红层的岩石学特征在工程上的应用.doc

红层概述红层为红色的陆相碎屑沉积物，形成于古盆地和湖泊环境，主要形成于炎热、干燥的地质时期。红层岩石组成多为砂岩和砾岩，并夹粉砂岩、页岩、泥岩、灰岩、石膏及岩盐等，红层的沉积结构和构造具有一定的规律性。红层是地壳演化到一定历史阶段的产物，它不只是中新生代的产物，在古生代也有红层发育与分布。中国的红层主要分布在西南、华南、华中及西北的广大地区。山于各地区红层的岩性、构造运动、气候条件和时间因素不同，红层中发育了多种地貌，如方山、丘陵、高原、丹霞地貌等。红层地貌与丹霞地貌应严格区分开来。红层的界定曾昭璇等认为“红层是从中生代，特别是从侏罗纪到早第三纪的陆相红色岩系”，是丹霞地貌发育的物质基础。至于它形成于什么时代，没有必要在定义中加以限制，因为在中生代以前和晚第三纪也有红层堆积;由于沉积环境的差异和后期地质作用的改造，红层的颜色可能变化于棕黄、褐黄、紫红、褐红、灰紫等偏红色调;红层是一种岩性复杂的陆相沉积，这与相对均质、致密的海相沉积有着很大的差别，但应该允许有过渡相和交互相夹层;说红层是碎屑岩系主要用以区别陆相化学沉积和生物沉积。作者对红层提出了一个界定依据:颜色是偏红色调;是陆相沉积环境;是碎屑沉积。因此认为，红层是一种红色的陆相碎屑岩系。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、白奎系及少量三叠系及早第三系形成的，己经成岩的，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。红层的物质组成根据目前国内学者的研究，红层碎屑的颗粒组成差异很大，有洪积泥砾、短促河床砾石层、河床相砂砾、较长途搬运的具有砂波结构的河床砂、河流三角洲前缘相的砂质层和以泥质为主的湖盆相粉砂质或淤泥质沉积等。四川盆地西北部的古山前拗陷中的红层巨砾可达数十厘米，而许多红层盆地中部多由泥质岩构成。碎屑的砾石组成一般与其外围山地的物源一致，岩屑、砾屑是其外围物源地岩石碎屑的混合。其砂质主要是石英，含部分长石;胶结物以泥、砂为主，化学胶结物主要为硅质、钙质和铁质。湖南岌山的碳酸钙含量随外围接触地层的不同而有很大差别，在接触碳酸盐岩源地的地方，碳酸钙含量可达25%以上。红层的结构和构造 红层一般发育在内陆盆地和湖泊环境，所以其沉积特征在粒度上呈现出一定的规律，红层盆地边缘往往堆积巨厚的洪积相混杂泥砾，往中心渐变为洪、冲积砾岩、砂砾岩，砂岩与河、湖积细砂、粉沙岩或泥质岩。这是因为形成红层的物质来源于古盆地或古湖盆周围的高地，所以边缘地带最先接受沉积，粒度较大，而粒度较小的物质可以被搬运到盆中。但在垂直剖面上，盆地外围的洪积扇前缘粗碎屑堆积区，岩石粒级的变化很大，常常表现为互层状。即砾岩、砂砾岩交互成层，夹砂岩;或砂砾岩、砂岩为主夹砾岩或夹薄层粉砂岩、泥质岩。而接近湖盆中心的细碎屑堆积区，岩性的垂直变化一般较小。相对说来，河流淡水沉积、泥砂胶结或硅质、铁质胶结的砾岩和砂砾岩比较坚硬;而盆地中心沉积的粉砂岩、泥质岩所含的可溶性物质较多，透水性较差、含水较多，因而比较软弱。大部分的粗碎屑红层以厚层或巨厚层甚至块状构造为主;接近盆地中心的湖积相或河漫滩相细碎屑红层一般以薄层构造为主;而介于两者之间的河床相和三角洲相堆积则较为复杂，比较稳定的较大河流在河床侧向摆动过程中，可能会形成厚层或巨厚层砂质堆积，同时在边滩发育或河底砂波移动过程中，在沉积层内的细层或纹层形成斜层理;另一种情况可能是在人湖三角洲推进过程中，在同一砂岩层内，发育斜层理或交错层理。丹霞山锦石岩段和白寨顶段有8一20 m巨厚层不等粒石英砂岩和长石石英砂岩，均具有大型板状交错层理。其中锦石岩段厚层砂岩的交错层产状。四川盆地南部白平统窝头山组的巨型斜层理十分发育。层系厚3一5m，有时可达数十米。细层层理倾角一般大于300，个别40以上，呈多向倾斜。红层形成的古地理环境 红层的岩性、结构、沉积相和古生物化石(包括植物袍粉)等各种地层研究成果显示，红层是一种典型的陆相沉积。红层中所含的可溶性盐较多，丹霞山砂岩样中AL2O3、CaO、Fe2O3，K2O，Na2O的含量均超过砂岩的克拉克值。许多盆地相红层中都夹有膏盐层，粤北南雄群红色泥岩、皖南休宁盆地红层及川南、甘肃等地的红层中都夹有多层的含石膏层。故而认为大部分红层堆积在封闭的、相对干燥的内流盆地环境中。而在盆地堆积的后期，随着盆地抬升、湖水外泻而淡化，红层中没有盐沉积，但仍处于相对封闭的内陆环境，在淡化的盆地中沉积的红层往往比盐化的湖盆中沉积的红层要坚硬一些。由于红层中大多含有碳酸盐岩碎屑或钙质胶结物，甚至含有蒸发盐夹层，目前大部分学者认为红层形成在炎热千燥的环境下。但是红层的红色主要是高价铁(Fe十)相对富集而成的，这个富集过程必须要有足够的淋济作用。按照“将今论占”的古地理研究原则，红层形成的古气候环境应是一种类似于现代热带、亚热带半湿润、半干旱气候或干湿季气候，以保证有足够的淋溶并保持长时期的氧化环境。地质历史上，红层沉积一般发生在古热带和亚热带盆地中，相当于古纬度15一300范围内。此外,海相或海陆过渡相红层在沉积过程中大部分时间不是氧化环境，因此其红色往往是沉积的钾长石颜色或三价铁胶体颜色。而过渡相沉积受陆地环境影响较大，在海侵海退比较频繁的古代近海盆地则可能形成与陆地红层接近的沉积特点。红层形成时代和分布 根据国内学者的研究，目前所发现的发育丹霞地貌的红层均不早于中生代，其中以白I系红层最多，约占80%。形成丹霞地貌的最老红层为二叠系L9.71，还没有发现丹霞地貌发育在更老的地层中。但这 并 不 能说明中生代以前没有红层堆积。其实，北美一俄罗斯古陆上(主要在北欧、格陵兰岛到北美洲东北部)加里东运动期间就已经在山前拗陷和山间盆地中堆积了陆相“老红层”老红砂岩，Old Red Sandstone)。例如在阿巴拉契亚地槽太康运动(O3)第二幕之后，褶皱隆起带(地背斜)以西与劳伦古陆之间的拗陷中，沉积了很厚的陆相红色页岩、砂岩和砾岩等碎屑岩。到了晚志留世，红层堆积向内陆扩展，美国中北部的儿个盆地中均广泛发育了红层和蒸发岩(Ailing&Briggs, 1961)(晚古生代，在北美一俄J斯占陆的大部分地区和冈瓦纳古陆的北部，都有红层和蒸发岩发育。中国塔里木地台在泥盆纪和二叠纪也发育红色陆相粗碎屑堆积因此，从红层的定义来看.红层开始发育的时代应前推至早古生代。 作者认为红层是地壳演化到一定历史阶段的产物，即地壳刚性增强，地台扩大，有相对广大的陆地面积之后，才因地台活化(地洼区)而形成反差较大的内陆沉积盆地和外围山地物源区，在适当的气候与沉积环境下发育陆相红层堆积。也就是不排除古陆台上还有更老的红层发育。影响红层地貌发育的因素 红层的岩性、构造运动、气候条件、发育时间等是影响红层地貌发育的重要因素，同时，这几个影响因素是同时作用于地貌发育的，使各地区的地层地貌各不相同。5.1.1 红层岩性 由于红层是湖泊或盆地的沉积物，其物质构成的粒度大小具有从边缘向内部逐渐变小的趋势。盆地边缘的砾岩、砂岩等粒度较大，岩性坚硬，抗风化能力较强，往往形成红层山地，泥岩、页岩等岩性较软，易形成低矮而起伏缓和的丘陵。例如在我国的四川盆地的地貌类型中，盆周多红层低山，向盆地中心逐渐过度为红层台状低山、红层深丘和红层浅丘。5.1.2 构造运动 构造运动往往会引起红层的变形，进而影响地貌的发育。构造运动对红层地貌的影响主要体现在2个方面:引起地区的整体抬升，使先期形成的红层不被后期的地层所掩盖;改变岩层的性质，如岩层的倾角，增加岩层的节理或裂隙，改变岩层抗风化的能力等。5.1.3 气候条件 气候条件对红层地貌发育的影响主要体现在地貌发育的速度、发育形式方面。通常在湿热的气候条件下红层风化快，地貌的发育也快。5.1.4 时间因素 时间因素表明了地貌发育的阶段性，在不同的时间阶段可以形成不同的地貌类型，作者提出了丹霞地貌侵蚀旋回的6个阶段。表明了在发育红层的古盆地抬升后，在稳定的构造运动和温暖湿润的气候条件下丹霞地貌发育的理想过程。红层的工程特性及其离心试验研究红层的工程特性红层系指侏罗纪、白垩纪和第三纪沉积的一套紫红色和杂色的砂岩、泥岩、砂泥岩。岩石颗粒磨圆度及分选性都较差，相变大，沉积旋回明显，多属河漫滩相、河床相、滨湖相和湖相沉积。其化学成份为SiO2，TiO：，Fe2O，CaO，Mg0，A1 03，矿物组成包括碎屑矿物及胶结物质。碎屑矿物主要为石英，少量长石，砾岩则含有石英岩屑，火山岩屑及石灰岩屑；粘土矿物以高岭石、伊利石为主，同时含有少量的蒙脱石、绿泥石及云母等，它们在泥岩中的含量可达3O 70 。孔隙度及孔隙大小与粒度成分、胶结程度和后期的风化溶蚀作用有密切的关系。泥岩主要由直径小于001 mm的细碎屑组成，粉粒及粘粒含量达8O以上，并以泥铁质胶结为主，孔隙度小，平均只有272 ，孔隙直径多小于22 m；粉砂岩主要由粒径为0.080.10 mill的颗粒组成，粉粒含量5070，75 的孔隙小于5.8 m，孔隙度较高，平均28.29;细砂岩、中粗砂岩的孔隙度变化较大(14O7 5324)，这主要取决于胶结程度和风化作用。以泥铁质胶结未经风化的砂岩，其孑乙隙度较低，而在红层顶部，钙质胶结的中粗砂岩由于受后期的风化和溶蚀作用的影响，其孔隙度比未风化岩石高23倍，75 的孔隙直径大于125 m。钻探资料也表明，细砂岩及中粗砂岩在风化带结构疏松，孔隙孔洞发育，钻孔漏失普遍 。红层具有以上性质，决定了它的工程特性。11 抗压性 红层的抗压性，主要取决于岩石颗粒的粗细和颗粒成分，岩石的胶结物成分和胶结类型。对于砂岩和砾岩来讲，岩石的抗压性还具有随容重的增大而增强，随孔隙率的增高而降低的特点。此外，砾岩和砂岩的单轴饱和抗压强度比粉砂岩和粘土岩高。12 抗剪性 红层岩石的抗剪性主要取决于两个方面：第一，粘土矿物含量越高，岩石的抗剪性越差。对粘土矿物含量大于25的泥质岩类和粘土岩来说，其剪切破坏具有塑性破坏的特点，剪切位移大，弹性范围小，具有明显的屈服阶段和流塑破坏过程。第二，对于砾岩、砂岩来说，其抗剪性主要取决于胶结物的成分和胶结类型。一般具有r基底型 r孔隙型 r接触型，对同种胶结类型贝0有r硅质r钙质r泥质。1.3红层软岩与水的作用 由于红层的孔隙率较小，吸水率低，构造节理密度不大，因此透水性较差。另外由于红层岩石中粘土抗污含量较高，固结陈化较差，因此构造结构面上裸露的粘土矿物团河粒团剪损后的节点以及粘土矿物断键增大了对水分子的吸附力，红层软岩表现出较大的亲水性。同时粘土矿物细碎后膨胀和发生崩解。因此红层的抗水性很弱的。总之，红层的水理性质可归结为：透水性差，亲水性强，抗水性弱。 在天然条件下，岩石中含水量越高，力学强度就越低，就越容易发生变形和破坏。各类红层软岩的软化系数均较低，从而降低岩土的强度，容易发生膨胀和崩解。泥岩、页岩和砂质泥岩浸水后强度显著降低，泥岩和页岩的软化系数比较低，尤其是在干湿反复交替的情况下，强度急剧下降，承载力课大幅度下降。岩石遇水软化除与岩石矿物成分（主要是粘土矿物）和结构构造有关外，海域风化程度、结构面发育情况有关。131 膨胀 红层软岩的膨胀是矿物晶胞间吸收不定量水分子造成的“粒内膨胀” 和矿物颗粒扩散层厚度增大造成的“粒问膨胀” 的综合表现。在红层软岩中起膨胀作用的粘土矿物主要为蒙脱石和伊利石，而且当粘土矿物含量达到一定的比例时才表现出显著的膨胀性。这些粘土矿物存在于紫红色泥岩及砾石胶结物中。红层单一粘土矿物很少，多数为多重粘土矿物的组合体，如高岭石、伊利石组合，高岭石、伊利石一蒙脱石混合矿物组合及伊利石、蒙脱石混合矿物一绿泥石组合等。在某些层段的泥岩中伊利石一蒙脱石混和矿物含量可达80 以上，不同的矿物组合及粘土矿物含量影响着膨胀与崩解性。岩石的膨胀还与胶结物成分及含量、胶结程度有关。钙质含量高的岩石具有相当的稳定性，胶结程度越高、岩石强度越高者膨胀性越低，当内聚力大于05 MPa膨胀性可忽略。132 崩解 红层软岩浸水后粘土颗粒可吸收大量的水分，使晶胞间距增大或扩散层增厚，使粘土矿物胶结物崩解，而碎屑颗粒之间失去联接造成重力解体；另外吸湿力的作用可使岩样产生新的软弱面，并沿软弱面产生破坏，从而造成岩石的崩解。显然，岩石的崩解受粘土矿物含量及类型，胶结物类型及固结程度等因素的综合影响。一般膨胀矿物高的岩石浸水后岩石结构易遭受破坏产生崩解，钙质胶结的岩石具有一定的稳定性，崩解性差，胶结程度越差，则越易崩解，尤其是红层风化带堆积物，结构疏松，浸水后崩解量80 以上，具有极大的不稳定性。 红层工程性质还与岩石中分散的析晶方解石含量有关。当其含量高时，岩石的孔隙率低，天然含水量低，容重大，抗压抗剪性较高，反之亦然。分散的方解石细晶相互连接，与粘土矿物共生，使其吸水膨胀和崩解作用受到制约，因而使岩石强度增高。湖南白垩系_第三系红层工程特性研究 (l)适宜的古地貌条件 红层的碎屑沉积，需要有接受沉积的古沉积盆地和沉积物质，沉积盆地多为内陆盆地，也有少量的海滨及海相沉积，物质则指周围山地提供丰富的岩石风化物。 (2)适宜的古气候条件 红层形成于干燥炎热的古气候环境条件下，一方面岩石风化作用强烈，可以提供丰富的物源，另一方面岩石氧化作用强烈，可以形成红层的红色外观。5.1红层砂、泥岩物理力学特性 为了对湖南白至系、第三系红层流变特性进行研究，笔者首先从全省各地采取了一些典型的红层泥岩或粉砂质泥岩、砂岩试样进行基本性质试验测定。 岩石试样系列试验结果表明砂岩具有如下物理力学特性: (1)红层砂岩颗粒密度(比重)与干密度之差较大，孔隙度较高，说明岩石中的胶结物含量较低。 (2)压缩试验表明，红层砂岩的弹性模量与泊松比均较低，分别为700MPa和0.21，它反映岩石在受压条件下轴向压缩变形较大，而侧向拉伸变形则较弱。 (3)岩石的压拉比(即抗压强度与抗拉强度之比)值较高，多数在巧以上，有的高达25，抗拉强度偏低。 (4)岩石饱水后强度降低不剧烈，软化系数一般大于0.7，有的近0.8。表明岩石遇水软化的特征不明显。 (5)应力、应变全过程测试表明，岩石峰值前的应力、应变为线性关系，且峰前无应变硬化现象;破坏极具脆性特征，破坏方式为张性破裂;峰值后应变软化急剧，峰、残强度差大。 上述特点表明红层砂岩的脆性特征很强，抵抗拉张应力与拉伸变形的能力极弱。这是岩体中红层砂岩的一个重要的、也是最主要的力学特征。 红层砂岩的这一特征可以这样解释:由于碎屑岩在受拉时，其拉张应力与拉伸变形只能由胶结物抵御。而一些红层砂岩试样的薄片鉴定结果清楚地表明其胶结物的含量很低，总量不超过巧%，且以钙质、泥质为主，硅质含量甚微，仅2%一3%;胶结方式又主要为孔隙接触再生式。这就决定了这一特殊材料的抗拉能力极其有限。但当其受压时，压应力是由碎屑颗粒和胶结物共同承受，因此仍显示出较高的抗压强度。 由上述分析可知红层砂岩具突出的脆性破坏特征，抗压强度高、弹性模量与泊松比较低，表现出强度与变形指标不协调，压拉强度比大，抗拉张能力弱，遇水软化特征不明显等。 红层泥岩或粉砂质泥岩试样试验结果则表明:泥质岩组虽表现出一定的脆性特征，但其泊松比较高，脆性特征不如红层砂岩突出。该岩组的一个重要特征，是遇水后强度降低幅度大，一些试样的软化系数不到0.3。此外，该岩组还有强度随围压的升高大幅度提高的特点。同时该岩组具有较高的瞬时强度，但比红层砂岩小，弹性模量与泊松比较高，且与红层砂岩相比表现出强度与变形指标间显示出相反的不协调。2.2.3典型沉积红层工程地质特征绝大多数红层沉积于各类大小不同的断陷盆地或凹陷盆地中，具有分布点多，面积变化大，各个盆地互不连接，分割性强等特点。我国南方的红层盆地可以分为以菱形为主的大型盆地、以长条型为主的中型盆地和菱形、长条型均有的小型盆地等三大类，它们的分布都与地质构造方向，特别是与断裂带方向，有密切关系。大型盆地以坳陷为主，长条形中型和小型盆地以断陷为主。而北方红层多为上覆堆积层覆盖，地形地貌特征不明显。2.2.4地质构造对红层工程性能影响 红层多形成于侏罗纪、白坚纪和第三纪，在这三个时期的两个主要的大的地质构造运动是燕山构造运动和喜马拉雅运动。不同时期的构造运动严格控制了红层分布的格局，红层盆地的分布多数是沿着构造线分布，形成盆地式的丘陵地貌。如长江从汉口经九江到南京的宽广谷地，是沿淮阳构造弧发育的断陷带，在断陷带的两侧边缘，都有红层星散出露，它们的排列方向随着淮阳弧的转折而转折。 从山地边缘向盆地中心，岩性由粗粒向细粒转变，即从砾岩逐渐向砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩转变(如表2-4所示)。由于沉积条件逐渐发生变化，盆地中部的红层产状平缓，受构造影响轻微，岩体较完整，盆地边缘岩体受构造影响剧烈，产状变化大，岩体破碎，完整性差。在工程扰动下，容易发生滑坡、崩塌等严重的地质灾害和工程问题。如四川盆地的边缘受龙门山断裂带等的影响，构造作用强烈，岩体破碎，在成昆铁路、宝成铁路、成渝铁路的建设中滑坡、崩塌地质灾害工程数量众多。第3章 四川红层软基力学性质的影响因素 红层是一种复杂的力学介质，其变化特征和强度特征不仅取决于应力状态，而且与红层的矿物成分、红层结构构造密切相关，并受水和温度的影响(由于温度在建筑物基础的主要影响范围内变化不大，所以本文不讨论温度对红层的影响)。为此，了解影响四川红层力学性质的主要因素，对于认识四川红层力学性质的差异性和可变性，将四川红层力学理论用于解决工程实际问题是很有帮助的。3. 1矿物成分对四川红层软基力学性质的影响 软基中矿物种类繁多，各种矿物的化学成分和物理性质不同。因此，软基中各种矿物含量的比例，直接影响软基的力学性质。主要表现在以下两个方面:3.1.1矿物硬度的影响 一般来说，岩石中硬度大的粒状和柱状矿物，如石英、长石、角闪石、辉石和橄榄石愈多，岩石的弹性愈明显，强度愈高。而红层中矿物成分中绝大部分为硬度不大的粘土矿物和云母，方解石、石英和长石等硬度比较大的矿物含量相对不多。因此，就决定其在工程力的作用下产生显著的塑性变形。3.1.2粘土矿物的影响红层中的粘土矿物是指如蒙脱石、石膏和高岭石等在浸水后都发生膨胀和软化，使这类岩石强度降低很大。同时发生膨胀和软化后的软基中的碳酸盐类由于遇水后易溶解，从而使其孔隙增大，结构松散，强度降低。由于孔隙溶液的离子成分、浓度、PH值均将影响粘土矿物颗粒表面扩散层厚度的变化，所以软基工程地质性质也随之而改变。3. 3结构构造对四川红层软基力学性质的影响3.3. 1红层软基结构对力学性质的影响 软基结构对软基力学性质的影响主要是结构差异的影响。一般等粒结构比非等粒结构强度高。在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强。同时，晶粒之间结合紧密，强度较高，而可溶性结晶联接的，强度尽管也较高，但抗水性差。加上软基中有一部分是重结晶联结，其强度比其他坚硬岩石差得多。3.3.2岩石的构造对红层软基力学性质的影响 岩石的构造对软基力学性质的影响主要有岩石中矿物晶粒的排列，岩石颗粒的胶结类型以及孔隙、微裂隙及其他微结构面等等。软基颗粒与颗粒之间通过胶结物连接再一起，岩石的强度取决于胶结物及胶结类型。 从胶结物来看，硅质、铁质胶结强度高，钙质次之，泥质胶结强度最低。从稳定性来看，硅质胶结稳定，铁质胶结易风化，钙质胶结不耐酸，泥质胶结遇水时降低很快。从胶结类型来看，基质胶结，颗粒之间不直接接触，完全受胶结物包围，岩石强度基本上取决于胶结物(如图3-1);接触胶结，只在颗粒接触处才胶结，胶结一般不牢固，故岩石强度低，透水性强(图3-2);孔隙胶结，胶结物完全或部分充填于颗粒之间的孔隙中，胶结一般牢固，岩石强度和透水性主要取决于胶结物类型及其充填程度。软基中的矿物成分和结构构造，是影响软基力学性质的内在因素。由于岩石的成因不同，形成的环境条件不同，导致软基的矿物成分不同和结构构造千差万别，即使同类软基，其力学性质也因位置不同而有一个变动范围。2. 1红层的岩石学性质 在长沙地区取湖南白呈系、第三系红层试样三十组，株洲市区、湘潭市区各取样二十组，样品均在人工挖孔桩施工工地的桩端持力层以下未风化或微风化地层中取得。取样完成后，在中南大学地学与环境工程院实验室对其岩石学性质进行了测试研究。2.1.1宏观特征红层试样肉眼观察特征基本相近，新鲜面为红褐色或褐红色，风化面为暗灰红色，具致密块状结构、细中粒结构，个别肉眼可见2-5mm的砾石。取样点附近观察，岩石在风化面上可见裂隙，裂隙充填物成土黄色或棕黑色，肉眼可辨认矿物主要为石英、绢云母，矿物