黃河中上游第三系紅層的工程地質(zhì)特性

張 媛，韓 聰，韋 嫻，韋曉佳（.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院；.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，銀川 7500）

黃河中上游第三系紅層的工程地質(zhì)特性

張 媛1，韓 聰2，韋 嫻1，韋曉佳1
（1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院；2.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，銀川 750021）

黃河中上游寧東礦區(qū)部分布著厚度較大的第三系紅層軟巖，由于紅層是地質(zhì)災(zāi)害容易發(fā)生的地層，在工程上具有特殊的性質(zhì)，為此介紹了第三系紅層的分布情況、成因、特征、工程地質(zhì)特性同時(shí)對紅層地區(qū)做了工程地質(zhì)評價(jià)。

黃河中上游；第三系紅層；工程地質(zhì)特性

第三系紅層廣泛分布在黃河中上游的各省、自治區(qū)，其工程地質(zhì)特性復(fù)雜，紅層軟巖的變形特性對于工程建設(shè)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，寧東礦區(qū)局部分布著厚度較大的紅層軟巖，當(dāng)?shù)V井井筒穿越該層軟巖時(shí)，紅層軟巖的力學(xué)特性與井筒的安全穩(wěn)定有直接關(guān)系，基于此，本文對黃河中上游寧東礦區(qū)新第三系紅層軟巖的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步探尋該地區(qū)紅層軟巖對實(shí)際工程的影響提出一定理論依據(jù)。

1　第三系紅層的分布規(guī)律及成因

1.1第三系紅層的分布規(guī)律

我國的紅層大多形成于中、新生代漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期，沉積的時(shí)代主要是三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、第三紀(jì)。我國的第三系紅層分布比較廣泛，主要在西北地區(qū)大中型山間盆地、東南地區(qū)和中南地區(qū)的中小型山間盆地、東部地區(qū)大型近海盆地。第三紀(jì)紅層總體面積不大，川藏交界地帶、成都平原周緣、湘贛中部及其交界地帶、皖蘇中部及其交界地帶、陜豫鄂交界地帶、河北南部及東南部、西北部的青、甘、寧境內(nèi)都有分布［1］。由此可以看出在黃河中上游的各省、自治區(qū)都分布著大量的第三系紅層。

1.2第三系紅層形成的地質(zhì)背景和環(huán)境條件

在青藏高原大面積隆升的背景下，高原的東南緣發(fā)生差異性的塊斷活動，形成了西寧、共和、貴德、化隆等多個(gè)內(nèi)陸湖盆。受喜馬拉雅運(yùn)動I幕的影響，這些湖盆下沉，接受湖相細(xì)粒沉積，由于當(dāng)時(shí)處在氣候炎熱干早的氧化環(huán)境，所沉積的地層均呈磚紅色、紫紅色，而且蒸發(fā)強(qiáng)烈，所以有大量的鹽份積聚［2］。受到喜馬拉雅運(yùn)動11幕的影，地殼進(jìn)一步下沉，盆地仍然斷陷，湖水水域擴(kuò)大，區(qū)域內(nèi)形成了青海湖。但由于地殼不穩(wěn)定的運(yùn)動，使得沉積的厚度無規(guī)律，沉積物多為泥巖和砂質(zhì)泥巖堆積同時(shí)夾雜有石膏及芒硝等結(jié)晶，伴隨著斷塊活動的構(gòu)造擠壓作用使地層在重力壓密的過程中經(jīng)歷了構(gòu)造擠壓，這樣成巖程度提高。第三紀(jì)末期，地殼由區(qū)域性下沉又轉(zhuǎn)為區(qū)域性緩慢回升，湖水由深逐漸變淺，并且退出，氣候也由炎熱干燥逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶櫠嘤辏貙映练e的大部分是泥巖、砂巖和礫巖河流濱湖相碎屑巖類。在喜馬拉雅運(yùn)動第四幕區(qū)域內(nèi)差異性的升高、下降繼續(xù)，導(dǎo)致了共和、貴德、化隆等盆地分開，湖水外泄、黃河形成、各水系溝通，內(nèi)陸的湖、盆變?yōu)樯介g盆地［3］，在不同內(nèi)外應(yīng)力的綜合作用下，塑造成現(xiàn)如今的地貌構(gòu)架。

2　第三系紅層的特征

2.1紅層的顏色

紅層的顏色是它的主要標(biāo)志，它是一種偏紅色的陸相碎屑堆積。由于在成巖過程中有物理化學(xué)變化，在成巖過程中沉積環(huán)境受各種環(huán)境因素變化的影響，因此紅層的顏色也可能會發(fā)生一些變化［4］。在一套紅色巖系中在基本的紅色色調(diào)上常常夾雜有其它的色調(diào)，這成為紅層的一個(gè)特色，其中有可能夾有白色、灰白甚至暗色等巖層。同時(shí)紅層的顏色和色調(diào)還受到其它因素的影響，如紅層巖層的含水量、砂質(zhì)、膠結(jié)物成分、膠結(jié)物含量、礫石的原巖成分、礫石的含量、礫石本身的顏色等等這些因素的影響，所以不同地方的紅層，它的顏色在色度和純度都有所差別。

2.2紅層的物質(zhì)組成

紅層巖性上以粘土巖、粉砂質(zhì)粘土巖、粘土質(zhì)粉砂巖、砂巖、砂礫巖為主，局部含薄層石膏或粘土質(zhì)石膏；它的礦物成份中含有較多的親水性粘土礦物，其中綠泥石含量在10%～22.7%，伊利石含量在6.3%～25%，蒙脫石含量＜15% ，這是紅層巖體遇水膨脹崩解、失水干縮開裂的原因。

化學(xué)成份中主要有硅、鋁、鈣、鎂、鉀、鐵的氧化物，SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO及CaO，這些物質(zhì)以不同的形態(tài)存在于不同的顆粒中，對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)起著不同的作用。紅層中SiO2及Al2O3相對大量富集，SiO2的含量一般在50%以上，Al2O3含量一般占10%～20%；Fe2O3、CaCO3的含量比較高；K、Na等組分相對含量較少；Fe2O3及其水合物的積聚使得紅層呈現(xiàn)出紅色［5］；有些地方的紅層中含有石膏，巖鹽。在紅層沉積過程作為膠結(jié)物的硅質(zhì)、鐵質(zhì)及鈣質(zhì)，它們的含量高低在一定程度上能反應(yīng)紅層的強(qiáng)度特征；黃河中上游紅層中其膠結(jié)物和膠結(jié)類型影響著紅層的強(qiáng)度，膠結(jié)物的強(qiáng)度從高到低依次為，硅質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)，鈣質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度最低。

3　紅層的工程地質(zhì)特性

紅層軟巖的化學(xué)成份是影響它的工程性質(zhì)的主要因素。伊利石、蒙脫石是較強(qiáng)的親水礦物質(zhì)，這些成份使軟巖遇水容易軟化、吸水后容易膨脹和沙化、失水后容易崩解等，直接影響巖石的強(qiáng)度并導(dǎo)致變形。這也是紅層軟巖的軟化系數(shù)較低，工程性質(zhì)比較差的原因。

黃河中上游第三系紅層的天然密度一般為2.26g/cm3～2.40g/cm3；含水量為5.1%～10.6%；在干燥的環(huán)境下紅層抗壓強(qiáng)度相對較高［5］，一般為5 MPa～16 MPa，浸水后它的強(qiáng)度變化比較大，巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度會隨著含水量的增大顯著降低，具有顯著的蠕變特性［6］。

紅層中細(xì)粒碎屑巖類一般為相對隔水層，為不透水層，而粗粒碎屑巖類則為含水層和透水層，是滲水的通道。紅層中含有的鹽、堿、石膏等可溶性物質(zhì)受水侵溶容易溶解、體積膨脹造成滲漏［7］；強(qiáng)風(fēng)化層透水性較強(qiáng)；紅層中地下水對混凝土有侵蝕性。

4　第三系紅層工程地質(zhì)評價(jià)

黃河中上游第三系紅層為埋藏型紅層，該地層具有形成的時(shí)代新、成巖作用差、巖性軟弱、強(qiáng)度低、承載力不高，在卸荷或開挖暴露后易受到環(huán)境條件的影響，巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)變化比較大。巖體遇水后表面易膨脹、崩解、軟化，失水后干縮開裂，工程特性發(fā)生明顯的改變。在工程地質(zhì)問題中主要有滑坡、礦業(yè)工程中的軟巖變形、突水等，具有一定的隱蔽性［1］。埋藏型紅層區(qū)滑坡多沿著覆蓋層與紅層接觸面發(fā)生滑動以及覆蓋層中的堆積層滑坡，與煤系地層共生紅層中，由于軟硬相間巖性組合，經(jīng)常導(dǎo)致礦井井壁變形、巷道突水等工程問題。

［1］郭永春.紅層巖土中水的物理化學(xué)效應(yīng)及其工程應(yīng)用研究［D］.成都，西南交通大學(xué)，2007.

［2］吳凱.隆德縣降雨誘發(fā)紅層泥巖坡面泥流形成機(jī)理研究［D］.西安:長安大學(xué)，2014.

［3］萬宗禮，聶德新，吳曾謀.黃河上游新第三系紅層工程地質(zhì)特性研究［J］.西北水電，2002（02）:60-63.

［4］彭華，吳志才.關(guān)于紅層特點(diǎn)及分布規(guī)律的初步探討［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，42（05）:109-113.

［5王志兵，唐鵬，王朝陽.紅層的工程地質(zhì)特性及其邊坡破壞形式［J］.福建建筑，2007，114（12）:94-97.

［6］周傳斌，余頌.黃河上游第三系紅層物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性研究［J］.土工基礎(chǔ)，2010，24（01）:52-54.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.093