（构造地质学专业论文）长沙盆地白垩纪软岩强度特征及其地质环境分析.pdf

摘要 本文介绍了长沙盆地白翟纪红层软岩在盆地内的分布范围，白垩 纪地层的划分，及其红层岩类的划分，并以长沙盆地的核心部位长 沙市区为霞点研究对象。针对长沙地区白翟纪泥质粉砂岩的这一特殊 性岩石，分析了单轴抗压试验、基岩载荷试验和高压旁压试验的确定 红层软岩强度结果差异的原冈。按现行的建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 确定的地基承载力偏低，该类岩石具有较丈的地基 承载潜力。运用地质学、构造地质学、工程地质学、岩体力学理论对 长沙盆地白鼍纪红层软岩的地质成因与其工程强度特征进行对比研 究得出：从盆地地质条件分析，软岩强度有一定变化规律的；软岩的 工程强度主要受盆地构造部位、地层岩性特征、地层岩相特征、沉积 水介质的物理化学条件、构造作用等地质环境条件的影响。 关键词：长沙盆地，白翟纪，软岩，强度，地质环境 a b s 弧a c t t h ed i s t r i b u t i o no fc r e t a c e o u sp e r i o dr e dl a y e rs o f tr o c ki nt h e c h a n g - s h ab a s i n ，t h ec r e t a c e o u sp e r i o ds t r a t u mc l a s s i f i c a t i o na n dt h er e d l a y e ro fr o c kt y p ec l a s s i f i c a t i o na r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r r e s e a r c h w a sf o c u s e do nc h a n g - s h az o n e t h ek e ya r e ao ft h ec h a n g s h ab a s i n t h er e a s o no ft h ed i f f e r e n c er e s u l tb e t w e e nt h eu n i a x i a ic o m p r e s s i o n ， l o a d i n g t e s ta n d h i g hp r e s s u r ep r e s s u r e m e n t e rt e s t ( p m t ) h a sb e e n a n a l y z e d t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，i ti s f o u n dt h a tt h e b e a r i n gc a p a c i t y e v a l u a t e d w i t h“c o d ef o r d e s i g n o f b u i l d i n g f o u n d a t i o n ”( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) i sl o w e rt h a na c t u a lo n e t h i sk i n do fr o c k h a s l a r g e rg r o u n db e a r i n gp o t e n t i a l c o n t r a s tr e s e a r c ho nt h ep r o j e c t i n t e n s i t yc h a r a c t e r i s t i cc o n d u c t sa n dg e o l o g i co r i g i nt or e ds o f tr o c k d u r i n gc r e t a c e o u sp e r i o di nc h a n g - s h ab a s i nw a sm a d ew i t hg e o l o g y , s t r u c t u r a lg e o l o g y , e n g i n e e r i n gg e o l o g y , r o c km e c h a n i c st h e o r y 。i th a s p r e s e n t e dt h a tt h er e ds o f tr o c kp r o j e c ti n t e n s i t yh a s c e r t a i nr u l eb yt h e a n a l y z i n go f b a s i ng e o l o g yc o n d i t i o n ；r e ds o f tr o c kp r o j e c ti n t e n s i t y m a i n l yi n f l u e n c eb yf o l l o wg e o l o g ye n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n b a s i n s t r u c t u r e ，l i t h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r a t u mf e a t u r e s ，w a t e r m e d i u m p h y s i c a l - c h e m i s t r yc o n d i t i o n ，g e o l o g i cs t r u c t u r e k e yw o r d s c h a n g - s h ab a s i i l ，c r e t a c e o u s ，s o f tr o c k , p r o j e c t i n t e n s i t y , g e o l o g ye n v i r o n m e n t 原创性声明 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。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地方外，不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位 的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献， 己在论文的致谢语中作了说明。 作者签名燃日期：丝年月笪日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或 湖南省有关部门的规定，送交学位论文。 作者龆豸酩k 瓢繇耋尘坚日期：丝当三月丛日 中南大学硕卜学竹论文 第一章前言 1 1 研究意义 第一章前言 长沙盆地位于湘江和浏阳河交汇的河谷阶地，周围为地势较高的山丘， 为盆地地形，也称湘浏盆地、长浏盆地或长平盆地。根据陈国达先生的地洼学 说“1 ，它是我国东南丘陵中的一个地洼型断陷盆地。占盆地5 0 以上的接底岩石 为白垩纪沉积的红色、褐红色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂岩及砾岩， 俗称红层。 长期以来，对该类地层的研究基本上在两条战线上展开，一条以地学科技 人员为主，偏童f 基础性理论工作，注重研究特殊性岩土的年代、成因、分布、 成分、结构、物理力学性质等；另一条以偏重于应用的工程技术人员为主，注 重对研究对象的力学行为、工程性质、技术加固与改良。由于行业壁垒形成懂 地质的人对工程研究少，对工程熟知的人缺乏地质理论知识“1 的弊端，将两者有 机地结合起来并进行深入研究的很少。湖南省地质矿产局在湖南省1 ：2 0 0 0 0 0 区域地质调查成果基础上，收集综合省内外有关单位的地质资料于1 9 8 8 年出版 的湖南省区域地质志对其成因有所概述0 1 。一些勘测设计研究单位从各自行 业角度依据相应的技术标准对工程应用进行过不同程度的探讨“”“1 。 1 9 9 9 年由长沙铁道学院主持编制的长沙地基础设计与验收规程“”中对长沙 软岩地基的承载力比廿j 期建筑地基基础设计规范( g b 7 - 8 9 ) 有了较大的提高， 文献“”在原位试验的基础上结合j g j 9 4 9 4 支长沙地区红层嵌岩桩的设计进行了 新的尝试，并被列入高层建筑岩土工程勘察规程( j g j 7 2 2 0 0 4 ) 与全国同类 地基进行对比。但更多地是处于定性至半定量阶段，没有形成系统的认知。 近年来，随着长沙基本建设的突飞猛进，城与城b j ，城与乡间的交通建设 也如火如荼，加强从地质环境与与工程应用的综合研究极具实用价值与学术意 义。不仅可以较为全面从地质学角度研究长沙红层分布的时空分布、典型结构 的形成和分布规律，还可进一步确定红层风化分带，研究不同状态下的岩基强 度，探讨红层与水的相互作用机理，并通过与岩土工程勘察项目的结合，在第 一时间将研究成果转化为生产力，进一步检验、修正和充实区域红层的岩上力 学、环境岩土工程方面的研究和应用。 中南大学硕t 学伊论文 第一章前言 1 2国内外软岩工程特性研究动态 软岩工程技术的研究属于岩石力学的范畴，岩石力学自2 0 世纪5 0 年代开 始到6 0 年代逐渐发展为- - f 3 具有独立体系的科学，岩石力学发展过程中，各年 代具有明显的研究莺点。6 0 年代重点研究完整的岩块：7 0 年代研究莺点为岩体 和不连续面：8 0 年代计算机蔚然成风；9 0 年代十分强调综合分析研究即将岩石 材料性质的确定，大尺寸原位测试，计算机分析和工程作用规律相结合。2 0 世 纪末叶则由于岩石力学参数难以测准，限制了计算技术在该领域的发展“。 软岩工程的特性研究己成为岩石力学近年来主要的研究课题之一。1 9 9 5 年 中国岩石力学与工程学会成立了软岩工程专业委员会，是我困软岩工程技术研 究繁荣的标志“。国家垂点工程的软弱岩体地下工程的迫切需要向地f 工程研 究工作耆提出了一系列的蘑要研究课题，如地下工程在开挖期和运行期的围岩 稳定性、岩体变形力学机制、软岩承载力的取值、围岩稳定性评价、位移监测 预报、合理化支护等问题。如何运用岩体力学中理论与方法解决软岩中上述问 题，以便合理的分析和采取i 下确的设计方案、施工方法和治理方案，是当前岩 石力学工作者面临的藿要任务。紧密配合规模巨大介质复杂的软岩地下工程展 开力学研究工作，对于推动岩石力学工程的应用，加强科学的工程实用性，具 有重大的经济和现实意义。 1 2 1 岩石力的发展阶段 岩石力学先后经历了岩块力学阶段和岩体力学阶段，它的完善和发展直接 与经济建设息息相关。以岩体结构为基础的岩体力学为区域稳定性评价，如铁 路路线的选址，水库堤坝的选址等；地质灾害的防治，如山体滑移的预测，泥 石流的防治等；以及大型工程的岩体稳定性分析，如露天矿边坡设计，地f 洞 室的开挖等；提供了理论指导，产生过巨大的经济效益。然而，任何科学部不 是孤立的，停滞不前的，它必将随着生产的需要及相邻科学的发展而不断改进 和完善。岩体力学也存在着许多难以解决和解释的问题，如岩体结构的相对性、 工程岩体的连续性、工程岩体的几何大变形、工程岩体的物性关系和物性参数 等，这些复杂的地质、力学问题正得到解决。因此，岩石力学也正逐步进入第 三阶段工程岩体力学阶段“。 2 中南大学硕十学何论文 第一章前言 1 2 2 软岩工程研究理论 软岩在理论研究方面，科学的发展将促使工程技术与智能科学相交叉结合， 进而从艰本上改变单纯依靠硬科学柬解决工程实际问题的现状，这方面的研究 前景足薛人的。许多研究旨做了大量的工作，从以下几个方面眨开了深入的研 究。 ( 1 ) 小变形理论 在经典力学的小变形假定基础上发展起来的力学理论部遵循一个共同的假 设：位移和变形部是微小的。这就假设物体受力后，整个物体所有各点的位移 远远小于原柬的尺寸，因而应变和转角都小于l 。这样，在建盘物体变形后的平 衡疗程时，就町以用变形以前的尺寸代替变形后的尺寸，而不至于引起显著的 误差。研究的介质对象是不变形体或弹性体，在力学分析过程中，服从叠加原 理，并与荷载的特性、加载的过程无关，因此，其设计方法就足参数设计。因 而，建立在经典力学理论基础上的各种理论在进行软岩变形力学分析时，虽可 考虑软岩的物理j 线性问题，但从几何角度来看，它们仍然为小变形力学理论。 ( 2 ) 大变形理论 非线性大变形力学区别于线性小变形力学的显著标志“7 是，当研究的大变 形岩土体介质进入到翅性、粘崾性和流变性的阶段时，在整个力学过程中已经 不服从叠加原理，而且，力学平衡关系与各种衙载特性、加载过程密切相关。 如果说经典小变形力学理论对解决小变形岩土工程问题尚能奏效的话，那么， 描述软岩工程的大变形力学行为，就必须采用i e 线性大变形力学的理论和方法。 但迄今为止，这方面研究尚不多见。这方面的杰出研究者有d e v i s 和r a y m o n d ”、 g i b s o n “”、h a w l e y 和b o r i s 驯以及m e s r i 和r o k b s a r 2 “。 ( 3 ) 分叉与突变理论 在软岩稳定性研究中，研究的总体目标足：系统的稳定性评价，稳定性的 发展趋势及失稳预测。在某些岩体工程中，不管是人工的还是天然的，其变形 。是动态的，系统内部的力学参数也是动态变化的。因而可将软岩系统视为一个 非线性动力系统。系统的宏观稳定与不稳定的行为是系统平衡外的口】题。系统 的失稳救生系统的某些关节点发生质变的机理，它既可以获得系统丧失稳定时 的临界参数，还可以对系统分叉以后的特性进行追踪估计。突变理论和分叉理 论足密切相关的，他们的共同理论基础是奇异理论。分叉和突变理论已在岩石 力学中广泛应用，如岩体失稳、滑坡、剪切带等。 ( 4 ) “浑沌”理论及应用 “浑沌”的基本特征是：系统的行为具有随机性，轨道永不莺复；系统的行 中南大学硕 学竹论文 第一章前言 为对仞始条件的敏感依赖性；分维性是系统的运动轨道在相窄丑j 中一分形吸引 子：以及标准度性。分形法和流形法是处理浑沌的有力工具。岩石系统中存在 大量的i e 稳定数据和离散的非均匀数据，如位移、声发射地震的时序记录数据 等，这哆均有町能用浑沌模型予以描述，并能揭示出更深刻的岩石力学机制与 舰律。浑沌理论中的流形计算方法已开始用于有限元的网格分析。 ( 5 ) 软岩模糊| 生和随机性研究 软岩的成分主要与泥质有关，其主要成分为黏上矿物，包括高岭石类、伊利 石类及蒙脱石类。根据煤矿软岩的工程实践，同一地层同一工程的不同地点黏性 矿物的含量变异性很大。例如在某一矿山地下软岩工程的物理力学参数统计分 析中，黏性矿物的平均含量为3 1 8 5 ，变异系数达0 5 9 2 5 1 。黏上性矿物足影 响软岩力学性质的主要因素，黏土矿物含量的变异是导致软岩的物理力学性质 变异性的一个因素，对于同一工程地段不同层位软岩抗压强度变异系数最小为 0 1 ，最大达到o 5 ，软岩抗拉强度变异系数为0 2 1 0 6 9 2 。抗剪强度参数内 摩擦角为2 4 7 0 1 5 2 0 。，内聚力为1 0 5 o 1 m p a 。特别是衷征岩体软化参数 的软化临界衙载口公与软化临界深度、岩体埋深、岩层容重和岩体分层厚度密切 相关。所以软化i 临界深度亦存在随机性。 软岩的分类、分级是按软岩的抗拉强度以、泥质含量、结构面、蒙脱石含 量、自由膨胀应变垦及工程应力水平、节理间距、节理密度和完整性指数等指 标进行划分的，而这些指标本身带有随机性和模糊性。按确定性的分类方法，只 能按主要倾向性进行归类。软岩的类型是分折其力学变形机制的基础，因此软岩 的变形机理存在不确定性。 由于软岩本身力学参数固有的随机性，软岩地下工程围岩稳定性分析在安 全系数计算的基础上采用可靠性理论计算其失效概率，将是安全系数方法的一 个很好的补充和完善。但由于软岩地下工程本身结构的复杂性和特殊性。其 参数统计、围岩本身的破坏机理既极限状态方程的建立准则因围岩的状况不同 而呈现多样性，因此可靠性模型的建立成为其关键问题之一。 1 2 3 试验研究 软岩在试验研究方面，研究了软岩物质成分及微观结构，包括软岩的生成 条件、粒度成分、矿物组成、化学成分、颗粒组构及分形结构模型；水岩作用 规律，包括膨胀性、崩解性、冲蚀效应、长期渗压水作用的演变趋势和稳定性； 流变性，包括蠕变速度的强度效应。因此软岩的工程研究对象足多相各向异性 的裂隙岩上介质体。这就决定了它是多学科相互交叉、渗透、依赖和补充的学 4 中南大学硕十学帝论文 第一章前言 科。这螳特点决定蕾软岩工程必须采用多种方法多种技术泉进行综合性研究。 目前，实验研究主要有以下两个方面： ( 1 ) 模型方法及监测技术， 分折与解决岩t 工程中问题，首先必须对岩t 工程中的e 体对象岩体的性 质要有充分的人定识，通过力学模型试验等手段来简化物力模型并进一步确定 岩土的本构关系，然后利用本构关系模型即已有的理论知识与技术手段建立岩 土的结构模型，并利用解析或数值方法求解对应的初值和边值问题再分析结果 指导工程设计与施工。由于岩体足以复杂。具有很多不确定因素，因此，在施 工过程中要进行动态位移及应力监测，通过反馈信息结合反分析技术，对岩体 结构进行再认识，及时调整原设计参数与施工方案，指导工程顺利进行。 ( 2 ) 室内模型试验 在现场试验很难进行的情况下，许多学首选择了室内模型试验。模型试验 具有试验条件容易控制、投资少、见效快等特点，在某些情况下模犁试验可以 替代现场原型试验。张四平( 1 9 8 7 ) 1 用石青砂混合体来模拟软质岩，用铝合金 管作为芯管，铝合金管外面再用一定比例的水泥、砂，加上乳胶和水制成的水 泥浆液进行粗糙化处理，试验在一个用1 8 n u n 厚的钢板加工而成的大模型箱内进 行。试验结果表明这种模型试验方法尉研究单桩的承载力是可行的。王庭正 ( 1 9 9 1 ) 的模氆试验也是用石青砂混合体模拟岩体，但他用有机玻璃作为桩材 试验在9 5 x1 6 0 c m 大的模型槽内进行，主要进行了嵌岩单桩和群桩的垂直荷载和 水平荷载f 的工作特性试验。吕福庆( 1 9 9 6 ) 田1 等的模型试验方法是选择体积为 3 5 x 3 5 x 3 5 c m 的岩块中钻一个直径为沪8 c m 的小孔，孔深为3 5 c m ，将拟定配合比 的混凝土灌入孔中成桩( 使桩端悬空，只测试侧阻力) ，并提出可以将设计的混 凝土代替岩块，丽以勘探取出的岩心作为桩体，将桩悬空的胃于混凝土中制成 试桩，此方法可以简便地测出桩侧摩阻力值。叶琼瑶等。1 介绍了一种在三轴仪 上进行的软岩嵌岩桩模型试验。试验材料采用软岩、环氧砂浆及紫铜管等，通 过应变测量可以再现嵌岩桩的受荷全过程。 1 2 4 数值模拟 岩土工程的复杂性决定了采用数值模拟方法的必要性和蓖要性。随着计 算机技术的迅猛发展和各种数值计算方法的不断完善，数值模拟技术成为有效 解决岩土工程复杂问题的重要手段。国外有很多学者在这方面进行了深入的研 究探讨”“”1 。 在嵌岩桩分析中，有限元的发展经历了由线弹性有限元向j 线性有限元发 5 中南人学硕十学位论文 第一章前言 展的过程，二昔备有优点。弹性有限元需要参数少，计算简单，某些情况下可 满足工程耍求，但在桩岩界面出现破坏或桩身混凝上、岩石出现破坏时就无法 分析，也无法进行破坏数值分析。从理论上说j 线性育限元分析可以模拟嵌岩 桩的大部分特性；而参数的获得和参数的准确性成为共同发展和应用的制约因 素。 林育梁等3 对单桩受力变形分析的荷载传递法进行了修正，并在此基础上 提出软岩嵌岩桩与岩土相互作用比较完善的有限元模拟方法，在接触单元中引 进传递函数，用无限元处理边界问题，考虑了沉渣的影响等，并编制了相应程 序，将计算与实测结果进行了比较，对南宁泥质砂岩嵌岩桩进行了单桩承载计 算机模拟试验。结果表明用该程序对软岩嵌岩桩承载进行计算足符合实际的， 模拟结果对软岩嵌岩桩的施工和设计有指导意义。 韦、芏德等“1 在以往桩基础受力分析方法的基础上，提出了单桩与岩土相互作 用比较完善的有限元模拟方法，编制了有限元程序和部分前后处理程序。在对泥 质砂者进行力学参数试验测试的基础上，应用该程序对南宁泥质砂岩嵌岩桩进 行了模拟计算，并对嵌岩深度效应、承载力、桩侧摩阻力的分布等进行了研究 结果表明：最优嵌岩深度应为5 倍桩径：最大嵌岩深度应为7 倍桩径。 数值模拟主要有以下几种模拟方法： ( 1 ) 反分析法 反分析法是实践与理论结合的产物，该方法是根据地下工程围岩的位移来 反算岩体初始应力场及力学参数的方法称之为位移反分析方法。k a v a n a g h 等1 利用有限元法根据位移测值计算了岩体力学参数，樱井春辅用解析法根据围岩 蠕变位移计算岩体扔始应力和粘弹性参数。我国学者在位移反分析的理论及方 法等方面也作出了不少贡献，具有代表性的有：杨志法、杨林德、冯紫良、朱 维申、郑颗人，等。 ， ( 2 ) 灰色关联分析 灰色关联分析就足通过对系统中有限数据列的分析，寻求系统内部诸因素 问的关系，找出影响目标值的主要因素，进而从总体上把握系统动态运动的规 律。可以用来表述系统诸因素之间相互关系的参数主要有关联系数占( t ) 和关联 只，关联系数数量很多，信息过于分散，不便于比较，为此育必要将子点的关 联系数集中为一个值，求平均值就是这种信息处理的一种方法。关联系数的平 均值就足关联度，关联度 越丈，表明数据列墨对参考数据列粕的依赖性越强， 两者关系越紧密。 ( 3 ) 极限状态方程的响应面数值拟合方法 在岩体工程等复杂结构系统的可靠性分析中，得出明确的极限状态方程的 6 中南大学硕十学伊论文 第一章前言 表达式往往非常团难。利用响应面疗法结合数值实验对其进行拟合。在此基础 上利用常规方法求结构的可靠度。响应面方法( r e s p o n s es u r f a c e m e t h o d ，r s m ) 1 是新近发展起柬的处理此类复杂结构町靠度分析的一种有效方法。其甚本思 想就是通过一系列确定性试验，通过适当的方法，拟合一个解析表达式，近似 地模拟验算点附近的真实极限状态曲面的性态。在此基础上采用适当的方法计 算结构的可靠概率或失效概率。响应面函数的设计，即多项式函数的选取，一 方面要尽可能简单，另一方面要有足够的灵活性，可近似各种不同的曲面形式。 1 3 本文的研究技术路线 在前人的研究基础上，充分利用已有成果，根据野外调查和勘察资料，对 长沙盆地的红层的分布规律进行归纳总结，应用矿物学、构造地质学、岩石力 学、岩体力学、岩上工程的有关理论，以长沙盆地的核心部位一长沙市区为蘑 点研究对象，综合运用地质学、构造地质学、工程地质学、岩体力学理论，通 过以理论与实践相结合、野外工作和室内研究相结合、生产与科研相结合的方 法进行研究。 7 主直厶堂亟堂位淦塞墓：墓区趁笪地红星毯鲎盥经鱼厦这宣的! 毪丝匾 第二章长沙盆地红层软岩的分布及软岩的工程性质 2 1 长沙盆地的位置 湖南白翟系地层分布区域可划分为湘北区、湘西区及湘东南区。 湘北区内白翟系地层除西部桃源、常德，石门、i 临醴一带有出露外，大部 分地区隐伏于第四系之下，该地区受北北东至北东向弧形构造控制，属新华夏 系构造一级沉降带的沉降岔地。 湘西区白翟系地层发育较好，分白以沅( 陵) 麻( 阳) 盆地为t ，呈北东 向延伸，受北东向至北北东向弧形构造控制，属新华夏系构造一级沉降带的次 级沉降区。 湘东南区自垩系地层发育良好，以衡阳盆地为主体，还广泛分布于荼( 陵) 永( 兴) 、醴( 陵) 攸( 县) 、株洲、湘潭、长( 沙) 平( 江) 等盆地。各盆地 多呈- i l = i l 东向，属新华夏系构造控制的级沉降带次级沉降区，形成北北东向 的一系列山间湖盆。白垩纪基性岩浆喷发见于局部地区。长沙盆地位于湘东南 区中部( 图2 - 一1 ) 。 2 2 长沙盆地白垩纪地层的划分 长沙盆地白垩纪红层出露面积较广，占全区总匾积的1 5 ，系一套红色山麓 相一河流相一湖泊相的碑稻沉积，总厚大于1 8 8 6 - - - - 2 9 9 5 米。据岩性，岩相及沉 积旋回等特征，将其划分三个岩石地层单位，据生物的总体面貌划分两个生物 地层单位油1 ( 见襄2 一1 ) 。 表2 一l 白垩纪地层划分简表 岩石地层单位 t 物地磋单位 年代地层单位 东塘组上 t a l c y p r d e a - c y p r d e a - c a n d o n a 组合 戴家第二段白 统 坪组 第一段垩 e p b a e z z 口c f # i l j u i c u m 下 神皂 第_ 二段 系 ( m a n t i n s o n ) 组合 统 山组 第一段 图2 - 1 湖南省东部白垩纪盆地分布地质简图( 据l ：2 0 0 万地质图) 阼元古界；c 寒武系；o 奥陶系；s 志留系；m 泥盆系；c 石炭系； p 二叠系；k 白垩系；b 第三系；第四系；r 5 一燕山期花岗岩 9 虫直厶堂亟：芏垃淦塞 美：墓 拯逆坌丝红层丝置鲍盆亟厦毯置鲍! 在世匮 1 、神皇山组( k s ) 断续出露f 长沙盆地边缘。其北西翼出露较连续，南东翼多断失。为一套山 麓相一滨湖相碎屑沉积，厚度大于7 0 0 1 0 0 0 米。以角度不整合于前白垩纪地层 之上( 图2 2 ) 。鉴于区内地层出露不佳，未能测制剖面。现借以东邻区浏阳县 秀山剖面为代表，叙述如下( 据1 ；5 万金井地区资料) ( 1 ) 神皇山组第一段( k s ) 本段主要特征为：由 暗紫红色厚层一块状板 岩砾岩组成。其砾石成分 以板岩为主( 8 0 一9 0 ) ，脉石英，砂岩及灰 岩等砾石为数甚少，偶见 闪长岩砾石。砾径多在 l 一5 厘米，次为l o 一2 0 厘米。多呈菱角一次菱角 状。层理不甚清晰，多为 不连续的大一巨型平行 二，蠢蕊i q b 簦：逡 ”+ i “1 ”t ? ：? ”二：。 ：冀? 守 一二。疆蕊：澄憋 图2 23 3 7 0 点神皇山组与冷家溪群第一组不整合素描图 1 舍粉砂质条带状板岩；2 砾岩；3 砾石层：4 网纹红土 p t - 冷家溪群；k s l 一神皇山组第一段；o b 一第四系 层理，砾石成分显随地而异的变化特点；如氇城汤家山一学士乡一带，砾石以 砂岩、灰岩砾石为主( 脉石英和硅质岩少许) ；春华山北西一带，则以石英砂岩、 脉石英砾为主。根据砾石分选不良、大小混杂、磨圆度低，砾石成分随地瓜异， 无生物化石痕迹，及显不甚清晰的平行层理等沉积特征，显示其沉积物为近源 快速堆积的洪积扇相沉积。从区内情况来看，沉积厚度以杨家山一学士乡一带 最厚( 厚达1 0 0 0 米以上) ，望新桥一带厚约7 0 0 米，呈现着由南西向北东逐渐 变薄的变化趋势。 ( 2 ) 神皇山组第二段( k s 2 ) 本段连续沉积于第一段之上。主要出露于长平盆地望新桥一回龙乡一带；区 内南部洗马池，东部斗塘、金潭等地办有所出露。 据岩石组合及沉积特征，可分两部分：下部紫红色厚一巨厚层状细一粗砾砾 岩与中厚层状细粒岩屑石英砂岩( 或钙质石英砂岩) 、钙质石英粉砂岩组成韵律。 向上渐变为细粒钙质石英砂岩与钙质石英粉砂岩互层。砾岩成分较单一，以板岩 砾岩为主。砾径一般0 5 3 厘米，分选好，磨圆度好，多呈浑圆状。其沉积韵 律异常频繁，平行层理清楚，产少许保存极差的化石碎片，不含动物化石。综上 沉积特点，属洪积前缘一滨湖相沉积。上部为紫红色中厚层状细粒钙质石英砂岩、 1 0 虫直厶堂亟堂垃i 金塞釜：童基边盆地红层丝蚩的金鱼缝熬查盟! ：毪挂秀 钙质石英粉砂岩及钙质泥害三矛星互层状产出，且以i ；i 两皆为主。项部夹多层细 砾板岩砾岩透镜体。鉴于其岩石组合为砂泥质岩互层，平行层理发育，单向斜层 理不清晰，偶见育微波状层理，产淡水双壳及少许介形类化石，且双壳个体保存 良好，顶部砾岩夹层中并含有十分破碎的对于化石。综上特点，反映其沉积环境 由较安定的浅湖向动荡不定的滨湖环境过渡，即属于以浅湖相为主，滨湖相为次 的沉积。 该段厚度变化与第一段基本相同，呈现南西北东变薄的趋势，如南西端回龙 乡一带厚达3 0 0 米，至北东端沈马池约3 0 6 余米。 2 、戴家坪组( k d ) 区内出露广泛。主要分1 】在区内东部、北东部及南西部。厚3 4 4 - - 7 4 4 米。 据岩性特点，可分两个岩性段，组成一定向大型沉积旋回。现以埋城县白泉剖面 为代表简述如下： ( 1 ) 戴家坪组第一段( k d ) 区内出露较广，岩性变化大，长沙盆地北西翼，西起东屯渡，东到春华山一 带，紫灰色块状砾岩以富含花岗央砾并夹裉面岩( 图边外) 为特征。除底部3 肛- 5 0 米以板岩砾石为主外( 仅含少量花岗岩砾厚层砾岩) ，往上则以石英及花岗岩砾 为主的细砾岩及砂砾岩呈韵律，层理不清( 局部具大型斜层理) 。风化地貌颇似 花岗岩，故俗称花岗质砾岩( 花岗质砂砾岩往往含粑面岩砾石) 。砂砾岩之砾石 磨圆度较好，多呈次圆状，砾径以0 5 3 厘米为主，少量4 5 厘米。春华山一 带本段整合于神皂山组之上，厚约3 0 0 一4 0 0 米。长平盆地南东翼及其他零星分 布区，西起望城县白泉花园，东至仙人市之道渡，岩性有明显的变化：自泉花园 一带，以紫红色厚一巨厚层状砾岩失砂砾岩及含砾砂岩为其特征，砾石以呈次菱 角状的石英砂岩为主( 脉石英、板岩、硅质岩为次) ，具清晰的平行层理，偶具 有大型斜层理，厚约5 1 7 米；仙人市道渡一带，由紫红色厚一巨厚层状砾岩、砂 砾岩及含砂砾岩组成韵律，其砾石多以次菱角一次圆状的板岩砾为主，并见有多 量的砂岩与厌岩砾石，平行层理发育，局部还可见大型斜层理，厚5 0 0 - 6 0 0 米。 综上所述：本段砾岩之砾石成分的变化，沿长沙盆地两侧有截然不同的特点， 清楚地显示其物源的近源性和多源性；第二个最大特点是半韵律结构清楚，由砾 岩一砂砾岩含砂砾岩一砂岩组成二元结构的韵律层序，底冲刷面频频出现，面 上充填有滞留石英砾岩；具平行层理，大型板状斜层理；厚度变化较大，这些特 征反映本段属山麓相一河流相沉积。 ( 2 ) 戴家坪组第二段( k 一) 本段广泛出露于黄花市谷塘及白田铺一白泉一带，连续沉积于第一段之上。 据岩性特征可分上、下两部分。组成一个正向沉积旋回。厚3 1 9 米。 下部( 2 5 层) ：以紫红色中厚层状钙质细一粉砂岩与泥质粉砂岩、粉砂岩 泥质为主，夹含砾钙泥质细砂岩。含砾钙质细砂岩，具含钙质团块及灰岩细砾为 特征，产丰富的介形类化石及轮藻化石。 上部( 6 层) ：为紫红色中一厚层状细粒岩屑杂砂岩。碎屑含量8 0 ，主要 由石英及碳酸盐岩屑和其岩屑组成。磨圆度甚差，多呈菱角一次菱角状。杂基含 量 1 5 ，由粘土、绢云母等组成。区内东部板桥冲及黄花谷塘一带，由紫红色 细粒岩屑杂砂岩、钙质粉砂岩弓粉砂质泥岩组成互层，并夹多层浅色层。 本段在区内岩性较稳定，唯厚度变化较大，如东部黄花谷塘一带厚达1 3 0 0 余米，长沙自田铺一带厚达l1 6 4 米，至西南望城县自泉仅厚3 1 9 米，清楚地呈 现由北东向南西变薄的规律。韵律剖面结构，具下粗上细的正向沉积旋回特点， 并夹多层浅色层，局部夹数层纤维状石膏层。下部具大型平行层理及水平层理、 微波状层理。据上述沉 积特征本段属滨湖一 浅湖相沉积。 本组与下伏地层 接触关系，在区内育两 种情形：春华山一带超 覆不整合于神莹山组 第一段之上；区内中部 及西南部假整合于神 皂山组或白垩纪地层 生直厶堂亟堂垃i 金塞苤：童 k 丝坌丝红星筮置曲垃鱼巫丛岂的 攫丝亟 几米的多成分杂砾岩外，主要是一 套花岗质砾岩、砂砾岩；长沙县田 家冲至于杉一带，砾石成分则变为 砂岩、扳岩、灰岩为主的砾岩，此 外，砾岩具肓下粗上细并夹透镜状 砂砾岩的特点。层理不发育，局部 显水平层理、平行层理及斜层理。 上述种种特征表明，为较典型的近 源快速堆积的沉积。厚1 3 5 米。 下部：紫红色中一厚层状细粒 岩屑杂砂岩与钙质粉砂岩互层，局 部夹泥质粉砂岩。碎屑含量约8 0 1 3 0 一等：麦、 ，。：? 二万 一，一：7 7 ，；、 。：否二；：j ? t ：j k 。：i _ j 一卜 。箩- ： 图2 - - 4 浏阳东部东塘组与戴家坪组第二段 整合接触关系素描图 o 砾岩；o 钙质砂岩；0 钙质粉砂砉 ，有石英岩屑及碳酸盐岩、粘土岩、硅质岩，斜长石等多种岩屑；杂基含量 1 5 ，主要由粘土矿物及绢云母组成( 碳酸盐往往为胶结物) 一般呈杂基支 撑。砰屑大小不一，以细砂为主。磨圆度多呈菱角一次菱角状，偶见圆球。杂 砂岩中平行层理、斜层理发育，见对称与不对称之波痕，波峰扁平宽展。还见 有两组波痕相互干扰形成所谓1 二涉波痕一菱形波痕等沉积构造。该层层位稳定， 望城县白泉长沙县云塘桥一带发育良好，厚2 6 0 4 米。 中部：为紫红色中厚层状一块状砾岩为主，夹数层岩屑杂砂岩，粉砂岩、粉 砂质泥岩及多层浅色层( 单层厚l 4 厘米) 。砾岩砾石含量5 0 一7 0 ，以灰岩， 砂岩、脉石英砾为主，砾岩砾石具下粗上细，呈现粒度递变，一般2 5 厘米， 个别达1 0 厘米。磨圆度中等，多呈次菱角一次圆状。砾石成分有随地而异的变化 特点。如南东干杉一带，以板岩砾石为主，砂砾岩与砂岩多呈透镜状出现。由地 砾石之粒度显下粗上细的韵律变化并作定向排列形成大型板状斜层理。厚2 3 6 9 米。 上部：以紫红色中一厚层状岩屑杂砂岩为主，央数层砂质泥岩、泥灰岩及浅 色层，中央透镜状砂砾岩一层。碎屑含量高达9 0 ，以石英为主，以及碳酸盐 岩、粘上岩、硅质岩，斜长石等岩屑组成；杂基含量 1 5 ，由绢云母、粘土矿 物等组成，呈杂基支撑。磨圆度差，呈尖菱角一次菱角状。所央透镜状砂砾岩， 主要由灰岩砾及砂岩砾组成( 有的变为板岩砾组成) ，如区内东部双里塘一带即 是。砂质泥岩夹层中产轮藻化石t e c t o c h a r a s p 。杂砂岩中平行层理及大型斜层 理异常发育，厚3 6 5 2 米。 综上所述，本组主要为粗碎屑岩组成，生物化石稀少，仅上产部轮藻化石。 厚8 7 6 米。岩石组合最大特点是沉积韵律发育，下粗上细的二元结构清楚，由下 至上由砾岩一砂砾岩一杂砂岩一泥岩石组成多个往复式韵律层序，夹多层浅色 层。平行层理，大型板状斜层理，冲刷面及充填于面上的滞留砾岩均可见到。这 些特征表明，该组属河流相一洪积相沉积。 本组岩性、岩相及厚度稳定，区内所见无显著差异。 2 3 长沙盆地红层岩类的划分 长沙红层成生的地质年代主要为白垩纪和第三纪，而以白垩系分白面积最 大，侏罗系仅见于局部区域。由于沉积环境的影响，白垩纪和第三系在某些区 域也是独立分布。岩石种类繁多，岩性复杂，但其颜色均以红色为基本色，包 括浅红色，紫红色、红褐色、棕红色、紫色等，其层厚多为中层至中厚层，亦 有薄层的页岩和厚层至巨厚层的砂砾岩和砾岩。岩性多样，有粘土岩、泥岩、 砂岩( 粉砂岩、细砂岩、粗砂岩) 、页岩等。根据岩性与岩溶的成生联系，将湖 南红层分为三个岩类1 。 ( 1 ) 粘土岩类：包括紫红色中层至中厚层状的牯土岩，粉砂质粘土岩、泥岩、 泥灰岩、粉砂质泥灰岩和薄层的泥质页岩，局部夹少许细砂岩及透镜状的砂砾 岩、砾岩，该类岩石成分比较单一，常以央层形式出现。由于岩石成分中不含 钙质或微含钙质，因此岩石的变异以风化和泥化为主，溶蚀现象罕见。由于其 结构密实，孔隙率低，是较好的隔水层，也常成为岩溶发育的控制层。如湘江 干流的近尾洲水电站、土谷塘、长沙电站即以该岩组为主。 ( 2 ) 砂岩类：包括紫红色、紫色的泥质粉砂岩、粉砂岩、砂岩、细砂岩、长 石砂岩、长石石英砂岩、石英砂岩。该类岩石有的为泥质、铁质、硅质胶结， 有的钙质胶结或在岩石中含有碳酸盐( 方解石) ，硫酸盐、石膏或其他卤化物晶 体。前者受水的作用，产生风化和泥化作用，后昔则产生溶蚀作用，在岩层内 形成溶蚀晶洞和溶隙，成为地下水含水或透水带，但一般溶蚀程度轻微，对水 利工程建筑的影响不大。在湘江干流的，j 阳电站、耒水的珠矶滩、遥田水电站 的坝基下就见有含钙泥质粉砂岩的溶蚀孔洞和沿层带状溶蚀现象。 ( 3 ) 砾石类：该类岩石多为底砾岩，其砾石成份多为下伏地层的岩石，以厚 层至巨厚层状产出。不显层理或具不清晰的巨厚水平层理，砾石分选性差。根 据砾石的岩性组成，分为砂砾岩和灰砾岩。砂砾岩成份主要为石英、石英砂岩、 1 4 生直叁堂亟堂位淦塞笠：童 长波筮垫红层这刍篚筮查丛这蚩的! ：程挂匿 变质粉砂岩、砂质扳岩和少量花岗岩等。为硅质或泥质胶结，也有部份地区见 有钙质胶结，局部地区砾石中见有灰岩，但含量较少。灰砾岩的砾石成份，主 要为灰岩、自云质狄岩和其他碳酸岩类岩石，局部地区见有砂岩、板岩，砾石 中灰岩比例达9 0 ，一般粒径l 2 0 c m ，也有更大者，磨圆度中等，多为钙质胶 结。前学以风化为主，后者多沿其砾石周围，断裂构造线，岩层层面出现溶蚀 破坏。灰砾岩足红层地区进行岩溶研究的主要对象。主要分白在良山风景区、 王家厂水库、观音山水库等地。 2 4 软岩的工程性质 2 4 1 软岩的界定 对软岩的定义。目前尚未统一。1 9 8 1 年在东京召开的“国际软岩学术讨论会” 上，规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩。有的学者建议把软岩定义为“难支 护岩体”。清华大学周维妇教授认为软岩可定义为“在高地应力、地下水和强风 化作用下，具有显善渗流、膨胀或崩解特性的软弱、破碎、风化和节理化围岩， 简称为不稳定围岩岩体” 4 1 o 关于软岩的概念，国内外有十几种之多8 捌，大 体上可分为描述性定义( 软岩足软弱、破碎、松散、膨胀、流变强、风化和膨 胀性岩体的总称) 、指标化定义( 抗压强度6 。 2 0 m p a 的岩层称为软岩或6 。r h 2 的岩层称为软岩。其中6 厂单轴抗压强度；r 一岩石容量：b 一深度) 和工程 定义( 围岩松动圈大于1 5 m 并难支护的围岩称为软岩) ，且各有其优缺点。但总 的来说可以分为两种基本类型，一是关于应用方面的分类，一是关于岩体内在 特性的分类。软岩，“软”体现了岩体内在特性，即岩石的硬度欠缺；“弱” 体现了软岩在应用方面的能力，即对于承受外荷载，它的承载能力和抗变形能 力部差。因此，我们可将软岩分为地质软岩和工程软岩。 1 、地质软岩的概念 目前，人们普遍采用的软岩定义摹本上可归于地质软岩的范畴，按地质学 的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及 风化影响显著或含肓大量膨胀性枯土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多 为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩等单轴抗压强度小于2 5 m p a 的岩石，是天然 形成的复杂的地质介质。国际岩石力学会将软岩定义为单轴抗压强度在0 5 2 5 m p a 之间的一类岩石“”，其分类依据基本上是依强度指标。该软岩定义用f 工程实践中会出现矛盾。如巷道所处深度足够的浅，地应力水平足够的低，则 小于2 5 m p a 的岩石也不会产生软岩的特征：相反，大于2 5 m p a 的岩石，其工程 部位足够的深，地应力水平足够的高，也可以产生软岩的大变形、大地压和难 支护的现象。因此，地质软岩的定义不能用于工程实践，故而提出了工程软岩 的概念。 2 、工程软岩的概念 工程软岩足指在工程力作用下能产生显著氇性变形的工程岩体。目前流行 的软岩定义强凋了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，同时应强调软岩所 承受的工程力衙载的大小，强调从软岩的强度和工程力衙载的对立统一关系中 分析、把握软岩的相对性实质。该定义的主题词足工程力、显著变形和工程岩 体。工程岩体足软岩工程研究的主要对象，是巷道、边坡、基坑开挖扰动影响 范围之内的岩体。包含岩块、结构面及其空间组合特征。工程力是指作用在工 程岩体上的力的