向上部过渡为红层，上统由火山岩、火山碎屑岩和沉积岩组成。 在中国的中南地区( 包括粤、湘、鄂、赣西、桂东、闽西南等地区) ，下统多为 含煤沉积，中统不太发育，多为红层或红、绿相间的砂泥岩互层，上统仅分布 于粤东和十万大山地区，主要是火山岩、火山碎屑岩和沉积岩组成。因此中国 侏罗纪红层以西南地区为代表，四川i 盆地、滇中、滇东地区基本全部为红层， 西北地区红层主要为中、上统地层。中南、东南地区侏罗系红层很少。 在整个白垩纪的时期，有一个：i l ：i l 东向的隆起地区，纵贯中国( 北从古兴安 岭起，向南经晋陕高原，直到云贵高原) ，在这个高原区基本无白垩纪的沉积， 为两侧盆地的沉积物源。以此山脉一高原为界，东西两侧的古地理面貌有较大 的不同，其接受沉积区可以分为如下4 个：( 1 ) 西北盆地区：包括从准葛尔盆地、 塔里木盆地、柴达术盆地向东直到陕甘宁盆地的广大地区。早自垩世的古地理 环境与侏罗纪基本相同，在西北地区的各大湖盆，如陕甘宁盆地、柴达木盆地、 吐鲁番盆地、准葛尔盆地等，盆地内沉积了巨厚的以细碎屑岩为特征的静水湖 相沉积，其中塔里木盆地为分布广泛的粗碎屑岩沉积。在中自垩世，西北盆地 区的地理面貌发生了很大的改变，准葛尔盆地、陕甘宁盆地等几个大的盆地均 已结束沉积。到了晚自垩世，整个西北地区处于整体的不断上升的过程，形成 晚白垩世红层沉积。( 2 ) 西南高原区：主要指藏青川i 高原，以总体隆起受剥蚀为 特征，仅发育有少量的陆相山间盆地型沉积，部分盆地为红色碎屑岩沉积。( 3 ) 西南湖区：主要为川滇湖区和滇西湖盆，为侏罗纪的继承性发育。( 4 ) 东部盆地 北区：主要指东北盆地地区和华北盆地地区，为中国重要的含煤沉积区，红层仅 在山东、豫西等极少数地区分布。( 5 ) 东部盆地南区：主要指中南、东南的广大 地区，在这个地区一系列大大小小的盆地中，广泛沉积有红色碎屑岩层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 总的来讲，白垩系的红层可以分为西北地区红层、川滇地区红层、中南地 区红层。西北地区红层主要分布在陕甘宁盆地等大型盆地中，主要为早白垩世 的红层。川滇地区的红层主要分布四川盆地、西昌一滇中地区和滇西地区。中南 地区的红层分布在数量众多的一系列大大小小的山问盆地和断陷盆地中，如江 汉盆地等。 我国第三系的红层主要分布在西北地区和中南、东南地区。( 1 ) 西北地区的 大中型山间盆地：以准格尔、吐鲁番一哈密、塔里木及柴达木盆地等沉积为代表， 其中第三系发育齐全，沉积厚度大，尤其是在靠近山前地带，沉积物多为在干 燥气候条件下形成的红色碎屑岩，常夹有厚度不等的石膏或盐岩夹层或团块。 ( 2 ) 东南和中南地区的中小型山间盆地：主要为中生代后期褶皱隆起的中、小山 间盆地和中、新生代形成的断陷盆地中，干燥炎热气候环境条件下，盆地中形 成了山麓相及河流相为主的红色碎屑岩。我国东部地区的大型近海盆地：以华北 盆地、苏北盆地、江汉盒地为代表，主要为暗色沉积。我国的四川湖盆、川滇 湖盆在第三纪均已基本不再接受沉积，红层分布较少。 综上，我国红层可以划分为如下几个区域：( 1 ) 西南地区红层：主要指四川、 云南、重庆、贵州、广西等省的红层。西南地区的红层是中国分布最广泛、最 有代表性的红层，以侏罗系和白垩系的地层为主，有少量早第三系的地层。( 2 ) 西北地区红层：主要是西北各省区的陕甘宁盆地、塔里木盆地、柴达木盆地等各 个盆地中沉积的红层，主要是三叠系第三系的红层。( 3 ) 中南、东南地区红层： 指我国中南、东南地区各个盆地中沉积的红层，主要是自垩系早第三系的地 层。很多地区上覆有第四系覆盖层，如长沙、广州、合肥、南京等地区。图2 一l 及表2 1 我国红层的空间分布及形成背景。1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 1 中国红层分布示意图( 曾昭旋，1 9 8 0 ) 表2 - 1中国红层的分布特征及形成背景 分区西南地区红层西北地区红层中南、东南地区红层其他地区红层 分布范围 四川盆地及盆地 西北地区的陕甘宁盆中南、东南广大地区的青藏高原、山东、 边缘、西一滇中地地、准葛尔盆地、柴达数十个盆地中。如江汉河南等部分地区 区、滇西地区、广 木盆地、塔里木盆地等 盆地、衡阳盆地、永康 西、贵州的部分地各大盆地盆地、金衢盆地、南雄 区 盆地、三水盆地等 地层时代侏罗系、白垩系地早、中三叠统、上侏罗白垩系、早第三系侏罗系、白垩系、 ( 主要)层统、早白垩统、第三系第三系 形成背景古川滇湖区的河古陕甘宁盆地、准葛尔山问盆地的河湖相和山山问盆地的河湖相 湖相沉积盆地、柴达术盆地的河麓相沉积和山麓相沉积 湖相和山麓相沉积 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 2 3 四川盆地红层的一般特征 四川盆地红层主要分布在四川省和重庆市的四川盆地及盆地边缘地区，以 侏罗系与白垩系为主，地貌形态主要为丘陵，其次为低山、低中山以及零星分 布的丘( 山) 间平坝。盆地内除成都平原、华蓥山等地区外，全部为红层出露区。 根据各地区红层分布时代、地表红层出露情况及其构造特征，可将四川盆地红 层划分为3 个分区，分别是盆北西南区、盆东区( 包括重庆地区) 、盆中区，又 将盆北西南区分为三个小区，分别为盆西小区( 包括成都平原地区) 、盆北小区、 盆南小区，四川盆地红层的分布及分区见图2 - 2 一，。 图2 - 2 四j | f 盆地红层分布及分区图 i 盆中区：i i 盆东区： 1 盆北西南区北小区：i l l 2 盆北西南区西小区，i h 3 盆北西南区南小区 四川盆地红层主要是侏罗系和白垩系，有少量的第三系地层嘲。盆地的侏 罗系几乎全为红层( 除盆地的北部和东北部边缘下统含煤) ，上统主要是红色泥 岩，砂岩，粗砂岩，中统是红色、紫红色、灰色等杂色砂岩、粉砂岩、泥质夹 泥灰岩，下统是紫红色砂泥岩组成。盆地的白垩系地层下统、中统、上统均很 发育，多为砖红、紫灰、紫红或夹紫色的砂岩、砾岩、粉砂岩及泥质岩，常夹 蒸发岩，主要分布在盆地及盆地的周边地区。四川盆地红层的盆中区是最具代 表性的近水平红层分布区，地形上为丘陵地区，相对高差不大，除龙泉山地区 构造作用强烈外，均为构造作用轻微的近水平红层分布区，区内基本无断层构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 造。岩体中一般发育有两组近正交的陡倾节理，是控制边坡变形破坏的主要因 素，盆中区是地质灾害相对轻微地区，近水平岩层的顺层滑坡是该区有代表性 的滑坡型式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章川中红层的地质特性 3 1 新构造特征及川中红层形成 四川盆地处在扬子准地台西部，松潘一甘孜褶皱带以东，为古生代后期开始 发育的大型陆相沉积盆地。四川盆地包括四川台凹及构造发展史非常复杂的台 缘褶皱带。一般认为，盆地雏形形成于中生代早期的印支运动中期，定型于白 垩系中期的燕山期运动后n “。 印支运动中期，巴颜格拉冒地槽和后龙门山冒地槽同时褶皱回返，龙门山 处在山前凹陷位置并构成补偿盆地；印支运动晚期，玉树一义敦优地槽回返，对 龙门山构造带又产生强烈作用，形成叠瓦式断裂系统，在山前形成新的补偿盆 地。印支运动晚期，四川西部地槽相继回返褶皱，大陆向西伸展，从扬子准地 台至昌都地块拼合为统一大陆，大洋退至西藏以西，这不仅使西部地槽褶皱、 压缩、固化，并在新的地槽褶皱带前缘和刚性的扬子准地台交接的薄弱带上产 生应力集中区，引起强烈的构造运动。这时的四川盆地还是与中国东南部融合 在一起的一个广袤的盆地地貌。 由于燕山运动东强西弱，上扬子地台、大巴山台缘褶皱带、康滇等地台盖 层褶皱，使得原与中国东部、东南部一体的四川盆地向川西南，川南萎缩，并 在沉积地层内发育了多层膏盐夹层。 喜马拉雅运动期间印度板块与欧亚大陆对接碰撞，使得特提斯大洋关闭， 西藏等地的中新生代地槽回返褶皱，龙门山再次出现活动高潮。龙门山的碰撞 机制类似于板块缝合带，扬子准地台北西两面都存在类似的碰撞，但以龙门山 最典型。与龙门山碰撞的同时，雪峰山隆起作用也向西北扩展。在这一系列的 构造运动隆起过程中。以川中刚性扬子结晶基地为中心，形成了四川盆地。 早在四川盆地雏形开始形成时，中国东部地区便开始总体海退，除粤东、 台湾及东北一隅在晚海西期褶皱基础上新生的饶河一带海槽外，中国大陆大部 分地区进入了陆相环境。由于新华夏系三条构造带的形成，控制了中国中东部 地区中生代及以后地层的发育，在凹陷区形成了内陆盆地或近海平原的沉积环 境。此外，古气候因素是控制地层发育的一个非常重要的条件，地处扬子地台 新华夏系西带南段凹陷区的川滇黔地区，气候干热，受其影响，从中生代开始， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 四川盆地进入陆相环境，沉积环境以极浅水或陆相为主，氧化作用强烈，因此 整个中生代除三叠系早期以外基本上都是红层。特别是四川中部地区，几乎全 部沉积为近水平的红色砂泥岩，厚度达3 0 0 0 m 以上。 3 2 川中红层软岩的成分及微结构分析 本实验样品取自遂渝客运专线d k l 0 及d k 6 0 段的填料场及大双公路西岭雪 山隧道泥岩，样品主要是地基土，残积土，泥岩及粉砂质泥岩。对取得的样品 采用三种不同方法进行了详细的分析。 3 2 1 化学成分 根据化学分析结果( 表3 一l ，成分含量用氧化物表示) ，样品中s i o ：含量较 高，都超过5 0 为5 7 8 3 6 8 8 7 ，a 1 ：q 含量8 2 3 1 5 3 5 ，f e ：0 。含量 2 5 0 , - 一3 8 6 ，c a 0 含量2 7 6 - - 1 0 3 6 ，游离氧化物f e 。0 3 含量0 2 6 , - - 0 5 5 ， 游离s i 0 2 含量皆为零，游离a l ：0 3 含量仅西岭雪山泥岩含0 0 7 5 。 表3 - i1 0 k ( 遂宁) 、6 l l 皿( 合川) 及西岭雪山岩土化学简分析结果 游离游离游离 取样样品s i 嘎a 1 2 0 3f e 她 c a o s i a l 舢f e 2 仉 位置名称( )( )( )( ) ( )( )( ) 泥岩l # 6 2 2 11 3 0 63 8 66 9 0o00 5 5 d k l 0 松软土 6 2 9 l1 4 5 93 5 57 3 8000 2 6 松软土 6 3 8 11 5 3 53 5 l6 7 60 00 2 9 粉砂质泥岩 5 7 8 31 1 6 53 4 44 9 000 0 3 5 d k 6 l 松软土 5 8 6 81 3 8 23 5 32 7 60oo 3 0 z 一5 2 泥岩6 8 8 78 2 3 2 7 l1 0 3 60 0 0 7 50 3 6 西岭雪山 z - 6 2 泥岩 6 8 1 99 ，0 92 5 09 7 40o0 4 2 样品化学成分分析结果表明红层泥岩及其风化物之所以为红色，主要是由 于其成分中含有f e 籼，而岩石与土总体表现为岩石f e ：0 。含量高于土，表观体 现为颜色上岩石明显比土要偏红，这主要由于在风化过程中氧化环境的变化， 与水的相互作用，致使一部分的铁离子与氧离子的结合被破坏，游离f e ：0 ，含量 减少以及部分被水搬运流失的原因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 2 矿物成分及微结构 1 x 射线衍射法 川中红层软岩及其风化物都含有多量的粘土矿物，运用x 射线衍射法可以 较好的反映其中含有的矿物种类，根据样品粉晶x 射线物相分析图( 图3 1 图 3 - 3 ) ，可得出以下结论： 样品中主要含有石英，蒙脱石及伊利石。其中，遂宁及合川试样以石英衍 射强度( i i 。= 1 0 0 ) 最高，并且二次衍射很明显，甚至强度高过了其他一些矿物 的一次衍射，其含量为最大，蒙脱石及伊利石的特征衍射峰( i i 产1 5 札3 0 ) 明 显，说明其含量也较高。西岭雪山泥岩蒙脱石衍射强度最大( i i = 1 0 0 ) ，石英 伊利石较小( i i l = 2 l 札3 6 ) ，对西岭雪山泥岩的膨胀性试验表明，其膨胀量明 显大于遂宁及合川，自由膨胀率最大为1 5 5 。说明蒙脱石的存在对泥岩膨胀性 的影响非常大。 图3 - 1 遂宁d k l 0 三种岩土粉晶x 射线物相分析对比图 图3 _ 2 合川d i ( 6 1 两种岩土粉晶x 射线物相分析对比图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图3 - 3 西岭雪山泥岩粉晶x 射线物相分析图 2 扫描电子显微镜法 电子显微镜具有极高的分辨力和很高的放大倍数，因此自本世纪三十年代 电子显微镜问世以来，得到了极其广泛的应用，特别是在材料科学、各种显微 科学领域，使对微观世界的研究向前跨越了一大步。 电子显微镜理所当然的也得到了粘土矿物的研究者的重视，随着制样技术 的提高和研究方法的不断发展，仪器本身的不断完善，电子显微镜在粘土矿物 研究中获得日益广泛的应用，成为粘土矿物研究工作不可缺少的一种重要手段。 粘土矿物属于层状和层一链状的硅酸盐，它们都是由两种结构单元类型作为 其结晶结构的基础：硅氧四面体和铝( 铁、镁) 氧八面体。其结构层可以由两层( 一 层四面体和一层八面体) 、三层( 两层四面体和一层八面体) 、四层( 两层四面体 和两层八面体) 组成，结构层的特性是粘土矿物最重要的分类标志。根据单元层 的结构可划分出若干类型的粘土矿物：1 ：1 、2 ：1 、2 ：1 ：l 结构层类型的矿 物。常见的高岭石属于l ：1 型粘土矿物，伊利石、蒙脱石则属于2 ：1 型，绿 泥石属于2 ：i ：1 型。 由于粘土矿物特殊的结晶化学结构，其单矿物形态都呈现出鳞片状，而其 中根据矿物的胶结类型的不同，包裹的碎屑杂质的不同，其微观集合体的形态 各异，在扫描电子显微镜下大致可分为以下几种形态“”： 蜂窝状( 图3 - 4 ) 特征是可见2 - 3 “m 至1 0 m 2 9 m 大小的、近似等轴的“蜂 窝”。孔壁为基面一基面，基面一断口相互接触，并进一步形成凝聚接触。 骨架状( 图3 - 5 ) 主要是由原生矿物粘土粒组成的一种疏松的孔隙均匀的结 构。其原生矿物大小和分布都不均匀，级配不甚良好，粘土矿物主要分布在较 大原生矿物的表面，并不形成完全的基质，结构单元之间基本上是凝聚型的， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 无定向性。 基质状( 图3 - 6 ) 特征是在整个无定向的粘土物质( 基质) 中，含有无序分布 的粉土粒和砂粒的夹杂物。 紊流状( 图3 7 ) 特征是片状粘土矿物或稍厚的集聚体沿一定的方向有很好 的定向性。但由于砂粒或粉粒的存在，微集聚体需要绕过其包裹体，从而表现 出紊流的外观。 层流状( 图3 - 8 ) 特征是结构单元按大小具有良好的分选性及它们沿层面的 高度定向性，从而使这种结构呈现层流外观。 本次实验样品红层软岩电子显微镜图像( 图3 - 9 图3 - 1 1 ) 显示片状矿物含 量较高，微集聚体尺度在几微米至几十微米之间，含有一定数量的粉粒级矿物 碎屑，外观呈现出紊流状结构，略显成层性。 残积土及耕植土图像( 图3 1 2 图3 1 3 ) 可见多量的粘土矿物片状单体及聚 合体，尺度在零点几微米至十几微米之间，含少量的矿物及生物碎屑，外观呈 现出蜂窝状结构、骨架状结构。 可见，经过风化以后，泥岩由紊流状紧密胶结变为蜂窝状、骨架状松散堆 积，泥岩的结构被破坏，单体及聚合体间接触变得疏松，胶结物消失，单体明 显，呈杂乱无序堆积，无成层性，孔隙组成多样，孔隙比增大，压缩性也相应 增大。 综合分析以上三种测试方法测试结果，可以得出以下几点结论： 红层及其风化物之所以显红色是因为其化学成分中含有游离的f e ：0 3 ， 泥岩比其风化物的游离f e 2 0 。含量高，其颜色更加偏红色。 红层及其风化物含有多量的s i 仉，a 1 ：0 ，f e ：0 。，其不同的组合构成了以 蒙脱石、伊利石为主的片状粘土矿物。 红层泥岩较粉砂质泥岩片状粘土矿物含量高，成层性更强，各向异性特 征更明显。 红层泥岩较粉砂质泥岩结构更疏松，胶结程度更低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 4 粘土微结构一蜂窝状图3 _ 5 粘土微结构骨架状 图3 - 6 粘土徽结构基质状图3 7 粘土岩微结构嗉流状 图3 _ 8 粘土岩徽结构层流状图3 _ 9d k 6 1 粉砂质泥岩( 合川) s e m 5 0 0 能清晰辨别出矿物碎屑及聚合体 颗粒，胶结物包裹矿物颗粒。结合较紧密， 粘土矿物单体模糊 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图3 1 0d k l 0 泥岩( 遂宁) s e m 5 0 0 x 能较清晰辨别矿物碎屑及颗粒 胶结物较少结构不够紧密，粘土矿物片 状单体较清楚，粉砂泥质结构 图3 - 1 2i ) k 6 1 残积土( 合川) s e m l 0 0 0 少量的矿物碎屑及聚合体，多量的 矿物单体排列杂乱。单体为边面或边边接触 孔隙主要由单体问多量小空隙及聚合体、矿物 碎屑间少量大孔隙组成 图3 _ 1 1 隧道泥岩( 西岭雪山) s e m 6 0 0 x 整体胶结良好，粘土矿物单体不明显， 碎屑物质较多略显成层性孔隙主要由胶结体 及矿物碎屑之间的大孔隙构成 图3 - 1 3d k l 0 残积土( 遂宁) s f 脚1 0 0 0 大量矿物单体堆积，略成层状，少量 聚合体包裹其中，单体呈边面或边边接触，孔隙 由矿物单体间及聚台体及矿物碎屑间孔隙共同组成 33 川中红层泥岩的物性参数测试 根据岩石样品压汞实验分析( 表3 2 ) ，1 0 k m 泥岩孔隙度为1 1 2 5 ，干密度 为2 3 6 9 c m 3 ，颗粒密度为2 6 6 9 c m 3 ；6 1 k m 粉砂质泥岩孔隙度为5 4 4 ，干密 度为2 4 8 9 c m 3 ，颗粒密度为2 6 9 9 c m 3 。 从图3 1 4 与图3 - 1 5 可见两种红层泥岩的孔隙直径分布、渗透系数( k ) 贡献 都呈正态分布，并且对渗透作用有较大贡献的孔隙直径都分布在o 6 8 6 9 p m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 1 1 7 1 9 9 m 范围内，说明泥岩中大孔隙虽然量少，但其对水流阻碍作用小，有 利于水流通过，比起占空隙量大多数的小微孑l 隙，其对渗透的贡献更加大。 同时，从图上也可以看出，1 0 k m 泥岩孔隙分布较分散且均匀，o 0 3 6 6 f u n 级的孔隙量占总量的2 5 左右，偏向微孔隙方向孔隙较发育，占有多数的孔隙 量；渗透系数贡献率也较分散，呈圆滑的弧形峰值，峰值4 1 左右。6 1 k m 粉砂 质泥岩孔隙主要也集中在0 0 3 6 6 9 m 级，但其占总量的3 0 左右，并且在其他 孔径范围的孔隙量骤减；渗透系数贡献率孔径分布集中，k 贡献曲线呈尖峰状， 峰值达到了5 4 左右。 根据扫描电镜对泥岩显微结构的观察结果，1 0 k m 泥岩胶