探讨白垩上红砂岩的工程地质特征及风化

摘要: 根据作者十多年来从事建筑工程地质勘察，对地下水水文地质特征、红层岩体强度特征研究、红层岩体边坡稳定性和防治措施等几个问题进行探讨研究，总结以及提出了个人的观点，可供同行参考。

关键词:岩土勘察；红层；措施研究

中图分类号：TU198文献标识码： A 文章编号：

前言

白垩系红层工程地质条件较差, 工程勘察中对其物理力学性、野外原位测试和室内测试数据进行分析时其离散性均较大, 导致岩土工程师对其承载力的推荐带有许多随意性, 并给工程的设计/施工带来许多不便和引发许多诸如滑坡、浸水沉陷等次生灾害;

1区域地质环境

1.1地层结构

本区红层主要由白垩系和下第三系一套内陆河湖相沉积成岩的泥岩、泥质粉砂岩/ 粉砂、砾岩等碎屑岩组成, 多为软岩极软岩(饱和单轴极抗压强度多为3~ 15MPa)。

1.2地下水水文地质特征

由于构造运动的强烈影响, 岩体较为破碎, 裂隙发育,且多发育泥夹岩屑型裂隙, 给地下水提供了在岩体内缓慢渗流的场所,形成了基岩裂隙水; 但由于岩体发育的裂隙多为泥夹岩屑型裂隙,其渗透系数较小, 红层基岩裂隙水较为贫乏; 岩体内的裂隙水具山区平原型基岩裂隙水特有的特征, 含水层(带)中只进行着与地表水的自由水交替, 不存在缓慢交替或消极交替,径流途径多为岩块间的孔隙和裂隙。

由于地下水中SO 含量普遍较高( 150~ 500mg/ L), 故本区岩体内红层基岩裂隙水具一定的硫酸盐侵蚀性, 造成了地下水的溶蚀、腐蚀和软化泥岩等不良地质作用问题; 而岩体中含有可溶性的泥质、钙质(80%~ 90%为可溶性的CaCO3) 胶结物, 导致岩体中HCO普遍较高( 150~ 500mg/ L) , 这一特征表明红层基岩裂隙水具溶出蚀性质, 并必然对建筑材料具有侵蚀能力; 众所周知,纯水对于可溶岩的溶解能力是非常弱的, 只有当CO2溶于地下水后,与岩体中的CaCO3发生如下反应:

CaCO3溶于纯水: CaCO3 Ca2++ CO;

CO + H2OHCO3-+ OH-;

CO2 溶于水:CO2[ 气]CO2[ 溶于水中];

CO2[ 溶于水中]+ H2OH2CO3 HCO + H+;

同时: H++ OH- H2O。

从而形成一个复杂的固、液、气三相化学体系,在化学热力学中, 决定物质化学反应快慢程度的三大要素是能、焓、熵,同一种物质, 在不同的状态下其标准生成焓、标准熵是不同的,而以上反应多为朝着标准生成焓减小的吸热反应过程, 其标准熵也是朝着减小、无序度增大的反应过程, 区内红层基岩裂隙水只进行着与地表水的自由水交替,其受大气影响非常强烈, 红层基岩裂隙水在每一水文年的循环交替中, 上述反应也循环交替进行, 加剧了基岩裂隙水作为地质营力对岩体的不断改造破坏, 这一缓慢的作用过程对工程建设极为不利。

1.3工程地质特征

区内红层岩石多为软岩 极软岩, 含有大量的伊利石、蒙脱石, 具日晒易干裂,吸水具膨胀软化,浸水后其结构极易破坏而强度急剧降低, 在水和其它外营力作用下易形成软弱带, 岩体内的软弱带多沿泥夹岩屑型裂隙由红层岩屑和其风化产物构成, 具隔水、保水和强度低等特点, 并具明显的浸水软化特征。

1.3.1残积土全风化带

其工程性能与一般粘性土相似, 干强度较高, 其抗剪强度随岩土体的饱和度的不断增大, 其抗剪强度明显降低(见表1); 随着< 0.002 m粘粒含量的增多, 其抗剪强度也明显的降低, 其活动度明显减小,表明岩土体具极高水敏性, 岩土体具较大的不稳定结构,浸水时其弯液面消失, 抗剪强度降低, 颗粒间发生移动,导致其具明显浸水沉降的特点。

表1直剪试验中饱和度/粘粒含量与抗剪强度/活动度的关系

1.3.2全风化 强风化带

具明显的半岩半土特征, 用双管合金钻进具较高的取芯率( 一般可达80%~ 90%), 干燥时强度较高, 遇水极易膨胀崩解,且其饱和单轴极限抗压强度极低, 有时甚至为零; 岩体内薄层状全风化及残积土夹层较多,线风化率可达30%~ 50%( 线风化率= 高一级风化岩岩芯总长度/ 岩芯总长度, 下同) , 其现场标准贯入测试数据离散性极大。

1.3.3强风化 中风化带

具明显的原岩结构特征, 具弱的原岩结构强度, 岩芯取芯率较低,有时双管合金钻进取芯也仅50%~ 65%左右, 日晒极易裂,遇水易膨胀, 岩体内薄层状强风化及全风化夹层较多, 线风化率可达10%~ 30%,其现场标准贯入测试难以贯入。

1.3.4中风化 微风化带(含新鲜岩石)

具较强的原岩结构强度, 用单管合金钻进取芯较高(可达85%以上) ,日晒极易裂,遇水易膨胀, 岩体内夹少量薄层状强风化以下岩石,线风化率达0~ 10%。

2红层岩体强度特征研究

2.1残积土全风化带、全风化强风化带

在对其进行承载力分析时, 采用土工测试成果其承载力值偏于保守,易造成浪费, 而采用标准贯入测试成果进行承载力分析时,其承载力值安全系数偏小, 存在安全隐患,故在对其进行承载力分析时,必须结合钻进情况和当地建筑经验, 分析其线风化率,综合推荐其承载力值, 才不至造成承载力资源的浪费;

2.2强风化中风化带、中风化微风化带(含新鲜岩石)

其承载力一般较高,但其单轴饱和极限抗压强度极低,具有明显的粘弹性特征,其具有流变屈服极限,不象硬质岩石具强度极限, 在其承受循环往荷载和高烈度区,这一特性必须给予充分重视。

3红层岩体边坡稳定性和防治措施研究

3.1强风化中风化/ 中风化微风化带(含新鲜基岩) 岩体边坡稳定性分析

由于强风化中风化带以上红层岩体内层理和泥夹岩屑型裂隙发育,边坡开挖后, 在长期暴晒和地下水交替循环作用下, 易沿软弱结构面( 层理面和泥夹岩屑型裂隙) 形成层间剪切带, 即顺层平面滑动,导致边坡产生平面破坏,有时在高陡边坡中, 由于岩体的干缩和卸荷裂隙发育,边坡也易形成书页状的崩塌剥离失稳。

3.2 全风化 强风化/残积土 全风化带边坡稳定性分析

由于该带岩土体具有类似于土体的一般物理力学性质, 且无明显的风化界线,边坡开挖后, 在地下水及地表水的作用下,应力多集中在坡脚,导致坡脚岩体强度不足被压溃, 从而使整个边坡沿滑裂面发生一定程度的旋转,形成圆弧破坏。

3.3 边坡失稳的防治对策

在总结了一系列红层高陡边坡产生的地质灾害和防治经验后, 认为在对红层高陡边治理时必须加强勘察, 弄清构成边坡岩土体的物质成份、物理力学性质, 正确划分边坡岩土体的风化带和风化特征, 研究边坡岩土体的节理裂隙特征, 分析研究边坡失稳的可能模式,并考虑各种可能的荷载(地下水作用、地震、人类工程爆破振动等) ,选定合理的设计参数, 设计不同的施工方案,经做出经济比较后,再选出最优的边坡加固防护措施。

4结论

白垩系红层由于其形成的残积土 全风化、全风化 强风化岩土体对水具极高的敏感性, 抗剪强度随岩土体的饱和度和粘粒含量的高低变化明显, 具明显的 浸水沉降 特征, 而强风化 中风化、中风化 微风化( 含新鲜岩石)岩土体具干燥易裂、吸水易膨胀软化,具流变屈服极限而无强度极限等特点,加之红层岩土体无明显的风化分带,地层风化严重不均匀, 厚度有明显的差异, 对其承载力研究和边坡稳定性的研究程度现阶段均较低, 这与湖北高速发展的经济是极不相称的。