1、紅層概述紅層為紅色的陸相碎屑沉積物，形成于古盆地和湖泊環(huán)境，主要形成于炎熱、 干燥的地質(zhì)時(shí)期。紅層巖石組成多為砂巖和礫巖，并夾粉砂巖、頁巖、泥巖、灰 巖、石膏及巖鹽等，紅層的沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造具有一定的規(guī)律性。紅層是地殼演化 到一定歷史階段的產(chǎn)物，它不只是中新生代的產(chǎn)物，在古生代也有紅層發(fā)育與分 布。中國(guó)的紅層主要分布在西南、華南、華中及西北的廣大地區(qū)。山于各地區(qū)紅 層的巖性、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候條件和時(shí)間因素不同，紅層中發(fā)育了多種地貌，如方 山、丘陵、高原、丹霞地貌等。紅層地貌與丹霞地貌應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分開來。紅層的界定曾昭璇等認(rèn)為“紅層是從中生代，特別是從侏羅紀(jì)到早第三紀(jì)的陸相紅色巖 系”，是丹霞地貌發(fā)育的

2、物質(zhì)基礎(chǔ)。至于它形成于什么時(shí)代，沒有必要在定義中 加以限制，因?yàn)樵谥猩郧昂屯淼谌o(jì)也有紅層堆積；由于沉積環(huán)境的差異和 后期地質(zhì)作用的改造，紅層的顏色可能變化于棕黃、褐黃、紫紅、褐紅、灰紫等 偏紅色調(diào);紅層是一種巖性復(fù)雜的陸相沉積，這與相對(duì)均質(zhì)、致密的海相沉積有 著很大的差別，但應(yīng)該允許有過渡相和交互相夾層；說紅層是碎屑巖系主要用以 區(qū)別陸相化學(xué)沉積和生物沉積。作者對(duì)紅層提出了一個(gè)界定依據(jù)：顏色是偏紅 色調(diào);是陸相沉積環(huán)境;是碎屑沉積。因此認(rèn)為，紅層是一種紅色的陸相碎屑 巖系。紅層這個(gè)名稱在中國(guó)最早由李四光提出，紅層主要指侏羅系、白奎系及少量 三疊系及早第三系形成的，己經(jīng)成巖的，主色調(diào)為紅色

3、的泥巖、粉砂巖、砂巖等 巖性的一套陸相及淺水湖相沉積物，但紅層并非只是中生代及以后的產(chǎn)物，在北 美一俄羅斯古陸以及我國(guó)的山西及塔里木盆地等部在古生代就有陸相“老紅層” 沉積。紅層的物質(zhì)組成根據(jù)目前國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究，紅層碎屑的顆粒組成差異很大，有洪積泥礫、短促河 床礫石層、河床相砂礫、較長(zhǎng)途搬運(yùn)的具有砂波結(jié)構(gòu)的河床砂、河流三角洲前緣 相的砂質(zhì)層和以泥質(zhì)為主的湖盆相粉砂質(zhì)或淤泥質(zhì)沉積等。四川盆地西北部的古 山前拗陷中的紅層巨礫可達(dá)數(shù)十厘米，而許多紅層盆地中部多由泥質(zhì)巖構(gòu)成。 碎屑的礫石組成一般與其外圍山地的物源一致，巖屑、礫屑是其外圍物源地巖石 碎屑的混合。其砂質(zhì)主要是石英，含部分長(zhǎng)石;膠結(jié)物以泥、

4、砂為主，化學(xué)膠結(jié) 物主要為硅質(zhì)、鈣質(zhì)和鐵質(zhì)。湖南岌山的碳酸鈣含量隨外圍接觸地層的不同而有 很大差別，在接觸碳酸鹽巖源地的地方，碳酸鈣含量可達(dá)25%以上。紅層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造紅層一般發(fā)育在內(nèi)陸盆地和湖泊環(huán)境，所以其沉積特征在粒度上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，紅 層盆地邊緣往往堆積巨厚的洪積相混雜泥礫，往中心漸變?yōu)楹?、沖積礫巖、砂礫巖，砂巖與 河、湖積細(xì)砂、粉沙巖或泥質(zhì)巖。這是因?yàn)樾纬杉t層的物質(zhì)來源于古盆地或古湖盆周圍的高 地，所以邊緣地帶最先接受沉積，粒度較大，而粒度較小的物質(zhì)可以被搬運(yùn)到盆中。但在垂 直剖面上，盆地外圍的洪積扇前緣粗碎屑堆積區(qū)，巖石粒級(jí)的變化很大，常常表現(xiàn)為互層狀。 即礫巖、砂礫巖交互成層，

5、夾砂巖;或砂礫巖、砂巖為主夾礫巖或夾薄層粉砂巖、泥質(zhì)巖。 而接近湖盆中心的細(xì)碎屑堆積區(qū)，巖性的垂直變化一般較小。相對(duì)說來，河流淡水沉積、泥 砂膠結(jié)或硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的礫巖和砂礫巖比較堅(jiān)硬;而盆地中心沉積的粉砂巖、泥質(zhì)巖所含 的可溶性物質(zhì)較多，透水性較差、含水較多，因而比較軟弱。大部分的粗碎屑紅層以厚層或巨厚層甚至塊狀構(gòu)造為主;接近盆地中心的湖積相或河漫灘相 細(xì)碎屑紅層一般以薄層構(gòu)造為主;而介于兩者之間的河床相和三角洲相堆積則較為復(fù)雜，比 較穩(wěn)定的較大河流在河床側(cè)向擺動(dòng)過程中，可能會(huì)形成厚層或巨厚層砂質(zhì)堆積，同時(shí)在邊灘 發(fā)育或河底砂波移動(dòng)過程中，在沉積層內(nèi)的細(xì)層或紋層形成斜層理;另一種情況可能是在

6、人 湖三角洲推進(jìn)過程中，在同一砂巖層內(nèi)，發(fā)育斜層理或交錯(cuò)層理。丹霞山錦石巖段和白寨頂 段有8一20 m巨厚層不等粒石英砂巖和長(zhǎng)石石英砂巖，均具有大型板狀交錯(cuò)層理。其中錦石 巖段厚層砂巖的交錯(cuò)層產(chǎn)狀。四川盆地南部白平統(tǒng)窩頭山組的巨型斜層理十分發(fā)育。層系厚 3一5m，有時(shí)可達(dá)數(shù)十米。細(xì)層層理傾角一般大于300，個(gè)別40以上，呈多向傾斜。紅層形成的古地理環(huán)境紅層的巖性、結(jié)構(gòu)、沉積相和古生物化石（包括植物袍粉）等各種地層研究成 果顯示，紅層是一種典型的陸相沉積。紅層中所含的可溶性鹽較多，丹霞山砂巖 樣中ALO、CaO、FeO，KO，Na O的含量均超過砂巖的克拉克值。許多盆地相紅一 一 2 . 3 一

7、 一2 3 2. 一 . .2 一一層中都夾有膏鹽層，粵北南雄群紅色泥巖、皖南休寧盆地紅層及川南、甘肅等地 的紅層中都夾有多層的含石膏層。故而認(rèn)為大部分紅層堆積在封閉的、相對(duì)干燥 的內(nèi)流盆地環(huán)境中。而在盆地堆積的后期，隨著盆地抬升、湖水外瀉而淡化，紅層中沒 有鹽沉積，但仍處于相對(duì)封閉的內(nèi)陸環(huán)境，在淡化的盆地中沉積的紅層往往比鹽化的湖盆中 沉積的紅層要堅(jiān)硬一些。由于紅層中大多含有碳酸鹽巖碎屑或鈣質(zhì)膠結(jié)物，甚至含有蒸發(fā)鹽 夾層，目前大部分學(xué)者認(rèn)為紅層形成在炎熱千燥的環(huán)境下。但是紅層的紅色主要是高價(jià)鐵 （Fe十）相對(duì)富集而成的，這個(gè)富集過程必須要有足夠的淋濟(jì)作用。按照“將今論占”的古 地理研究原則，

8、紅層形成的古氣候環(huán)境應(yīng)是一種類似于現(xiàn)代熱帶、亞熱帶半濕潤(rùn)、半干旱氣 候或干濕季氣候，以保證有足夠的淋溶并保持長(zhǎng)時(shí)期的氧化環(huán)境。地質(zhì)歷史上，紅層沉積一 般發(fā)生在古熱帶和亞熱帶盆地中，相當(dāng)于古緯度15300范圍內(nèi)。此外,海相或海陸過渡相紅層在沉積過程中大部分時(shí)間不是氧化環(huán)境，因此其紅色往往 是沉積的鉀長(zhǎng)石顏色或三價(jià)鐵膠體顏色。而過渡相沉積受陸地環(huán)境影響較大，在海侵海退比 較頻繁的古代近海盆地則可能形成與陸地紅層接近的沉積特點(diǎn)。紅層形成時(shí)代和分布根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究，目前所發(fā)現(xiàn)的發(fā)育丹霞地貌的紅層均不早于中生代， 其中以白I系紅層最多，約占80%。形成丹霞地貌的最老紅層為二疊系L9.71，還 沒有發(fā)現(xiàn)

9、丹霞地貌發(fā)育在更老的地層中。但這 并不 能說明中生代以前沒有紅 層堆積。其實(shí)，北美一俄羅斯古陸上（主要在北歐、格陵蘭島到北美洲東北部） 加里東運(yùn)動(dòng)期間就已經(jīng)在山前拗陷和山間盆地中堆積了陸相“老紅層”老紅砂 巖，Old Red Sandstone）o例如在阿巴拉契亞地槽太康運(yùn)動(dòng)（O ）第二幕之后，褶 一 3. .- 皺隆起帶（地背斜）以西與勞倫古陸之間的拗陷中，沉積了很厚的陸相紅色頁巖、 砂巖和礫巖等碎屑巖。到了晚志留世，紅層堆積向內(nèi)陸擴(kuò)展，美國(guó)中北部的兒個(gè) 盆地中均廣泛發(fā)育了紅層和蒸發(fā)巖（Ailing&Briggs, 1961）（晚古生代，在北美一 俄J斯占陸的大部分地區(qū)和岡瓦納古陸的北部，都

10、有紅層和蒸發(fā)巖發(fā)育。中國(guó)塔 里木地臺(tái)在泥盆紀(jì)和二疊紀(jì)也發(fā)育紅色陸相粗碎屑堆積因此，從紅層的定義來看. 紅層開始發(fā)育的時(shí)代應(yīng)前推至早古生代。作者認(rèn)為紅層是地殼演化到一定歷史階段的產(chǎn)物，即地殼剛性增強(qiáng)，地臺(tái)擴(kuò) 大，有相對(duì)廣大的陸地面積之后，才因地臺(tái)活化（地洼區(qū)）而形成反差較大的內(nèi)陸 沉積盆地和外圍山地物源區(qū)，在適當(dāng)?shù)臍夂蚺c沉積環(huán)境下發(fā)育陸相紅層堆積。也 就是不排除古陸臺(tái)上還有更老的紅層發(fā)育。影響紅層地貌發(fā)育的因素紅層的巖性、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候條件、發(fā)育時(shí)間等是影響紅層地貌發(fā)育的重要 因素，同時(shí)，這幾個(gè)影響因素是同時(shí)作用于地貌發(fā)育的，使各地區(qū)的地層地貌各 不相同。5.1.1紅層巖性由于紅層是湖泊或盆地的

11、沉積物，其物質(zhì)構(gòu)成的粒度大小具有從邊緣向內(nèi)部逐 漸變小的趨勢(shì)。盆地邊緣的礫巖、砂巖等粒度較大，巖性堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)， 往往形成紅層山地，泥巖、頁巖等巖性較軟，易形成低矮而起伏緩和的丘陵。例 如在我國(guó)的四川盆地的地貌類型中，盆周多紅層低山，向盆地中心逐漸過度為紅 層臺(tái)狀低山、紅層深丘和紅層淺丘。5.1.2構(gòu)造運(yùn)動(dòng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)往往會(huì)引起紅層的變形，進(jìn)而影響地貌的發(fā)育。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)紅層地 貌的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面:引起地區(qū)的整體抬升，使先期形成的紅層不被后 期的地層所掩蓋;改變巖層的性質(zhì)，如巖層的傾角，增加巖層的節(jié)理或裂隙， 改變巖層抗風(fēng)化的能力等。5.1.3氣候條件氣候條件對(duì)紅層地貌發(fā)育的影響主要

12、體現(xiàn)在地貌發(fā)育的速度、發(fā)育形式方面。 通常在濕熱的氣候條件下紅層風(fēng)化快，地貌的發(fā)育也快。5.1.4時(shí)間因素時(shí)間因素表明了地貌發(fā)育的階段性，在不同的時(shí)間階段可以形成不同的地貌 類型，作者提出了丹霞地貌侵蝕旋回的6個(gè)階段。表明了在發(fā)育紅層的古盆地抬 升后，在穩(wěn)定的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下丹霞地貌發(fā)育的理想過程。紅層的工程特性及其離心試驗(yàn)研究紅層的工程特性紅層系指侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和第三紀(jì)沉積的一套紫紅色和雜色的砂巖、泥巖、砂泥 巖。巖石顆粒磨圓度及分選性都較差，相變大，沉積旋回明顯，多屬河漫灘相、 河床相、濱湖相和湖相沉積。其化學(xué)成份為SiO2, TiO：，F(xiàn)e2O，CaO, Mg0，A1 03

13、, 礦物組成包括碎屑礦物及膠結(jié)物質(zhì)。碎屑礦物主要為石英，少量長(zhǎng)石，礫巖則含 有石英巖屑，火山巖屑及石灰?guī)r屑；粘土礦物以高嶺石、伊利石為主，同時(shí)含有 少量的蒙脫石、綠泥石及云母等，它們?cè)谀鄮r中的含量可達(dá)3O%70%?？紫?度及孔隙大小與粒度成分、膠結(jié)程度和后期的風(fēng)化溶蝕作用有密切的關(guān)系。泥巖 主要由直徑小于0. 01mm的細(xì)碎屑組成，粉粒及粘粒含量達(dá)8O%以上，并以泥鐵 質(zhì)膠結(jié)為主，孔隙度小，平均只有2. 72%，孔隙直徑多小于2. 2 m；粉砂巖主 要由粒徑為0.080.10 mill的顆粒組成，粉粒含量50%70%，75%的孔隙小 于5.8 m，孔隙度較高，平均28.29 % ;細(xì)砂巖、中粗

14、砂巖的孔隙度變化較大 (14. O7%53. 24%)，這主要取決于膠結(jié)程度和風(fēng)化作用。以泥鐵質(zhì)膠結(jié)未 經(jīng)風(fēng)化的砂巖，其孑乙隙度較低，而在紅層頂部，鈣質(zhì)膠結(jié)的中粗砂巖由于受后 期的風(fēng)化和溶蝕作用的影響，其孔隙度比未風(fēng)化巖石高23倍，75%的孔隙直 徑大于12. 5 m。鉆探資料也表明，細(xì)砂巖及中粗砂巖在風(fēng)化帶結(jié)構(gòu)疏松，孔隙 孔洞發(fā)育，鉆孔漏失普遍。紅層具有以上性質(zhì)，決定了它的工程特性。1抗壓性紅層的抗壓性，主要取決于巖石顆粒的粗細(xì)和顆粒成分，巖石的膠結(jié)物成分 和膠結(jié)類型。對(duì)于砂巖和礫巖來講，巖石的抗壓性還具有隨容重的增大而增強(qiáng)， 隨孔隙率的增高而降低的特點(diǎn)。此外，礫巖和砂巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度比

15、粉砂巖 和粘土巖高。1. 2抗剪性紅層巖石的抗剪性主要取決于兩個(gè)方面：第一，粘土礦物含量越高，巖石的 抗剪性越差。對(duì)粘土礦物含量大于25%的泥質(zhì)巖類和粘土巖來說，其剪切破壞具 有塑性破壞的特點(diǎn)，剪切位移大，彈性范圍小，具有明顯的屈服階段和流塑破壞 過程。第二，對(duì)于礫巖、砂巖來說，其抗剪性主要取決于膠結(jié)物的成分和膠結(jié)類 型。一般具有r基底型 了孔隙型了接觸型, 對(duì)同種膠結(jié)類型貝0有r硅質(zhì)r鈣質(zhì)r泥質(zhì)。1.3紅層軟巖與水的作用由于紅層的孔隙率較小，吸水率低，構(gòu)造節(jié)理密度不大，因此透水性較差。 另外由于紅層巖石中粘土抗污含量較高，固結(jié)陳化較差，因此構(gòu)造結(jié)構(gòu)面上裸露 的粘土礦物團(tuán)河粒團(tuán)剪損后的節(jié)點(diǎn)以及

16、粘土礦物斷鍵增大了對(duì)水分子的吸附力， 紅層軟巖表現(xiàn)出較大的親水性。同時(shí)粘土礦物細(xì)碎后膨脹和發(fā)生崩解。因此紅層 的抗水性很弱的?？傊?，紅層的水理性質(zhì)可歸結(jié)為：透水性差，親水性強(qiáng)，抗水 性弱。在天然條件下，巖石中含水量越高，力學(xué)強(qiáng)度就越低，就越容易發(fā)生變形和 破壞。各類紅層軟巖的軟化系數(shù)均較低，從而降低巖土的強(qiáng)度，容易發(fā)生膨脹和 崩解。泥巖、頁巖和砂質(zhì)泥巖浸水后強(qiáng)度顯著降低，泥巖和頁巖的軟化系數(shù)比較 低，尤其是在十濕反復(fù)交替的情況下，強(qiáng)度急劇下降，承載力課大幅度下降。巖 石遇水軟化除與巖石礦物成分（主要是粘土礦物）和結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)外，海域風(fēng)化 程度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況有關(guān)。1. 3. 1膨脹紅層軟巖的膨

17、脹是礦物品胞間吸收不定量水分子造成的“粒內(nèi)膨脹”和礦物 顆粒擴(kuò)散層厚度增大造成的“粒問膨脹”的綜合表現(xiàn)。在紅層軟巖中起膨脹作 用的粘土礦物主要為蒙脫石和伊利石，而且當(dāng)粘土礦物含量達(dá)到一定的比例時(shí)才 表現(xiàn)出顯著的膨脹性。這些粘土礦物存在于紫紅色泥巖及礫石膠結(jié)物中。紅層單 一粘土礦物很少，多數(shù)為多重粘土礦物的組合體，如高嶺石、伊利石組合，高嶺 石、伊利石一蒙脫石混合礦物組合及伊利石、蒙脫石混合礦物一綠泥石組合等。 在某些層段的泥巖中伊利石一蒙脫石混和礦物含量可達(dá)80%以上，不同的礦物 組合及粘土礦物含量影響著膨脹與崩解性。巖石的膨脹還與膠結(jié)物成分及含量、 膠結(jié)程度有關(guān)。鈣質(zhì)含量高的巖石具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)

18、定性，膠結(jié)程度越高、巖石強(qiáng)度 越高者膨脹性越低，當(dāng)內(nèi)聚力大于0. 5 MPa膨脹性可忽略。1. 3. 2崩解紅層軟巖浸水后粘土顆?？晌沾罅康乃?，使晶胞間距增大或擴(kuò)散層增厚， 使粘土礦物膠結(jié)物崩解，而碎屑顆粒之間失去聯(lián)接造成重力解體；另外吸濕力的 作用可使巖樣產(chǎn)生新的軟弱面，并沿軟弱面產(chǎn)生破壞，從而造成巖石的崩解。顯 然，巖石的崩解受粘土礦物含量及類型，膠結(jié)物類型及固結(jié)程度等因素的綜合影 響。一般膨脹礦物高的巖石浸水后巖石結(jié)構(gòu)易遭受破壞產(chǎn)生崩解，鈣質(zhì)膠結(jié)的巖 石具有一定的穩(wěn)定性，崩解性差，膠結(jié)程度越差，則越易崩解，尤其是紅層風(fēng)化 帶堆積物，結(jié)構(gòu)疏松，浸水后崩解量80%以上，具有極大的不穩(wěn)定性

19、。紅層工程性質(zhì)還與巖石中分散的析品方解石含量有關(guān)。當(dāng)其含量高時(shí)，巖石 的孔隙率低，天然含水量低，容重大，抗壓抗剪性較高，反之亦然。分散的方解 石細(xì)品相互連接，與粘土礦物共生，使其吸水膨脹和崩解作用受到制約，因而使 巖石強(qiáng)度增高。湖南白堊系_第三系紅層工程特性研究適宜的古地貌條件紅層的碎屑沉積，需要有接受沉積的古沉積盆地和沉積物質(zhì)，沉積盆地多為 內(nèi)陸盆地，也有少量的海濱及海相沉積，物質(zhì)則指周圍山地提供豐富的巖石風(fēng)化 物。適宜的古氣候條件紅層形成于干燥炎熱的古氣候環(huán)境條件下，一方面巖石風(fēng)化作用強(qiáng)烈，可以 提供豐富的物源，另一方面巖石氧化作用強(qiáng)烈，可以形成紅層的紅色外觀。5.1紅層砂、泥巖物理力學(xué)特

20、性為了對(duì)湖南白至系、第三系紅層流變特性進(jìn)行研究，筆者首先從全省各地采 取了一些典型的紅層泥巖或粉砂質(zhì)泥巖、砂巖試樣進(jìn)行基本性質(zhì)試驗(yàn)測(cè)定。巖石試樣系列試驗(yàn)結(jié)果表明砂巖具有如下物理力學(xué)特性：紅層砂巖顆粒密度(比重)與干密度之差較大，孔隙度較高，說明巖石中 的膠結(jié)物含量較低。壓縮試驗(yàn)表明，紅層砂巖的彈性模量與泊松比均較低，分別為700MPa和 0.21，它反映巖石在受壓條件下軸向壓縮變形較大，而側(cè)向拉伸變形則較弱。巖石的壓拉比(即抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比)值較高，多數(shù)在巧以上，有 的高達(dá)25,抗拉強(qiáng)度偏低。巖石飽水后強(qiáng)度降低不劇烈，軟化系數(shù)一般大于0.7,有的近0.8。表明 巖石遇水軟化的特征不明顯。

21、應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)^程測(cè)試表明，巖石峰值前的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系， 且峰前無應(yīng)變硬化現(xiàn)象;破壞極具脆性特征，破壞方式為張性破裂;峰值后應(yīng)變軟 化急劇，峰、殘強(qiáng)度差大。上述特點(diǎn)表明紅層砂巖的脆性特征很強(qiáng)，抵抗拉張應(yīng)力與拉伸變形的能力極 弱。這是巖體中紅層砂巖的一個(gè)重要的、也是最主要的力學(xué)特征。紅層砂巖的這一特征可以這樣解釋：由于碎屑巖在受拉時(shí)，其拉張應(yīng)力與拉 伸變形只能由膠結(jié)物抵御。而一些紅層砂巖試樣的薄片鑒定結(jié)果清楚地表明其膠 結(jié)物的含量很低，總量不超過巧%，且以鈣質(zhì)、泥質(zhì)為主，硅質(zhì)含量甚微，僅2% 一 3%;膠結(jié)方式又主要為孔隙接觸再生式。這就決定了這一特殊材料的抗拉能力 極其有限。但當(dāng)其受壓時(shí)，

22、壓應(yīng)力是由碎屑顆粒和膠結(jié)物共同承受，因此仍顯示 出較高的抗壓強(qiáng)度。由上述分析可知紅層砂巖具突出的脆性破壞特征，抗壓強(qiáng)度高、彈性模量與 泊松比較低，表現(xiàn)出強(qiáng)度與變形指標(biāo)不協(xié)調(diào)，壓拉強(qiáng)度比大，抗拉張能力弱，遇 水軟化特征不明顯等。紅層泥巖或粉砂質(zhì)泥巖試樣試驗(yàn)結(jié)果則表明:泥質(zhì)巖組雖表現(xiàn)出一定的脆性 特征，但其泊松比較高，脆性特征不如紅層砂巖突出。該巖組的一個(gè)重要特征， 是遇水后強(qiáng)度降低幅度大，一些試樣的軟化系數(shù)不到0.3。此外，該巖組還有強(qiáng) 度隨圍壓的升高大幅度提高的特點(diǎn)。同時(shí)該巖組具有較高的瞬時(shí)強(qiáng)度，但比紅層 砂巖小，彈性模量與泊松比較高，且與紅層砂巖相比表現(xiàn)出強(qiáng)度與變形指標(biāo)間顯 示出相反的不協(xié)調(diào)

23、。2.2.3典型沉積紅層工程地質(zhì)特征絕大多數(shù)紅層沉積于各類大小不同的斷陷盆地或凹陷盆地中，具有分布點(diǎn) 多，面積變化大，各個(gè)盆地互不連接，分割性強(qiáng)等特點(diǎn)。我國(guó)南方的紅層盆地可 以分為以菱形為主的大型盆地、以長(zhǎng)條型為主的中型盆地和菱形、長(zhǎng)條型均有的 小型盆地等三大類，它們的分布都與地質(zhì)構(gòu)造方向，特別是與斷裂帶方向，有密 切關(guān)系。大型盆地以坳陷為主，長(zhǎng)條形中型和小型盆地以斷陷為主。而北方紅層 多為上覆堆積層覆蓋，地形地貌特征不明顯。2.2.4地質(zhì)構(gòu)造對(duì)紅層工程性能影響紅層多形成于侏羅紀(jì)、白堅(jiān)紀(jì)和第三紀(jì)，在這三個(gè)時(shí)期的兩個(gè)主要的大的地 質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)。不同時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)嚴(yán)格控制

24、了紅 層分布的格局，紅層盆地的分布多數(shù)是沿著構(gòu)造線分布，形成盆地式的丘陵地貌。 如長(zhǎng)江從漢口經(jīng)九江到南京的寬廣谷地，是沿淮陽構(gòu)造弧發(fā)育的斷陷帶，在斷陷 帶的兩側(cè)邊緣，都有紅層星散出露，它們的排列方向隨著淮陽弧的轉(zhuǎn)折而轉(zhuǎn)折。從山地邊緣向盆地中心，巖性由粗粒向細(xì)粒轉(zhuǎn)變，即從礫巖逐漸向砂巖、粉 砂巖、泥巖、頁巖轉(zhuǎn)變（如表2-4所示）。由于沉積條件逐漸發(fā)生變化，盆地中部 的紅層產(chǎn)狀平緩，受構(gòu)造影響輕微，巖體較完整，盆地邊緣巖體受構(gòu)造影響劇烈， 產(chǎn)狀變化大，巖體破碎，完整性差。在工程擾動(dòng)下，容易發(fā)生滑坡、崩塌等嚴(yán)重 的地質(zhì)災(zāi)害和工程問題。如四川盆地的邊緣受龍門山斷裂帶等的影響，構(gòu)造作用 強(qiáng)烈，巖體破碎，

25、在成昆鐵路、寶成鐵路、成渝鐵路的建設(shè)中滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi) 害工程數(shù)量眾多。第3章四川紅層軟基力學(xué)性質(zhì)的影響因素紅層是一種復(fù)雜的力學(xué)介質(zhì)，其變化特征和強(qiáng)度特征不僅取決于應(yīng)力狀態(tài)， 而且與紅層的礦物成分、紅層結(jié)構(gòu)構(gòu)造密切相關(guān)，并受水和溫度的影響（由于溫 度在建筑物基礎(chǔ)的主要影響范圍內(nèi)變化不大，所以本文不討論溫度對(duì)紅層的影 響）。為此，了解影響四川紅層力學(xué)性質(zhì)的主要因素，對(duì)于認(rèn)識(shí)四川紅層力學(xué)性 質(zhì)的差異性和可變性，將四川紅層力學(xué)理論用于解決工程實(shí)際問題是很有幫助 的。3. 1礦物成分對(duì)四川紅層軟基力學(xué)性質(zhì)的影響軟基中礦物種類繁多，各種礦物的化學(xué)成分和物理性質(zhì)不同。因此，軟基中 各種礦物含量的比例，直接

26、影響軟基的力學(xué)性質(zhì)。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 3.1.1礦物硬度的影響一般來說，巖石中硬度大的粒狀和柱狀礦物，如石英、長(zhǎng)石、角閃石、輝石 和橄欖石愈多，巖石的彈性愈明顯，強(qiáng)度愈高。而紅層中礦物成分中絕大部分為 硬度不大的粘土礦物和云母，方解石、石英和長(zhǎng)石等硬度比較大的礦物含量相對(duì) 不多。因此，就決定其在工程力的作用下產(chǎn)生顯著的塑性變形。3.1.2粘土礦物的影響紅層中的粘土礦物是指如蒙脫石、石膏和高嶺石等在浸水后都發(fā)生膨脹和軟 化，使這類巖石強(qiáng)度降低很大。同時(shí)發(fā)生膨脹和軟化后的軟基中的碳酸鹽類由于 遇水后易溶解，從而使其孔隙增大，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度降低。由于孔隙溶液的離子 成分、濃度、PH值均將影響

27、粘土礦物顆粒表面擴(kuò)散層厚度的變化，所以軟基工程 地質(zhì)性質(zhì)也隨之而改變。3. 3結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)四川紅層軟基力學(xué)性質(zhì)的影響3.3. 1紅層軟基結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響軟基結(jié)構(gòu)對(duì)軟基力學(xué)性質(zhì)的影響主要是結(jié)構(gòu)差異的影響。一般等粒結(jié)構(gòu)比非 等粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。在等粒結(jié)構(gòu)中，細(xì)粒結(jié)構(gòu)比粗粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)。同時(shí)，晶粒之間結(jié)合 緊密，強(qiáng)度較高，而可溶性結(jié)品聯(lián)接的，強(qiáng)度盡管也較高，但抗水性差。加上軟 基中有一部分是重結(jié)品聯(lián)結(jié)，其強(qiáng)度比其他堅(jiān)硬巖石差得多。3.3.2巖石的構(gòu)造對(duì)紅層軟基力學(xué)性質(zhì)的影響巖石的構(gòu)造對(duì)軟基力學(xué)性質(zhì)的影響主要有巖石中礦物品粒的排列，巖石顆粒 的膠結(jié)類型以及孔隙、微裂隙及其他微結(jié)構(gòu)面等等。軟基顆粒與顆粒之間通過

28、膠 結(jié)物連接再一起，巖石的強(qiáng)度取決于膠結(jié)物及膠結(jié)類型。從膠結(jié)物來看，硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度高，鈣質(zhì)次之，泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度最低。從 穩(wěn)定性來看，硅質(zhì)膠結(jié)穩(wěn)定，鐵質(zhì)膠結(jié)易風(fēng)化，鈣質(zhì)膠結(jié)不耐酸，泥質(zhì)膠結(jié)遇水 時(shí)降低很快。從膠結(jié)類型來看，基質(zhì)膠結(jié)，顆粒之間不直接接觸，完全受膠結(jié)物包圍，巖 石強(qiáng)度基本上取決于膠結(jié)物（如圖3-1）;接觸膠結(jié)，只在顆粒接觸處才膠結(jié)，膠結(jié) 一般不牢固，故巖石強(qiáng)度低，透水性強(qiáng)（圖3-2）;孔隙膠結(jié)，膠結(jié)物完全或部分充 填于顆粒之間的孔隙中，膠結(jié)一般牢固，巖石強(qiáng)度和透水性主要取決于膠結(jié)物類 型及其充填程度。軟基中的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，是影響軟基力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在因素。由于巖石 的成因不同，形

29、成的環(huán)境條件不同，導(dǎo)致軟基的礦物成分不同和結(jié)構(gòu)構(gòu)造千差萬 別，即使同類軟基，其力學(xué)性質(zhì)也因位置不同而有一個(gè)變動(dòng)范圍。1紅層的巖石學(xué)性質(zhì)在長(zhǎng)沙地區(qū)取湖南白呈系、第三系紅層試樣三十組，株洲市區(qū)、湘潭市 區(qū)各取樣二十組，樣品均在人工挖孔樁施工工地的樁端持力層以下未風(fēng)化或微風(fēng) 化地層中取得。取樣完成后，在中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程院實(shí)驗(yàn)室對(duì)其巖石學(xué)性 質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試研究。2.1.1宏觀特征紅層試樣肉眼觀察特征基本相近，新鮮面為紅褐色或褐紅色，風(fēng)化面為暗灰 紅色，具致密塊狀結(jié)構(gòu)、細(xì)一中粒結(jié)構(gòu)，個(gè)別肉眼可見2-5mm的礫石。取樣點(diǎn)附 近觀察，巖石在風(fēng)化面上可見裂隙，裂隙充填物成土黃色或棕黑色，肉眼可辨認(rèn) 礦物主要為石英、絹云母，礦物的粒度約l mm。2.1.2巖石