談潭衡西高速公路白堊系粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化特性

龍濤 彭振斌 周怡

0 引言

湖南省湘潭—衡陽西高速公路沿線的白堊系粉砂質(zhì)泥巖，紅褐色或褐紅色，風(fēng)化后為暗灰紅色，粉砂泥質(zhì)碎屑結(jié)構(gòu)，薄層至塊狀構(gòu)造，主要礦物為石英、黏土礦物、赤鐵礦等，泥質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)。通過室內(nèi)顯微鏡觀察、粉晶X光衍射分析、掃描電子顯微鏡分析顯示其具有以下特征:碎屑物粒度介于0.05 mm～0.50 mm之間，含量約75%～90%，黏土礦物多呈片狀，鐵質(zhì)物多沿近平行的微細(xì)裂隙充填，具微層理構(gòu)造。

湖南湘潭白堊系粉砂質(zhì)泥巖為干旱條件下形成的內(nèi)陸湖相沉積的碎屑巖，巖層形成時(shí)代較晚、成巖程度不高，具有失水易收縮開裂、遇水膨脹濕化崩解的特征。其另一特征是裂隙和孔隙(包括微裂隙和微孔隙)比較發(fā)育，這與巖石原生結(jié)構(gòu)的顆粒排列有關(guān)，同時(shí)也與力學(xué)擾動(dòng)和水分變化導(dǎo)致的顆粒重排列有關(guān)。

由于組成白堊系粉砂質(zhì)泥巖的顆粒物細(xì)小，膠結(jié)弱，透水性較差、含水較多，因而比較軟弱，為軟巖。

早在2004年程強(qiáng)、寇小兵、黃紹檳等就中國紅層的分布及地質(zhì)環(huán)境特征進(jìn)行了研究[1];隨后劉曉明對(duì)紅層軟巖崩解性及其路基動(dòng)力變形特性進(jìn)行了研究(2006年)[2]，左文貴對(duì)湖南白堊系、第三系紅層工程特性進(jìn)行了研究(2006年)[3]，趙明華等對(duì)紅層軟巖崩解破碎過程進(jìn)行了分形分析及數(shù)值模擬研究(2006年)[4]。上述研究除了研究的對(duì)象范圍廣以外，對(duì)粉砂質(zhì)泥巖的風(fēng)化特性研究也僅僅作為研究對(duì)象的一個(gè)方面進(jìn)行概述，未對(duì)其風(fēng)化特性進(jìn)行深入研究。

1 風(fēng)化巖體工程特性

巖體風(fēng)化的過程是巖體在經(jīng)受各種物理、化學(xué)風(fēng)化營力作用后裂紋擴(kuò)展、裂隙加寬加長并貫通、新裂隙產(chǎn)生、巖體結(jié)構(gòu)改變以及物質(zhì)氧化、水解等作用導(dǎo)致巖石化學(xué)成分、礦物成分發(fā)生變化的過程，也是巖石原有礦物組成、化學(xué)成分、物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的過程(見表1)。巖體風(fēng)化的結(jié)果是使巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性大大降低。

表1 不同風(fēng)化程度巖石化學(xué)成分表 %

1.1 巖礦分析

巖礦分析表明粉砂質(zhì)泥巖隨著風(fēng)化程度的加深，巖石中的伊利石、褐鐵礦和鐵質(zhì)含量均有所增加，其中黏土礦物等次生礦物含量也隨之增加。

1.2 化學(xué)成分分析

由表1可以看出，巖石由微風(fēng)化狀態(tài)風(fēng)化為全風(fēng)化過程中，化學(xué)成分的變化趨勢(shì)與各金屬離子活動(dòng)性強(qiáng)弱有關(guān)，F(xiàn)e2O3，Al2O3，有機(jī)質(zhì)等活動(dòng)性弱的化學(xué)成分含量均相對(duì)增加，而一些活動(dòng)性強(qiáng)的化學(xué)成分如Na2O，K2O，CaO，MgO等含量則相對(duì)減少。

1.3 物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著風(fēng)化程度的加深，巖石干密度降低、總孔隙度和吸水率增大(見表2)。同時(shí)風(fēng)化作用破壞了巖石顆粒間的連接，產(chǎn)生和加劇巖體的裂隙化、降低結(jié)構(gòu)面的粗糙程度、削弱巖體整體力學(xué)性能。

表2 不同風(fēng)化程度巖體物理力學(xué)性質(zhì)表

在同一試驗(yàn)狀態(tài)下(試驗(yàn)方向、含水狀態(tài))，巖石由微風(fēng)化→中風(fēng)化→強(qiáng)風(fēng)化，其單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均逐漸降低。

2 風(fēng)化耐久性試驗(yàn)

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

代表性巖石在烘干—浸水循環(huán)中抗壓強(qiáng)度的變化見表3，結(jié)果顯示:巖石吸水率(含水量)增加，其強(qiáng)度逐漸降低，巖石經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，其在含水量較低狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度甚至低于未經(jīng)干濕循環(huán)的單軸飽和抗壓強(qiáng)度。

表3 不同風(fēng)化程度巖石風(fēng)化耐久性試驗(yàn)成果表

2.2 軟化崩解性試驗(yàn)

為了研究不同風(fēng)化程度巖石抗軟化崩解的能力，取巖石試塊10塊為一組，分別制成40 g～60 g試樣，置于巖石耐崩解試驗(yàn)儀中進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出:不同風(fēng)化程度的巖石，其破壞特征不同，巖石風(fēng)化程度越深則越易于崩解破壞;隨著巖石風(fēng)化程度的加深，巖石抗軟化崩解的能力降低。風(fēng)化作用的結(jié)果是促使巖體的優(yōu)良性質(zhì)減弱，不良性質(zhì)加強(qiáng)，力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低，使巖體的工程性能明顯變差。

表4 巖石耐崩解性試驗(yàn)成果表

由于巖石內(nèi)含有膨脹性的黏土礦物，當(dāng)巖石浸水后，親水性礦物吸附水分而引起巖石不均勻膨脹變形，產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，導(dǎo)致巖石崩裂。另一方面巖石在干濕循環(huán)過程中，由于巖石滲透性差，浸水時(shí)巖石及裂縫表面浸水膨脹產(chǎn)生張應(yīng)力，失水時(shí)巖石及裂隙表面失水而產(chǎn)生拉應(yīng)力，二者均導(dǎo)致裂隙向深部發(fā)展并在深部產(chǎn)生新的裂隙，最終引起巖石的崩解。

3 風(fēng)化速度研究

為了研究巖石的風(fēng)化速度，對(duì)巖石進(jìn)行了以下試驗(yàn)研究:

1)室內(nèi)模擬干濕循環(huán)巖石風(fēng)化速度觀測(cè);2)四面臨空巖石(室外模擬)風(fēng)化剝落量觀測(cè);3)側(cè)向約束巖石(室外模擬)風(fēng)化剝落厚度觀測(cè);4)邊坡巖石(自然狀態(tài))風(fēng)化剝落厚度觀測(cè)。各試驗(yàn)結(jié)果見表5～表 8。

表5 室內(nèi)模擬干濕循環(huán)巖石風(fēng)化速度觀測(cè)成果表

表6 四面臨空巖石(室外模擬)風(fēng)化剝落量與時(shí)間及降雨量的關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著巖石風(fēng)化程度的加深，發(fā)生了從初裂→巨裂→碎化的破壞過程;巖石風(fēng)化速度與時(shí)間及降雨量的關(guān)系密切，巖石處于微風(fēng)化狀態(tài)時(shí)，巖石力學(xué)強(qiáng)度較高，巖石較完整，降雨量對(duì)其風(fēng)化剝落量影響不明顯，巖石風(fēng)化呈弱～強(qiáng)風(fēng)化狀時(shí)，裂隙化程度深，巖石風(fēng)化剝落受降雨量的影響便逐漸顯著，同時(shí)巖石風(fēng)化有加速的趨勢(shì)。在三種試驗(yàn)狀態(tài)下，四面臨空狀態(tài)下風(fēng)化速度最大，自然狀態(tài)下次之，側(cè)向約束狀態(tài)風(fēng)化速度最慢，說明巖石暴露面積越大，其受各種風(fēng)化營力的破壞及影響越大，其風(fēng)化速度則越快。

表7 側(cè)向約束巖石(室外模擬)風(fēng)化剝落量與時(shí)間及降雨量關(guān)系

表8 邊坡巖石(自然狀態(tài))風(fēng)化剝落量與時(shí)間及降雨量關(guān)系

4 結(jié)語

由于粉砂質(zhì)泥巖里黏土礦物含量較高，巖體有吸水膨脹失水收縮的特性;粉砂質(zhì)泥巖為孔隙式膠結(jié)，巖體內(nèi)有大量的微裂隙。粉砂質(zhì)泥巖為泥質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)強(qiáng)度低。巖體在自然狀態(tài)下充水、失水過程中，巖石被不斷的膨脹、收縮并使巖體里微裂隙擴(kuò)張、聯(lián)通，使巖體進(jìn)一步破碎，增大了巖體間接暴露的面積，加速了巖石的風(fēng)化。

隨著風(fēng)化程度的加深，巖體裂隙裹加發(fā)育，巖體變得更加破碎，巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性大大降低，巖石干密度降低，總孔隙度、吸水率增大，巖石抗軟化崩解的能力降低。

巖石風(fēng)化速度與時(shí)間及降雨量的關(guān)系密切，巖石風(fēng)化呈弱～強(qiáng)風(fēng)化狀時(shí)，裂隙化程度深，巖石風(fēng)化剝落受降雨量的影響便逐漸顯著，巖石暴露面積越大，其受各種風(fēng)化營力的破壞及影響越大，其風(fēng)化速度則越快。

[1] 程 強(qiáng)，寇小兵，黃紹檳.中國紅層的分布及地質(zhì)環(huán)境特征[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，12(1):34-40.

[2] 劉曉明.紅層軟巖崩解性及其路基動(dòng)力變形特性研究[D].長沙:湖南大學(xué)，2006.

[3] 左文貴.湖南白堊系、第三系紅層工程特性研究[D].長沙:中南大學(xué)，2006.

[4] 趙明華，陳炳初，蘇永華.紅層軟巖崩解破碎過程的分形分析及數(shù)值模擬[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(2):30-34.

[5] GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

[6] GB/T 50266-99，工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] 陳科平.高速公路邊坡穩(wěn)定性模糊評(píng)價(jià)及加固治理研究[D].長沙 :中南大學(xué) ，2007.

[8] 彭柏興，王星華.湘瀏盆地紅層軟巖的幾個(gè)巖土工程問題[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(1):141-144.