（地质工程专业论文）合肥市红层的工程性质研究及基岩工程地质分区.pdf

合肥市红层的工程性质研究及基岩工程地质分区 摘要 本文以合肥市区为研究重点，通过对红层概念的界定阐述，着重探讨 了合肥地区红层形成的影响因素主要包括：地质构造因素、岩石因素以及 气候条件和时间因素，其中地质构造因素和岩石因素是主要因素。通过广 泛的试验以及所搜集、整理的合肥市区众多钻孔资料，进一步查明了红层 空间分布规律及其埋深情况，编制了合肥市红层埋深图。论文还研究了红 层的物质组成、岩性结构特征及水文地质条件，并对红层的物理力学性质 进行了系统的试验研究。揭示出红层的物质结构特征是决定其物理力学性 质的内因，对红层的工程地质性质起主要控制作用，而外界条件，如水岩 作用、风化作用、断裂破碎带等都对红层的工程地质性质具有重大影响。 依据红层的分布、埋深、风化带厚度、岩石力学强度等特征对合肥市红层 工程地质条件进行综合评价，将其分为较有利区、有利区、一般区和较差 区四个工程地质区。论文成果无论是对合肥市市政规划和工程建设，还是 加深对红层工程地质性质的认识和丰富我国软岩工程地质理论都具有重 要意义。 关键词：红层，工程地质性质，综合评价，工程地质分区 s t u d yo nt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o p e r t yo f t h e r e d b e da n d e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lz o n i n go fb e d r o c k i nh e f e ic i t y a b s t r a c t t h i sp a p e rc h i e f l yd i s c u s s e dt h ec a u s e so ff o r m a t i o no ft h er e d b e di n h e f e ic i t y ，w h i c hc a nb ec l a s s i f i e dt h r e eg e n u s ：g e o l o g i cc o i l f o r m a t i o nf a c t o r ， r o c kf a c t o ra n dc l i m a t e t i m ef a c t o r c o l l e c t i n ga n d s o r t i n g l o t so f i n f o r m a t i o na b o u tb o r i n gi nh e f e jc i t ya n do t h e rd a t a w ec a nf i n do u tt h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt h ed e p t ho ft h er e d b e di nh e f e ic i t y u l t e r i o r t y , t h e e q u a l d e p t hm a po ft h er e d b e di nh e f e ic a nb em a d e f u r t h e r m o r e t h ep a p e r c o m p l e t e l y s t u d i e dt h e c o m p o s i t i o n t h ei i t h o l o g i c c h a r a c t e r sa n dt h e h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o no ft h er e d b e di nh e f e ic i t y a n dal o to ft e s t s a b o u tr o c k sp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yh a db e e nd o n e i ts h o w e dt h a t t h es t r u c t u r ef e a t u r eo ft h er e d b e dw a sai n n e rf a c t o rt od e c i d ei t sp h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y ，h o w e v e r 。t h ee x t e r n a lf a c t o r s ，s u c ha sw e a t h e r i n g w a t e r - r o c ka c t i o na n dt h ef a u t t e dz o n ee t c ，h a da ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o no ft h er e d b e d a c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u r i n g ， e m b e d m e n td e p t h ，t h i c h n e s so ft h ew e a t h e r e dz o n ea n di t sm e c h a n i c a ls t r e n g t h ， w ec a ns y n t h e t i c a l l ye v a l u a t et h er e d b e di nh e f e i i tc a nb ed i v i d e di n t of o u r d i s t r i c t s ：t h em o r ef a v o r a b l e ，t h ef a v o r a b l e ，t h en o r m a la n dt h ei n f e r i o t h e c o n c l u s i o n sw e r en o to n l yf a v o r a b l et oc i t yp l a n n i n ga n db u i l d i n g ，b u ta l s o s i g n i f i c a n tt od e v e l o p i n gt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i ct h e o r yo fs o f tr o c ka n dt o w e l lm a s t e r e dt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o p e r t yo ft h er e d - b e d k e yw o r d s ：r e d - b e d ；e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o e r t y ；c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ；e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lz o n i n g ； 插图清单 合肥市地理交通位置图4 合肥市地貌类型图及水系分布6 世界红层分布图( 彭华，1 9 9 4 ) 9 中国红层分布示意图( 曾昭璇，1 9 8 0 ) 1 0 合肥盆地区域构造位置图1 l 合肥盆地古近系、新近系构造单元划分图1 2 合肥幅地层分布区图一1 3 合肥地区构造地图图( 据杨则东等改) 1 7 断裂两侧第四系厚度变化图1 8 南淝河上下游阶地形态剖面图1 9 峰前区岩石的典型变形曲线类型4 0 合肥市红层分布图4 3 合肥市红层强度分布图4 4 合肥市红层埋深分区图4 7 合肥市红层综合分区图4 8 l 2 1 2 l 2 3 4 5 6 l l 2 3 4 1 1 2 2 3 3 3 3 3 3 4 5 5 5 5 图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 地貌类型及特征5 l ：5 万大蜀山幅、合肥市幅、肥西县幅、撮镇幅地层简表4 红层岩性分布表2 4 红层岩性特征2 4 红层的物质组成2 4 红层的风化特征的描述2 6 合肥疾病防预中心岩样试验成果表2 7 安徽省立医院公寓楼岩样试验成果表2 8 红层各类岩石的主要物理力学性质指标2 9 红层孔隙裂隙承压水含水岩组富水性表3 1 断裂带脉状水富水性表3 l 两种典型结构红层的主要化学成分3 8 红层岩石强度对比表4 4 1 1 2 3 4 l 2 3 4 5 6 7 l 1 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 5 表表表表表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒胆王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：勇蜘m 签字日期乃刁年，胡，；臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒壁 互些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孕膨煳 签字日期：刀刃年j 溯谚日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：嘲活 签字日期：加刁年i 月哆日 电话 邮编 致谢 本论文是在导师王国强教授的悉心指导下完成的，论文中的每字每句 都凝聚着导师的心血。导师学识渊博，治学严谨，平易近人，朴实无华使 我受益终生。研究生学习期间，导师在生活和学习上给予了我无微不至的 关心，用丰富的实践经验和理论知识指导我，使我能顺利地完成研究生学 业。在此，特向导师表示深深的感谢和崇高的敬意! 感谢在我论文阶段所给予我帮助和指导的各位老师，以及各位在我研 究生学习及论文写作过程中所给予莫大帮助和支持的同学和朋友，特别是 刘刚同学和钟轩明同学，在此致以深深的谢意! 感谢所有给我授过课的老师，感谢您们所给予我的知识。 感谢王国强老师推荐的实习单位安徽省建设工程勘察设计院岩土设计 所的所有工作人员，尤其是束冬青工程师，感谢他们的指导和帮助! 感谢各位专家、教授在百忙之中对我论文的审阅和指正。 感谢我的家人和身边的同学，是他们默默、无私的支持和帮助让我得以顺利 完成学业! 展后向所有关心、支持和帮助我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢! 作者；单灿灿 2 0 0 7 年1 2 月 i 台肥1 = 业大学2 0 0 7 届l i i ! j ，学位论文j 资源与环境工程学院地质工程 1 1 问题的提出 第一章前言 当前世界人口都市化及城市建筑向高层和地下发展已成为自然趋势。据了 解，国内外重大工程建设中出现的灾害性事故中，与地质有关的比例越来越大， 因此，国内外都加强了对城市工程地质的基础研究。我国幅员辽阔，各地区地 质、地貌，水文工程地质条件的差异和特殊性，形成工程地质条件的多样性和 复杂性，因而加强对合肥地区的岩土体工程地质性质的基础研究具有重要的意 义。中、新生代沉积的一套陆相红色泥质砂岩和泥岩( 地质界一般称“红层”) 在我国分布很广泛，如合肥盆地、屯溪盆地、四川i 盆地、金华盆地等。红层分 布区因其具有特殊的地质地貌形态，形成风景秀丽的“丹霞地貌”，如江西的龙 虎山、福建的武夷山和皖南的齐云山等，也是我国的道教圣地。由于其分布广 泛，在矿山建设、治理与开发河流和交通建设中经常遇到红层岩体。合肥盆地 分布的基岩主要是中、新生代的红色泥质砂岩，它是城市建设中经常遇到的岩 体，是大型桥梁、水利、能源工程、很多高层、超高层建筑、隧道、地铁、人 防等地下工程的主要持力层和围岩。从合肥过去对红层的研究历程看，主要重 点在岩石地层学、石油、沉积矿产方面，缺少对红层的工程地质性质的系统的 研究，特别是力学性质与地质环境互馈作用的研究。因此，开展对合肥地区红 层工程性质深入的研究，无论是对丰富软岩理论还是鳃决当前实际工程问题都 有着重要意义。 红层岩体抗风化能力差、遇水软化、泥化、崩解使其力学强度指标难以准 确求得，红层的地基承载力评价及岩体稳定性分析问题依然处于半定量化阶段。 合肥地处江淮分水岭之间，江淮丘陵南部波状平原上，地形较平缓。合肥地区 埋藏有巨厚的中、新生代沉积红层，埋藏厚度一般为几米到几十米。宜作为深 基础的持力层。合肥市的大部分高层都把红层作为持力层。 本文就以合肥市为论文研究探讨的区域，对合肥市的红层工程地质性质及 工程地质条件综合评价与分区进行更深入、更具体的分析，特别是对红层的泥 化崩解机理以及崩解土的路用性能等方面进行了较为深入的研究。对合肥市红 层的工程性质研究于前几年就有人开始，但是由于资料不全，对其分区及评价 未能深入。本人在收集了近年来城市建设丰富的基础资料的基础上，对前人的 埋深分区和综合进行完整的补充，另外也对合肥市红层的强度进行分区，以便 于更直观、更全面的了解合肥市红层分布概况。 仓肥t 业人学2 0 0 7 届硕士学位论文j 资源与环境丁程学院地质工程 1 2 国内外研究状况 对红层的研究可以追溯到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 1 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生成 背景分析，确定其形成始于白垩世，止于早第三纪始新世一渐新世【2 】。1 9 2 8 年， 冯景兰等将构成丹霞山的红色地层及粤北相应地层命名为“丹霞层”p j 。1 9 3 8 年，陈国达首次提出“丹霞山地形”的概念【4 l 。1 9 3 9 年，陈正式使用“丹霞地 形”的概念1 5 】。建国后，我国地质、地理工作者开展了广泛的区域地质调查和 综合科学考察，对中国红层分布和地层特征作了更多的研究。1 9 8 0 年，曾昭璇、 黄少敏在中国自然地理地貌中，专题论述了中国红层的分布、岩石学特 征、地貌发育和形态特点，对丹霞山为代表的主要丹霞地貌发育和地貌特征作 了系统总结1 6 。中国地质科学院( 1 9 8 2 ) 主编的中国的地层丛书也对我国 的红层进行了比较详细的论述。 就合肥而言，主要研究成果有：安徽合肥凹陷1 9 6 1 ) 年电测探工作成果报告 ( 1 1 0 万石油部华东石油物探队电发四大队1 9 6 0 ) ，苏皖地区布格重力异常图、 合肥凹陷布格重力异常图( 1 1 0 万石油部华东石油堪察局3 0 4 联队1 9 6 2 ) ，郑 庐断裂带南段及大别山周缘地震地质条件与危险区划分( 1 1 0 万中科院地质所 郊庐组省地震局地质队1 9 7 7 ) ，合肥、定远幅区域地质调查报告( 1 2 0 万省地 矿局区域地质调查队1 9 7 8 ) ，合肥幅水文区域地质调查报告( 1 2 0 万省地矿局 第一水文地质工程地质队1 9 8 1 ) ，合肥市地震影响小区划( 省地矿局1 9 8 7 ) ， 安徽省合肥市水文地质、工程地质、环境地质综合勘察报告( 1 5 万省地矿 局安徽工程公司1 9 8 8 ) 等。以及随着合肥市的经济发展，进行了大量的岩土工 程勘察工作，也积累了丰富的资料。 1 3 论文结构 本文在提出问题的基础上，在第二章概论部分就红层的概念问题以及中国 的分布情况展开了探讨和阐述。合肥红层是在怎样的条件下形成的? 它的形成 因素有哪些? 分布情况以及分布规律怎么样? 本文第三章和第四章在对合肥区 域地质概况分析的基础上，对合肥红层的成因、分布规律、以及工程地质性质 作了研究。通过对红层的具体分析，文章也进入了重点部分，在第五章和第六 章根据野外现场勘察以及已有区域地质资料、钻孔资料、工程勘察报告以及有 关试验数据，对合肥红层进行综合评价，并进行分区，包括分布图、埋深分区 图以及强度分区图，以便系统地了解合肥红层概况。 本论文的具体结构如下： 2 台肥1 = 业人学2 0 0 7 届硕 二学位论文】资源环境t 程学院地质- 程 1 4 研究区范围及自然地理状况 本次论文研究范围以台肥市区为中心。东西长2 3 ，0 k i n ，南北宽18 6 1 m ，面 积约4 2 7 k m 2 ，包括龙岗工业开发区、高新技术开发区、经济技术开发区北部的 一部分和双风及新客站综合开发区。 地理坐标：东经1 1 7 o 0 9 3 1 ”一1 1 7 o 2 4 7 0 5 ”，北纬3 1 。4 6 ， 2 9 ”一3 1 o 5 6 4 6 ”。高斯平面直角坐标：x 3 5 1 7 0 03 5 3 6 0 0 ：y 2 0 5 1 5 0 0 2 0 5 3 8 0 0 。 合肥市是安徽省省会城市，是我国重要的科教基地和建设中的铁路交通枢 纽。市区规划面积4 5 8 z 方公里，城市规划控制面积6 1 0 平方公里，建成区面积 1 2 0 平方公里，人口约4 5 0 万，人1 3 密度2 5 9 8 人k i n 2 。 合肥位于安徽省中部，交通便利，是全省政治、经济、科教、文化、交通 【台肥丁业大学2 0 0 7 届硕上学位论文】资源；环境工程学院地质工程 中心。现有冶金、机械、仪表、电子、轻工、纺织、化工、食品等工矿企业1 9 0 0 多家，综合实力居中国城市5 0 强第2 6 位。淮南、合九铁路北联京沪，南接京广。 空运可直达全国各大城市。水路经南淝河抵巢湖顺流可入长江。公路网更是四 通八达连贯全省见图1 1 。市区“两横、两纵、两环”构成主体干道，交通便 捷。 图1 ，1 合肥市地理交通位置图 研究区位于江淮分水岭的东南侧，地貌发育既受大陆地壳运动的控制，又 受气候变化和各种动力地质作用的影响，是内外应力相互作用的产物。总体展 示呈岗坳相闾、波状起伏的地貌景观。遥感图像上地貌景观表现的十分清楚， 其宏观地势西北高，东南低，构成平缓的波状微倾斜平原。区内地形切割深度 一般小于3 0 m ，一般海拔高程l5 - 4 5 m ，唯大蜀山异峰突起，海拔高程2 8 2 m ，而 巢湖浅滩最低处为6 m 左右。 区内水体发育，主要水体有南淝河、十五里河、二十埠河和董铺水库，其 均属巢湖水系。其中南淝河有三条支流，东支板桥河，中支四里河，西支为南 淝河正源，板桥河、四罩河分别于城北、城西北汇入南淝河。 新构造运动以来，第四系沉积受流水侵蚀一一堆积作用，本区河流地貌特 征明显，以河谷为中心向两侧延展。各地貌单元及第四系沉积物均以南淝河河 谷呈对称性长条形分布，从中心向两侧依次为河漫滩、一级阶地、二级阶地呈 对称型长条形分布。如南淝河自毫州路经双岗沿明光路过大东门至合裕路，呈 【台肥1 = 业大学2 0 0 7 届硕士学位论文j 资源与环境丁程学院地质工程 北西一一南东向蜿蜒如带状纵贯市区，其两侧河流阶地也如带状分布见图1 2 。 特别值得一提的是，由于新构造运动影响，使南淝河高程变化较大，上游为 1 8 - 3 0 m ，而中游1 0 2 0 m ，下游仅6 一l o r e ，也致使从上游到下游河漫滩由窄变宽。 根据野外地质调查、钻孔资料及现有区域地质资料及航片信息等，可将本 区划分为三种地貌类型，即构造剥蚀地貌、侵蚀一一堆积地貌和堆积地貌，并 细分为五个地貌单元，具体特征见表i 1 。 表1 1 地貌类型及特征 划分标准 海拔高 地貌类型坡度 程物质组成及形态特征 ( m )( 。) 锥状火 主要又次火山岩、熔岩、火山碎屑岩组成， 构造剥蚀地貌 5 0 一2 0 为平缓的孤丘状火山体，其形成于第三纪 山丘 时期，四周呈正地形，夷平面发育 主要由褐黄色粘土及灰黄色粘土组成，黄 二级阶 1 8 4 0 1 0 褐色粘土中裂隙发育。阶地高低起伏，由 侵蚀堆 地 1 5 西北向东南缘倾斜，其上坳沟发育，其前 缘与一级阶地缓坡相接 积地貌 由灰黄色粉质枯土、砂、粉土组成，阶地 一级阶 1 0 一4 0 高岭石，亲水性强的蒙脱石和伊利 石的含量越大，岩石的崩解性就越强。一般地，蒙脱石和伊利石含量之和大于 1 0 的红层崩解性强鼎，5 l o 之间的则具有较为明显的崩解性，5 以下的 为不崩解的红层1 3 3 j 【3 4 1 【3 5 1 1 3 6 1 。 - 3 7 【合肥工业= 学2 0 0 7 届硕j 一学位论文】资源1 环境t 程学院地质工程 总体上，红层的主要化学成分有9 种，其中： 3 i 0 2 的含量占主要部分，其次为 a 1 2 0 3 、c a o 、及f e 2 0 3 等，其余5 种化学成分均不超过4 。表4 7 给出了两种典 型结构红层的主要化学成分比例。 表4 7 两种典型结构红层的二i 要化学成分4 ”1 结构类型 s i 0 2a 1 2 0 3 c a o f e 2 0 3 粒状碎屑结构 4 6 5 3 7 5 1 2 1 1 4 3 1 6 4 4 0 1 l 1 67 0 2 8 6 6 8 8 泥状结构 2 3 2 4 6 42 8 8 0 0 2 0 7 8 0 0 9 3l ，3 9 2 2 0 lo ，6 5 4 4 4 2 红层的软化崩解特性 为了研究红层崩解特性及其规律，将红层的崩解试验分为室内浸水试验和 室内环境下的崩解试验。 室内浸水试验主要以自然水体为红层崩解的环境介质，将天然状态下的红 层置于清水中，观察其崩解现象和过程。并且对烘干后的崩解物进行颗粒分析， 以确定红层崩解的速度和等级，以及崩解物级配在理想崩解条件下的变化规律。 室内环境下的崩解试验是在室内的大气环境下，对天然状态下的红层进行 淋水一风干循环( 即干湿循环) 的试验，意在模拟现场的自然环境下红层的崩 解过程，并且通过每次循环后进行的崩解物颗粒分析，来确定崩解物的渐进变 化规律。 根据各种崩解现象及颗粒分析，可按照崩解程度由弱至强依次归纳为以下 几种崩解状态1 3 8 】【3 9 】： 不崩解：浸水后，岩样整体不崩塌、开裂，或仅在岩样边缘、棱角处 有少量的崩裂、脱离，但崩解物的重量需小于岩样总重量的1 ； 块状崩解：浸水后，岩样崩解成块状，直径一般大于5 r a m ； 粒状崩解：浸水后，岩样崩解成颗粒状，直径一般为o 5 5 r a m ； 渣状崩解：浸水后，崩解物为细颗粒状与泥状较为均匀的混合体； 泥状崩解：浸水后，崩解物呈泥状，直径般小于0 5 m m 。 由此，可按照崩解状态将红层崩解的强弱程度定性分为以下四个等级： 强崩解：浸水后，3 0 分钟内迅速崩解成块状、颗粒状甚至渣状，2 4 4 , 时内呈泥状崩解、渣状崩解或粒状崩解状态； 中崩解：浸水后，在3 0 分钟内缓慢崩解，呈块状崩解，2 4 4 , 时内状态 仍为块状崩解； 弱崩解：浸水后，在2 4 4 、时内不崩解，经过2 4 4 , 时以上的浸水或i 2 次干湿循环后呈块状崩解； 不崩解；经过2 4 d 、时以上的浸水或2 次以上的干湿循环后，仍处于不崩 解状态。 3 8 f a 肥工业入学2 0 0 7 届硕士学位论文1 资源与环境工程学院地质工程 4 5 红层岩体的变形和破坏性分析 岩石的变形特性是其力学性质的一个重要方面，一般是通过室内试验来研 究的。试件在试验机上受力，当载荷达到一定限度后，试件首先发生变形，随 着荷载的增大变形也增加，变形达到一定极限后试件将发生破坏。可见，岩石 的变形特性是指试件发生破坏之前的力学特性，而变形发展到一定阶段后必然 发生破坏，因此，变形和破坏是岩石在外力作用过程中的两个不同阶段。 岩石的变形特性一般是通过应力( o ) 一应变( c ) 曲线来说明的。当前 主要通过试验办法来获得岩体的变形特性，实验室试验值仅能反映小岩石石块 的变形特性，原位变形试验比起实验室变形试验更能反映天然岩体的性质。但 由手现场试验工作量大、时间长、费用高，故一般作得比较少。近年来，有学 者用计算机数值模拟来获得岩体的变形特性，取得了比较好的效果。 4 5 1 岩石的单轴压缩试验 岩石的单轴压缩试验过程中试件内部的应力状态始终保持均匀的单向压应 力状态，是最简单的应力状态，因而此试验是最基本的力学性质试验，也是最 常见的室内力学实验。 长期以来，岩石的变形与强度性质主要依靠普通材料试验机进行研究。但 在实践中发现，进行岩石的单轴压缩试验时，在应力达到岩石峰值抗压强度瞬 间，往往产生试件“爆裂”现象，以至很难测得接近及达到峰值时的应力一应 变关系，更无法获得峰值后的任何信息。实际上，岩石不仅具有峰前段曲线， 还有峰后段曲线。当应力超过岩石的极限强度后，岩石并没有完全失去承载能 力，仍然具有一定的强度。目前，对峰前区曲线的分类及其变形特征研究较多， 资料也较多。而对峰后区的变形特征则研究不够。 ( 1 ) 峰前区岩石的变形特征 根据米勒( m i l l e r ，1 9 6 5 ) 对2 8 种岩石的试验成果，可将峰值前应力与应 变曲线划分为6 类( 图4 1 ) 。 类型i 表明材料具有弹性性质；类型i i 表示材料的弹一塑性；类型i 表示 材料的塑一弹性；类型表示材料的塑一弹一塑性；类型v 表示材料的塑一弹 一塑性；类型表示材料的弹一塑一蠕变性。在以上的应力与应变关系曲线中， 向下弯的曲线( 类型i i ) 和s 形曲线在高应力时出现下弯段，这是由于高压力下岩 石内部形成细微裂隙和局部破坏的缘故；而向上弯曲的曲线( 类型) 以及s 形曲 线在低压时出现的向上弯曲段，是由于岩石在压力作用下其张开裂隙或微裂隙 闭合的结果。张开裂隙和微裂隙( 结构面) 闭合而引起的岩石变形是不可恢复的， 属于塑性变形的性质。一般在裂隙两侧面上总存在高低不平的“丘状”部分。 裂隙闭合过程中，裂隙面上的“丘状”部分先接触，这些“丘状”部分就产生 弹性变形。随着荷载增加，这些球状部分接触的总面积增大，而“丘状”部分 的高度减小，这就决定这应力一应变曲线的非线性性质。 一3 9 【台肥工业人学2 0 0 7 届硕士学位论文】资源与环境工程学院地质工程 o o o 0 f 0 仃 占 0 图4 1 峰前区岩石的典型变形曲线类型 ( 2 ) 峰后区岩石的变形和破坏特征 岩石峰后区的变形特征的研究是随着刚性压力机和伺服机的研制成功才逐 渐开展起来的，目前这方面的研究成果并不多。试验研究和工程实践都表明， 岩石即使在破裂且变形很大的情况下，也还具有一定的承载能力，即应力一应 变曲线不与水平轴相交，在有侧压力的情况下更是如此。 ( 2 ) 循环荷载作用条件下的变形特征 对于弹性的岩石多次反复加卸载，则每次加卸载都是一根重合直线。对于 非弹性岩石，如果卸载点超过屈服点，则卸载曲线不与加载曲线重合，形成塑 性滞囱环。如果每次施加的最大荷载比前一循环的最大荷载大，卸载曲线的斜 率也逐渐增大，这个现象叫强化。 4 5 2 岩石的三向压缩试验 岩石在三轴压力作用下加压，随着压力的增大，其峰值强度、极限强度以 及岩石破坏之前的应变，都较之单轴有很大的提高。当压力较低时，随侧压力 的增长岩石强度提高较快，当侧压力达到某种程度之后随着侧压力的提高， 岩石强度提高的幅度有所降低。h o f f m a n n 用砂岩做实验证明，随着侧压力的 升高弹性模量可以增加2 0 ，但是当接近破裂时，弹性模量可以降低2 0 4 0 。 4 6 红层软岩的不良工程地质问题 红层从工程力学角度看，真单轴抗压强度很低，属软岩范畴。其不仅具有 普通软岩的一般特征，如单轴抗压强度( 天然含水状态下) 低，弹性模量小( 大 多在1 0 3 m p a 数量级上) ，泊松效应明显，水稳定性差外，还由于其独特的物质 组成和结构构造所决定的一些不良工程地质问题。红层大多为泥质、钙质胶结， 4 0 f 合肥t 业人学2 0 0 7 届硕t ：学位论文】资源与环境t 程学院地质工程 胶结程度差，结构疏松，遇水有软化、崩解、扩容膨胀等不良现象；易风化， 抗风化能力差，风化迅速，风化物强度大大降低；由于红层为内陆河湖相沉积 物，层面、层理发育，形成泥岩夹层或泥岩、砂岩互层，而泥岩强度低，遇水 软化易滑动，即形成所谓的软弱结构面或泥化夹层，加之断裂构造形成的破碎 带，常常给深基坑工程、高边坡工程、地下工程带来很多工程地质问题。下面 就一些典型工程地质问题进行阐述。 首先，便是在前面已经提到的地下水对工程的危害。尽管红层地区的地下 水不是很丰富，但由于红层独特的物质组成，特别是泥岩中含有大量的粘土矿 物，浸水、失水时都发生强烈的物理化学变化，破坏原岩体结构，致使红层岩 体的工程地质性质恶化。其危害主要表现在以下几个方面：泥岩遇水软化，力 学强度降低；遇水体积膨胀，失水收缩，变形量大：红层中的可溶盐受水力侵 蚀，使岩体中空隙增大，力学强度降低，对水利工程造成溶蚀漏水、垮坝等恶 性事件。安徽皖南纪村混凝土坝基红层的恶化1 4 ，便是由于地下水对红层中可 溶盐的化学侵蚀而造成的。 其次，是红层的风化效应。风化作用是岩石在上暴露到地面以后，在自然 营力作用下发生的岩体结构破坏、成分改变等一系列变化【4 “。在水利，电力等 岩土工程领域，风化程度己成为评定岩石类别所必须考虑的4 个主要因素之一 1 4 2 。但在许多情况下，人们往往把风化作用引起的强度降低同岩石遇水软化效 应混淆在一起。事实上，岩石风化过程中，肯定有水力作用参与，但风化效应 与水对岩体损伤作用不能等同。它俩是岩体物理力学性质的两个不同方面特性 的反映尤其是红层软岩，其风化作用与水岩作用往往相伴发生，并产生耦合 作用，使岩体力学强度大大降低，从而影响基坑工程或地下工程施工的安全性 及其稳定性。 最后，是红层的软弱结构面。红层是干早半干旱气候条件下形成的一套内 陆河湖相红色碎屑岩，是一套粘土质岩与砂岩的互层，成岩作用差，层面结合 不牢，并夹有大量的软弱夹层。是一个典型的多层面、多夹层、有多种岩性组 合、产状平缓的层状结构体。由于其层面发育，且有大量的软质泥岩，抗压强 度低，变形量大、泊松效应明显、遇水软化膨胀、顺层抗剪强度低等不良工程 地质现象，形成相对软弱的结构层面。更为严重的是，在地质构造应力及地下 水的作用下，粘土岩夹层受到剪切破坏。形成泥化夹层或泥膜。 4 1 【台肥工业大学2 0 0 7 届坝t 学位论文l 资源与环境丁程学院地质1 i = 程 第五章合肥红层( 红层基岩) 分布特点及分区 在我国，红层主要泛指侏罗系至第三系的大陆湖泊、河流、山麓相碎屑堆 积物，岩性一股有砾岩、砂岩、粉砂岩和粘土岩等，有的地区还有泥灰岩或夹 有薄层淡水泥灰岩。本区红层主要是中新生代以来合肥盆地沉积的一套内陆河 湖相碎屑沉积物。红层依据岩石力学强度划分，属于软岩范畴，是工程地质学 当前研究的热点问题之一。 5 1 合肥红层的分布 本区位于江淮分水岭南缘的波状平原上，新构造运动以来，一直以升降运 动为主，主要是相对下降间或短时间的上升运动。因而，本区基岩上覆了几十 米厚的第四系松散沉积物，市区一般厚度为l o - 2 5 m ，最厚处靠近巢湖岸边，达 5 0 多米，区内少有基岩露头，这为区内基岩性质研究带来了一定的困难。但是， 据本区前人所研究的地质资料、物探、遥感解译、地震勘探、钻孔资料及工程 建设的勘察报告等资料，基本可以摸清本区红层的岩性及其分布特征。 从区域上看，本区红层主要为晚侏罗纪早第三纪地层，其中以晚白垩系 和早第三系分布最广。研究区以东及东南梁园、撮镇、义城集一带，分布一北 东向长条形的下第三系定远群红层、泥岩、砂质泥岩等，合肥市大东门往东及 其东南部分布了大面积的定远群砂岩、泥岩及砂质泥岩，是撮镇凹陷的西延部 分；合肥市西郊的董铺岛一带，侏罗系上统周公山组钙质砂岩、砾岩呈东西向 楔形展布，向东延伸至稻香楼、五里墩一带，其最大宽度约有2 公里宽，而其两 侧为白垩系上统张桥组地层，它们明显受蜀山断裂和东关一一桥头集断裂控制； 市区北边铝厂、张洼一带也分布了白垩系上统张桥组砂岩，再往北到肥中断裂 以北为白垩系下统新庄组地层：市区往南及美菱大道两侧亦为张桥组砂岩；而 市中心淮河路以北到三角线车队、瑶海公园一带分布了自垩系下统新庄组细砂 岩。其具体分布见图5 1 。 4 2 合肥丁业大学2 0 0 7 届硕上学位论文】资源与环境t 程学院地质工程 固1 回2 囤j 固4 团5 团6 1 定远群2 张桥组5 新庄姐4 周公山组5 断层 6 地层分界线 图5 1 合肥市红层分布图” 5 2 合肥红层的强度分区 为了便于工程建设的应用，需要对软岩进行划分。一般而言，软岩主要有 三大类：极软岩( 单轴抗压强度为o 5 5 m p a ) 、软岩( 单轴抗压强度为5 2 0 m p a ) 和次软岩( 单轴抗压强度为2 0 3 0 m p a ) 。在本区，周公山组长石石英砂岩强度 最高，其单轴抗压强度为2 0 3 0 m p a ，属于次软岩；新庄组细砂岩单轴抗压强度 一般为l o - 2 0 m p a ，属于软岩；张桥组砂岩及定远群泥砂岩、泥岩强度低，一般 为l 3m p a ，最高也只有5 7m p a ，属于极软岩。根据合肥市高层建筑、公路 立交桥等勘察成果，其部分工程岩石单轴抗压强度试验资料列举见表5 1 。 可以看出，本区红层岩石工程性质及强度差异明显，按岩石强度可以分为 五个岩性组： 1 极软岩 由下第三系古新统定远群泥质粉砂岩及粉砂质泥岩和自垩系上统张桥组砂 岩、长石砂岩、钙质砂岩夹薄层泥岩组成。分布范围广。在市区东、东南和东 北部以泥岩为主，西南、西北部以泥钙质砂岩为主。顶面埋深自西往东逐渐增 大，西部高新技术开发区处5 1 0 m ，市区一般2 0 m 左右，图幅的东侧约3 0 4 5 m 。 岩石呈砖红、褐红、紫红色，泥质中细粒结构，泥钙质胶结，主要分为泥质、 4 3 合i e t _ q k 大学2 0 0 7 届硕t 学位论文】资潍j 环境工程学院地质工程 长石、石英及白云母碎片。岩层为薄层、厚层互层状结构，裂隙不发育，少量 裂隙面闭合，为泥质或石膏细脉充填。按风化程度划分为强风化、中风化、微 风化三类岩性体： 表5 1 红层岩石强度对比表( 单位：m p a ) 次软岩软岩( 新极软岩 ( 周公山组)庄组)( 张桥组)( 定远群) 位置 r c 位置 r c 位置 r c 位置 r c 润安大 9 5 3 阜阳北路 f 电信大楼 2 0 0 4 7 6 0 7 合钢焦化厂 厦 3 0 3 8 ( 板桥河) ( 五罩墩)6 41 5 8 省财政 1 6 5 8 合瓦路 8 4 4 金寨路 2 6 2 农业大厦 2 9 5 厅立交桥 6 4 2 ( 大东门) 合肥市6 4 7 新华社 3 5 4 工行大厦 1 2 3 翡翠园 2 1 3 0 新图书馆 2 3 4 9 ( 淮河路) 7 0 6 ( 宣城路) 5 3 4 新华大 4 2 6 棉麻公司 1 6 1 0 北二环 天徽大厦 厦 2 3 0 1 ( 铜陵路)立交桥 1 8 31 4 2 ( 市府广场) 强风化带：一般厚3 5 m ，高新技术开发区局部地段可能受断裂构造控制， 强风化带厚5 3 一1 4 6 m 。呈土状，湿，可塑一硬塑状态，局部呈软塑( 南淝河 下游) 或呈砂土状，密实。标贯击数l5 6 7 击，岩石单轴抗压强度为o 2 2 0 8 7 m p a ，剪切波速3 7 0 4 8 i m s 。 中风化带：厚1 5 4 9 m ，泥钙质半胶结状态，岩芯呈柱状，块状，r q d 值 为7 0 一8 0 ，岩块用手可掰断，长时间暴露空气中易崩解。一般需用合金钻头 回水钻进。岩石结构层理清晰。单轴抗压强度0 8 1 2 6 6 m p a ，地基剪切波速3 7 4 5 5 6 m s 。 微风化带：岩芯呈长柱状、柱状，岩芯采取率8 0 一9 0 ，部分泥质胶结较 紧密的岩体强度较高，单轴抗压强度2 5 4 7 0 6 m p a ，剪切波速5 6 0 7 0 0 m s 。 该类岩石分布于长江路以南，徽州大道两侧，直延伸到南部的经济技术开发区 2 软岩 由白垩系下统新庄组中细粒砂岩夹泥质粉砂岩及少量泥岩组成。局部分布 于新、老火车站一东七一线，呈北西一南东向延伸。与上下地层呈不整合接触。 埋深2 0 一3 0 m ，顶面高程o 一2 0 m 。颜色有棕红、褐红、暗紫色等。主要为钙质、 铁质、泥质胶结，岩层层面多见百云母碎片。岩性较坚硬，裂隙欠发育。裂隙 面一般为方解石充填胶结。按风化程度分为： 强风化带：厚3 一1 0 m ，呈砂土状，密实。岩芯采取率5 6 8 0 ，r q d 值4 2 8 0 ，岩石单轴抗压强度0 4 4 一1 6 1 m p a 。 中风化带：厚l 一2 m ，裂隙不发育，岩芯采取率7 0 - - 8 5 ，岩石单轴抗压 强度4 4 1 6 0 7 m p a 。 微风化带：岩芯采取率7 7 - - 9 0 ，r q d 值7 0 7 7 ，岩性坚硬，岩石单轴抗 4 4 台肥工业大学2 0 0 7 届硕j ：学位论上l 资师0 王 境工程学院地质工程 压强度7 7 1 1 6 1 0 m p a 。 3 次软岩 由侏罗系上统周公山组砂岩、长石石j 箕砂岩夹粉砂质泥岩组成，呈三角形 展布于图幅西部，西宽东窄。南部沿合肥六安断裂与自垩系张桥组接触， 北部大致自董铺岛一双岗一线不整合于白! 系之下。埋深5 2 5 m ，顶面高程5 1 5 m 。紫红色、青灰色，中细粒结构，中厚层构造。为钙质、铁质、硅质胶 结，岩性坚硬，裂隙较发育。按风化程度司分为： 强风化带：厚0 5 2 9 m 。密实一较坚硬，干钻困难，带水钻进较易，钻进 时钻机跳动大。岩芯采取率低，岩芯呈块状、碎块状，岩块大小一般为2 1 0 e m ， 一般己风化。不规则风化裂隙发育，为泥质、铁质所充填。标贯击数一般大于 l o o 击，岩石饱和单轴抗压强度9 5 3 m p a ，剪切波速5 5 0 m s 。 中风化带：厚0 8 3 4 m ，岩性坚硬，千钻无法钻进，带水钻进较平稳，无 跳动现象。裂隙较发育，岩石沿裂隙面、岩石层面破裂成短柱状、块状。r q d 值为3 0 一6 0 ，岩石单轴抗压强度8 3 7 一1 7 4 3 m p a 。剪切波速6 5 0 m s 。 微风化带：岩性坚硬，岩石硬度4 5 级，钻进困难。岩芯呈柱状及长柱状， 砂质泥岩呈薄片状。岩芯多沿层面、裂隙面断开，r q d 值7 0 1 0 0 ，裂隙不发 育，裂隙面平直，宽1 3 m m ，为碳酸盐及泥质充填。岩石天然重度2 4 3 2 6 3 k n m 3 ，含水量2 4 4 0 ，吸水率1 8 4 4 ，弹性模量2 6 4 6 0 6 m p a ，泊 松比0 2 8 - - 0 3 4 ，岩石单轴抗压强度为9 2 6 3 0 3 8 m p a ，剪切波速8 0 0 m s 。 4 坚硬岩岩性组 主要是火山岩，呈孤岛状出露于本区西侧大蜀山。岩性为橄榄玄武岩、辉 绿玢岩、角砾层凝灰岩和凝灰质细粒长石砂岩，灰黄、深灰色，致密结构，块 状构造，层状节理发育，多见风化裂隙，岩性坚硬。上部有数米厚的粘土碎石 ( 坡积) 层，其下出露基岩抗压强度1 4 9 0 一1 6 8 5 m p a 。 5 断层破碎带 本区断裂构造极其发育，断层破碎带较多，对工程建设危害较大，并又为 上覆松散层所覆盖，难以认识和查清，给工程带来许多隐患。在实际工程中， 对断裂构造破碎带的认识、处理，并予以合理利用是必须解决的现实课题。 本区断裂构造规模不等，形态各异，围岩及其力学性质各具特征。限于控 制程度，不能逐一讨论，只能根据钻探及人工挖孔桩揭露情况作简要描述。 断层破碎带特征 分布范围不等，宽度、风化带厚度差别较大，岩石强度取决于围岩性状及 断层力学特征。断层角砾由砂岩、泥岩岩块组成，呈棱角次棱角状，大小混 杂，由铁质、泥质胶结或充填。胶结较松散。断层带附近大量近于直立的高角 度裂隙发育，有擦痕、错动镜面等构造迹象。破碎带风化厚度不等。一般2 4 m ， 大者达十余米，风化程度不均，软的近似土状，硬的呈微风化状，干钻困难。 4 5 i 合肥t 业大学2 0 0 7 届硕上学位论文l 资源j 环境工程学院地质工程 物理力学指标 据少量测试资料，标贯击数在4 0 一l5 0 击，岩石天然重度2 0 9 k n m 3 ，含水 量18 8 ，明显高于围岩含水量。天然单轴抗压强度0 1 4 m p a ，剪切波速3 0 0 m s 。 工程处理措旌 鉴于断层破碎带的力学特征，一般不宜作为大荷重柱体的桩基持力层。在 实际工程中，须经人工处理，对基础采取加宽、置换、加密或加深并穿过破碎 带等措施。亦可调整建筑物上部结构和布局。 依据上述划分，我们可