合肥地區(qū)古近系紅層巖土工程特性分析

王小勇，陳誠(chéng)

（安徽工程勘察院，合肥230011）

1 引言

紅層在我國(guó)主要是指中生代以來(lái)的在熱帶或亞熱帶干旱環(huán)境下沉積的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相等陸相紅色砂巖、礫巖和頁(yè)巖等所組成的紅色碎屑巖地層，在我國(guó)分布比較廣泛。合肥地區(qū)由于地處特殊的大地構(gòu)造部位，盆地內(nèi)廣泛，沉積了侏羅系、白堊系、古近系的以棕紅、褐紅、紫紅色等色調(diào)為主的巨厚紅色碎屑巖地層（紅層），巖性主要有細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖夾礫巖等，一般上覆5～50m 的第四系松散巖類。合肥地區(qū)紅層巖石的力學(xué)強(qiáng)度一般較低，按巖石堅(jiān)硬程度劃分一般屬軟巖～極軟巖，其中以古近系碎屑巖類工程性質(zhì)最差。

改革開(kāi)放以來(lái)，合肥市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，高層建筑不斷涌現(xiàn)，這些建筑一般均以紅層基巖作為樁端持力層，部分深基坑也位于紅層中，因此，準(zhǔn)確了解合肥地區(qū)紅層的工程性質(zhì)對(duì)于合肥地區(qū)的工程建設(shè)具有重要的意義。但由于紅層巖石具有抗風(fēng)化能力差、遇水易軟化泥化、易崩解等不良性質(zhì)，在實(shí)際勘察工程中難以獲得理想的巖芯采取率，也難以取得較準(zhǔn)確的物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)，尤其是全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶，不僅分層界線難以準(zhǔn)確劃分，也造成一些重要的巖土參數(shù)依然處于半定性半定量的階段，在勘察報(bào)告中巖土參數(shù)多半只能提供經(jīng)驗(yàn)值。

本文根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合合肥市某場(chǎng)地巖土工程勘察中在古近系極軟巖中的專項(xiàng)測(cè)試（測(cè)試采用的仍是常規(guī)的勘探取樣測(cè)試及原位測(cè)試方法），對(duì)該場(chǎng)地的古近系極軟巖全、強(qiáng)風(fēng)化帶的劃分及工程性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)要探討，希望能對(duì)合肥地區(qū)古近系紅層工程性質(zhì)分析評(píng)價(jià)提供參考。

2 巖性特征

該場(chǎng)地分布的古近系紅色碎屑巖類主要為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖，間夾泥巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，泥質(zhì)中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，碎屑礦物以石英為主，含少量長(zhǎng)石、巖屑、云母片，黏土礦物以綠泥石、伊利石、蒙脫石為主，化學(xué)成分以SiO2含量為最高（一般達(dá)50%以上），其次為Al2O3，另有少量Fe2O3、CaO、MgO、MnO、TiO2[1]，泥質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)為主，呈棕紅色間夾褐紅、紫紅、棕褐色，上覆18.80～25.30m 的第四系松散巖類，中風(fēng)化的飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1MPa，為極軟巖。場(chǎng)地內(nèi)全風(fēng)化帶厚度約0.80～3.70m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度約0.20～5.10m，中風(fēng)化帶厚度大于50m。

3 風(fēng)化帶劃分標(biāo)準(zhǔn)

本場(chǎng)地的古近系紅色碎屑巖屬極軟巖，也是半成巖，根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009 年版）[2]，可不進(jìn)行風(fēng)化帶劃分，認(rèn)為劃分風(fēng)化帶意義不大，同時(shí)全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化帶是逐漸過(guò)渡的，沒(méi)有十分明確的界線，尤其是全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化帶在實(shí)際勘察作業(yè)中稍不注意，很難劃分清楚。但根據(jù)合肥地區(qū)工程實(shí)踐表明，將古近系極軟巖劃分出全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶，對(duì)于工程建設(shè)是有必要的。如果均按強(qiáng)風(fēng)化工程性質(zhì)對(duì)待（有些勘察單位認(rèn)為應(yīng)按硬質(zhì)巖風(fēng)化劃分標(biāo)準(zhǔn)，將合肥地區(qū)極軟巖的中風(fēng)化帶劃為強(qiáng)風(fēng)化帶），則會(huì)造成工程的極大浪費(fèi)，如果均按中風(fēng)化工程性質(zhì)對(duì)待，則可能造成工程安全隱患。

根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)及本場(chǎng)地測(cè)試成果，筆者認(rèn)為要對(duì)古近系極軟巖全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化帶進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的劃分，應(yīng)綜合以下幾方面進(jìn)行。

3.1 根據(jù)鉆進(jìn)難易程度

根據(jù)合肥地區(qū)及本場(chǎng)地施工經(jīng)驗(yàn)，表明汽車鉆及落地鉆在全風(fēng)化層中采用螺紋鉆頭均能鉆進(jìn)，但汽車鉆較落地鉆鉆進(jìn)容易。在強(qiáng)風(fēng)化層中汽車鉆采用螺紋鉆頭尚能鉆進(jìn)但鉆進(jìn)速度明顯減慢，落地鉆采用螺紋鉆頭時(shí)鉆進(jìn)相對(duì)已較困但采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)較容易。中風(fēng)化層中汽車鉆及落地鉆均要采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，鉆進(jìn)時(shí)明顯感覺(jué)到與全、強(qiáng)風(fēng)化層有差異。在感覺(jué)到差異時(shí)及時(shí)調(diào)整鉆探工藝可大大提高巖芯采取率，提高分層準(zhǔn)確性。

3.2 肉眼鑒別標(biāo)準(zhǔn)

全風(fēng)化層基本呈粉質(zhì)（砂質(zhì)）黏土夾黏土狀態(tài)，堅(jiān)硬狀態(tài)，韌性中等～高，黏土礦物已全部風(fēng)化為土，夾少量碎石，具有殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，除了顏色不同外，這是與上覆土體的明顯區(qū)別。強(qiáng)風(fēng)化層基本呈粉土夾碎石狀，密實(shí)狀態(tài)，遇水明顯軟化，可觀察到部分石英、長(zhǎng)石、云母等礦物。中風(fēng)化層巖性雖較軟，但已明顯具有巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和構(gòu)造特征，具有一定的抗壓強(qiáng)度，在強(qiáng)度上與上部全、強(qiáng)風(fēng)化層有明顯的區(qū)別。

3.3 原位測(cè)試判別標(biāo)準(zhǔn)

全風(fēng)化層中可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)（未修正）一般為18～50 擊，大噸位靜探設(shè)備一般也可貫入一定深度，貫入阻力Ps值一般為6～12MPa。強(qiáng)風(fēng)化層中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)尚可采用，但擊數(shù)則普遍高于全風(fēng)化，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)（未修正）一般為30～80 擊，也可能因?yàn)槠渲兴槭挠绊懾炄氩涣?0cm，靜探在強(qiáng)風(fēng)化層中已不適合采用，一般僅能貫入表部20～30cm。中風(fēng)化層中采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)已很難完整地貫入30cm，經(jīng)換算后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)則一般大于100 擊（安徽省也將此作為紅層中進(jìn)入中風(fēng)化的一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)），靜探完全不適用。

3.4 相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)該場(chǎng)地中對(duì)古近系極軟巖全、強(qiáng)風(fēng)化層中專項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)，全風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層在物理力學(xué)指標(biāo)上有比較明顯的區(qū)別。

在全風(fēng)化層中含水率、重度、塑性指數(shù)、孔隙比均要高于強(qiáng)風(fēng)化，同時(shí)液性指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上部黏性土層，塑性指數(shù)一般大于10，抗剪強(qiáng)度與上部硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)黏性土相近，與強(qiáng)風(fēng)化層差異較大。

而強(qiáng)風(fēng)化層的塑性指數(shù)均值小于10，液性指數(shù)變化區(qū)間極大，黏聚力明顯小于全風(fēng)化層，反映了強(qiáng)風(fēng)化顆粒粒徑變大且級(jí)配不良，是判斷為強(qiáng)風(fēng)化層的一個(gè)顯著標(biāo)志。

4 巖土工程性質(zhì)分析

4.1 全風(fēng)化層基本物理力學(xué)指標(biāo)及巖土工程性質(zhì)

全風(fēng)化層基本物理力學(xué)指標(biāo)及巖土工程性質(zhì)如表1 和表2 所示。

表1 全風(fēng)化層基本物理指標(biāo)一覽表

表2 全風(fēng)化層基本力學(xué)指標(biāo)一覽表

根據(jù)取樣測(cè)試數(shù)據(jù)表明，全風(fēng)化層的性質(zhì)接近黏性土，但壓縮模量要大于上部黏土，因此，變形較上部黏土低，其地基承載力要高于上部黏土，在以上部黏土為持力層時(shí)，全風(fēng)化層作為下臥層性質(zhì)良好。由于其礦物組成中含有伊利石、蒙脫石等親水礦物，因此，也具有一定膨脹性，在基坑支護(hù)時(shí)該層的黏聚力和內(nèi)摩擦角值應(yīng)適當(dāng)折減，在選取樁基參數(shù)時(shí)建議按現(xiàn)行JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》參照?qǐng)?jiān)硬狀態(tài)黏性土取值。

4.2 強(qiáng)風(fēng)化巖基本物理力學(xué)指標(biāo)及巖土工程性質(zhì)分析

強(qiáng)風(fēng)化層基本物理力指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)如表3 和表4 所示。從塑性指數(shù)看，場(chǎng)地內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化性質(zhì)接近粉土，取樣測(cè)試的壓縮模量較全風(fēng)化層低，壓縮系數(shù)也稍小于全風(fēng)化層，明顯不合理，分析原因，是該層中夾有碎石，取樣時(shí)易受擾動(dòng)造成土工試驗(yàn)的壓縮模量偏小，實(shí)際上，因該層屬密實(shí)狀態(tài)，又夾有碎石，其變形要較全風(fēng)化層低，因此，強(qiáng)風(fēng)化層的地基承載力宜通過(guò)原位測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及《工程地質(zhì)手冊(cè)》中經(jīng)驗(yàn)公式綜合確定較為合適。強(qiáng)風(fēng)化層在飽水時(shí)強(qiáng)度會(huì)明顯降低，因此，無(wú)論該層是作為天然地基持力層，還是作為樁端持力層，或是基坑工程中，均應(yīng)注意地下水控制及防水措施，其樁基參數(shù)可按JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》軟質(zhì)巖強(qiáng)風(fēng)化取值，在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮地下水的可能不利影響，黏聚力值不應(yīng)過(guò)高。

表3 強(qiáng)風(fēng)化層基本物理指標(biāo)一覽表

表4 強(qiáng)風(fēng)化層基本力學(xué)指標(biāo)一覽表

5 結(jié)論和啟示

1）通過(guò)本次對(duì)古近系極軟巖全、強(qiáng)風(fēng)化帶的專項(xiàng)測(cè)試，可以看出全風(fēng)化層與強(qiáng)風(fēng)化層的物理力學(xué)性質(zhì)和巖土工程性質(zhì)是有一定差異的，與中風(fēng)化層更有較大差異，在工程實(shí)際中可以進(jìn)行較準(zhǔn)確的區(qū)分，有利于工程建設(shè)時(shí)達(dá)成合理經(jīng)濟(jì)安全的目標(biāo)。

2）本次在古近系極軟巖全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化帶帶中的專項(xiàng)測(cè)試雖獲得大量巖土參數(shù)，但由于古近系紅色碎屑極軟巖巖性多樣，不能通過(guò)本場(chǎng)地單獨(dú)的一次工作就對(duì)合肥地區(qū)古近系極軟巖形成完整的認(rèn)識(shí)，合肥地區(qū)目前對(duì)于紅層工程性質(zhì)的研究工作尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠深入，相關(guān)單位在條件許可時(shí)應(yīng)多開(kāi)展相關(guān)測(cè)試工作，尤其是在地基載荷試驗(yàn)、樁基載荷試驗(yàn)、崩解試驗(yàn)等方面，以形成成熟的理論經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)今后合肥地區(qū)的工程建設(shè)工作。