谈潭衡西高速公路白垩系粉砂质泥岩风化特性

龙涛 彭振斌 周怡

0 引言

湖南省湘潭—衡阳西高速公路沿线的白垩系粉砂质泥岩，红褐色或褐红色，风化后为暗灰红色，粉砂泥质碎屑结构，薄层至块状构造，主要矿物为石英、黏土矿物、赤铁矿等，泥质、铁质胶结。通过室内显微镜观察、粉晶X光衍射分析、扫描电子显微镜分析显示其具有以下特征:碎屑物粒度介于0.05 mm～0.50 mm之间，含量约75%～90%，黏土矿物多呈片状，铁质物多沿近平行的微细裂隙充填，具微层理构造。

湖南湘潭白垩系粉砂质泥岩为干旱条件下形成的内陆湖相沉积的碎屑岩，岩层形成时代较晚、成岩程度不高，具有失水易收缩开裂、遇水膨胀湿化崩解的特征。其另一特征是裂隙和孔隙(包括微裂隙和微孔隙)比较发育，这与岩石原生结构的颗粒排列有关，同时也与力学扰动和水分变化导致的颗粒重排列有关。

由于组成白垩系粉砂质泥岩的颗粒物细小，胶结弱，透水性较差、含水较多，因而比较软弱，为软岩。

早在2004年程强、寇小兵、黄绍槟等就中国红层的分布及地质环境特征进行了研究[1];随后刘晓明对红层软岩崩解性及其路基动力变形特性进行了研究(2006年)[2]，左文贵对湖南白垩系、第三系红层工程特性进行了研究(2006年)[3]，赵明华等对红层软岩崩解破碎过程进行了分形分析及数值模拟研究(2006年)[4]。上述研究除了研究的对象范围广以外，对粉砂质泥岩的风化特性研究也仅仅作为研究对象的一个方面进行概述，未对其风化特性进行深入研究。

1 风化岩体工程特性

岩体风化的过程是岩体在经受各种物理、化学风化营力作用后裂纹扩展、裂隙加宽加长并贯通、新裂隙产生、岩体结构改变以及物质氧化、水解等作用导致岩石化学成分、矿物成分发生变化的过程，也是岩石原有矿物组成、化学成分、物理力学性质发生改变的过程(见表1)。岩体风化的结果是使岩体的强度和稳定性大大降低。

表1 不同风化程度岩石化学成分表 %

1.1 岩矿分析

岩矿分析表明粉砂质泥岩随着风化程度的加深，岩石中的伊利石、褐铁矿和铁质含量均有所增加，其中黏土矿物等次生矿物含量也随之增加。

1.2 化学成分分析

由表1可以看出，岩石由微风化状态风化为全风化过程中，化学成分的变化趋势与各金属离子活动性强弱有关，Fe2O3，Al2O3，有机质等活动性弱的化学成分含量均相对增加，而一些活动性强的化学成分如Na2O，K2O，CaO，MgO等含量则相对减少。

1.3 物理力学性质

试验结果表明，随着风化程度的加深，岩石干密度降低、总孔隙度和吸水率增大(见表2)。同时风化作用破坏了岩石颗粒间的连接，产生和加剧岩体的裂隙化、降低结构面的粗糙程度、削弱岩体整体力学性能。

表2 不同风化程度岩体物理力学性质表

在同一试验状态下(试验方向、含水状态)，岩石由微风化→中风化→强风化，其单轴抗压强度及抗拉强度均逐渐降低。

2 风化耐久性试验

2.1 抗压强度试验

代表性岩石在烘干—浸水循环中抗压强度的变化见表3，结果显示:岩石吸水率(含水量)增加，其强度逐渐降低，岩石经过多次干湿循环后，其在含水量较低状态下的单轴抗压强度甚至低于未经干湿循环的单轴饱和抗压强度。

表3 不同风化程度岩石风化耐久性试验成果表

2.2 软化崩解性试验

为了研究不同风化程度岩石抗软化崩解的能力，取岩石试块10块为一组，分别制成40 g～60 g试样，置于岩石耐崩解试验仪中进行试验，结果如表4所示。从表4中可以看出:不同风化程度的岩石，其破坏特征不同，岩石风化程度越深则越易于崩解破坏;随着岩石风化程度的加深，岩石抗软化崩解的能力降低。风化作用的结果是促使岩体的优良性质减弱，不良性质加强，力学强度逐渐降低，使岩体的工程性能明显变差。

表4 岩石耐崩解性试验成果表

由于岩石内含有膨胀性的黏土矿物，当岩石浸水后，亲水性矿物吸附水分而引起岩石不均匀膨胀变形，产生不均匀应力，导致岩石崩裂。另一方面岩石在干湿循环过程中，由于岩石渗透性差，浸水时岩石及裂缝表面浸水膨胀产生张应力，失水时岩石及裂隙表面失水而产生拉应力，二者均导致裂隙向深部发展并在深部产生新的裂隙，最终引起岩石的崩解。

3 风化速度研究

为了研究岩石的风化速度，对岩石进行了以下试验研究:

1)室内模拟干湿循环岩石风化速度观测;2)四面临空岩石(室外模拟)风化剥落量观测;3)侧向约束岩石(室外模拟)风化剥落厚度观测;4)边坡岩石(自然状态)风化剥落厚度观测。各试验结果见表5～表 8。

表5 室内模拟干湿循环岩石风化速度观测成果表

表6 四面临空岩石(室外模拟)风化剥落量与时间及降雨量的关系

从试验结果可知，随着岩石风化程度的加深，发生了从初裂→巨裂→碎化的破坏过程;岩石风化速度与时间及降雨量的关系密切，岩石处于微风化状态时，岩石力学强度较高，岩石较完整，降雨量对其风化剥落量影响不明显，岩石风化呈弱～强风化状时，裂隙化程度深，岩石风化剥落受降雨量的影响便逐渐显著，同时岩石风化有加速的趋势。在三种试验状态下，四面临空状态下风化速度最大，自然状态下次之，侧向约束状态风化速度最慢，说明岩石暴露面积越大，其受各种风化营力的破坏及影响越大，其风化速度则越快。

表7 侧向约束岩石(室外模拟)风化剥落量与时间及降雨量关系

表8 边坡岩石(自然状态)风化剥落量与时间及降雨量关系

4 结语

由于粉砂质泥岩里黏土矿物含量较高，岩体有吸水膨胀失水收缩的特性;粉砂质泥岩为孔隙式胶结，岩体内有大量的微裂隙。粉砂质泥岩为泥质、铁质胶结，胶结强度低。岩体在自然状态下充水、失水过程中，岩石被不断的膨胀、收缩并使岩体里微裂隙扩张、联通，使岩体进一步破碎，增大了岩体间接暴露的面积，加速了岩石的风化。

随着风化程度的加深，岩体裂隙裹加发育，岩体变得更加破碎，岩体的强度和稳定性大大降低，岩石干密度降低，总孔隙度、吸水率增大，岩石抗软化崩解的能力降低。

岩石风化速度与时间及降雨量的关系密切，岩石风化呈弱～强风化状时，裂隙化程度深，岩石风化剥落受降雨量的影响便逐渐显著，岩石暴露面积越大，其受各种风化营力的破坏及影响越大，其风化速度则越快。

[1] 程 强，寇小兵，黄绍槟.中国红层的分布及地质环境特征[J].工程地质学报，2004，12(1):34-40.

[2] 刘晓明.红层软岩崩解性及其路基动力变形特性研究[D].长沙:湖南大学，2006.

[3] 左文贵.湖南白垩系、第三系红层工程特性研究[D].长沙:中南大学，2006.

[4] 赵明华，陈炳初，苏永华.红层软岩崩解破碎过程的分形分析及数值模拟[J].中南大学学报(自然科学版)，2007(2):30-34.

[5] GB 50021-2001，岩土工程勘察规范[S].

[6] GB/T 50266-99，工程岩体试验方法标准[S].

[7] 陈科平.高速公路边坡稳定性模糊评价及加固治理研究[D].长沙 :中南大学 ，2007.

[8] 彭柏兴，王星华.湘浏盆地红层软岩的几个岩土工程问题[J].地下空间与工程学报，2006，2(1):141-144.