南方红土形成的地质环境与工程地质特征

南方红土形成的地质环境与工程地质特征南方红土形成的地质环境与工程地质特征 邓卫华 （湖北省核工业地质局）摘 要 在中国南方地区（在自然地理区划上包括华南、西南及华中部分地区其中华南已包含了通常所说的华东在内）大面积分布着红土； 在中国地质界这些红土有过各种各样的命名各地叫法也不一样除“红土”外还有“红粘土”、“红色粘土”“斑状红土”、“网纹红土”、“花斑红土”等等；工程意义重大的主要是早第四纪冲洪积粘土花岗岩残积土和碳酸盐类岩石残积粘土；这些红土共同具有“红色”反映了它们在一段地质历史时期的共同“经历”因而具有某些共性但终因成因不同成份各异、而工程地质相差悬殊；本文通过对中国南方地区红土的调查研究对不同母岩形成的残积、残坡积红土和不同成因的红土物质成分和工程地质特性讨论和分析总结南方红土形成的地质环境与工程地质特征为进一步研究红层和这些地区开展地质勘察工作提供参考资料。 一、形成红土的地质环境条件 红土是在特定的地质环境条件下形成的可以概述如下： 1.气候条件:这是根本性的条件,红土是岩石或土在炎热湿润气候条件下,经过长期缓慢而充分的化学作用,更确切的说,是经过红土化作用而形成的.随着化学风化分解淋滤作用过程的进展,不稳定的各种氧化物被大量的淋失掉,而较稳定的铁、铝等化学物显著的富集矿物的成分也出现了相应的转变。 在热带、亚热带炎热湿润的历史条件下母岩成分虽然不同但由于红土化作用条件类同其化学风化分解产物类似如碳酸盐岩与_岩残积、残坡积风化红粘土之间的化学成分和矿物成分相对来说较为相似都含有伊利石、高岭石、多水高岭石； 同一种母岩的风化分解程度不同其风化土的化学成分和矿物成分是有差异的。比如_岩残积灰粘土就比_岩残积、残坡积红粘土的分解淋滤积聚程度差。 2地貌条件：红土主要分布在丘陵、盆地、河谷阶地以及低山等地区。这主要反映了有利于上述气候区影响的条件和有利于红土化作用的地形条件。比如在地形平缓的台地阶地、低丘能够发育有一定厚的红土而在陡峻的低山地区由于剥蚀作用强烈红土不发育即使有厚度也很小。 3地质历史条件：从第四纪古气候变迁来看在中国的几个冰期中以大姑_间冰期的温热化程度最高对红土化作用条件最有利。因而在中国南方地区促成不同成因不同母岩的中更新世（Q2）红土的广泛分布。此外在中南半岛和中国华南热带地区从晚第三系以来主要是具有有利于红土化作用的炎热潮湿气候所以分布有晚第三纪和晚第四纪不同时期的红土。比如在华南沿海地区就分布有早更新世、中更新世、晚更新世几期_岩残积、残坡积红粘土甚至还具有全新世的红粘土。另外在红土作用期间地壳缓慢上升的地区红土的厚度较大比_南亚某地区_岩残积、残坡积红粘土厚度最大达50米而在广东_花岗岩残积、残坡积最大厚度达100米左右。 4母岩条件：母岩在红土形成过程中不是决定性的条件但是母岩类型不同其所形成的红土特征有一定的差异除了在化学成分与矿物成分方面有区别外在现场外观特征、风化发育速度以及物理力学性质等方面也都有一定的差别。其中以致密状结构的碳酸岩、_岩之类的风化红土与碎屑状结构的碎屑沉积岩的风化红土、粒状或斑状结构花岗岩之类的风化红土之间的差别最为突出另外由于碎屑沉积岩抗风化分解能力相对较强其风化壳的风化分解程度远比碳酸盐岩或_岩、花岗岩等岩浆岩的风化壳要低。所以相对来说碎屑沉积岩出露区的红土不发育在一些地区其厚度只有 1米到几米甚至不超过1米。 二、红土的工程特性 红土具有与一般粘性土不同的工程特性而且母岩类型对其工程特性有一定的影响而由同一类型形成的红土其工程特性则具有一定的地区差异性。另一共同特点是红土的厚度在水平方向的变化一般较大且饱和度一般大于85%。下面归纳为四种情况来说明其工程地质特征： 1网纹红土 主要是指早、中更新世粘土。组成网纹红土的矿物几乎全是高岭石个别发现有少量伊利石。以_白砂井网纹红土为代表由冲洪积、冲积粘性土形成褐红色至黄红色有蠕虫状白色网纹土质致密细腻；孔隙比远小于1在垂直方向上的天然含水量、液性指数、饱和度和压缩系数随深度向下均有不同程度地逐渐增大的趋势相应地土的状态也由坚硬向硬塑可塑转变。压缩性较低具有中压缩性抗剪强度较高且有向下逐渐降低的趋势地基强度和变化模量很高。但实际建筑工程中对其力学性质评价过低造成浪费地基实际承载力要比习惯采用值（250KPa300KPa）高1倍到几倍对多层建筑可充分利用其强度作天然地基。对十层或十层以上的高层建筑也可考虑采用不穿透本土层的挖孔桩或大口径灌注桩以充分利用其强度。 2花岗岩残积土 我国南岭和_沿岸的花岗岩残积土是另一类型的红土。它是一种含砾粘土当其并未完全风化时多尚保留有残存的“岩石性质”而结构强度明显。一般是砂砾含量随深度的增加而增加粘粒含量则随之减少。土质较硬一般处于可塑至硬塑状态具低到中等压缩性属超固结粘土。粘花岗岩风化带厚度大和极不均匀是众所周知的这除和岩性有关外更重要的是沿构造破碎带的局部深风化带在饱和浸泡下常可造成孔隙比高达2.0以上,液性指数也在2.0以上的超软弱带,成为建筑物的极大隐患。 一般来说花岗岩风化带可划分为三个亚带：近地表带、中带、近母岩带。 近地表带：为粘土含砂砾以棕红色为主有蠕虫状灰白色网纹孔隙比0.800左右压缩系数(a1-2)0.025左右现场载荷试验临塑荷载（P0）5.0Kg/cm2左右。 中带：粘土或亚粘土含砂砾褐红色为主蠕虫状白色网纹粗大模糊风化残留块体较多。局部细粒花岗岩残积土和长石风化的高岭土富集带无论外观和物理力学性质和周围土体差别极大常构成软弱夹层。就整体而论其孔隙比大于0. 900 压缩系数(a1-2)0.04左右现场载荷试验临塑荷载（P0）3.0Kg/cm2左右。 近母岩带：亚粘土为主含砾及岩石风化残块较多黄褐色为主其孔隙比大于0. 900压缩系数(a1-2)0.03左右现场载荷试验临塑荷载（P0）8.0Kg/cm2左右。此带逐渐过渡到母岩。 以上三带的存在一方面反映了花岗岩由地表向深层风化程度由强减弱的趋势同时也反映了湿热环境的“红土化”过程中红土化由地表向深层减弱的趋势后一过程改造了风化带的性质使近“地表带”的物理力学性质优于“中带”。 从建筑地基的角度看花岗岩残积红土的工程地质问题主要是不均匀和较高的压缩性对花岗岩残积土近地表高强度的利用。要充分考虑其中相对软弱以及本身也是有较高的压缩性等不利因素。 3.碳酸盐类岩石残积红土 在中国南方普遍认为：“真正”的红粘土是碳酸盐类岩石的残积物。而在经过再搬运沉积后即成为“次生红粘土”。而这类粘土的典型工程特征应以真正的残积红粘土为代表。 红粘土的矿物成分以高岭石为主含少量伊利石。其粒组中小于0.002mm的胶体颗粒占60%以上其高分散性决定性了其亲水性。故其液限一般高达80%孔隙比常在1.000以上但近地表的坚硬状态的土的强度可达45kg/cm2以上。值得注意的是这种红土多具有一定的膨胀性收缩性其膨胀力在0.4 kg/cm2.左右膨胀量0.8%左右收缩率3,.5%左右。 这种红土的另一显著特点是在垂直方向上其物理力学性质变化极大在总厚度十来米的地层中可以由地表的坚硬状态变化到近基岩面的流塑状态强度下降到1.0kg/cm2以下。由于其下部基岩为碳酸盐类岩石喀斯特问题是这类地区的又一重要工程地质问题。其危害最大的是红土中的土洞。 在红土地基基础设计中有充分利用表层土高强度的作法但这仅适用于一般层数不多、重量不大的建（构）筑物此时注意的是协调基础浅埋和胀缩变形剧烈变化带来的矛盾对于高层或重型建（构）筑物深基础主要是查明与喀斯特有关的工程地质问题。 三、结束语 1.红土是在特定的地质环境条件下形成的特殊性土,其中起决定作用的是能导致红土化作用的热带、亚热带炎热湿润的气候条件。 母岩对红土的工程地质特性有一定的影响由于地区之间历史气候条件的差异或由于红土化作用强弱程度等的不同同一类型母岩（或原土）所形成的红土其工程特性也具有地区的差异性。 2.第四系红土的共同特点是表层高强度即使是在孔隙比较大干容重较小的情况下其强度和其他土相比也是较高的就是红土化的作用。在红土化过程中铁的氧化物大量富集而且这些铁的氧化物三分之二是游离氧化铁这些铁多是以“包膜”的形式包裹于其他粘土矿物表面或充填于其孔隙之中将这些粘粒胶结起来再加上粘粒含量大片状粘粒的表面与边角处不同电荷的静电引力又由于粘土矿物中主要是高岭石颗粒高岭石晶格构造上的硅氧四面体的氧和铝氧八面体上的氢氧均裸露于表面故两个高岭石颗粒表面裸露的氧和氢氧可以氢键连结方式集积成多种形式的集合体。故粘粒含量大矿物成分以高岭石为主加之游离氧化铁的胶结共同构成了“红土”的高强度。 3.中更新网纹红土仅因红土化作用强弱不同而使其强度略有变化但从整个地层来看是比较稳定可靠的应充分利用其高强度作为建筑物地基。 4.花岗岩残积红土虽表面风化严重但因其红土化作用强烈提高了其强度近母岩者原岩的结构强度保留较多强度也高。而中风化带受风化较母岩者较强烈而红土化作用又较表层弱故其强度相对较低。加之花岗岩体本身岩性分异导致风化产物的物理力学性质的差异较大往往成为表层高强度下的相对软弱下卧层故在利用花岗岩残积土作地基时要充分注意这一因素。 5.碳酸盐残积红土表层强度高但因其颗粒高度分散而带来了高亲水性使深部土层急剧软化形成了软弱下卧层对建筑工程不利加之伊利石矿物的存在使这种土具有一定的膨胀干缩性作为地基土而言应对其有充分的认识。 20_年1月18日于_第 8 页 共 8 页