談潭衡西高速公路白堊系粉砂質泥巖風化特性

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泥巖，紅褐色或褐紅色，風化后為暗灰紅色，粉砂泥質碎屑結構，薄層至塊狀構造，主要礦物為石英、黏土礦物、赤鐵礦等，泥質、鐵質膠結。通過室內顯微鏡觀察、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，鐵質物多沿近平行的微細裂隙充填，具微層理構造。

湖南湘潭白堊系粉砂質泥巖為干旱條件下形成的內陸湖相沉積的碎屑巖，巖層形成時代較晚、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)比較發育，這與巖石原生結構的顆粒排列有關，同時也與力學擾動和水分變化導致的顆粒重排列有關。

由于組成白堊系粉砂質泥巖的顆粒物細小，膠結弱，透水性較差、含水較多，因而比較軟弱，為軟巖。

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

1 風化巖體工程特性

巖體風化的過程是巖體在經受各種物理、化學風化營力作用后裂紋擴展、裂隙加寬加長并貫通、新裂隙產生、巖體結構改變以及物質氧化、水解等作用導致巖石化學成分、礦物成分發生變化的過程，也是巖石原有礦物組成、化學成分、物理力學性質發生改變的過程(見表1)。巖體風化的結果是使巖體的強度和穩定性大大降低。

表1 不同風化程度巖石化學成分表 %

1.1 巖礦分析

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

1.2 化學成分分析

由表1可以看出，巖石由微風化狀態風化為全風化過程中，化學成分的變化趨勢與各金屬離子活動性強弱有關，Fe2O3，Al2O3，有機質等活動性弱的化學成分含量均相對增加，而一些活動性強的化學成分如Na2O，K2O，CaO，MgO等含量則相對減少。

1.3 物理力學性質

試驗結果表明，隨著風化程度的加深，巖石干密度降低、總孔隙度和吸水率增大(見表2)。同時風化作用破壞了巖石顆粒間的連接，產生和加劇巖體的裂隙化、降低結構面的粗糙程度、削弱巖體整體力學性能。

表2 不同風化程度巖體物理力學性質表

在同一試驗狀態下(試驗方向、含水狀態)，巖石由微風化→中風化→強風化，其單軸抗壓強度及抗拉強度均逐漸降低。

2 風化耐久性試驗

2.1 抗壓強度試驗

代表性巖石在烘干—浸水循環中抗壓強度的變化見表3，結果顯示:巖石吸水率(含水量)增加，其強度逐漸降低，巖石經過多次干濕循環后，其在含水量較低狀態下的單軸抗壓強度甚至低于未經干濕循環的單軸飽和抗壓強度。

表3 不同風化程度巖石風化耐久性試驗成果表

2.2 軟化崩解性試驗

為了研究不同風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儀中進行試驗，結果如表4所示。從表4中可以看出:不同風化程度的巖石，其破壞特征不同，巖石風化程度越深則越易于崩解破壞;隨著巖石風化程度的加深，巖石抗軟化崩解的能力降低。風化作用的結果是促使巖體的優良性質減弱，不良性質加強，力學強度逐漸降低，使巖體的工程性能明顯變差。

表4 巖石耐崩解性試驗成果表

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

3 風化速度研究

為了研究巖石的風化速度，對巖石進行了以下試驗研究:

1)室內模擬干濕循環巖石風化速度觀測;2)四面臨空巖石(室外模擬)風化剝落量觀測;3)側向約束巖石(室外模擬)風化剝落厚度觀測;4)邊坡巖石(自然狀態)風化剝落厚度觀測。各試驗結果見表5～表 8。

表5 室內模擬干濕循環巖石風化速度觀測成果表

表6 四面臨空巖石(室外模擬)風化剝落量與時間及降雨量的關系

從試驗結果可知，隨著巖石風化程度的加深，發生了從初裂→巨裂→碎化的破壞過程;巖石風化速度與時間及降雨量的關系密切，巖石處于微風化狀態時，巖石力學強度較高，巖石較完整，降雨量對其風化剝落量影響不明顯，巖石風化呈弱～強風化狀時，裂隙化程度深，巖石風化剝落受降雨量的影響便逐漸顯著，同時巖石風化有加速的趨勢。在三種試驗狀態下，四面臨空狀態下風化速度最大，自然狀態下次之，側向約束狀態風化速度最慢，說明巖石暴露面積越大，其受各種風化營力的破壞及影響越大，其風化速度則越快。

表7 側向約束巖石(室外模擬)風化剝落量與時間及降雨量關系

表8 邊坡巖石(自然狀態)風化剝落量與時間及降雨量關系

4 結語

由于粉砂質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;粉砂質泥巖為孔隙式膠結，巖體內有大量的微裂隙。粉砂質泥巖為泥質、鐵質膠結，膠結強度低。巖體在自然狀態下充水、失水過程中，巖石被不斷的膨脹、收縮并使巖體里微裂隙擴張、聯通，使巖體進一步破碎，增大了巖體間接暴露的面積，加速了巖石的風化。

隨著風化程度的加深，巖體裂隙裹加發育，巖體變得更加破碎，巖體的強度和穩定性大大降低，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。

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

[1] 程 強，寇小兵，黃紹檳.中國紅層的分布及地質環境特征[J].工程地質學報，2004，12(1):34-40.

[2] 劉曉明.紅層軟巖崩解性及其路基動力變形特性研究[D].長沙:湖南大學，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，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值模擬[J].中南大學學報(自然科學版)，2007(2):30-34.

[5] GB 50021-2001，巖土工程勘察規范[S].

[6] GB/T 50266-99，工程巖體試驗方法標準[S].

[7] 陳科平.高速公路邊坡穩定性模糊評價及加固治理研究[D].長沙 :中南大學 ，2007.

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