1、红砂岩的特征和工程分类对广东地区公路建设的启示李红中 ，张修杰（ 广 东 省 公 路 勘 察 规 划 设 计 院 股 份 有 限 公 司 ， 广 东 广 州 ）摘 要 ： 红 砂 岩 是 广 东 地 区 广 泛 分 布 的 一 种 性 质 特 殊 的 软 弱 岩 石 ， 这 类 岩 石 在 大 气 环 境 或 干 湿 循 环 作 用 下 极 易 发 生 崩 解 碎 裂 、 颗 粒 软 化 或 泥 化 。 岩 石 的 强 度 、 抗 冲 刷 能 力 、 抗 风 化 能 力 和 工 程 稳 定 性 均 会 因 此 迅 速 降 低 ， 这 将 引 发 边 坡 失 稳 和 路 基 软 化 膨 胀 失
2、稳 、 承 载 力 降 低 及 路 面 开 裂 等 工 程 问 题 。 鉴 于 此 ， 研 究 人 员 通 过 研 究 揭 示 出 影 响 崩 解 性的主要因素为结构、胶结物、粘土含量和颗粒大小，并进一步提出了基于红砂岩崩解性强弱的岩石分类方案。 本 研 究 在 梳 理 已 有 研 究 成 果 的 基 础 上 ， 以 广 东 曲 江 至 南 雄 高 速 公 路 的 某 处 红 砂 岩 为 例 ， 分 析 了 红 砂 岩 的 崩 解 机 理 并提出了该路段内红砂岩边坡和路基土的应对策略。关键词：红砂岩；崩解性；工程分类；公路Characteristics and Engineering Clas
3、sification of Red Sandstone: Implication on Highway Construction in Guangdong AreaLI Hongzhong, ZHANG Xiujie(Guangdong Highway Design Institute Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong, , China)Abstract: Red sandstone, widely distributing in Guangdong area, is a special kind of weak rock. This kind of rock i
4、s easily disintegrated, softened and argillized under atmospheric environment or cycle of drying and watering. Because of that, it can quickly reduce the strength of rock, scouring resistance, weathering resistance and engineering stability, which will easily cause engineering problems, such as slop
5、e instability, instability of the subgrade from softening and expansion, reducing bearing capacity and pavement cracking. Thus, the structure, cement, clay content and particle size are found out to be the main factors for the disintegration of red sandstone. The classification scheme of red sandsto
6、ne has also been presented according to the strength of disintegration. Based on the previous researches, this study analyzes the disintegration mechanism of the red sandstone, located in the highway from Qujiang to Nanxiong, Guangdong, China, and also gives strategies to deal with the slope and sub
7、grade soil for the highway.Keywords: red sandstone, disintegration, engineering classification, highway红 砂 岩 是 一 种 性 质 特 殊 的 软 弱 岩 体 1， 其 分 布 面 积 约 占 全 国 陆 地 总 面 积 的 8.61%2。 该 类 岩 石 在 我 国 的 西南、中南及华东地区分布最为广泛 3，是道路工程建设中最为常见的软弱岩土体之一 4。随着公路建设 的 不 断 推 进 ， 红 砂 岩 常 常 被 用 作 为 山 区 公 路 和 铁 路 常 用 的 重 要 路 基 填 料
8、 5， 这 些 红 砂 岩 路 基 土 在 车 辆 荷 载 和 自 然 环 境 的 作 用 下 却 常 常 面 临 了 路 基 软 化 膨 胀 失 稳 或 沉 陷 、 承 载 力 降 低 、 路 面 严 重 开 裂 等 工 程 问 题 6。作 者 简 介 ： 李 红 中 ， 博 士 ， 主 要 从 事 道 路 交 通 相 关 的 地 质 工 程 研 究 及 生 产 管 理 方 面 的 工 作 ； E-mail： lihongzhong01 。研究表明， 红砂岩崩 解后 产生的红砂 土经压实 后表 现出良好的 路用性能 7，这是因为红 砂岩及其 风化 土具 有 其特 有的力 学性质 8。 在 广
9、东 地区， 以红砂 岩为代 表的 红 层 也广泛 分布 9， 其崩 解性 导致的 地质灾害 也已经 引起 了人 们的 关注 10,11。 因此 ， 本研 究以广 东 省部分 已完 成公 路勘 察项 目为契 机 ， 对 红砂 岩及 其 主 要特征 进行 了总 结梳 理， 最后提 出了 应对 该路 段内 红砂岩 边坡 和路 基土 崩解 作用的 策略 。1 红砂岩的概念 红层 是陆 相沉 积或 陆缘 浅水沉 积的 产物 12， 它 主 要是指 一套 呈红 、 深 红或 褐色的 砂岩 、 泥 岩或 砾岩 的 碎屑 岩类地 层 13，该 地层 富含 高价铁 质氧化 物并常 常被 统称为 红 砂岩（ 即
10、红层 中最具 有代表 性的岩 石 14） 3。 红 砂岩 的天 然结 构主 要包含 泥状 结构 和粒 状碎 屑结构 15， 进 而依据 岩石 学分类 划分 为粘土岩 类（泥 岩 、 砂质 泥岩 、页 岩及砂 质页 岩等 ）和 碎屑 岩类（ 泥质 砂岩 、泥 质细 砂岩、 泥质 粉砂 岩、 粉砂 岩 、 砾岩、 砂 岩 以及 长石 砂岩 等） 。 关于 红砂 岩的 大量 研 究表明 ，红 砂岩 主要 具有 如下特 征：（ 1） 红砂 岩在 地质 时代 上主 要形成 于中、 新生 代。 红 砂 岩地层 的主 要形 成于 白 垩 纪 （ K） 第三纪 （ N） 13 并主要 集 中 于 晚白 垩世
11、早第三 世 （ 渐新 世） 16。 关于 红 层中 粘土 矿物 的研 究结果 显示 17， 形成 于中 生 代的红 砂 岩 内高 岭石 偏少 且主要 包括 大量 蒙脱 石 -伊利石的 混层 及少 量蒙 脱石 ， 而新生 代红 砂岩 内的 蒙 脱 石 含量高 且 比 表面 积大 （ 150 450m2） /g，并 表现 出较 强的 吸 水 性 。（ 2）红砂岩的组成较为复杂且变化较大。红砂岩中的 SiO2、 Al2O3、 FeOx、 CaO 和 MgO 等构成了石 英 、 长 石 、 粘 土 矿 物 （ 高 岭 石 、 蒙 脱 石 及 伊 利 石 ） 、 方 解 石 、 云 母 、 隧 石 、
12、芒 硝 、 石 膏 等 矿 物 18。 在 红 砂 岩 内 ， 铁 的 氧 化 物 和 氢 氧 化 物 可 高 达 10%19， 这 些 红 色 高 价 铁 呈 浸 染 状 分 布 形 成 了 红 砂 岩 在 外 观 上 呈 现 出 红色基调 15，如此高含量的高价铁应该反映了相对干燥的陆相强氧化环境 13。（ 3） 红 砂 岩 在 微 观 上 表 现 为 细 砂 -粉 砂 状 碎 屑 颗 粒 呈 孔 隙 （ 或 基 底 ） 式 胶 结 。 在 微 观 上 ， 红 砂 岩 较 常 见 的 石 英 质 砂 岩 的 孔 隙 率 偏 高 且 部 分 空 隙 明 显 较 大 ， 其 内 部 碎 屑 颗
13、 粒 间 的 胶 结 形 式 包 括 孔 隙 式 胶 结 、 基 底 式 胶结、铁质碳酸盐胶结和泥质接触式胶结 15，主要表现为细砂 -粉砂状结构（碎屑颗粒小于 0.5mm）的矿 物 呈 孔 隙 （ 或 基 底 ） 式 胶 结 13。 颗 粒 间 的 胶 结 物 以 钙 质 为 主 、 铁 质 次 之 并 充 填 了 大 量 粘 土 杂 基 13， 因 铁 质 并非主要以胶结物的形式存在而并未对岩石的工程性质造成明显影响 15。2 红砂岩的崩解性及分类2.1 崩解性及其影响因素崩 解 性 是 红 砂 岩 最 重 要 的 工 程 劣 性 2,3,20-22， 具 体 表 现 为 ： 红 砂 岩
14、在 大 气 环 境 或 干 湿 循 环 作 用 下 极 易 崩 解 碎 裂 、 颗 粒 软 化 或 泥 化 ， 这 导 致 其 强 度 、 抗 冲 刷 、 抗 风 化 能 力 和 工 程 稳 定 性 均 迅 速 降 低 ， 进 而 在 被 用作路基填料时极易出现路基软化膨胀失稳（或沉陷）、承载力降低和路面开裂等工程病害（图 1） 。 从 矿 物 组 成 来 看 ， 红 砂 岩 的 崩 解 性 在 很 大 程 度 上 归 因 于 其 内 部 粘 土 矿 物 （ 伊 利 石 和 蒙 脱 石 ） 吸 水 性 及 自 由 膨胀性 13。进一步研究表明，红砂岩崩解性强弱主要取决于岩石类型、胶结物类别和岩
15、石内粘土矿物含 量等内在因素 3：（ 1） 结 构 ： 泥 状 结 构 的 崩 解 性 高 于 粒 状 碎 屑 结 构 ， 如 泥 质 岩 石 浸 水 后 主 要 呈 渣 状 及 粒 状 崩 解 ， 而 砂 岩 则主要为块状崩解或不崩解。（ 2） 胶 结 物 ： 泥 质 胶 结 的 崩 解 性 高 于 硅 质 、 铁 质 胶 结 ， 如 以 硅 质 胶 结 为 主 的 砂 岩 经 多 次 干 湿 循 环 后 并 未发生崩解；泥质胶结（或以泥质胶结为主）的岩石则明显表现出不同程度的崩解性。（ 3） 粘 土 含 量 ： 红 砂 岩 的 粘 土 矿 物 含 量 越 高 则 崩 解 性 越 强 ， 如
16、 粘 土 矿 物 含 量 较 大 的 泥 岩 崩 解 性 较 为 强 烈，而粘土矿物含量偏低的岩石崩解性则明显偏弱。（ 4） 颗 粒 大 小 ： 颗 粒 越 大 则 崩 解 性 越 强 ， 如 崩 解 物 的 崩 解 性 随 崩 解 的 进 行 而 颗 粒 逐 渐 变 小 ， 而 颗 粒 从 大到小变化过程中伴随了崩解性的逐渐减弱直至消失。一甑 ， t。芦， L甲： f，一 ?善 l，了 V一 _， 。图 1 广东省内红砂岩崩解相关的公路地质灾害（a-云岑高速边坡垮塌；b-云罗高速边坡垮塌； c-博深高速的边坡裂缝；d-梅大高速边坡垮塌）， 。一静罗一。2.2 工程分类在天然 条件 下 ， 口
17、 红 砂岩 的单 轴抗压 强度 较低 并归 属于 软质岩 5,15,17,23。 红 砂岩 抗 水和抗 风化 能力 均较 差，其 风 化 产 物 遇 水 易 软 化 、 崩 解 、 扩 容 膨 胀 ， 导 致 母 岩 的 工 程 稳 定 性 差 3。 鉴 于 此 ， 人 们 根 据 红 砂 岩 烘 干 后 浸水 24 小时（ h）的浸水崩解特性将其划分为强弱不同的三类 21,22：（ 1） I 类红砂岩：烘干试样浸水 24h 后 呈 泥 状 （ 或 渣 状 ） 崩 解 。 岩 石 具 有 膨 胀 性 ， 自 由 膨 胀 率 平 均 值 为 40.0% 41.3%。 岩 石 的 亲 水 性 粘
18、土 矿 物 含 量 高 ， 水 稳 定 性 和 强 度 稳 定 性 差 。（ ） 类红砂岩：烘干试样浸水 后呈碎块状崩解。具碎屑结构特征，但不存在膨胀性。水稳定性2 II 24h和强度稳定性均优于 I 类岩。（ 3） III 类红砂岩：烘干浸水 24h 后 基 本 不 崩 解 （ 或 棱 角 处 少 量 崩 解 ） 。 岩 石 的 强 度 较 高 ， 工 程 性 能 较 好。3 广东地区典型案例3.1 典型案例3 蓄离瞄在韶关市曲江至南雄高速公路的勘察过程中，主田组的红砂岩具有强烈的崩解性。该高速公路始于曲江周田镇月岭村，总体呈北东走向延伸至南雄古市镇倚逢村以北。在南雄地区，南雄群（包括浈水组
19、、主田 组 、 大 凤 组 地 层 ） 与 丹 霞 群 为 同 一 时 期 的 沉 积 产 物 ， 都 属 于 典 型 的 红 色 沉 积 岩 系 。 尽 管 形 成 于 同 一 时 期 ，但南雄群主田组红色岩系的崩解性并非如丹霞群具有同样高的稳定性，这得到了钻探结果中主田组岩芯的一有 力 证 实 （ 图 2） 。 钻 探 结 果 表 明 ， 南 雄 群 主 田 组 内 的 泥 岩 呈 夹 层 或 互 层 的 形 式 产 出 与 一 套 红 砂 岩 地 层 内 ，泥 夹 层 或 泥 质 岩 石 内 含 有 大 量 亲 水 性 粘 土 矿 物 ， 因 而 具 有 吸 水 膨 胀 和 失 水 收
20、缩 等 特 征 。 当 岩 心 暴 露 地 表 后 ，因气候变化导致岩心产生涨裂、日久变为散体，这与其它地区的红砂岩（或红色岩系）的崩解现象完全吻合。需要说明的是，这种胀缩性涨裂与构造作用无关，但与气候条件和卸荷节理有一定关系，而岩石的崩裂程度与其所含粘土矿物含量、水分的增减速率、反复频率密切相关。惑 弹惑图 2 暴露时间不同的主田组红砂岩的岩心照片（暴露时间长短关系：T aTbTc）3.2 崩解机理及应对对策粘土矿 物的 吸水 膨胀 是引 起红砂 岩崩 解的 根本 因素 ， 这 主要 归因 于粘 土矿 物 （如 伊利 石、 高岭 石、 蒙 脱 石） 的比表 面 积 大且亲水 性极 强。岩 石
21、浸 水后，水 分子 极易被 吸引 而向岩石 孔隙 运动并 主要 发生 膨胀 和软化 变 化：一 方 面 ， 粘 土 矿 物 吸 水 引 发 膨 胀 。 前 人 研 究 表 明 3， 红 砂 岩 内 的 粘 土 矿 物 （ 尤 其 是 蒙 脱 石 ） 的 结 构 单 元层间以键力极弱的 O-O（氧 氧键）相联结，遇水后具有氧键的强极化水分子很容易楔入这些连接力极 弱 的 结 构 单 元 层 间 致 使 其 分 开 。 结 构 单 元 体 中 的 Al3+也 极 易 被 低 价 阳 离 子 （ 如 镁 离 子 Mg2+等 ） 所 置 换 并 致 使八面体浅层面上出现多余负电荷，吸附水中的阳离子使极
22、化水分子变为 H3O+（水化阳离子）并进入其 结 构 单 元 的 层 间 和 水 化 膜 之 中 导 致 矿 物 的 层 间 间 距 及 水 化 膜 厚 度 增 大 并 发 生 颗 粒 膨 胀 。 然 而 ， 这 种 体 积 膨 胀在岩石内部并不均匀，它进一步导致岩石内部应力的不均匀并最终使得岩石颗粒碎裂。另 一 方 面 ， 粘 土 矿 物 吸 水 导 致 胶 结 软 化 。 岩 石 浸 水 后 ， 岩 石 内 部 分 胶 结 物 被 水 所 稀 释 、 软 化 或 者 溶 解 ， 岩石因此失去颗粒间的联结而解体 17,24。这种结构的软化将有利于岩石发生膨胀和碎裂。当岩石 经过 反复 的 失
23、水 浸水 干湿 循环， 岩石 颗粒 经历往 复的 膨胀 、 收 缩 ， 会加速 岩石 的崩 解。 根据 上述崩 解 机 理， 本研 究提 出了关 于南 雄群 主田 组红 砂岩的 应对 策略 ：（ 1） 在 边 坡 方 面 ， 采 取 得 当 的 边 坡 封 闭 措 施 可 控 制 红 色 岩 系 边 坡 不 会 发 生 崩 解 失 稳 。 边 坡 开 挖 后 由 于 其 含 泥 导 致 透 水 性 差 ， 故 影 响 深 度 一 般 不 大 。 只 要 通 过 及 时 支 护 、 隔 水 封 闭 ， 边 坡 不 会 造 成 大 面 积 深 度 崩 解。（ 2） 在 路 基 填 料 方 面 ，
24、只 要 采 取 适 当 的 预 处 理 消 除 其 崩 解 性 便 可 以 作 为 路 基 填 料 。 选 择 击 实 指 标 和 CBR 指标符合 路基填料 要 求的岩石，在其开挖暴 露 后进行反复的 凉晒 -浇水 并配合振动机进行压碎 等 预 崩解处理。 引进 预崩 解 -耙压 -碾压 为核心的红砂 岩路基填 筑 施工工艺 和处 理技术 25和固化剂的掺入 15同 样可以 有 效 提高 红砂 岩的 抗渗性 与水 稳定 性 。 此 外 ， 还 需 要 进行 填筑 并作 好 封隔底 部 、 包 边处 理、 确 保排 水通道 畅 通 、路 基表 面无 积水。4 结语红砂岩是广东地区广泛分布的一种
25、性质特殊软弱岩石，在道路工程建设中极为常见，并常被用作为山 区 道 路 的 路 基 填 料 。 在 大 气 环 境 或 干 湿 循 环 作 用 下 ， 红 砂 岩 极 易 崩 解 碎 裂 并 导 致 工 程 病 害 。 红 砂 岩 的 崩 解 性 与 岩 石 结 构 、 胶 结 物 、 粘 土 含 量 及 颗 粒 大 小 密 切 相 关 ， 因 而 需 要 对 红 砂 岩 进 行 工 程 分 类 。 并 在 此 基 础 上 ， 分析红砂岩的崩解机理并提出关于边坡和路基土的应对策略。参考文献1 周 翠 英 ， 谭 祥 韶 ， 邓 毅 梅 等 . 特殊软岩软化的微观机制研究J. 岩石力学与工程学报
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