广东红层特性及主要工程地质问题与建议

李小虎，陈干,2，张赟，黄金龙

（1.广州市设计院集团有限公司岩土与地下空间院，广州 510665；2.华南理工大学土木与交通学院，广州 510640）

1 广东红层的形成与分布

1.1 广东红层形成的大地构造背景

广东红层主要形成于中生代中后期，为碎屑岩。广东红层的形成及分布特点与大地构造密切相关。在广东红层形成时期，陆地形态与现今基本相似，是盆地内陆相碎屑岩的沉积，与大面积的地台型沉积有所不同。

1.2 广东红层的分布

空间分布整体上被重大深大断层控制，与断层带的方向有很大的联系。主要受制于5 条深大断裂，走向呈北东—北北东向，分别是恩平—新丰、郴州—怀集、吴川—四会、河源、莲花山。其次还受到高要—惠来断裂带和琼州海峡断裂带的影响，走向为东西向，形成了现今带状和串珠状的分布特征[1]。

1.3 广东红层沉积环境

红层需要古老沉积盆地，有足够的沉积物来源才能沉积。沉积盆地一般为内陆盆地，小部分是海滨、海相沉积。沉积物源是周围山地。

1.4 广东红层主要组成物质

矿物成分有黏土矿物，包括长石、石英、云母和高岭土等，红层碎屑含砾石、砂。其中碎屑成分一般与周围山地物源相吻合。胶结物主要由含硅质、钙质和铁质成分的泥、砂和化学胶结物组成。

2 广东红层的特征

2.1 结构和构造特点

红层结构类型有砂质、粉砂状、砂砾状、砾状以及泥质、粉砂泥质。薄中厚层状构造是红层碎屑的主要构造类型。

2.2 盆地分布特征

1）外围山地地貌带：红层丘陵之间的接触带常以断层分隔，红层盆地外围多为较高山地，其外围多由非红色岩系构成。

2）盆地边缘：盆地边缘逐渐变薄到盆地中央的趋势下，沉积物颗粒逐渐变细，与盆地边缘断裂带分布吻合的厚角砾岩和砂岩沉积发生变化。

3）部分红层盆地含较多的灰岩砾石和红色胶结物。

4）红层丘陵带：红层丘陵带岩性主要为砂岩或页岩，在红层盆地的中心区域，主要是丹霞地貌、平原，是向心水系聚集地，河谷两侧常出现砂砾岩和砾岩[2]。

2.3 地貌特征

在广东，丹霞地貌是典型红层地貌，始于喜马拉雅造山运动[3]。此运动使红层发生倾斜，红色盆地抬起。经风化逐渐形成巷谷、巷谷崖麓、崩积锥、缓坡、堡状残峰、石壁、石柱、溶沟、石芽和溶洞、石钟乳、漏斗等地貌[4]。

2.4 岩性特征

广东红层主要由新生代上下第三系和中生代白垩系侏罗系三叠系组成，岩性主要为砾岩、砂岩、粉砂岩、黏土质粉砂岩、黏土岩或泥（砂）质页岩等，亦可见石英砂岩或长石英砂岩，夹杂有灰岩结核。

3 工程地质评价

3.1 不同时代的红层分布特征与工程地质评价

1）侏罗纪红层以软弱夹层变形破坏为主。

2）白垩纪红层除软弱夹层变形破坏外，还存在溶蚀、腐蚀等问题。

3）新近、古近纪时期，红层与蒸发岩互层。受构造影响大，除软弱夹层共性问题外，还有红层岩溶、渗漏、腐蚀等问题。

3.2 红层地区的岩石基本特征与工程地质评价

1）砾岩有孔隙式胶结、基底式胶结两种类型，胶结物为钙质、钙泥质或泥质。砾岩强度有较大差异，易发生岩溶。

2）砂岩砾石含量低，胶结物以硅质、钙质、钙泥质和泥质为主。砂岩强度较低，开挖后易风化，有较强透水性。

3）黏土岩以细碎屑物质为主，胶结物以钙质或钙质泥质为主，石脉或钙质薄层常在裂隙中填充。黏土岩水稳定性极差，开挖后易发生崩解和软化。

3.3 典型沉积类型红层的其他工程地质评价

1）软硬岩层的强度差异和风化程度明显，导致节理发育、岩体破碎，常常引起边坡崩塌和破坏。

2）湖相沉积地层成分为含煤沉积物和红色沉积物，红层与煤层互层，红层沉积物是危及矿洞工程安全的主要因素。

4）有机质含量较高，对岩土体的物理性质和力学性质影响较大。

4 广东红层主要的工程地质问题与应对措施

4.1 滑坡问题与应对措施

4.1.1 滑坡变形破坏模式

1）失稳模式：因边坡临空条件影响，岩体卸荷变形，岩体产生陡倾坡外的卸荷裂隙，裂隙为岩体失稳提供了后缘边界。在风化作用下，斜坡岩体剥落，硬质岩剥落速度慢，软岩快。差异风化导致软硬岩层交界处软岩内缩，形成凹岩腔，硬岩则悬空外部，形成悬挑状危岩。

2）进一步破坏模式：悬挑状危岩在外界力作用下，坡体上部会再次发生崩塌，形成新临空面，从而形成累进式破坏[5]。

4.1.2 应对措施

采用清坡+局部削坡+挂网喷混凝土+钢筋混凝土支撑柱+排水治理措施[5]。

4.2 软硬互层问题与应对措施

4.2.1 项目概况与基础选型

广州黄埔区某项目鱼珠街道，包括1#办公楼36F（139.9 m）、2#办公楼29F（139.9 m），3#裙楼2F（10 m），1 栋垃圾收集站1F（6 m），地下室暂定为4 层，建筑物高度约140 m，拟采用嵌岩灌注桩基础。持力层选用无强风化夹层的连续稳定中微风化岩带。

4.2.2 勘察情况

本场地岩层以砾岩为主，夹含砾砂岩、细砂岩等，泥质钙质胶结为主。岩层分为4 个亚层：全风化带、强风化带、中风化带和中微风化带。下部基岩风化带总厚度较大，风化程度在深度方向呈现出逐渐减弱的总体规律。同一亚层中，岩石的风化程度存在差异，强风化带中夹杂着中风化岩，中风化带中夹着强风化和微风化岩。物理力学性质差异大。

1）岩层天然湿度单轴抗压强度

项目共取持力层岩样347 个，岩石天然湿度单轴抗压强度标准值为22.3 MPa，范围值为10.3～68.2 MPa。

2）岩体的完整性与软化系数

从钻探岩芯采取率（＞80%）看本场地中微风化岩带中的岩体完整性均属完整岩层，其完整性指数经波速测试大于0.75，其完整性也是完整岩层。这是本项目基础设计的有利条件之一。综合岩芯完整性程度和波速测试，中微风化岩带属完整岩层。

红层岩石表现出遇水软化、失水开裂的特点，大部分属于软岩-较软岩，只有少数属于较硬岩-坚硬岩，软岩-较软岩的岩石软化系数一般在0.60 以下。在本项目场地中，中微风化岩带软化系数均大于0.60，平均值为0.76，其他软化系数小于0.60。

4.2.3 应对措施

1）设计参数取值建议

确定持力层抗压强度和持力层端阻侧阻系数是项目桩基础设计最大难点。本项目在单轴抗压强度的天然湿度下，桩基础持力层表现出较大的离散性。为了确定合理的设计参数，逐桩取值，选择单桩超前钻孔岩样试验值的最小值作为持力层天然湿度单轴抗压强度。最小值高于单轴抗压强度统计标准值的，取标准值。场地中微风化岩带属于完整岩，端阻发挥系数c1取值为0.6，侧阻发挥系数c2取值为0.06。通过试验，本项目持力层软化系数大于0.6，不进行折减。

2）勘察建议

第一，编录时区分各种岩性，按不同岩性区分风化程度。

第二，在满足设计施工需要的前提下，编录时依照占多数情况的风化程度按照岩带进行划分，在编录描述中对夹层情况详细叙述。

第三，编录时拟作为持力层的岩层定名应遵循岩层夹层风化程度不能差于定名风化程度的原则。例如，中微风化岩带内不得夹杂强风化岩。

第四，钻孔持力层取样数量不应少于3 组。持力层建议抗压强度值取试验最低值且不高于所有岩样试验结果统计标准值。

第五，侧阻与端阻系数应按照岩芯采取率、波速测试综合进行完整性判断，不应简单认为中风化岩系数应低于微风化岩系数。

第六，通过实际试验判断软化系数。

第七，利用周边工程经验。以广州市为例，天河区及东山区东部、海珠区主要为岩石完好性较好，软质夹层较少，岩石单轴抗压强度值较高的砾岩和砂砾岩，其中，风化单轴抗压强度值通常在6.0～15.0 MPa，微风化通常在15.0～45.0 MPa；市区其他地段则以泥质粉砂岩和软质砂岩为主，岩层裂隙较发育，完整度较差，夹层较多。微风化岩天然湿度单轴抗压强度一般在9.0～15.0 MPa，少数情况下大于15.0 MPa[6]。红层岩石抗压能力与含泥量呈反向关系。

第八，钻探过程中应注意的问题：（1）以勘察软弱岩层力学性质、变形特征、产状、厚度及分布规律等内容为重点，采取减少回次进尺，使用合理钻速与压力，采用合适钻头等有效措施，提高软弱岩层采样率。（2）主要采集和包装试样的部位应根据勘察对象的不同而有所不同。对于地下线开挖的勘测，要以坑道深度为界，以站内基坑边线为界；对于建构筑物桩基础，以桩端岩层为主。（3）因红层基岩易失水干裂，应立即密封装箱，及时送实验室化验，暂存阴凉处，以保证试样不失水。

4.3 岩溶、软化崩解问题与应对措施

4.3.1 项目情况

广州番禺某项目，该场地地貌为风化剥蚀残丘，场地基岩出露，采用天然地基上的浅基础[7]。

经勘察发现，该场地基岩多为白垩系红层，基岩内夹有硬塑型残积土、砾石和风化砂砾岩。经分析应为溶洞，形成原因为场地砾岩的钙质胶结物被侵蚀流失。溶洞所占比例为21%，属于中等发育。同时进行的跨孔弹性波CT 技术证实了该场地的溶洞发育程度较高，溶洞洞高最高为8.31 m，最低1.14 m；跨度最长为10.34 m，最窄为1.25 m。

本项目视溶洞埋深情况，采用开挖换填、灌浆对溶洞进行处理，并采取了加厚底板的措施。

4.3.2 应对措施

因红层（主要是砾岩）存在溶洞发育的可能，在红层勘察工作中，应重视对溶洞和强风化砾岩进行鉴别[8]。

首先，强风化砾岩采取率较小，钻探取芯芯样以砾石为主，应进行动探试验，根据动探数对其进行鉴别，区分其为强风化砾岩还是溶洞填充物（如动探数有保证，则其密实程度就有保证，即使其为溶洞填充物，其力学性质也有保障）。

其次，提高采取率，检查取芯样内是否有残积土成分；如基岩内揭露残积土，则溶洞可能性大。

最后，注意观察取芯芯样内岩土芯是否有溶蚀痕迹。

另外，应注意浅基础持力层与坡体红层的保护，施工时红层易软化崩解。应避免基坑进水，边坡夹层可采取封闭防水、加强支护等措施来控制水分渗透。

5 结语

红层地层形成于中-新生代热带亚热带半干旱炎热气候环境条件下，该时期条件的独特性，致使其在记录丰富地球演化信息的同时，也因其易损性特性具有独特工程属性。过去人们主要研究的是红层地貌与沉积规律，对红层地质灾害、工程病害、生态损害以及在红层灾变孕育、成因与防控的理论与技术方法等工程属性方面的研究相对当前工程建设需求仍然显得单薄，亟须系统开展红层工程研究，为以红层地区的大规模工程建设和生态保护提供理论与技术支撑，推动红层研究向工程实践深入转化，保障红层地区人居安全、生态文明建设、社会经济可持续发展的高效实施。