廣西紅層分布及其泥巖工程特性分析

高芳芳，巫錫勇，鄧睿

( 1.四川大學錦城學院，成都 611731；2.西南交通大學，成都 610031；3.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

廣西紅層分布及其泥巖工程特性分析

高芳芳1，巫錫勇2，鄧睿3

( 1.四川大學錦城學院，成都 611731；2.西南交通大學，成都 610031；3.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，近年來廣西紅層地區(qū)工程建設逐漸增加，本文以紅層巖組為基礎，對廣西地區(qū)紅層分布進行分析，認為十萬大山地區(qū)和桂東-桂東南區(qū)域分布較為密集。通過物理化學試驗及力學試驗對紅層泥巖進行工程特性統(tǒng)計分析，得出上述區(qū)域泥巖膨脹性和崩解性特征，并通過擊實特性、CBR承載比、軟化系數(shù)等指標得知兩區(qū)域泥巖填料級別主要為C3和C2，從而為相關紅層區(qū)域工程建設提供一定的理論依據(jù)。

紅層泥巖；巖組；分布；工程特性；路用性

1 引言

我國的紅層主要分布于西北、西南及華南地區(qū)[1]，隨著經濟建設發(fā)展在紅層地區(qū)的基礎工程建設越來越多，大量工程實踐表明，區(qū)域性分布的紅層軟巖已經對既有鐵路、公路的路基、邊坡、隧道等工程產生了不良的影響，尤其是軟基和填料問題。

目前對四川、云南紅層泥巖的研究較多也較為成熟，而廣西地區(qū)紅層泥巖分析則相對較少，因此對其分布區(qū)域和工程特性進行研究分析是十分必要的，為廣西紅層地區(qū)工程建設提供重要參考。

2 廣西紅層分布特征

廣西地區(qū)紅層分布較為分散，前人研究較少，對其研究主要在《廣西壯族自治區(qū)區(qū)域地質志》[2]的基礎上進行。廣西紅層在元古代、早古生代的巖層中分布極少，主要分布于晚古生代泥盆系，中生代三疊系、侏羅系及白堊系，新生代第三系。根據(jù)沉積巖相、古地理環(huán)境，廣西紅層分布區(qū)域及巖組分類情況如表1所示。

表1 廣西紅層分布特征一覽表

由上表可知廣西紅層分布有兩個特點，一是同時代形成的紅層分布地點分散，二是不同時代形成的紅層地點也不集中，往往一個地區(qū)只有一個時代的紅層。這就造成了廣西紅層分布散、范圍廣的特征，大致可認為十萬大山沉積區(qū)(桂西南)和桂東-桂東南地區(qū)分布相對較為密集(圖1)。通過對紅層分布面積進行初步統(tǒng)計分析，廣西紅層分布最多為三疊系，其次是侏羅系和白堊系，泥盆系相對較少，而第三系最少。

圖1 廣西紅層分布區(qū)域圖

針對廣西紅層分布的特點，選擇十萬大山沉積區(qū)上思縣那蕩、百包百姓村(侏羅系汪門組、百姓組、那蕩組)，桂東-桂東南昭平縣(泥盆系蓮花山組)、平南縣平山汗新隆(白堊系新隆組)做為主要的研究區(qū)域，對紅層泥巖進一步研究分析。

3 廣西紅層泥巖工程特性

紅層泥巖一般巖質較軟，工程性質較差，多具有膨脹性，或含有鹽巖及石膏，常以軟弱夾層的形式分布于砂巖中，紅層地區(qū)不良地質發(fā)育及填料類別往往受其影響。本文通過廣西紅層泥巖礦物與化學成分、物理與力學性質特征對其工程特性進行分析。

3.1 紅層泥巖礦物與化學成分特征

紅層一般是在干旱、炎熱的古氣候及古地貌條件下經強烈的氧化作用形成的，其礦物成分主要是以黏土礦物(伊利石、蒙脫石、高嶺石等)和碎屑物質(石英、長石、云母、方解石、石膏等)為主。泥巖中的黏土礦物含量一般在10%～50%[3]，碎屑物質以泥質、石英及方解石含量較多(表2)。礦物作為巖土體的基本組成單元，其特性直接影響到工程性質，如伊利石、蒙脫石等黏土礦物親水性強，遇水易膨脹，失水易崩解，直接影響到紅層泥巖的變形和強度特征。

廣西紅層泥巖化學成分主要為SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3(表3)，反應了紅層形成過程中硅質、鐵質及鈣質作為膠結物，其含量高低在一定程度上影響到泥巖的強度，F(xiàn)e2O3及其水合物的積聚使得紅層呈現(xiàn)出紅色。

表2 廣西紅層泥巖礦物成分表

表3 廣西紅層泥巖化學成分簡表(%)

3.2 紅層泥巖物理力學指標及膨脹性特征

對廣西現(xiàn)有鐵路(柳南線、黔桂線、湘桂線、南欽線等)紅層泥巖物理試驗成果進行統(tǒng)計可知(表4)：廣西紅層泥巖天然塊體密度和顆粒密度值變化不大，第三系紅層泥巖飽和抗壓強度和飽和吸水率偏低，南寧市附近侏羅系和白堊系紅層泥巖膨脹力大于100 kPa，飽和吸水率大于10%，達到膨脹巖的指標[4]。

由表4可知，相關物理力學資料，南寧附近泥巖具有膨脹性。由于膨脹性對工程影響較大，本次工作重點對其進行試驗分析，自由膨脹率(平均值)試驗結果如下：侏羅系那蕩組24.08%>百姓組18.05%>汪門組13.26%>白堊系新隆組10.62%>泥盆系蓮花山組4.67%。因此桂東-桂東南泥盆系和白堊系泥巖自由膨脹率值較低，十萬大山區(qū)侏羅系泥巖自由膨脹率偏高，從而十萬大山區(qū)侏羅系紅層泥巖具有膨脹性的可能較大，工程設計及施工中應重視。

桂東-桂東南紅層泥巖目前還缺少

3.3 紅層泥巖崩解性特征

紅層泥巖中黏土礦物和化學成分對崩解性都有一定的影響[5]，其中黏土礦物影響因子大小依次為伊利石>高嶺石>蒙脫石；化學成分影響Mg>Fe2O3>Na2O>K2O>Al2O3>SiO2。由表3可知廣西紅層泥巖化學成分對崩解性影響較小，本次工作選擇侏羅系那蕩組和泥盆系蓮花山組進行崩解試驗。通過4次干濕循環(huán)，兩巖組泥巖都表現(xiàn)出了不同程度崩解：侏羅系泥巖經歷4次干濕循環(huán)后，其崩解顆粒大多數(shù)在0.5 mm以下，為強崩解；泥盆系紅層泥巖崩解物顆粒大部分集中在0.5～2 mm和<0.25 mm，為中崩解。故十萬大山區(qū)紅層泥巖的崩解性可能高于桂東-桂東南地區(qū)。

4 廣西紅層泥巖填料路用性特征

紅層泥巖是軟巖的一種，其工程性質直接影響作為路基填料的穩(wěn)定性。在上述紅層泥巖工程性質分析的基礎上，又進行了擊實試驗、承載比試驗及軟化系數(shù)試驗，從而對其路用性進行分析評價。目前根據(jù)膨脹、軟化和承載比試驗研究數(shù)據(jù)已經建立了紅層泥巖路用性綜合判別標準[7-8]，如表5所示。

表5 紅層泥巖路用性判別標準

4.1 紅層泥巖擊實試驗

圖2 侏羅系紅層泥巖ρd-w關系曲線

任何路基填料用于路基填筑時都必須達到一定的壓實度要求，才能滿足路基的強度和變形要求[6]。對侏羅系那蕩組和泥盆系蓮花山組泥巖重塑土樣分別進行重型擊實試驗，得出其擊實特性(圖2、圖3)：紅層泥巖隨著含水量的增加，干密度先增大后減小，基本符合曲線的一般規(guī)律，十萬大山區(qū)侏羅系紅層泥巖最大干密度為1.97g/cm3，對應最優(yōu)含水量為14.03%；桂東-桂東南泥盆系泥巖最大干密度為1.81 g/cm3，對應最優(yōu)含水量為18.45%。

圖3 泥盆系紅層泥巖ρd-w關系曲線

4.2 紅層泥巖CBR特性分析

CBR值是反映在一定貫入量時，試件中部分土體與整體之間產生相對位移(剪切)時，在滑動剪切面上產生的抗剪特性的表征量。選擇十萬大山區(qū)上思縣侏羅系汪門組、百姓組、那蕩組，桂東-桂東南昭平縣泥盆系蓮花山組、平南縣白堊系新隆組紅層泥巖進行承載比試驗。

經分析試驗結果，貫入量為5 mm時的承載比大于貫入量2. 5 mm時的承載比，按《土工試驗規(guī)程》要求，又進行了同樣試驗條件試驗，得到的結果基本相同，故采取貫入5 mm時的承載比。

圖4 桂東-桂東南紅層泥巖巖組CBR曲線關系

侏羅系泥巖CBR試驗數(shù)據(jù)如圖4所示，由于那蕩組泥巖的CBR試驗數(shù)據(jù)變異系數(shù)均大于12%，則去掉一個偏大的值，取剩余兩個數(shù)據(jù)的平均值。十萬大山區(qū)侏羅系汪門組和百姓組泥巖的承載比值分別為4.45和3.51，那蕩組承載比值為2.38，填料級別分別為C2、C3、C3。

泥盆系和白堊系泥巖CBR試驗數(shù)據(jù)如圖5所示，由于白堊系新隆組泥巖的試驗數(shù)據(jù)的變異系數(shù)均大于12%，則去掉一個偏大的值，取剩余兩個數(shù)據(jù)的平均值。桂東-桂東南地區(qū)泥盆系蓮花山組泥巖的承載比值為4.58，白堊系新隆組承載比為2.56，填料級別分別為C2、C3。

4.3 紅層泥巖軟化系數(shù)分析

軟化系數(shù)KR是判定紅層泥巖路用性的重要指標，其高低反映了巖石遇水后強度變化的程度。根據(jù)試驗結果，侏羅系汪門組、那蕩組、百姓組紅層泥巖軟化系數(shù)依次為0.52、0.41、0.49；泥盆系蓮花山組、白堊系新隆組紅層泥巖軟化系數(shù)為0.57、0.39。由表5可知，十萬大山區(qū)侏羅系汪門組、那蕩組、百姓組紅層泥巖填料對應級別均為C1，桂東-桂東南泥盆系蓮花山組泥巖填料對應級別為C1，而白堊系新隆組泥巖填料對應級別為C2。

圖5 桂東-桂東南紅層泥巖巖組CBR曲線關系

4.4 紅層泥巖填料分區(qū)評價

上述試驗表明，十萬大山沉積區(qū)侏羅系百姓組、那蕩組泥巖的CBR值均小于4.0，軟化系數(shù)均大于0.4，那蕩組泥巖的自由膨脹率接近30%，故將侏羅系百姓組、那蕩組泥巖劃分為C3級別填料；侏羅系汪門組泥巖軟化系數(shù)滿足C1填料要求，但CBR值小于5，故劃分為C2級別填料。桂東-桂東南地區(qū)的白堊系新隆組泥巖的CBR值小于4.0，軟化系數(shù)為0.39，劃分為C3級別填料；泥盆系蓮花山組泥巖軟化系數(shù)滿足C1填料要求，但CBR值小于5，劃分為C2級別填料。因此，紅層泥巖的路用性能較差，只有少部分泥巖處理后可用于路基填筑，而大多數(shù)泥巖達不到路基填料的要求。

5 結論

通過以上對廣西紅層泥巖的分析，可得出以下結論：

(1) 廣西紅層具有分布散、范圍廣的特征，大致認為十萬大山沉積區(qū)和桂東-桂東南地區(qū)分布相對較為密集。

(2) 廣西紅層泥巖按地層年代分布由多至少依次為：三疊系、侏羅紀、白堊系、泥盆系和第三系。

(3) 研究區(qū)泥巖自由膨脹率均較低，十萬大山沉積區(qū)紅層泥巖具有膨脹性的可能較大。

(4) 十萬大山沉積區(qū)紅層泥巖崩解性高于桂東-桂東南地區(qū)。

(5) 十萬大山沉積區(qū)侏羅系那蕩組最大干密度為1.97 g/cm3，最優(yōu)含水量為14.03 %；桂東-桂東南泥盆系蓮花山組泥巖最大干密度為1.81 g/cm3，最優(yōu)含水量為18.45%。

(6) 十萬大山沉積區(qū)和桂東-桂東南地區(qū)紅層泥巖填料級別以C3和C2為主，只有少部分泥巖處理后可用于路基填筑。

(7) 上述研究以上思縣紅層泥巖試驗成果代表了十萬大山沉積區(qū)，以昭平縣、平南縣試驗成果代表了桂東-桂東南地區(qū)，受試驗樣品局限性的影響,文中不足之處還有待進一步研究分析。

[1] 李廷勇,王建力.中國的紅層及發(fā)育的地貌類型[J].四川師范大學學報(自然科學版).2002，25(4):427-431.

[2] 廣西壯族自治區(qū)地質礦產局.廣西壯族自治區(qū)區(qū)域地質志[M].北京：地質出版社，1985.

[3] 李俊杰,田文豐,張毅.淺析西南地區(qū)紅層的物理性質及工程特性[J].巖土工程界，2009，12(12):28-32．

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程(TB10038-2012)[S].中國鐵道出版社，2012．

[5] 劉曉明.紅層軟巖崩解性及其路基動力變形特性研究[D].湖南大學博士學位論文，2006:74-75．

[6] 胡安華,蔣關魯,王智猛.高速鐵路路基紅層泥巖填料物理力學特性試驗研究[J].鐵道工程學報，2008，25(2):21-25．

[7] 魏永幸.利用紅層泥巖填筑高速鐵路路基技術的試驗研究[J].鐵道工程學報，2009，26(2):39-43．

[8] 馮強.四川紅層泥巖的分布及其路用性能研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2011:51-53.

THE DISTRIBUTION OF RED BEDS AND ANALYSIS ON ENGINEERING CHARACTERISTICS OF MUDSTONE IN GUANGXI

GAO Fang-fang1, WU Xi-yong2, DENG Rui3

(1.Jincheng College of Sichuan University,Chengdu 611731,China; 2.Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China; 3.China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd,Chengdu 610031,China)

With the implementation of the strategy of developing the west of China, the construction in Guangxi red bed area has gradually increased in recent years. The paper holds that red bed is distributing centre in Shiwandashan area and southeastern Guangxi based on the analysis of red rock group. Through physical chemistry experiment and mechanical test of mudstone in that region , the expansibility and disintegration was obtained. And the filler grade is mainly C3 and C2，according to the heavy tamping property, CBR bearing ratio and softening coefficient. Then a certain theoretical basis for the engineering construction can be provided in relevant regional.

red mudstone; petrofabric; distribution; engineering characteristics; build emban kment capability

1006-4362(2017)02-0048-05

2016-12-12 改回日期： 2017-02-17

P642

A

高芳芳(1985- )，女，江西九江人，講師，碩士，主要從事地質災害方面的教學及研究。E-mail：344037063@qq.com