合肥地區古近系紅層巖土工程特性分析

王小勇，陳誠

（安徽工程勘察院，合肥230011）

1 引言

紅層在我國主要是指中生代以來的在熱帶或亞熱帶干旱環境下沉積的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相等陸相紅色砂巖、礫巖和頁巖等所組成的紅色碎屑巖地層，在我國分布比較廣泛。合肥地區由于地處特殊的大地構造部位，盆地內廣泛，沉積了侏羅系、白堊系、古近系的以棕紅、褐紅、紫紅色等色調為主的巨厚紅色碎屑巖地層（紅層），巖性主要有細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂質泥巖、泥質砂巖、泥巖夾礫巖等，一般上覆5～50m 的第四系松散巖類。合肥地區紅層巖石的力學強度一般較低，按巖石堅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最差。

改革開放以來，合肥市經濟迅速發展，高層建筑不斷涌現，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，準確了解合肥地區紅層的工程性質對于合肥地區的工程建設具有重要的意義。但由于紅層巖石具有抗風化能力差、遇水易軟化泥化、易崩解等不良性質，在實際勘察工程中難以獲得理想的巖芯采取率，也難以取得較準確的物理力學強度指標參數，尤其是全風化帶和強風化帶，不僅分層界線難以準確劃分，也造成一些重要的巖土參數依然處于半定性半定量的階段，在勘察報告中巖土參數多半只能提供經驗值。

本文根據工作經驗，結合合肥市某場地巖土工程勘察中在古近系極軟巖中的專項測試（測試采用的仍是常規的勘探取樣測試及原位測試方法），對該場地的古近系極軟巖全、強風化帶的劃分及工程性質進行簡要探討，希望能對合肥地區古近系紅層工程性質分析評價提供參考。

2 巖性特征

該場地分布的古近系紅色碎屑巖類主要為砂質泥巖、泥質砂巖，間夾泥巖、粉砂質泥巖互層，泥質中細粒結構，薄層～中厚層狀構造，碎屑礦物以石英為主，含少量長石、巖屑、云母片，黏土礦物以綠泥石、伊利石、蒙脫石為主，化學成分以SiO2含量為最高（一般達50%以上），其次為Al2O3，另有少量Fe2O3、CaO、MgO、MnO、TiO2[1]，泥質及鈣質膠結為主，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，中風化的飽和抗壓強度標準值為1MPa，為極軟巖。場地內全風化帶厚度約0.80～3.70m，強風化帶厚度約0.20～5.10m，中風化帶厚度大于50m。

3 風化帶劃分標準

本場地的古近系紅色碎屑巖屬極軟巖，也是半成巖，根據GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》（2009 年版）[2]，可不進行風化帶劃分，認為劃分風化帶意義不大，同時全風化、強風化、中風化帶是逐漸過渡的，沒有十分明確的界線，尤其是全風化、強風化帶在實際勘察作業中稍不注意，很難劃分清楚。但根據合肥地區工程實踐表明，將古近系極軟巖劃分出全風化帶、強風化帶、中風化帶，對于工程建設是有必要的。如果均按強風化工程性質對待（有些勘察單位認為應按硬質巖風化劃分標準，將合肥地區極軟巖的中風化帶劃為強風化帶），則會造成工程的極大浪費，如果均按中風化工程性質對待，則可能造成工程安全隱患。

根據筆者經驗及本場地測試成果，筆者認為要對古近系極軟巖全風化、強風化、中風化帶進行相對準確的劃分，應綜合以下幾方面進行。

3.1 根據鉆進難易程度

根據合肥地區及本場地施工經驗，表明汽車鉆及落地鉆在全風化層中采用螺紋鉆頭均能鉆進，但汽車鉆較落地鉆鉆進容易。在強風化層中汽車鉆采用螺紋鉆頭尚能鉆進但鉆進速度明顯減慢，落地鉆采用螺紋鉆頭時鉆進相對已較困但采用回轉鉆進時鉆進較容易。中風化層中汽車鉆及落地鉆均要采用回轉鉆進方式，鉆進時明顯感覺到與全、強風化層有差異。在感覺到差異時及時調整鉆探工藝可大大提高巖芯采取率，提高分層準確性。

3.2 肉眼鑒別標準

全風化層基本呈粉質（砂質）黏土夾黏土狀態，堅硬狀態，韌性中等～高，黏土礦物已全部風化為土，夾少量碎石，具有殘余結構強度，除了顏色不同外，這是與上覆土體的明顯區別。強風化層基本呈粉土夾碎石狀，密實狀態，遇水明顯軟化，可觀察到部分石英、長石、云母等礦物。中風化層巖性雖較軟，但已明顯具有巖石結構強度和構造特征，具有一定的抗壓強度，在強度上與上部全、強風化層有明顯的區別。

3.3 原位測試判別標準

全風化層中可采用標準貫入試驗，標準貫入試驗錘擊數（未修正）一般為18～50 擊，大噸位靜探設備一般也可貫入一定深度，貫入阻力Ps值一般為6～12MPa。強風化層中標準貫入試驗尚可采用，但擊數則普遍高于全風化，標準貫入試驗錘擊數（未修正）一般為30～80 擊，也可能因為其中所含碎石的影響貫入不了30cm，靜探在強風化層中已不適合采用，一般僅能貫入表部20～30cm。中風化層中采用標準貫入試驗已很難完整地貫入30cm，經換算后的標準貫入試驗錘擊數則一般大于100 擊（安徽省也將此作為紅層中進入中風化的一個判斷標準），靜探完全不適用。

3.4 相關物理力學指標判別標準

根據該場地中對古近系極軟巖全、強風化層中專項測試數據，全風化層和強風化層在物理力學指標上有比較明顯的區別。

在全風化層中含水率、重度、塑性指數、孔隙比均要高于強風化，同時液性指數遠遠小于上部黏性土層，塑性指數一般大于10，抗剪強度與上部硬塑～堅硬狀態黏性土相近，與強風化層差異較大。

而強風化層的塑性指數均值小于10，液性指數變化區間極大，黏聚力明顯小于全風化層，反映了強風化顆粒粒徑變大且級配不良，是判斷為強風化層的一個顯著標志。

4 巖土工程性質分析

4.1 全風化層基本物理力學指標及巖土工程性質

全風化層基本物理力學指標及巖土工程性質如表1 和表2 所示。

表1 全風化層基本物理指標一覽表

表2 全風化層基本力學指標一覽表

根據取樣測試數據表明，全風化層的性質接近黏性土，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，全風化層作為下臥層性質良好。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，在基坑支護時該層的黏聚力和內摩擦角值應適當折減，在選取樁基參數時建議按現行JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》參照堅硬狀態黏性土取值。

4.2 強風化巖基本物理力學指標及巖土工程性質分析

強風化層基本物理力指標和力學指標如表3 和表4 所示。從塑性指數看，場地內強風化性質接近粉土，取樣測試的壓縮模量較全風化層低，壓縮系數也稍小于全風化層，明顯不合理，分析原因，是該層中夾有碎石，取樣時易受擾動造成土工試驗的壓縮模量偏小，實際上，因該層屬密實狀態，又夾有碎石，其變形要較全風化層低，因此，強風化層的地基承載力宜通過原位測試數據結合地區經驗及《工程地質手冊》中經驗公式綜合確定較為合適。強風化層在飽水時強度會明顯降低，因此，無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，均應注意地下水控制及防水措施，其樁基參數可按JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》軟質巖強風化取值，在基坑支護設計時應考慮地下水的可能不利影響，黏聚力值不應過高。

表3 強風化層基本物理指標一覽表

表4 強風化層基本力學指標一覽表

5 結論和啟示

1）通過本次對古近系極軟巖全、強風化帶的專項測試，可以看出全風化層與強風化層的物理力學性質和巖土工程性質是有一定差異的，與中風化層更有較大差異，在工程實際中可以進行較準確的區分，有利于工程建設時達成合理經濟安全的目標。

2）本次在古近系極軟巖全風化、強風化帶帶中的專項測試雖獲得大量巖土參數，但由于古近系紅色碎屑極軟巖巖性多樣，不能通過本場地單獨的一次工作就對合肥地區古近系極軟巖形成完整的認識，合肥地區目前對于紅層工程性質的研究工作尚遠遠不夠深入，相關單位在條件許可時應多開展相關測試工作，尤其是在地基載荷試驗、樁基載荷試驗、崩解試驗等方面，以形成成熟的理論經驗指導今后合肥地區的工程建設工作。