大連地區(qū)紅粘土的分布、分類及其工程地質(zhì)特征

張　鵬

摘要：文章論述了成土作用的一些基本條件和控制因素及其形成機制，特別是紅粘土的形成除了具備如母巖條件外還應(yīng)有適當?shù)臍夂蚝退臈l件、地形、地貌等條件。文章以大連地區(qū)紅粘土的分布、分類和工程地質(zhì)特征為例，說明了在不同地區(qū)，不同巖石形成的紅粘土除了具備紅粘土的某些共同特征外，其工程地質(zhì)性質(zhì)還有某些不同之處，并且根據(jù)成因和工程地質(zhì)性質(zhì)也可分成若干類型。目的是為保證工程質(zhì)量，在此類地區(qū)施工中多采用嵌巖鉆孔灌注樁加以研究和利用。

關(guān)鍵詞：紅粘土；母巖；成土；嵌巖鉆孔；灌注樁

中圖分類號：TU446文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）05-0110-03

紅粘土作為一種特殊土已被國內(nèi)外廣大地質(zhì)和巖土工作者所認識，并且作了大量的研究工作。本文把大連地區(qū)紅粘土和工程地質(zhì)特征進行介紹，以便在工程實踐中加以研究和利用。

一、紅粘土形成的特定地質(zhì)環(huán)境和成土因素

1．成土母巖對紅粘土形成的影響，紅粘土作為一種土，除了具備其他土的成土因素外，還應(yīng)具有自己的成土規(guī)律。巖石和巖石中礦物的耐風(fēng)化能力是成土作用的內(nèi)在因素，在一般的情況下礦物形成愈接近地表條件時，抵抗風(fēng)化的能力愈強，總的來說穩(wěn)定性從大到小的順序為：氧化物＞硅酸鹽＞碳酸鹽和硫化物，因此巖石遭受風(fēng)化作用的速度和程度，成土作用的類型等往往取決于巖石的類型和礦物成分。

2．氣候條件是成土和形成紅粘土作用的另一個主要的外在因素（溫度、雨量），溫度影響化學(xué)反應(yīng)（分解）的速度控制水的效能。

3．地形、地貌和水文條件，成土作用的主要風(fēng)化是化學(xué)風(fēng)化，化學(xué)反應(yīng)包括：水解、氧化、離子交換、水合、碳酸鹽化、絡(luò)離子形成、簡單的化學(xué)溶解等。造巖礦物（硅酸鹽）主要通過水解而分解，由此可見除了氣候條件而外，水在化學(xué)風(fēng)化過程中起到主導(dǎo)作用，而水文條件和地貌、地形條件緊緊相關(guān)。

二、大連地區(qū)紅粘土的分布和分類

如前所述紅粘土在我國南方廣大地區(qū)的形成和分布受到多種因素的影響，近年來由于地區(qū)開發(fā)和研究的不斷深入，在我國北方如大連地區(qū)也有所發(fā)現(xiàn)，北方地區(qū)紅粘土和南方紅粘土既有共同特征又有區(qū)別。

1．大連地區(qū)紅粘土的形成。大連位于我國東北地區(qū)南部，屬溫帶季風(fēng)型氣候，在東北地區(qū)相對溫和多雨，有利于巖石的化學(xué)風(fēng)化和紅土化的形成，又由于處在沿海丘陵，地形、地貌條件復(fù)雜，河流階地也較為發(fā)育，這就初步具有了地形、地貌和水文條件有利于紅粘土的形成。

區(qū)內(nèi)成土母巖具備了紅粘土的形成條件，本區(qū)主要分布震旦系地層：由下而上分別為：石英巖、板巖、互層帶和石灰?guī)r，其中石英巖和硅質(zhì)巖往往構(gòu)成低山和丘陵為剝蝕區(qū)，而泥質(zhì)灰?guī)r、板巖和廣泛分布的輝綠巖墻地區(qū)，則地勢低平，或形成負地形。這就為紅粘土的形成具備了物質(zhì)基礎(chǔ)。又由于大連地區(qū)夏季高溫多雨，有利于化學(xué)風(fēng)化作用的進行，在地形、地貌和水文條件適宜的情況下，就形成了局部分布的硅鋁－鐵質(zhì)－鋁土型或紅土型的風(fēng)化殼，從分析結(jié)果看出在石灰?guī)r分布地區(qū)雖然接近原巖部位，溶液常表現(xiàn)為中性，到堿性反應(yīng)，但在上部化學(xué)風(fēng)化（紅土化）進行過程中溶液常表現(xiàn)為酸性和弱酸性，巖石中CaO、MgO、CO2 大量分解流失，使TiO2、Al2O3相對集中，F(xiàn)eO進一步氧化成Fe2O3紅土化，其它巖石等含量變化不大輝綠巖的風(fēng)化和紅粘土化過程和上述過程大體相當，不過巖石和紅粘土呈漸變過渡關(guān)系，而沒有明顯的界線，原巖－強風(fēng)化－全風(fēng)化－殘積土。但資料也表明不論是不同地區(qū)的同一種母巖，還是同一地區(qū)的不同種母巖，它們風(fēng)化而成的紅粘土的化學(xué)成分和礦物成分以及物理力學(xué)性質(zhì)都有一定的差異。

另外大連地區(qū)還存在一種次生紅粘土，主要是由碳酸鹽類巖石已經(jīng)形成的紅粘土再經(jīng)洪積冰積或沖積等地質(zhì)作用經(jīng)近距離的搬運又混進了一些卵碎石和其他粘性土，使其成分和物理力學(xué)性質(zhì)和其他紅粘土又有所區(qū)別，大連地區(qū)紅粘土在塑性圖上的位置也和南方紅粘土有些不同，如圖1所示：

2．大連地區(qū)紅粘土的成分。（1）化學(xué)成分：在紅粘土形成過程中，石灰?guī)r形成的紅粘土CaO、CO2基本流失，SiO2、Al2O3材料集中化，艸轉(zhuǎn)化為卅，表明了氧化環(huán)境；輝綠巖形成紅粘土的過程和上述過程大體相仿，表現(xiàn)為CaO、MgO大量流失，SiO2、Al2O3相對集中，化艸轉(zhuǎn)化為化卅。（2）大連地區(qū)紅粘土的礦物成分見表1：

3．大連地區(qū)紅粘土的分布。（1）殘坡積成因的紅粘土主要由石灰?guī)r和輝綠巖風(fēng)化而成，成土后多殘積在原地或稍經(jīng)近距離搬運，殘積成因的紅粘土主要分布在輝綠巖墻發(fā)育的低山和緩坡地區(qū)和石灰?guī)r地形平坦地區(qū)。輝綠巖墻形成的紅粘土顆粒極細，厚度也較大，由幾米至十幾米，在水平方向上厚度變化不大，在垂直方向上和原巖呈逐漸過渡的關(guān)系，沒有明顯界線，如葵英街民運巷和金南路四小區(qū)等都有分布。由灰?guī)r殘坡積形成的紅粘土，主要分布在大連市區(qū)北部甘井子－金南路－新寨子一帶的石灰?guī)r分布的低丘和盆地區(qū)。金縣和新港也有類似分布。土層厚度在水平方向上變化很大，嚴格受基巖面起伏形態(tài)控制，和原巖界線清晰。市內(nèi)的大化、大鋼、大紡、金南路等都可見到，有引起地段僅分布在溶槽和溶溝中，如大化紅粘土厚度由0.9～19米不等，金泡路亦如此。（2）次生紅粘土：資料表明大連地區(qū)次生紅粘土主要由冰積和洪積成因，即由殘積和坡積成因的紅粘土經(jīng)洪水和冰川的作用稍經(jīng)搬運，并在搬運過程中混進一些礫石使紅粘土的成分有所改變，多堆積在距紅粘土形成地段不遠的山坡腳和沖溝的兩側(cè)或海岸二級階地呈條帶狀分布。如金南路六小區(qū)、新港的蘇達山、大連灣的棉花島及附近的海岸帶都有分布，即所謂的紅粘土混碎石層。訪領(lǐng)導(dǎo)干部欠生紅粘土較厚且穩(wěn)定固結(jié)較好，多呈硬塑狀態(tài)，一般少具上硬下軟的特征載力較高，是很好的淺基礎(chǔ)的持力層。

三、大連地區(qū)紅粘土的類型和工程地質(zhì)特征

1．殘積紅粘土。由輝綠巖風(fēng)化而成的紅粘土，該種成因的紅粘土多為殘積成因，多分布在地勢低平和緩坡低丘地帶，它的主要特征是：（1）主要為殘積成因的紅粘土，由地表向深部和基巖呈逐漸過渡的關(guān)系。幾乎找不到明顯的分界線，中部的紅粘土偶爾尚可見到未完全風(fēng)化成高嶺土的斜長石斑晶，向下逐漸過渡為強風(fēng)化的輝綠巖，紅粘土幾乎沒有側(cè)向移動跡象，為原地殘積成因。（2）側(cè)向厚度變化不大，且層厚較大。從葵英街民運巷小區(qū)、金南路四小區(qū)、香爐礁港務(wù)公司和南關(guān)嶺南山等幾處紅粘土來看，厚度約在10～15米以上。因為和基巖沒有明顯的界線，所以厚度不受基巖面起伏的控制。（3）在沒有或很少受地下水影響地段（即地下水不發(fā)育地區(qū)）則上硬下軟的特征不明顯，如金南路四小區(qū)和葵英街民運巷小區(qū)。（4）工程地質(zhì)性質(zhì)。因該種紅粘土顆粒極細，滲透系數(shù)很小。多表現(xiàn)為硬塑至可塑狀態(tài)。多為中壓縮性土，雖然孔隙比大于1.4，液限大于60%，但該種土具收縮和遇水崩解的特征，因此它的工程地質(zhì)特征受水文地質(zhì)條件影響。如在地勢較高的緩坡地帶和地下水不發(fā)育地帶可選做天然的基礎(chǔ)特力層，但基坑開挖時注意邊坡防護。否則多以樁基礎(chǔ)為宜。又因樁尖持力層不好選擇故打樁時多以貫入度控制。

2．殘坡積紅粘土。在碳酸鹽地區(qū)形成的紅粘土，該種類型的紅粘土分布比較廣泛，在市區(qū)西部和北部的大辛寨子、南關(guān)嶺、金南路和甘井子等地都有所分布。這類紅粘土的主要特征是：（1）這種紅粘土的層厚和側(cè)向變化嚴格受基巖面起伏控制，因此厚度變化懸殊，如大化、大紡和大鋼等勘察資料表明厚度可由幾米至二十幾米不等，并可見到側(cè)向移動跡象，有的僅沖填在溶溝和溶槽中或溶洞中如小野田水泥有限公司等地。（2）紅粘土呈暗紅色至棕紅色，顆粒極為細膩，刀切面特別光滑。有較強的粘著性和滑膩油感。天然孔隙比0.998（金南路六小區(qū)137個樣平）液限51.11%，天然含水量32.79%，液塑比1.89屬中～低壓縮性上。（3）工程地質(zhì)性質(zhì)：因該種紅粘土多分布在海岸帶和較低平地下水較發(fā)度地區(qū)，又因土的本身具有較強的干時收縮性，裂隙性地表水易于下滲，因此上硬下軟的特征明顯，層位側(cè)向變化較大，因此在該類土分布地區(qū)（地段）多不宜采用淺基礎(chǔ)，特別是重要建筑物因差異沉降較大，予制樁樁長又不易掌握且不能嵌入巖石，采用鉆孔灌注樁為宜，如圖2所示：

3．次生紅粘土。次生紅粘土分布在距各種成因的殘積紅粘土附近地段，如：新港蘇達山海岸二級階地的沖溝兩側(cè)，金南路六小區(qū)的坡坎地帶。（1）大連地區(qū)的次生紅粘土多為洪積和冰積成因，在移動過程中混進了一些碎石和其他粘土成分，因此這種粘土和一般所稱的紅粘土略具不同特征。如：新港的蘇達山地區(qū)的次生紅粘土天然含量W=25.20%，雖然孔隙比t=0.81，液限Wc=48.70%，中等壓縮性。（2）工程地質(zhì)特征：這種土分布并不廣泛，目前僅見于金南路小區(qū)，大連灣棉花島和新港的蘇達山一帶。呈條帶狀分布。因工作較少這種土的具體特征掌握的較少，但從它的分布和形成過程可知它多處于地下水不發(fā)育和容易排泄地段，因此少受地下水的影響。因此不具備上硬下軟的特征，并且在它移動的過程中混雜一些碎石并經(jīng)后期固結(jié)壓實，因此它的強度較高，并沒有軟弱下臥層，故是很好的天然地基。如：金南路六小區(qū)北坡和東坡、大化的棉花島等地。

四、結(jié)論

1．紅粘土（紅土）是在特定的地質(zhì)環(huán)境下形成的特殊土。由于大連處于北方，與南方氣候相比，氣溫和溫度

都相對較低，化學(xué)風(fēng)化作用進行不夠充分，不夠徹底，所以形成的紅粘土和南方紅粘土略有不同，如在塑性圖上接近A線，但略偏上。但某些物理力學(xué)性質(zhì)又接近紅粘土的特征和一般粘性土有明顯不同，如若不將其和一般粘性土加以區(qū)別，勢必給工程造成很大損失。

2．從工程的角度出發(fā)，結(jié)合紅粘土的成因和特征，筆者將大連地區(qū)的紅粘土分為紅粘土和次生紅粘土兩大類；按物理力學(xué)性質(zhì)又可分為I類和II類紅粘土。

3．關(guān)于大連地區(qū)的紅粘土，對次生紅粘土和地下水不甚發(fā)育，水文地質(zhì)條件較好地段的輝綠巖形成的紅粘土，可以含水比和標準貫入試驗確定其承載力，并且可以作為淺基礎(chǔ)的天然持力層；而石灰?guī)r地區(qū)形成的紅粘土則無論在側(cè)向和垂向上各種性質(zhì)都表現(xiàn)出較大的差異，上硬下軟，裂隙性，收縮性，崩解性都更接近于“標準”的紅粘土，工程實踐中要特別注意，很多地段需采用人工地基如樁基，最近幾年大連地區(qū)采用鉆孔灌注樁也和這種紅粘土的工程地質(zhì)條件不無關(guān)系。

參考文獻

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作者簡介：張鵬（1962－），男，遼寧大連人，遼寧有色地質(zhì)局107隊高級工程師，從事巖土工程勘察、施工和建筑地基處理工作。