李小虎，陳干,2，張赟，黃金龍

（1.廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司巖土與地下空間院，廣州 510665；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640）

1 廣東紅層的形成與分布

1.1 廣東紅層形成的大地構(gòu)造背景

廣東紅層主要形成于中生代中后期，為碎屑巖。廣東紅層的形成及分布特點(diǎn)與大地構(gòu)造密切相關(guān)。在廣東紅層形成時(shí)期，陸地形態(tài)與現(xiàn)今基本相似，是盆地內(nèi)陸相碎屑巖的沉積，與大面積的地臺(tái)型沉積有所不同。

1.2 廣東紅層的分布

空間分布整體上被重大深大斷層控制，與斷層帶的方向有很大的聯(lián)系。主要受制于5 條深大斷裂，走向呈北東—北北東向，分別是恩平—新豐、郴州—懷集、吳川—四會(huì)、河源、蓮花山。其次還受到高要—惠來(lái)斷裂帶和瓊州海峽斷裂帶的影響，走向?yàn)闁|西向，形成了現(xiàn)今帶狀和串珠狀的分布特征[1]。

1.3 廣東紅層沉積環(huán)境

紅層需要古老沉積盆地，有足夠的沉積物來(lái)源才能沉積。沉積盆地一般為內(nèi)陸盆地，小部分是海濱、海相沉積。沉積物源是周圍山地。

1.4 廣東紅層主要組成物質(zhì)

礦物成分有黏土礦物，包括長(zhǎng)石、石英、云母和高嶺土等，紅層碎屑含礫石、砂。其中碎屑成分一般與周圍山地物源相吻合。膠結(jié)物主要由含硅質(zhì)、鈣質(zhì)和鐵質(zhì)成分的泥、砂和化學(xué)膠結(jié)物組成。

2 廣東紅層的特征

2.1 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)

紅層結(jié)構(gòu)類型有砂質(zhì)、粉砂狀、砂礫狀、礫狀以及泥質(zhì)、粉砂泥質(zhì)。薄中厚層狀構(gòu)造是紅層碎屑的主要構(gòu)造類型。

2.2 盆地分布特征

1）外圍山地地貌帶：紅層丘陵之間的接觸帶常以斷層分隔，紅層盆地外圍多為較高山地，其外圍多由非紅色巖系構(gòu)成。

2）盆地邊緣：盆地邊緣逐漸變薄到盆地中央的趨勢(shì)下，沉積物顆粒逐漸變細(xì)，與盆地邊緣斷裂帶分布吻合的厚角礫巖和砂巖沉積發(fā)生變化。

3）部分紅層盆地含較多的灰?guī)r礫石和紅色膠結(jié)物。

4）紅層丘陵帶：紅層丘陵帶巖性主要為砂巖或頁(yè)巖，在紅層盆地的中心區(qū)域，主要是丹霞地貌、平原，是向心水系聚集地，河谷兩側(cè)常出現(xiàn)砂礫巖和礫巖[2]。

2.3 地貌特征

在廣東，丹霞地貌是典型紅層地貌，始于喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)[3]。此運(yùn)動(dòng)使紅層發(fā)生傾斜，紅色盆地抬起。經(jīng)風(fēng)化逐漸形成巷谷、巷谷崖麓、崩積錐、緩坡、堡狀殘峰、石壁、石柱、溶溝、石芽和溶洞、石鐘乳、漏斗等地貌[4]。

2.4 巖性特征

廣東紅層主要由新生代上下第三系和中生代白堊系侏羅系三疊系組成，巖性主要為礫巖、砂巖、粉砂巖、黏土質(zhì)粉砂巖、黏土巖或泥（砂）質(zhì)頁(yè)巖等，亦可見(jiàn)石英砂巖或長(zhǎng)石英砂巖，夾雜有灰?guī)r結(jié)核。

3 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1 不同時(shí)代的紅層分布特征與工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

1）侏羅紀(jì)紅層以軟弱夾層變形破壞為主。

2）白堊紀(jì)紅層除軟弱夾層變形破壞外，還存在溶蝕、腐蝕等問(wèn)題。

3）新近、古近紀(jì)時(shí)期，紅層與蒸發(fā)巖互層。受構(gòu)造影響大，除軟弱夾層共性問(wèn)題外，還有紅層巖溶、滲漏、腐蝕等問(wèn)題。

3.2 紅層地區(qū)的巖石基本特征與工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

1）礫巖有孔隙式膠結(jié)、基底式膠結(jié)兩種類型，膠結(jié)物為鈣質(zhì)、鈣泥質(zhì)或泥質(zhì)。礫巖強(qiáng)度有較大差異，易發(fā)生巖溶。

2）砂巖礫石含量低，膠結(jié)物以硅質(zhì)、鈣質(zhì)、鈣泥質(zhì)和泥質(zhì)為主。砂巖強(qiáng)度較低，開挖后易風(fēng)化，有較強(qiáng)透水性。

3）黏土巖以細(xì)碎屑物質(zhì)為主，膠結(jié)物以鈣質(zhì)或鈣質(zhì)泥質(zhì)為主，石脈或鈣質(zhì)薄層常在裂隙中填充。黏土巖水穩(wěn)定性極差，開挖后易發(fā)生崩解和軟化。

3.3 典型沉積類型紅層的其他工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

1）軟硬巖層的強(qiáng)度差異和風(fēng)化程度明顯，導(dǎo)致節(jié)理發(fā)育、巖體破碎，常常引起邊坡崩塌和破壞。

2）湖相沉積地層成分為含煤沉積物和紅色沉積物，紅層與煤層互層，紅層沉積物是危及礦洞工程安全的主要因素。

4）有機(jī)質(zhì)含量較高，對(duì)巖土體的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)影響較大。

4 廣東紅層主要的工程地質(zhì)問(wèn)題與應(yīng)對(duì)措施

4.1 滑坡問(wèn)題與應(yīng)對(duì)措施

4.1.1 滑坡變形破壞模式

1）失穩(wěn)模式：因邊坡臨空條件影響，巖體卸荷變形，巖體產(chǎn)生陡傾坡外的卸荷裂隙，裂隙為巖體失穩(wěn)提供了后緣邊界。在風(fēng)化作用下，斜坡巖體剝落，硬質(zhì)巖剝落速度慢，軟巖快。差異風(fēng)化導(dǎo)致軟硬巖層交界處軟巖內(nèi)縮，形成凹巖腔，硬巖則懸空外部，形成懸挑狀危巖。

2）進(jìn)一步破壞模式：懸挑狀危巖在外界力作用下，坡體上部會(huì)再次發(fā)生崩塌，形成新臨空面，從而形成累進(jìn)式破壞[5]。

4.1.2 應(yīng)對(duì)措施

采用清坡+局部削坡+掛網(wǎng)噴混凝土+鋼筋混凝土支撐柱+排水治理措施[5]。

4.2 軟硬互層問(wèn)題與應(yīng)對(duì)措施

4.2.1 項(xiàng)目概況與基礎(chǔ)選型

廣州黃埔區(qū)某項(xiàng)目魚珠街道，包括1#辦公樓36F（139.9 m）、2#辦公樓29F（139.9 m），3#裙樓2F（10 m），1 棟垃圾收集站1F（6 m），地下室暫定為4 層，建筑物高度約140 m，擬采用嵌巖灌注樁基礎(chǔ)。持力層選用無(wú)強(qiáng)風(fēng)化夾層的連續(xù)穩(wěn)定中微風(fēng)化巖帶。

4.2.2 勘察情況

本場(chǎng)地巖層以礫巖為主，夾含礫砂巖、細(xì)砂巖等，泥質(zhì)鈣質(zhì)膠結(jié)為主。巖層分為4 個(gè)亞層：全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶和中微風(fēng)化帶。下部基巖風(fēng)化帶總厚度較大，風(fēng)化程度在深度方向呈現(xiàn)出逐漸減弱的總體規(guī)律。同一亞層中，巖石的風(fēng)化程度存在差異，強(qiáng)風(fēng)化帶中夾雜著中風(fēng)化巖，中風(fēng)化帶中夾著強(qiáng)風(fēng)化和微風(fēng)化巖。物理力學(xué)性質(zhì)差異大。

1）巖層天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度

項(xiàng)目共取持力層巖樣347 個(gè)，巖石天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為22.3 MPa，范圍值為10.3～68.2 MPa。

2）巖體的完整性與軟化系數(shù)

從鉆探巖芯采取率（＞80%）看本場(chǎng)地中微風(fēng)化巖帶中的巖體完整性均屬完整巖層，其完整性指數(shù)經(jīng)波速測(cè)試大于0.75，其完整性也是完整巖層。這是本項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的有利條件之一。綜合巖芯完整性程度和波速測(cè)試，中微風(fēng)化巖帶屬完整巖層。

紅層巖石表現(xiàn)出遇水軟化、失水開裂的特點(diǎn)，大部分屬于軟巖-較軟巖，只有少數(shù)屬于較硬巖-堅(jiān)硬巖，軟巖-較軟巖的巖石軟化系數(shù)一般在0.60 以下。在本項(xiàng)目場(chǎng)地中，中微風(fēng)化巖帶軟化系數(shù)均大于0.60，平均值為0.76，其他軟化系數(shù)小于0.60。

4.2.3 應(yīng)對(duì)措施

1）設(shè)計(jì)參數(shù)取值建議

確定持力層抗壓強(qiáng)度和持力層端阻側(cè)阻系數(shù)是項(xiàng)目樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)最大難點(diǎn)。本項(xiàng)目在單軸抗壓強(qiáng)度的天然濕度下，樁基礎(chǔ)持力層表現(xiàn)出較大的離散性。為了確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，逐樁取值，選擇單樁超前鉆孔巖樣試驗(yàn)值的最小值作為持力層天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度。最小值高于單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的，取標(biāo)準(zhǔn)值。場(chǎng)地中微風(fēng)化巖帶屬于完整巖，端阻發(fā)揮系數(shù)c1取值為0.6，側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)c2取值為0.06。通過(guò)試驗(yàn)，本項(xiàng)目持力層軟化系數(shù)大于0.6，不進(jìn)行折減。

2）勘察建議

第一，編錄時(shí)區(qū)分各種巖性，按不同巖性區(qū)分風(fēng)化程度。

第二，在滿足設(shè)計(jì)施工需要的前提下，編錄時(shí)依照占多數(shù)情況的風(fēng)化程度按照巖帶進(jìn)行劃分，在編錄描述中對(duì)夾層情況詳細(xì)敘述。

第三，編錄時(shí)擬作為持力層的巖層定名應(yīng)遵循巖層夾層風(fēng)化程度不能差于定名風(fēng)化程度的原則。例如，中微風(fēng)化巖帶內(nèi)不得夾雜強(qiáng)風(fēng)化巖。

第四，鉆孔持力層取樣數(shù)量不應(yīng)少于3 組。持力層建議抗壓強(qiáng)度值取試驗(yàn)最低值且不高于所有巖樣試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。

第五，側(cè)阻與端阻系數(shù)應(yīng)按照巖芯采取率、波速測(cè)試綜合進(jìn)行完整性判斷，不應(yīng)簡(jiǎn)單認(rèn)為中風(fēng)化巖系數(shù)應(yīng)低于微風(fēng)化巖系數(shù)。

第六，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)判斷軟化系數(shù)。

第七，利用周邊工程經(jīng)驗(yàn)。以廣州市為例，天河區(qū)及東山區(qū)東部、海珠區(qū)主要為巖石完好性較好，軟質(zhì)夾層較少，巖石單軸抗壓強(qiáng)度值較高的礫巖和砂礫巖，其中，風(fēng)化單軸抗壓強(qiáng)度值通常在6.0～15.0 MPa，微風(fēng)化通常在15.0～45.0 MPa；市區(qū)其他地段則以泥質(zhì)粉砂巖和軟質(zhì)砂巖為主，巖層裂隙較發(fā)育，完整度較差，夾層較多。微風(fēng)化巖天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度一般在9.0～15.0 MPa，少數(shù)情況下大于15.0 MPa[6]。紅層巖石抗壓能力與含泥量呈反向關(guān)系。

第八，鉆探過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題：（1）以勘察軟弱巖層力學(xué)性質(zhì)、變形特征、產(chǎn)狀、厚度及分布規(guī)律等內(nèi)容為重點(diǎn)，采取減少回次進(jìn)尺，使用合理鉆速與壓力，采用合適鉆頭等有效措施，提高軟弱巖層采樣率。（2）主要采集和包裝試樣的部位應(yīng)根據(jù)勘察對(duì)象的不同而有所不同。對(duì)于地下線開挖的勘測(cè)，要以坑道深度為界，以站內(nèi)基坑邊線為界；對(duì)于建構(gòu)筑物樁基礎(chǔ)，以樁端巖層為主。（3）因紅層基巖易失水干裂，應(yīng)立即密封裝箱，及時(shí)送實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，暫存陰涼處，以保證試樣不失水。

4.3 巖溶、軟化崩解問(wèn)題與應(yīng)對(duì)措施

4.3.1 項(xiàng)目情況

廣州番禺某項(xiàng)目，該場(chǎng)地地貌為風(fēng)化剝蝕殘丘，場(chǎng)地基巖出露，采用天然地基上的淺基礎(chǔ)[7]。

經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn)，該場(chǎng)地基巖多為白堊系紅層，基巖內(nèi)夾有硬塑型殘積土、礫石和風(fēng)化砂礫巖。經(jīng)分析應(yīng)為溶洞，形成原因?yàn)閳?chǎng)地礫巖的鈣質(zhì)膠結(jié)物被侵蝕流失。溶洞所占比例為21%，屬于中等發(fā)育。同時(shí)進(jìn)行的跨孔彈性波CT 技術(shù)證實(shí)了該場(chǎng)地的溶洞發(fā)育程度較高，溶洞洞高最高為8.31 m，最低1.14 m；跨度最長(zhǎng)為10.34 m，最窄為1.25 m。

本項(xiàng)目視溶洞埋深情況，采用開挖換填、灌漿對(duì)溶洞進(jìn)行處理，并采取了加厚底板的措施。

4.3.2 應(yīng)對(duì)措施

因紅層（主要是礫巖）存在溶洞發(fā)育的可能，在紅層勘察工作中，應(yīng)重視對(duì)溶洞和強(qiáng)風(fēng)化礫巖進(jìn)行鑒別[8]。

首先，強(qiáng)風(fēng)化礫巖采取率較小，鉆探取芯芯樣以礫石為主，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)探試驗(yàn)，根據(jù)動(dòng)探數(shù)對(duì)其進(jìn)行鑒別，區(qū)分其為強(qiáng)風(fēng)化礫巖還是溶洞填充物（如動(dòng)探數(shù)有保證，則其密實(shí)程度就有保證，即使其為溶洞填充物，其力學(xué)性質(zhì)也有保障）。

其次，提高采取率，檢查取芯樣內(nèi)是否有殘積土成分；如基巖內(nèi)揭露殘積土，則溶洞可能性大。

最后，注意觀察取芯芯樣內(nèi)巖土芯是否有溶蝕痕跡。

另外，應(yīng)注意淺基礎(chǔ)持力層與坡體紅層的保護(hù)，施工時(shí)紅層易軟化崩解。應(yīng)避免基坑進(jìn)水，邊坡夾層可采取封閉防水、加強(qiáng)支護(hù)等措施來(lái)控制水分滲透。

5 結(jié)語(yǔ)

紅層地層形成于中-新生代熱帶亞熱帶半干旱炎熱氣候環(huán)境條件下，該時(shí)期條件的獨(dú)特性，致使其在記錄豐富地球演化信息的同時(shí)，也因其易損性特性具有獨(dú)特工程屬性。過(guò)去人們主要研究的是紅層地貌與沉積規(guī)律，對(duì)紅層地質(zhì)災(zāi)害、工程病害、生態(tài)損害以及在紅層災(zāi)變?cè)杏⒊梢蚺c防控的理論與技術(shù)方法等工程屬性方面的研究相對(duì)當(dāng)前工程建設(shè)需求仍然顯得單薄，亟須系統(tǒng)開展紅層工程研究，為以紅層地區(qū)的大規(guī)模工程建設(shè)和生態(tài)保護(hù)提供理論與技術(shù)支撐，推動(dòng)紅層研究向工程實(shí)踐深入轉(zhuǎn)化，保障紅層地區(qū)人居安全、生態(tài)文明建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的高效實(shí)施。