广西红层分布及其泥岩工程特性分析

高芳芳，巫锡勇，邓睿

( 1.四川大学锦城学院，成都 611731；2.西南交通大学，成都 610031；3.中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

广西红层分布及其泥岩工程特性分析

高芳芳1，巫锡勇2，邓睿3

( 1.四川大学锦城学院，成都 611731；2.西南交通大学，成都 610031；3.中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

随着我国西部大开发战略的实施，近年来广西红层地区工程建设逐渐增加，本文以红层岩组为基础，对广西地区红层分布进行分析，认为十万大山地区和桂东-桂东南区域分布较为密集。通过物理化学试验及力学试验对红层泥岩进行工程特性统计分析，得出上述区域泥岩膨胀性和崩解性特征，并通过击实特性、CBR承载比、软化系数等指标得知两区域泥岩填料级别主要为C3和C2，从而为相关红层区域工程建设提供一定的理论依据。

红层泥岩；岩组；分布；工程特性；路用性

1 引言

我国的红层主要分布于西北、西南及华南地区[1]，随着经济建设发展在红层地区的基础工程建设越来越多，大量工程实践表明，区域性分布的红层软岩已经对既有铁路、公路的路基、边坡、隧道等工程产生了不良的影响，尤其是软基和填料问题。

目前对四川、云南红层泥岩的研究较多也较为成熟，而广西地区红层泥岩分析则相对较少，因此对其分布区域和工程特性进行研究分析是十分必要的，为广西红层地区工程建设提供重要参考。

2 广西红层分布特征

广西地区红层分布较为分散，前人研究较少，对其研究主要在《广西壮族自治区区域地质志》[2]的基础上进行。广西红层在元古代、早古生代的岩层中分布极少，主要分布于晚古生代泥盆系，中生代三叠系、侏罗系及白垩系，新生代第三系。根据沉积岩相、古地理环境，广西红层分布区域及岩组分类情况如表1所示。

表1 广西红层分布特征一览表

由上表可知广西红层分布有两个特点，一是同时代形成的红层分布地点分散，二是不同时代形成的红层地点也不集中，往往一个地区只有一个时代的红层。这就造成了广西红层分布散、范围广的特征，大致可认为十万大山沉积区(桂西南)和桂东-桂东南地区分布相对较为密集(图1)。通过对红层分布面积进行初步统计分析，广西红层分布最多为三叠系，其次是侏罗系和白垩系，泥盆系相对较少，而第三系最少。

图1 广西红层分布区域图

针对广西红层分布的特点，选择十万大山沉积区上思县那荡、百包百姓村(侏罗系汪门组、百姓组、那荡组)，桂东-桂东南昭平县(泥盆系莲花山组)、平南县平山汗新隆(白垩系新隆组)做为主要的研究区域，对红层泥岩进一步研究分析。

3 广西红层泥岩工程特性

红层泥岩一般岩质较软，工程性质较差，多具有膨胀性，或含有盐岩及石膏，常以软弱夹层的形式分布于砂岩中，红层地区不良地质发育及填料类别往往受其影响。本文通过广西红层泥岩矿物与化学成分、物理与力学性质特征对其工程特性进行分析。

3.1 红层泥岩矿物与化学成分特征

红层一般是在干旱、炎热的古气候及古地貌条件下经强烈的氧化作用形成的，其矿物成分主要是以黏土矿物(伊利石、蒙脱石、高岭石等)和碎屑物质(石英、长石、云母、方解石、石膏等)为主。泥岩中的黏土矿物含量一般在10%～50%[3]，碎屑物质以泥质、石英及方解石含量较多(表2)。矿物作为岩土体的基本组成单元，其特性直接影响到工程性质，如伊利石、蒙脱石等黏土矿物亲水性强，遇水易膨胀，失水易崩解，直接影响到红层泥岩的变形和强度特征。

广西红层泥岩化学成分主要为SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3(表3)，反应了红层形成过程中硅质、铁质及钙质作为胶结物，其含量高低在一定程度上影响到泥岩的强度，Fe2O3及其水合物的积聚使得红层呈现出红色。

表2 广西红层泥岩矿物成分表

表3 广西红层泥岩化学成分简表(%)

3.2 红层泥岩物理力学指标及膨胀性特征

对广西现有铁路(柳南线、黔桂线、湘桂线、南钦线等)红层泥岩物理试验成果进行统计可知(表4)：广西红层泥岩天然块体密度和颗粒密度值变化不大，第三系红层泥岩饱和抗压强度和饱和吸水率偏低，南宁市附近侏罗系和白垩系红层泥岩膨胀力大于100 kPa，饱和吸水率大于10%，达到膨胀岩的指标[4]。

由表4可知，相关物理力学资料，南宁附近泥岩具有膨胀性。由于膨胀性对工程影响较大，本次工作重点对其进行试验分析，自由膨胀率(平均值)试验结果如下：侏罗系那荡组24.08%>百姓组18.05%>汪门组13.26%>白垩系新隆组10.62%>泥盆系莲花山组4.67%。因此桂东-桂东南泥盆系和白垩系泥岩自由膨胀率值较低，十万大山区侏罗系泥岩自由膨胀率偏高，从而十万大山区侏罗系红层泥岩具有膨胀性的可能较大，工程设计及施工中应重视。

桂东-桂东南红层泥岩目前还缺少

3.3 红层泥岩崩解性特征

红层泥岩中黏土矿物和化学成分对崩解性都有一定的影响[5]，其中黏土矿物影响因子大小依次为伊利石>高岭石>蒙脱石；化学成分影响Mg>Fe2O3>Na2O>K2O>Al2O3>SiO2。由表3可知广西红层泥岩化学成分对崩解性影响较小，本次工作选择侏罗系那荡组和泥盆系莲花山组进行崩解试验。通过4次干湿循环，两岩组泥岩都表现出了不同程度崩解：侏罗系泥岩经历4次干湿循环后，其崩解颗粒大多数在0.5 mm以下，为强崩解；泥盆系红层泥岩崩解物颗粒大部分集中在0.5～2 mm和<0.25 mm，为中崩解。故十万大山区红层泥岩的崩解性可能高于桂东-桂东南地区。

4 广西红层泥岩填料路用性特征

红层泥岩是软岩的一种，其工程性质直接影响作为路基填料的稳定性。在上述红层泥岩工程性质分析的基础上，又进行了击实试验、承载比试验及软化系数试验，从而对其路用性进行分析评价。目前根据膨胀、软化和承载比试验研究数据已经建立了红层泥岩路用性综合判别标准[7-8]，如表5所示。

表5 红层泥岩路用性判别标准

4.1 红层泥岩击实试验

图2 侏罗系红层泥岩ρd-w关系曲线

任何路基填料用于路基填筑时都必须达到一定的压实度要求，才能满足路基的强度和变形要求[6]。对侏罗系那荡组和泥盆系莲花山组泥岩重塑土样分别进行重型击实试验，得出其击实特性(图2、图3)：红层泥岩随着含水量的增加，干密度先增大后减小，基本符合曲线的一般规律，十万大山区侏罗系红层泥岩最大干密度为1.97g/cm3，对应最优含水量为14.03%；桂东-桂东南泥盆系泥岩最大干密度为1.81 g/cm3，对应最优含水量为18.45%。

图3 泥盆系红层泥岩ρd-w关系曲线

4.2 红层泥岩CBR特性分析

CBR值是反映在一定贯入量时，试件中部分土体与整体之间产生相对位移(剪切)时，在滑动剪切面上产生的抗剪特性的表征量。选择十万大山区上思县侏罗系汪门组、百姓组、那荡组，桂东-桂东南昭平县泥盆系莲花山组、平南县白垩系新隆组红层泥岩进行承载比试验。

经分析试验结果，贯入量为5 mm时的承载比大于贯入量2. 5 mm时的承载比，按《土工试验规程》要求，又进行了同样试验条件试验，得到的结果基本相同，故采取贯入5 mm时的承载比。

图4 桂东-桂东南红层泥岩岩组CBR曲线关系

侏罗系泥岩CBR试验数据如图4所示，由于那荡组泥岩的CBR试验数据变异系数均大于12%，则去掉一个偏大的值，取剩余两个数据的平均值。十万大山区侏罗系汪门组和百姓组泥岩的承载比值分别为4.45和3.51，那荡组承载比值为2.38，填料级别分别为C2、C3、C3。

泥盆系和白垩系泥岩CBR试验数据如图5所示，由于白垩系新隆组泥岩的试验数据的变异系数均大于12%，则去掉一个偏大的值，取剩余两个数据的平均值。桂东-桂东南地区泥盆系莲花山组泥岩的承载比值为4.58，白垩系新隆组承载比为2.56，填料级别分别为C2、C3。

4.3 红层泥岩软化系数分析

软化系数KR是判定红层泥岩路用性的重要指标，其高低反映了岩石遇水后强度变化的程度。根据试验结果，侏罗系汪门组、那荡组、百姓组红层泥岩软化系数依次为0.52、0.41、0.49；泥盆系莲花山组、白垩系新隆组红层泥岩软化系数为0.57、0.39。由表5可知，十万大山区侏罗系汪门组、那荡组、百姓组红层泥岩填料对应级别均为C1，桂东-桂东南泥盆系莲花山组泥岩填料对应级别为C1，而白垩系新隆组泥岩填料对应级别为C2。

图5 桂东-桂东南红层泥岩岩组CBR曲线关系

4.4 红层泥岩填料分区评价

上述试验表明，十万大山沉积区侏罗系百姓组、那荡组泥岩的CBR值均小于4.0，软化系数均大于0.4，那荡组泥岩的自由膨胀率接近30%，故将侏罗系百姓组、那荡组泥岩划分为C3级别填料；侏罗系汪门组泥岩软化系数满足C1填料要求，但CBR值小于5，故划分为C2级别填料。桂东-桂东南地区的白垩系新隆组泥岩的CBR值小于4.0，软化系数为0.39，划分为C3级别填料；泥盆系莲花山组泥岩软化系数满足C1填料要求，但CBR值小于5，划分为C2级别填料。因此，红层泥岩的路用性能较差，只有少部分泥岩处理后可用于路基填筑，而大多数泥岩达不到路基填料的要求。

5 结论

通过以上对广西红层泥岩的分析，可得出以下结论：

(1) 广西红层具有分布散、范围广的特征，大致认为十万大山沉积区和桂东-桂东南地区分布相对较为密集。

(2) 广西红层泥岩按地层年代分布由多至少依次为：三叠系、侏罗纪、白垩系、泥盆系和第三系。

(3) 研究区泥岩自由膨胀率均较低，十万大山沉积区红层泥岩具有膨胀性的可能较大。

(4) 十万大山沉积区红层泥岩崩解性高于桂东-桂东南地区。

(5) 十万大山沉积区侏罗系那荡组最大干密度为1.97 g/cm3，最优含水量为14.03 %；桂东-桂东南泥盆系莲花山组泥岩最大干密度为1.81 g/cm3，最优含水量为18.45%。

(6) 十万大山沉积区和桂东-桂东南地区红层泥岩填料级别以C3和C2为主，只有少部分泥岩处理后可用于路基填筑。

(7) 上述研究以上思县红层泥岩试验成果代表了十万大山沉积区，以昭平县、平南县试验成果代表了桂东-桂东南地区，受试验样品局限性的影响,文中不足之处还有待进一步研究分析。

[1] 李廷勇,王建力.中国的红层及发育的地貌类型[J].四川师范大学学报(自然科学版).2002，25(4):427-431.

[2] 广西壮族自治区地质矿产局.广西壮族自治区区域地质志[M].北京：地质出版社，1985.

[3] 李俊杰,田文丰,张毅.浅析西南地区红层的物理性质及工程特性[J].岩土工程界，2009，12(12):28-32．

[4] 中华人民共和国铁道部.铁路工程特殊岩土勘察规程(TB10038-2012)[S].中国铁道出版社，2012．

[5] 刘晓明.红层软岩崩解性及其路基动力变形特性研究[D].湖南大学博士学位论文，2006:74-75．

[6] 胡安华,蒋关鲁,王智猛.高速铁路路基红层泥岩填料物理力学特性试验研究[J].铁道工程学报，2008，25(2):21-25．

[7] 魏永幸.利用红层泥岩填筑高速铁路路基技术的试验研究[J].铁道工程学报，2009，26(2):39-43．

[8] 冯强.四川红层泥岩的分布及其路用性能研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2011:51-53.

THE DISTRIBUTION OF RED BEDS AND ANALYSIS ON ENGINEERING CHARACTERISTICS OF MUDSTONE IN GUANGXI

GAO Fang-fang1, WU Xi-yong2, DENG Rui3

(1.Jincheng College of Sichuan University,Chengdu 611731,China; 2.Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China; 3.China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd,Chengdu 610031,China)

With the implementation of the strategy of developing the west of China, the construction in Guangxi red bed area has gradually increased in recent years. The paper holds that red bed is distributing centre in Shiwandashan area and southeastern Guangxi based on the analysis of red rock group. Through physical chemistry experiment and mechanical test of mudstone in that region , the expansibility and disintegration was obtained. And the filler grade is mainly C3 and C2，according to the heavy tamping property, CBR bearing ratio and softening coefficient. Then a certain theoretical basis for the engineering construction can be provided in relevant regional.

red mudstone; petrofabric; distribution; engineering characteristics; build emban kment capability

1006-4362(2017)02-0048-05

2016-12-12 改回日期： 2017-02-17

P642

A

高芳芳(1985- )，女，江西九江人，讲师，硕士，主要从事地质灾害方面的教学及研究。E-mail：344037063@qq.com