（构造地质学专业论文）合肥市红层的工程性质研究.pdf

合肥市红层的工程性质研究 摘要 本文以合肥市为研究区，探讨了地质构造对红层形成、分布及性质所起的 作用，并讨论了环境因素的影响。搜集整理了合肥市大量的钻孔资料结合前人 工作的成果，重新查明了合肥市红层分布及埋深情况，绘制了合肥市工程地质 分区图。分析研究了红层的强度特性及其控制因素，分析了红层的物质组成、 岩性结构特征是决定其物理力学性质的主要内因，对红层岩体的工程地质起主 要控制作用。其中重点讨论了结构面对岩体强度的影响。根据室内试验结果， 得出重度、含水量和埋深是影响岩石强度的主要因素，并得出强度随重度增加 而增加，随含水量的增加而减少的结果。外部环境对红层岩体的影响主要表现 为水的作用，本文详细讨论了水对岩体的影响作用。并提出把红层不良工程地 质性质应用在合适的工程中，从而转化为有利条件。根据合肥红层的分布、埋 深、风化带厚度、岩石的强度等特征对合肥市进行工程地质分区和岩体工程地 质分区。以上研究成果有利于合肥市的规划建设，并具有一定的理论意义。 关键词：红层地质构造工程地质岩体工程地质分区合肥市 s t u d yo f t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fr e d - b e d i nh e f e ic i t y a b s t r a c t t h ed e p o s i t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h er e d - b e dw e r ec o n t r o l l e db yt h e f a u l ts t r u c t u r e sa n dt h en e o t e c t o n i s m ，a n dt h ee n v i r o n m e n th a db i ga f f e c t i o n s c o l l e c t i n ga n ds o r t i n gl o t so fi n f o r m a t i o na b o r tb o r i n gi nh e f e ic i t ya n do t h e r d a t a ，t h ee q u a l d e p t hm a pa n dt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lz o n eo ft h er e d b e d o fh e f e ic i t yw e r em a d e t h ea f f e c t i n gf a c t o r so fr o c k ss t r e n g t hw e r e a n a l y z e d ，a n dt h et h e o r i e s a t p r e s e n tw e r ec o m p a r e dw i t h e a c h o t h er f u r t h e r m o r e 1 0 t so ft e s t sa b o u tt h er o c k si n t e n s i t yh a db e e nd o n e ；t h et e s t s s h o w e dt h a tt h eu n i tw e i g h ta n dt h ew a t e rc o n t e n ta f f e c t e dt h ei n t e n s i t yo ft h e r e d b e dr o c k a n a l y z e dt h eb a de n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a e t e ra n di t s r e a s o n a c c o r d i n gt ot h er e d b e dr o c k se m b e d m e n td e p t h ，t h i c k n e s so ft h e w e a t h e r e dz o n ea n di t sm e c h a n i c a ls t r e n g t h ，t h ez o n eo fh e f e ic i t y sr e d - b e d w e r em a d e t h ec o n c l u s i o n sw e r ef a v o r a b l et oc i t yp l a n n i n ga n db u i l d i n g k e y w o r d s ：r e d b e d ；n e o t e c t o n i s m ；e n g i n e e r i n gg e o l o g y ；r o c ke n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lz o n e ；h e f e ic i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 = 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金a e 王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：p 毓：避字日期：扫吖年岁月甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月b 王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 塑至些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 一 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：w ：如了k 导师签名镧衔 签字日期：力咿叶年3 月9 日 签字日期：2 珊忙3 月罗日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本文的完成首先要感谢王国强教授的精心指导，从选题开始王老师就倾注了大量 的心血，论文写作过程中王老师更是时时更正，时时指导。王老师在学术上和生活上 严谨求实的作风时时熏陶着我。三年的时光转眼即逝，但老师的教导却永记心头。在 近三年的学校生活中得到了资源与环境工程学院的许多老师和同学的帮助。在论文完 成期问得到了师兄吴道祥老师的帮助，在此表示衷心的感谢j 同时，我能完成学业也要感谢家人的支持和许多同学朋友的帮助，没有他们的支 持我不可能完成该文。在此一并表示感谢! 作者：叶朝汉 2 0 0 4 年3 月闩 第一章前言 1 、1 问题的提出 随着人v i 的增长，人类的生活空间变得相对狭小，因而对建筑物的要求 是在纵向上不断发展的。这里的纵向不仅是向高空延伸而且包括对地下空间 的利用度的加深，对基础持力层的选择要求也越来越高。近年来，有许多工 程建筑都选择红层作为基础的持力层。 红层是指中新生代以来沉积的红色砂泥岩，依据岩石力学性质划分属于软 岩范畴。红层在苏、鲁、豫、皖地带广泛分布，覆盖子第四系松散层之下。工 程实践表明，红层由于物质结构、组成成分、成因使其具有遇水软化、崩解， 失水收缩、开裂等工程特性。在煤矿、煤井建造、开采、供水中，都会遇到与 红层有关的水文地质和工程地质问题。 红层岩体抗风化能力差、遇水软化、泥化、崩解使其力学强度指标难阻准 确求得，红层的地基承载力评价及岩体稳定性分析问题依然处于半定量化阶段。 合肥地处江淮分水岭之间，江淮丘陵南部波状平原上，地形较平缓。合肥 地区埋藏有巨厚的中、新生代沉积红层，埋藏厚度一般为几米到几十米。宜作 为深基础的持力层。合肥市的大部分高层都把红层作为持力层。 前人已对该区进行了大量的研究，如区域工程地质评价，地震区域评价， 区域地质勘查和工程勘查个案研究等。但是他们对红层的工程性质很少进行系 统的研究。因此，对红层工程性质进行系统的研究具有重要的理论意义和实际 意义。 l 、2 主要研究成果概况 红层这一名称最早由李四光提出，因其颜色而得名。国内外对其工程特性 的研究主要是近些年才开始，早期的研究主要是针对其地质特性，从它的地质 历史上分析成因、结构及构造。在我国红层主要泛指侏罗系至第三系的大陆湖 泊、河流、山麓相碎屑堆积物，岩性一般有砾岩、砂岩、粉砂岩和粘土岩等， 有的地区还有泥灰岩或夹有薄层淡水泥灰岩。 据有关部门概略统计，我国中新生代红层的出露面积约为4 6 力平方公里 ( 其中白垩纪红层分布面积最广，约为4 6 ) 。由于红层在我国分布广，厚度 巨大且埋藏有丰富的地下资源，因而很早就受到我国地质学家的关注，并进行 了大量的研究工作。最早对我国红层进行研究的是德国人李希霍芬( 1 8 6 8 18 7 2 ) ，他发现我国部分地区的红层多覆盖于古老岩层之上，认为应属较新时代 的产物，把它称为“被覆砂岩”。解放前，我国的地质机构和工作人员对红层进 行了初步的研究，主要是进行了时代划分和地层的对比工作。2 0 世纪2 0 年代， 冯景兰等研究了广东的红层，将构成丹霞山的红色地层命名为“丹霞层”( 见文 2 2 ) 。解放后，比较大的进展是以顾知徽为代表，将东南沿海的火山岩系划分 为侏罗系地层。六十年代以后，对红层的研究进入了崭新的阶段，对一些地下 资源有远景的中新生代盆地组织了多次联合调查，并进行了其它方面的专项地 质调查研究工作。 就合肥搞地而言，主要研究成果有：安徽合肥凹陷1 9 6 0 年电测探工作成 果报告( 1 1 0 万石油部华东石油物探队电发四大队t 9 6 0 ) 、苏皖地区 布格重力异常图、合肥凹陷布格重力异常图( 1 1 0 万石油部华东石油堪察 局3 0 4 联队1 9 6 2 ) 、郯庐断裂带南段及大别山周缘地震地质条件与危险区 划分( 1 1 0 万中科院地质所郯庐组省地震局地质队1 9 7 7 ) 、合肥、定远 幅区域地质调查报告( 1 2 0 万省地矿局区域地质调查队1 9 7 8 ) 、合肥幅 水文区域地质调查报告( 1 2 0 万省地矿局第一水文地质工程地质队1 9 8 1 ) 、 合肥市地震影响小区划( 省地矿局1 9 8 7 ) 、安徽省合肥市水文地质、工 程地质、环境地质综合勘察报告( 1 5 万省地矿局安徽工程公司1 9 8 8 ) 等。 1 、3 本文的研究方法及主要内容 综合以上所述可以看出，目前对红层工程性质的研究还不是很深，要做的 工作还很多但是可以看出红层的含水量对工程特性的影响是目前研究问题的关 键和出发点。在不同含水量不同重度下测定红层岩石的强度，并结合红层的地 质历史和合肥盆地的区域构造，分析红层岩石的工程特性。 岩石的破坏主要有以下三种机制，即：张破裂、剪破裂和塑性流动。我们 可以在实验室内观察不同含水量、不同围压下岩石的破坏机制，然后确定其破 坏判据。目前岩石力学中应用较多的有最大正应变理论、莫尔强度理论、格列 菲斯强度理论和应变能理论等。 基于以上思路，本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 查清合肥地区红层的分布情况及其地质构造之间的关系，编制合肥 市红层的分布图。 2 设计室内试验方案，测定红层岩石的强度与重度及含水量之间的关 系。 3 研究红层岩石的结构及破坏特征与红层岩石强度的关系，以及水对 岩石强度的影响。 4 研究红层岩体的强度特性与区域分布的关系，编制合肥市红层工程 地质分区图。 第二章区域构造分析及新构造运动 2 1 区域构造的演化 本区位于合肥断陷赭地东缘中部。处于华北板块、大别山造山带及扬子板 块的交界处，北接华北块体南缘，南临大别山造山带北缘，东西分别以张八岭 隆起和长山隆起相邻。现在一般认为，合肥盆地是在印支运动末期由挤压、断 陷所形成的近东西向构造格架基础上发展起来的一个中、新生代断陷笳地，燕 山期是翁地的主要形成时期。 自元古代至三叠纪，本区处于古陆状态，缺失相应时代( 元古代一古生代) 的沉积层。中生代时期，地壳大幅度隆起和凹陷，而较强烈的断裂导致了区内 形成一系列断陷盆地，本区开始断陷沉降接受沉积。 合肥笳地的发育起始于早侏罗世。早、中侏罗世期间，盆地范围仅限于大 别山麓合肥南侧，为一东西向的狭长地带，中心位于防虎山一带。晚侏罗世合 肥衙地向北扩展，基本轮廓形成。 白垩纪瓮地向北推移，大致以近东西走向的肥西一韩摆渡断裂为界，南部 堆积厚度达1 0 0 0 m ，以河流相为主的红色一杂色凝灰砂质陆屑建造；北部则为 以灰色湖相沉积为主，厚度逾3 4 0 0 m 。晚白垩世晚期，合肥搞地有一次轻微的 褶皱作用，侏罗一白垩系地层受轻微褶皱变形。盆地中部合肥和防虎山一带褶 皱隆起，将盆地分割为北部的定远翁地和南部的霍山一舒城笳地。晚白垩世末 期，大蜀山火山活动进入高潮期，笳地向东迁移。 在早第三纪，喜马拉雅运动阶段，台肥盆地东南面沉降迅速，西北上升， 出于蜀山断裂的分隔作用形成多个次级小盆地，接受古新统沉积，而后笳地上 升，仅在一些比较低洼的地方接受第三纪沉积。 第四纪早一中更新世，该研究区基本上处于上升和剥蚀的背景中。进入晚 更新世，以上升运动为主的构造活动明显的有间歇性和差异性。因而本区内第 四纪地层发育不均，一般厚度在l o 一2 0 m ，但薄处仅有几米，最厚处可达到4 0 m 以上。 从构造格局演化来看，全省乃至整个中国东部的构造格局在中生代印支期 已基本形成，在燕山构造期以继承性的断裂活动为主；在新构造时期，老的构 造格局仍表现了一定的继承性活动和新的n w w 向断裂系统的产生，构成了较为 复杂的构造格局。在印支一早燕山期( t 。一j z ) 南北向压应力作用下，形成n w 向断裂系统；从晚侏罗纪到早白垩纪( j ：，一k 。) ，由于太平洋板块的北北西向俯 冲，形成了以郯庐断裂系为主干的一系列n n e n e 向平移断裂系统，其结果使 原先近东西向构造格局转变为n n e n e 向构造格局；晚白垩至早第三纪( k ：一 e ) ，研究区处于伸张新断裂时期，呈北北东向盆岭构造格局；进入新第三纪以 来，研究区在东西向挤压作用下，使前期盆地抬升消亡，并发生构造反转，在 盒地边缘出现了第三纪以来的逆冲构造，在盆内使上白垩统一下第三系发生了 平缓褶皱，并造成一定程度的剥蚀，而n n e n e 向断裂系转变成受压逆冲( 兼 有小幅度右行平移) ，同时出现了一系列北西向左行平移断裂，控制了研究区的 构造发展，并影响区域地壳稳定性。 综观合肥地区地质发展史，可以看出燕山运动是本区地质活动历史上一个 重要的分界线。燕山运动之前该区以上升剥蚀为主，燕山运动以来转为下降接 受沉积，形成了大型断陷盆地一合肥毓地。这一时期四周强烈上升隆起，如淮 南风阳山区、大别山区的强烈上升剥蚀，为合肥盆地提供了充足的沉积物质。 燕山运动晚期一喜马拉雅运动时期又以缓慢上升为主，第四纪以来仍继承了上 升运动为主的特征，所以本区第四纪地层不发育，厚度一般仅有几十米。但在 上升中又辅以轻微的震荡作用和不均匀幅度的差异升降运动。 2 2 地层 研究区位于合肥断陷东缘中部，地层发育不全断陷基底仅见早元古代双山 组，盖层为侏罗纪一第四纪地层。按安徽省地质局区测队的划分，本区应属于 华北地层区鲁西地层小区的长丰地层分区。区内大面积为第四系覆盖层，仅在 肥东有白垩纪地层出露。据钻孔资料揭示，区内地层发育有上、中侏罗统( j ) ， 白垩系( k ) ，第三系( e ) ，和第四系( q ) 。区域地层划分见表2 1 ，按岩性由 老至新分述如下： 一、早元古代地层 仅见有肥东群双山组，为一套含磷、锰的变质岩系，厚度大于2 4 7 m ，仅见 于肥东青阳山等地。 二、中生代地层 ( 1 ) 侏罗纪地层：在研究区内仅出露有中、晚侏罗系地层依次为圆筒山 组( j ：，) 、周公山组( k ) 和毛坦厂组( j ：w ) 。其中圆筒山组仅在肥西县周新街北 约6 公里的吴山口出露约2 平方公里，为陆相碎屑岩，在解仓房一周公山剖面 厚度为1 3 3 8 米。下部为紫红色薄层石英粉砂岩，上部为紫红、黄绿色薄层石英 粉砂岩，为浅水河流湖泊相沉积。周公山组仅在合肥一肥西以西零星出露， 下部为紫红色含铁、钙质石英粉沙岩和含砾石英长石中细、中粗砂岩，中部为 紫红色厚层砂砾岩，上部为浅紫红色中厚层砂砾岩与含砾中粗粒长石砂岩不等 厚互层，夹紫红色薄层含钙质石英粉砂岩。本组属河流一滨浅湖相沉积。 ( 2 ) 自垩纪地层：区内地层自上而下依次为大蜀山组、张桥组、邱庄组 和新庄组，白垩纪地层在区内分布广泛，沉积厚度大，但地表仅见零星露头。 三、新生代地层 ( 1 ) 早第三纪地层：依次为撮镇组和梁园组? 壬要分布在本区东部，为 第四纪地层所覆盖，未见有出露。 ( 2 ) 晚第三纪地层：区内仅见滚子河组，仅在北部和南部有零星分布， 未见有出露。 ( 3 ) 第四纪地层在区内分布广泛，占本区陆地面积的9 4 ，依次为南淝 河组、下蜀组、肥西组和黄油坊组，其中下蜀组分布最广，占陆地面积6 3 5 。 表2 1i ：5 万大蜀山幅、合肥市幅、肥西县幅、槲镇幅地层简表” 岩石 厚度 地质年代地层代号 米 主要岩性及化石 名称 代纪世 第 全 南 上q d n 3 5 灰、灰黄、淡黄色砂、粉土、粘土、淤泥 新新 淝 段 q 4 n 21 3 3 上部：灰、灰黄、青灰粉质粘土、粘土 四世 河 由 下部：灰、青灰、灰黄色粉土、粉细砂 生 组 段 代纪 下 瓯n 。4 9 0 上部：灰黄、浅棕黄色粉质粘土、粘土 段 下部：浅棕黄色粉细砂、粉土 晚下蜀 土黄、青黄、褐黄杂色填土，含铁锰结核及 、 更 组 钙质结核 q 3 x 4 4 5 新 世 由 上部：棕红色粘土、粉质粘土，含碎砾，具 更肥西白色蠕虫状条斑：下部：褐黄色砾石层 新组 如l 二 1 7 世 “s 一， 旦 更黄油 新坊组 q m l 2 浅紫色红色砾岩，局部为砂砾岩，泥质胶结 世 滚子 晚第= 纪n 【； 2 2 o 黄灰色细砂岩，底为细砾岩 河组 早定4 0 8 砖红、褐红色细砂岩、粉砂夹角砾岩，含：c y 第 ，- 上 e 2 c 2 p r i s d e l t o i d e u s a ，c p r o t r a c t a ，c d e c o r y i 始 迥 撮 段 = 新 群 镇 1 6 5 7 纪7 4 8 暗紫红、青灰细砂岩、粉砂夹角砾岩，含介 世组 下 e 2 c 1 形类：s i n o c y p r i s ，c h a n g z h o u e n s is 段 1 6 0 6 古粱上 e i i ，! 1 6 9 1 紫红、暗紫红粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，含：c 新园 段y p r js p ，c a n d o n i l l as p ，l i m n o c y t h e r is p 世组 紫红暗紫红粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，含斑_ 下 e 扎。 3 9 0 0状石膏。含叶肢介：p a r a le p t e s t h e r i 段 m e n g l a e n s i s 大蜀 4 6 1 深灰色致密块状橄榄玄武岩央黄色含角砾 k 卸 沉积磷狄岩 山组 5 1 1 o 晚 砖红色细砂岩、粉砂岩。含介形类： 白 张桥 k 2 z3 7 4 t a l i c p r i d e aa m a s n at p o r r e c i a 轮藻： 垩 组 m a e d l e e r i s p h a e r as p 世 上 白邱 k 2 。2 1 1 8 0棕褐色粉砂质泥岩夹泥岩 庄 段 下 中 垩组 k 2 口。 1 0 2 2棕红色中细粒砂岩夹棕褐色粉砂质泥岩 段 四 纪 k 】1 1 1 2 1 5棕褐色粉砂质泥岩夹棕红、浅棕色细砂岩 生 段 旦 = 9 9 紫红、灰白色细砂岩夹紫红、棕褐、灰绿色 白 新 kj i 垩 庄 段 6 泥岩和粉沙质泥岩 棕灰、灰黄、灰白色细砂岩、钙质细砂岩夹 代 组 k lx 2 1 7 7 世段 紫红色泥岩 k lx 。3 1 4 紫红、青灰、灰白色细砂岩、钙质细砂岩夹 段粉沙质泥岩 周毛 紫红、灰白色中厚层中一细粒砂岩夹薄层粉 晚侏公坦 j 3 z 5 6 0 6 砂岩，含植物碎片 侏 罗世山厂 浅灰紫色安山岩、石英安山岩夹粉细砂岩， 罗 组组 j ：，m l5 0 纪 底为细砾岩 中侏圆筒 紫红色、灰、灰白色粉砂岩、钙质粉砂岩， 罗世山组 j 2 y 4 3 4 含泥质粉砂岩夹中细粒砂岩 双山 青灰、灰白色白云岩、白云石大理岩、含锰 早元古代p t ls 1 4 1 5 组大理岩 2 3 断裂构造 本区断裂构造比较发育，但因大部分地区被第四系覆盖，基岩露头较少。 本区断裂构造主要有近东西向、北北东向及伴生的北西向或北北西向几组断裂 ( 图2 一1 ) 。其最大特征是隐伏断裂向下切割深度大，活动持续时间长，并具 有多期活动性，另外，形成于不同时代、不同成因、不同方向的断层相互切割 妇百削曲 ：f i b 蝗一此士亘断烈灼沿皓排女口袜加下 萤 i | 1 水库 【一 l 一一t - 一i ? f l ；、：一j f 。 一， ，- 、卜 、 ， f 5” l 川。卜，。i ，心集 民。 一一。一1 1 1 1 一 l 一一n - 剀2 1合肥地区构造地质图( 据杨则东等改) ( 1 ) 近东一西向断裂 蜀山断裂( f ) 相当于前人所提到的合肥一六安断裂的东段，在重力图上处于 密集梯度带上。区内位于合肥市西郊小蜀山北，向东穿过杏花村、合肥工大( 北 区) 直到自来水厂处于合肥一乌云山断裂相交。场区内发育于赵卫庄、稻香楼 一带，其东段有向南偏转现象，可能是合肥乌云山断裂影响的结果。区内有水 井可证实该断层的存在，1 0 5 医院和稻香楼宾馆的两口水井均为基岩裂隙水， 涌水量每昼夜达6 0 0 吨左右。其为一张性断裂。上盘下降，下盘上升。上盘为 张桥组( k ：。) ，下盘为周公山组( j 。，) ，沿断层有喜马拉雅山期基性火山岩及火 山口。据人工地震勘探剖面，其为一上陡下缓的铲形正断层，该断层形成于燕 山晚期，在新第三纪一第四纪初期，沿该断裂在大蜀山区有基性火山岩喷溢， 大蜀山实际为一火山堆。 ( 2 ) 北北东向断裂 合肥乌云山断裂( f 。) 其断面倾向北西：上盘上升，下盘下降，压性， 错断最新地层为下第三系，向下切割深度大于4 公里。浚断层在场区内被第四 系覆盖，区外有破碎带出露。其活动始于燕山早期，但在新构造运动期还活动 过，对两边基岩面高程、第四系覆盖层厚度有影响。根据卫星图片及钻孔资料 确定，其发育于姜坎、面粉厂、十里郢一带，走向北东3 0 3 5 ”，且被n w w 向 断裂( 东关一桥头集断裂) 错断。在区内永康食品厂附近，省地质局3 2 3 地质 队曾打过一口井，涌水量较大，前人工作证实是基岩裂隙水自流井。 桑涧子一广寒桥断裂( f 。) 走向北东，沿线重力、地磁、电阻率呈断续展 布的密集带，两侧重力、地磁、电阻率异常特征明显差异。掘钻孔构造剖面图 可明显看出其断裂形态及活动性质。该断层予肥东县赵亮集附近，断面倾向北 西，上盘下降，下盘上升，张性。而向南倾向相反，即倾向南东。据吴山庙一 清水涧构造剖面，其还错断了下第三纪地层。其分段性与物探解译结果相一致， 这也说明了其形成时代应为中生代晚期，其分段性与北西向断层有关。 池河一西山驿断裂( f 。)浚断裂为郯庐断裂带的东界断裂，总体呈北北东 向，沿肥东山地西麓延伸，距合肥市约2 6 公里。肥东一带多处见甑裂露头，表 现为震旦纪变质岩与晚白垩纪张桥组砂岩呈断层接触关系。断面向北西陡顷， 断面夹白色断层泥。为了检测该断层垂直和水平向上的活动情况，省地震局布 设了跨断层的短水准线路和大地四边形测网，未发现有明显的垂直向和水平向 活动迹象。 可以看出这些n n e 向断裂都主要分布于合肥市以东地区，断层走向基本一 致，但倾向、倾角在不同段有变化，大都为压性断层，但也有张性断层。它们 都主要活动于中生代末期，到第三纪后活动性减弱，但也有错动早第三纪地层 的，据构造运动分析，其是受北北东向近南北向压应力下形成的。其中，郯 庐断裂作为合肥翁地的东界断裂，尤其是其主干断裂池河一西山驿断裂构成中 朝准地台、扬子准地台地分界线，对合肥中新生带断陷有明显的控制作用。 ( 3 ) 北西一北北西向断裂 该组断裂除七里塘岗集一带有分布外，其余分布在合肥东部，该组断裂 与郯庐断裂关系密切，多形成于中生代。其中东关一桥头集断裂( f 。) 是研究 区内最大的一条北西向断裂，近期仍有活动，根据钻探、地震勘探及地貌第四 纪地质等资料综合分析，认为它是一条活断层。 大蜀山一长临河断裂( f 。) 该断裂为一隐伏断裂，据物探解译资料推测， 其沿十五星河自s e 向n w 方向延伸。断裂通过处基岩顶面和地貌均显示为北西 向负形凹谷。该断裂向n w 延伸通过大蜀山，与大蜀山吴山口断裂构成大蜀山 火山喷溢活动的控制构造。它与合肥一乌云山断裂、东关一桥头集断裂交汇处 发生过5 级地震，共同构成该地震的发震构造，因而其为一活动断层。 2 4 第四纪地质 2 4 1 气候及地形地貌特征 合肥地区气候温暖湿润，四季分明，属季风湿润气候。年平均气温 1 5 5 - 1 7 o o c ，年最高气温为4 lo c ( 1 9 5 9 年8 月) ，最低气温为一2 0 6 0 c ( 1 9 5 5 年1 月) 。年平均降水量9 8 2 4 9 m m ，最大达1 5 4 1 o m m ( 1 9 5 4 年) ，最小为 5 7 2 9 m m ，年平均蒸发量1 4 2 0 5 m m ，每年6 - 8 月份最强，年平均相对湿度7 6 。 无霜期2 4 5 天左右，冰冻期8 0 天左右，土壤冻结深度6 - 8 e m ，最深达1 1 c m 。 合肥市主导风向为东北风和东南风，西北风次之。年平均风速2 6 m s 。由 于合肥市地处安徽省中部，地势开阔，风向的季节性转变比较明显。1 1 月份至 1 月份以偏北风为主，2 、3 月份以偏东风为主，4 到7 月份以偏南风为主，8 1 1 月份又转为偏东风为主。 合肥市年平均日照时数为2 0 3 5 2 - 2 1 6 2 6 小时，年内变化为：7 、8 月份月 平均同照时数2 2 l - 2 3 7 小时，冬季1 、2 月份平均只有1 1 7 1 3 8 小时。日照百分。 率年平均为4 6 一4 9 ，最大日照率出现在3 月份，达5 5 一5 9 ，最小是5 月份， 仅为3 7 一4 l 。春秋两季日照时数基本相同。 合肥市位于安徽省中部，江淮分水岭南侧。地理位置为东经1 1 7 0 15 2 27 ，北纬3 1 。4 7 5 57 。本区属江淮丘陵的一部分受晚近地质构造运动和 地表外营力的共同作用，总体展示岗坳相同、波状起伏的地貌景观，宏观地势 为西北高，东南底( 地面标高1 0 4 0 m ，吴凇高程系，下同) 。西部大蜀山孤峰 突起，为本区的最高点，海拔高程2 8 2 m 。区内由于南淝河以及自北向南来汇的 两条南淝河支流四里河、板桥河长期的流水侵蚀一堆积作用，本区河流地貌 特征明显，以河谷为中心向两侧延展，依次为： 河漫滩，呈条带状分布。地面高程在大东门以上为1 2 1 4 m ，大东门 以下为9 一l l m 。河漫滩自大东门向下呈喇叭状，两岸总宽度上游为o 5 1 o k m ， 下游最宽处达2 k m ， 一级阶地，沿河两岸呈第二个阶梯展布，阶地面由上而下呈缓坡状，较 平坦，地面高约】2 一1 8 m 。该阶地沿河道两岸里凹凸分布，两岸宽度不等，同 岸也宽窄不一。一般( 一岸) 宽约0 5 1 o k m ，最宽近2 k m ，最窄仅为0 1 k m ， 属河流相堆积型阶地。 二级阶地，在本区广为分布。阶地面起伏较大( 地面高程1 8 4 0 m ) 。 呈剥蚀状地貌形态，冲沟发育，其方向以南一北向和北东向为主，也有少数呈 北西向，与现代河道垂直，追踪现水系地基准面。该阶地组成物质在南淝河的 西南岸为一元结构，而在南淝河的东北岸呈二元结构。 另外，在区内还存在极少量的构造剥蚀地貌( 主要是大蜀山一带) 及少量 的人工地貌( 主要是人工堆积的粘性素填土) 。由此，我们可以把合肥市地貌类 型划分为如表2 2 所示。 卜o-|逮i|”ij薯t抒jf 二_ t l l 一一 个t 1 l “ 2 “ “ t o ：河漫滩；t i ：i 级阶地：t 2 ：i i 级阶地：1 i 级阶地前缘；2 i i 级阶地前缘 图2 2 合肥市地貌类型圈( 据刘洋) 表2 2地貌类型划分( 据王国强) 划分标志 地貌类型 海拔高度( m )坡度物质组成及形态特征 构造剥主要由次火山岩、熔岩、火山 锥状 蚀地2 0 - 5 05 0 。一2 5 。碎屑组成，为孤立锥状火山体， 火山丘 貌山麓为残坡积体 侵蚀堆 主要由上更新统( 瓯) 褐黄色粘 二级阶 十绸成，阶面有起伏，其上坳沟 积地 1 8 4 0 1 0 。一1 5 。 地 发育，坳沟内为全新统( q 一) 粉质 貌 粘土组成 一级阶 由全新统( 吼) 灰黄色粘士、粉质 1 2 1 8 5 祜_ 十、粉土夹砂组成，阶面平 地 坦，前缘陡坎明显 堆积地 河漫滩 9 1 4 5 。主要由灰褐色粉土、淤泥组成 貌 人工地 主要为人工堆积的粘性素填 1 5 - 3 5 1 0 。一2 0 。 土，沿环城路及护城河分布， 貌 呈环状垄岗地形 2 4 2第四纪地层 本区除大蜀山火山岩出露及岗集、少管所和琥珀山庄等地有零星红层出露 外，全为第四系所覆盖。第四纪地层的分布与地形地貌密切相关，基本上是沿 河谷两侧呈对称性长条形分布，如沿南淝河从河谷向两侧依次为全新统上段、 下段和上更新统地层，其中上更新统( q ，) 分布最广，主要分布于河流二级阶 地上。 南淝河河漫滩与一级阶地为全新统粘土、粉质粘土、粉土及粉细砂层( 图 2 3 ) 。第四系沉积物主要成园类型为洪积、冲积类型，西部大蜀山山麓为残坡 积层。第四系沉积物厚度、分布明显受地貌、基底构造控制。第四纪以来其松 散沉积物的发育与分布，表明了明显的旋回性，从纵观上看，第四系各统的底 部和下部沉积物颗粒较粗，向上逐渐变细，各自组成不完整旋回，这说明地壳 升降频繁，而各统厚度的明显差异也表示各期升降的幅度不同，当然，有局部 地区因继承古地形或位于断裂交汇处而出现异常。从第四纪地层厚度来看，区 域上以池河一西山驿断裂为界，东西两侧迥然不同，东侧为相对上升区，西侧 为相对下降区，第四纪沉积物厚度差别较大，东侧一般不超过2 0 米，西侧一般 3 0 4 0 米。即使在本研究区内，其上升幅度和下降幅度亦不均衡，第四系沉积 上斟内叠式阶地 h e l r 下游上叠式阶地 畦1 5 l l 级喻地；l 组陆地卜河浸滩牟l 轻阶地， 一l j 垣陆地 比倒尺 纵f ：z 0 0 0硪f ：0 8 d h 囫t 囫z 囫，圈圈s j3 2 1 ：侏罗系卜统周公山组：k 白垩系下统新序d j ；e d n l ：下第三系定远群一段： q ：一1 2 更新统下段：q 3 2 ：上史新统上段； q 4 1 ：全新统下段；q 。2 ：全新统上段； i 粘士；2 粉质粘土；3 粉土：4 ，粉细砂；5 断层及编号 图2 3 南淝河上r 游阶地形态图( 根据上海勘察院) 厚度般l o 2 0 米，但位于n n e 向和n w 向断裂旁侧的河谷下降区，第四系沉 积厚度较大，达3 0 4 0 米，南淝河卜游司达4 5 5 0 米。喜山早期盆地中的梁 园、撮镇、义城等次级凹陷，第四系沉积厚度均大于3 0 米，这说明了对早期构 造的继承性。 口女凇标高 吴糙标高m 2 5 新构造运动 传统观念认为新构造运动是新第三纪以来塑造现代地形基本轮廓的构造运 动。据h n 尼古拉耶夫等对新构造的定义，新构造学是大地构造学的一个分 支，它研究地球的地质构造以及它们在全球动力状态发生变质情况下的发展演 化，这种变质发生在始新世晚期至渐新世初期，它引起了地壳和岩石圈结构变 动，大地水准面变形，新的不同等级的地质构造形成，使过去古老的、稳定的 构造活化并产生地貌地质构造和隐藏的地质构造。现在认为新构造运动是指晚 第三纪以来的地质构造运动，它与地震活动的关系比地质历史上其它时期的构 造运动更为密切。本文从区域工程地质性质研究出发，研究新构造运动特征及 其对本区的影响尤为重要。 本区新构造运动，自第四纪以来，明显继承了早期构造运动的特点，并受 其严格控制，池河一西山驿断裂以东为相对上升的底山丘陵区，而该断层以西 为相对下降的平原区，这是自燕山运动初期就已经形成的地貌格架。 燕山运动初期基本奠定了本区构造格局，燕山运动晚期地块整体缓慢上升， 搞地逐渐收缩，并伴随着断裂活动使地块进一步分割破碎，地形也逐渐蚀底展 平。第三纪早期，受喜马拉雅运动的影响，合肥盆地继续下沉，在张桥组盆地 的几个次级凹陷内接受沉积，形成下第三系凹陷盆地，如合肥市大面积分布的 定远群红层就是肥东锰地的次级凹陷一撮镇凹陷的西延部分。当然，此间还有 几次轻微的升降运动。另外，全区应力场出南北向挤压变为东西向压应力，产 生了大量n w w 向和n e e 向断层，在几组活动性较大的断裂交叉部位，形成断陷 凹地，后经第四纪的发展和完善，形成现代陆相湖泊，巢湖就是这样形成的。 第三纪术期，本区地表长期相对稳定和缓慢上升，使本区缺失中新世( n ) 和 上新世( n ，) 地层，并发育成本区最新一级夷平面，第四纪前的地貌轮廓基杏 形成。 第四纪以来，本区新构造运动活跃，地壳表现为大幅度的水平和垂直升降 运动，并以震荡性垂直升降运动为主。由于间歇性升降运动，使底山丘陵和分 水岭地带继续上升，其两侧相对下沉，形成了逐渐降低的层状地貌带，使流水 作用加强，水力发育，在各河谷发育堆积了第四系松散沉积物。根据地层发育 特征来看，第四纪早期保持相对稳定或缓慢上升，本区缺少下更新统( o ) 和 中更新统( q 2 ) 地层，仅在局部负地形内零星堆积了一套灰绿色粘土砾石层。 晚更新世初期，本区普遍下降，在河谷两侧堆积了总黄色、褐黄色下蜀粘土， 超覆于前第四系基岩之上。但由于本区的东关一桥头集断裂、蜀山断裂、大蜀 山一长临河断裂及合肥一乌云山断裂等活动，地块间差异升降运动明显，具体 反映在基岩顶面高程的突变，第四纪地层的分布、厚度变化及河流变迁等方面， 其具体活动性分区见图2 4 。可见，断裂构造活动对本区地貌第四纪地质具有 控制作用。全新世以来，河流下切活动减弱，侧移活动加强，普遍沉积了沿现 代河床分布的松散粘土层、粉土、淤泥及淤泥质土等，组成现代河漫滩平原。 2 5 1 新构造运动基本特征 从晚第三纪至第四纪沉积物的分布、厚度、结构和现代地形地貌的特点可 以看出： ( 1 ) 晚第三系滚子河组分布较为局限，且属河流一浅湖相灰色砂泥质陆 屑建造，厚度不一，这浇明这一时期的构造运动以上升为主，只是在局部低洼 地带才有滚子河组半胶结状的砂岩。 ( 2 ) 早更新世早期，地壳下降，沉积堆积黄油坊组地层，以后地壳开始 上升遭受风化侵蚀，黄油坊组沉积大部分被剥蚀殆尽。 ( 3 ) 中更新世早期，地壳又开始下降沉积了肥西组，之后，地壳运动又 恢复整体上升，早、中更新世阶段，基本上处于上升剥蚀，表现为间歇性升降 运动。 ( 4 ) 晚更新世一全新世，本区新构造运动仍以缓慢的升降运动为主，具 有明显的间歇性和差异性，可以从以下几个方面得到佐证： 层状地貌发育。本区发育多级阶地，二级阶地由晚更新世沉积物组成， 一级阶地主要在南淝河、派河、店埠河及支汉水系两侧发育，由全新世早、中 期沉积物组成。一般上游阶地狭窄，下游宽缓。河湖、漫滩主要发育于河流的 下游，由全新世晚期沉积物组成。南淝河下游两侧的河湖漫滩直接覆盖在北西 走向的二级、一级阶地上，界线平直。另外，从南淝河阶地剖面形态来看以合 肥一乌云山断裂为界，上下游阶地地貌有明显差异( 图2 3 ) 。 晚更新世一全新世沉积物空问展布及厚度变化。永安集一义安集义城 集一线以东，存在一个北北东向分布的沉积带，其厚度可达6 0 m 左右，该带具 有东陡酉缓的特征。而在永安集一义安集一义城集一线以西，沉积物等厚线与 现代河流明显不吻合。另外在岗集一优胜一新庄存在两个不连续的2 0 m 等厚线 封闭圈，而四里河则沿2 0 m 等厚圈的“岗”上通过，在张浮集、上店等地也有 这种现象，同时在本区西北江淮分水岭上，办存在3 0 m 等厚线封闭圈，上述现 象说明晚更新世与全新世沉降区，既有继承性又有新生性。同时说明地壳运动 处于总体上升的过程中，并伴随有掀斜运动。 图2 4合肥市基岩埋深等深线图( m ) 6 微地貌。区域内现代河流陡坎和冲沟发育，河流的下蚀能力显著增强， 坍塌严重，溯源侵蚀强烈，一级、二级阶地均有被切割现象，同时河流的截弯 取直现象到处可见，这些均说明全新世以来新构造运动在本区主要表现为整体 抬升。 2 5 2 水系发育与新构造的关系 河流的方向性：分布在取内的河流，其主导方向是北西西、北北东和北北 西向，恰于本区主要断裂方向一致。 河道的变迁：南淝河合肥地区段，北岸在晚更新世( q ，) 粘土之下有一套 河流相沉积，从沉积规律来看，应属南淝河发育早期的产物。而南淝河现在的 河道与其沉积物相比较已明显向南迁移，这一变迁显然受桥头集一东关断裂的 控制，加之北岸四里河、板桥河两条支流的发育，自北向南的冲刷，而南面以 巢湖为中心的下降，致使南淝河由北向南，由东北向西南的迁移而形成今天的 南淝河河道。 水系急拐改道：南淝河在三汊河与店埠河汇合后急拐折转，由北西向改为 南西向，然后于马家渡又急改为南东向入湖，这是由于北西向断层错移北北东 向断层的结果，而左行急拐和北西向断层的左行位移相一致。 2 5 3 第四纪地层分布与新构造运动的关系 第四纪地层的发育特征证明了新构造是在老构造格局上的继承和发展，本 区第四纪地层的分布有其一定的规律性，就其总的趋势来看有以下几个特点： 大体上以f 。断层为界，第四系厚度在其断层以北比以南要厚。大体上以f 4 断层为晁，第四系厚度在其断层以东比以西要厚。整体上来看，从第四系堆积 厚度及其分布规律，比较明显的看出，分布在取内的a 条主干断层( f 。、f 。、 f 。) 把合肥市切割成5 块( 见图2 5 ) 。 2 5 4 新构造运动的其它表现 地貌形态也反映地层升降运动的差异性。南淝河在取内的这一段，上下游 阶地地貌有明显差异，即大体上以f 。为界，在其上游河床狭窄呈“v ”形或u 形，其两岸漫滩和一级阶地较狭窄，二级阶地上多坳沟，阶地形态属内叠式阶 地；在其下游河床较宽阔呈“u ”形，其两岸漫滩和一级阶地均较开阔，二级阶 地呈夷平状，属上叠阶地，从而不仅证明了f 。断层的活动性，而且还证明了f 。 断层以西以上升为主，以东以下降为主的活动特性。 岗集 董铺水库 铝厂 晚更新世上升、 一 一 通用所全新世缓慢下降区市最府、 一书 一一一。 苎。迢 大蜀 c 晚更新世、全新世缓慢上升区 l 科技大 f 4 ，d 晚更新世下降、 二全新世缓慢 上升区 十 铺 。安纺。粤 夫兴集 河 、m e 晚更新世、全新世缓慢下降区 图2 5台肥市新构造活动分区图( 据赵华宏改) 新构造在本区除了上述表现外，还有几个值得一提的现象：一是在合肥地 区河漫滩以及下游一级阶地前缘，在地面以下1 0 4 0 m 处有一薄层灰绿色粉土 ( 局部为粉质粘土) ，呈硬塑一坚硬状态，标贯击数( n 。；) 在2 5 5 0 击以上， 成分以高岭土为主，并隐见有腐烂植物茎叶。二是根据省地质科研所曾在合肥 市“人防坑道”中发现晚更新世粘土、粉质粘土有错动现象，错动面光滑如镜， 并见有具断层擦痕面的砂姜( 钙质结核) ，据统计错动面倾向多在北北东至北东 向，倾角1 0 8 0 0 。这些错动未通过上覆全新世地层。三是沿断裂带附近，根 据钻孔资料发现基岩面呈突变起伏而形成陡坎。如：蜀山断层梅山路段，断层 线以南基岩顶面标高为1 4 5 5 m ，以北为1 0 m ；合肥一乌云山断层张大郢附近以 西基岩项面标高为一0 3 m ，以东为一1 0 2 8 m ；桥头集一东关断层港路机械厂附近 以南基岩顶面标高为一5 5 【i l ，以北为5 4 m 。这些陡坎处的基岩是有岩性不同的， 但大部分岩性相同，属同一时代岩层，有恰在断层两侧，这就要与本区的新构 造运动相联系，认为可能是在早期构造的基础上新构造差异活动的表现。 、j 桥 河 、区 降升 下上 。 世慢 ， a 琵晚新 ，i 全 剧，河b 第三章红层的强度特性分析 岩体的工程特性有很多方面的表现，其中表现最突出的就是它的强度特性， 我们在工程中首先考虑的也是其强度。 3 1 现有的强度理论及各自的优缺点 岩石强度理论是研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。强度准则 又称破坏判据，它表示岩石在极限应力状态下( 破坏条件) 的应力状态和岩石 强度参数之间的关系，一般可以表示为极限应力状态下主应力之间的关系方程， 即 o - t - - - - f ( o - 2 ，o - ，) ( 3 1 ) 或者表示为处于极限平衡状态截面上的剪应力r 和正应力口之问的关系方程 f = 厂( 仃) ( 3 2 ) 3 1 1 库仑( c o u l o m b ) 准则 库仑准则是最简单最重要的准则，它是由库仑( c a c o u l o m b ) 于1 7 7 3 年 提出的“摩擦”准则。库仑认为，岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度， 等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上法向力产生的摩擦力。即，平面 中的剪切强度准则为 h = c + c r t a n ( 3 3 ) 式中，f 为剪切面上的剪应力( 剪切强度) ；盯为剪切面上的正应力；c 为粘结 力( 或内聚力) ；幽为内摩擦角。 库仑准则可以用莫尔极限应力圆来直观地表示。如图3 一l 所