泥质岩石的风化耐久性分级

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050054；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

0 引言

风化作用对工程长期稳定影响较大，对于泥质岩石而言，风化耐久性主要表现为岩石在水的作用下的耐久性问题[1]。国外的研究者提出了一些风化耐久性的分级方法，ISRM[2]建议以耐久性系数(Id2)和塑性指数为指标，将岩石风化耐久性划分为6个等级，但同时强调了现场调查的重要性，认为只有现场研究才能更好地理解泥质岩石的性质。Franklin[3]提出页岩分级系统，采用的指标为Id2、IP(塑性指数)和点荷载强度。Grainger提出根据强度和(Id2)指标的3级分级系统方法[4]，涵盖了耐久性强的和耐久性差的岩石。曲永新等[5]提出了以静态崩解系数Ir2和胶结系数(GCP=岩粉的干燥饱和吸水率除以岩块干燥饱和吸水率)为指标的风化耐久性分级方法。

泥质岩石的风化耐久性主要受到岩体与水的相互作用控制，在不断干湿循环作用下，岩石会解体、产生裂隙和表面产生碎片状剥落[6]。ISRM推荐的崩解耐久性试验方法也是国内《水利水电工程岩石规程》建议方法，但这种方法有很大的局限性。ISRM建议采用两次干湿循环耐久性系数(Id2)来评价泥质岩石的耐久性，Taylor[7]建议采用3次干湿循环来代替2次干湿循环。另外，这种试验方法也存在着一些缺陷。首先，更多循环次数意味着更多的时间消耗；其次，这种试验是把干燥后的样品浸水10 min后测定崩解性的，Erguler[8]试验认为水分的迁移时间为24～48 h，泥质岩石10 min是不够的。另外，试验次数过多时，机械撞击会对试验结果产生扰动，根据ISRM(2007)建议，试验样品应尽量圆滑，消去棱角。实际上也不易做到，因为样品加工时容易产生裂纹。即使加工成功，在后续的试验中，泥质岩石崩解成小块后仍然会产生棱角。Moon et al[9]试验认为，第一次干湿循环可以大约在15 min后岩块分解能够稳定，但后续浸水时，岩块分解稳定则需要更长的时间。

综上，建立以现场条件为依据的泥质岩石风化耐久性分级方法尤为重要。于远忠[10]对于泥灰岩风化速度进行研究时发现，泥灰岩风化裂隙长度的延伸和条数的增加随着时间增长会逐渐趋于稳定。Erguler et al[11]提出了根据采用SDR指标，将泥质岩石的风化耐久性分为6级，并相应提出了每一级别的风化裂隙典型分布图。但该方法存在的问题也很明显，首先，由于泥质岩石的各向异性，不同方向测定的裂隙数是不同的，甚至相差很大；其次，裂隙分布不是均匀的，不同位置测得的SDR是不相同的，另外，该方法以10 cm×10 cm区域为代表区域测量，在裂隙分布不均匀时，范围太小，代表性不强。虽然可以采用多条测线平均的方法来弥补这种缺陷，但测线选择随意性就比较大，造成结果的不稳定。一些研究发现，风化裂隙的分布符合分形特征，分形维数可以很好地反映裂隙在岩体中的分布[12]。本文基于分形的思想，对SDR方法进行修正，提出根据裂隙分形维数对泥质岩石风化耐久性分级的方法。依据室内和现场调查两方面相互印证，对三峡库区侏罗系上沙溪庙组特征岩组的风化耐久性进行了分级。

1 SDR分级方法

图1 泥质岩风化裂隙素描图[ 11]

如图1所示，计算10 cm尺度上每条测线穿过的裂隙条数，采用类似裂隙率的方法，定义

(1)

式中，n为穿过裂隙数；l为测线长度；λ为测线在单位长度内穿过裂隙数的平均值，定义SDR(Slake Durability Rating)为

SDR=100-100×λ

(2)

SDR=0意味着完全分解，耐久性很差，SDR=100意味着很难分解，在自然干湿循环中基本不发生变化。根据SDR值，将风化耐久性分为6 级，并根据室内试验分级方法作出对比，分级方法见表1。

表1 据SDR值的风化耐久性分级

2 分级方法的修正

裂隙分形维度可以很好地刻画裂隙在平面上的展布密度、特征，一般采用盒维数法进行表达，对于裂隙来说，采用不同尺寸(δ，mm)的正方形去覆盖平面中存在的裂隙，得到不同尺寸覆盖裂隙所需要的最少盒数N(个)，根据分形几何方法，分维值(D)计算可以采用以下公式

D=lnN/ln(1/δ)

(3)

式中，D为分形维数；N为覆盖裂隙盒数；δ为盒尺寸。实际操作时，得到方格尺寸δ和覆盖裂隙所需盒数N后，对ln(N)和ln(1/δ)进行线性拟合，拟合所得斜率即裂隙的分维数。当裂隙很少时，分形维度(D)较低；而裂隙较多时，分形维度较高，D总是介于1.0～2.0之间，当裂隙分布特别密集时，D接近2.0。

当δ很小时，覆盖盒数N会很大，人工分析相当繁琐，采用计算机辅助可以更加快捷准确。基于Matlab环境，编制了裂隙自动识别和分形维数自动计算程序，首先将图片进行二值化处理，将图片处理成只有黑色和白色两种颜色形成的图像，存储于矩阵中。用不同长度的正方形进行覆盖，如果正方形中存在黑色图像(即像素点值为0)，则表明该正方形(盒)为裂隙通过盒，盒数计数加1。对整个图进行遍历，得到不同尺寸正方形覆盖的盒数。根据分维值计算，D=ln(N)/ln(1/δ)，计算该图裂隙的分形维数。

对Erguler提出的不同风化耐久性级别特征图进行分析，计算了分维数D(例如Ⅲ级时分析图如图2、图3所示)，通过对比，确定了分维数分级阈值。分析发现，原分级中的Ⅴ级和Ⅵ级的分形维数相差不大。实际上，当裂隙分布十分密集时，现场照片和素描图都很难对裂隙进行区分。因此，将6级分法合并调整为5级，并对比国内常采用的曲永新提出胶结系数判定方法，确定了以裂隙分维值为主的分级方法和各级特征，描述如表2。

图2 Ⅲ级风化耐久性裂隙特征图(Z.A. Erguler)

图3 Ⅲ级风化耐久性裂隙特征图分维值计算

表2 岩石风化耐久性分级表

3 三峡库区侏罗系沙溪庙组岩石特征

采取了侏罗系沙溪庙组地层3种典型岩石进行了室内测试，采用了XRD方法和次甲基蓝染蓝法(SnCl2)对泥质成分的蒙脱石含量进行了测定，并应用曲永新提出的干燥饱和吸水率方法测试了胶结系数，测定结果见表3。由表3可见，砖红色泥岩蒙脱石含量最高，有效蒙脱石含量8.02%，而青紫色砂岩由于岩质坚硬，岩粉测试无法进行。对比可见，蒙脱石含量越高，比表面积越大，岩石活性就会越强，崩解性也越强。

表3 岩石试样试验指标表

4 根据现场调查的分级

在三峡库区侏罗系中上统泥质岩的调查表明，高切坡开挖初期，泥质岩石一般都比较新鲜，主要以成岩时形成的垂直于岩层的裂隙为主，开挖初期边坡总体较稳定。随着泥质岩石失水、风化逐步进行，泥岩表面很快就会形成风化裂隙，风化裂隙在初期发展十分迅速，随着不断干湿循环，表层裂隙数量很快变多。随着风化的不断进行，裂隙分布趋于稳定。风化耐久性好的岩石，最终稳定裂隙分布较少，风化耐久性差的泥质岩石最终稳定裂隙分布密集。对三峡库区不同地点的泥质岩进行了裂隙调查，对不同泥质岩裂隙展布的分形维数进行了计算。

(1)砖红色泥岩(W1采集处)。砖红色泥岩分形维数为1.48，根据分形维数的分级，砖红色泥岩风化耐久性为Ⅲ级，结合测试(表3)，砖红色泥岩干燥饱和吸水率为29.65%，胶结系数为1.01，呈弱胶结，蒙脱石含量8.02%，总体特征都符合风化耐久性Ⅲ级特征，有较好一致性。而对于裂隙计算表明(图4(d))，每1 dm裂隙总数14～48条不等，平均36条(SDR=74)，与Erguler[8]提出的风化耐久性分级也较为一致。

图4 砖红色泥岩风化裂隙特征和分维值计算

(2)青紫色砂岩(W3采集处)。现场调查重庆奉节县青紫色砂岩，岩质坚硬，表面可见球状风化，将近10 cm2的裂隙素描图如图5所示。由图5可见，砂岩裂隙分形维数为D=1.249，裂隙条数则一般为10～15条/dm，SDR=90～85，局部裂隙密集。砂岩风化耐久性较好，室内很难崩解。按Erguler的分级划分到Ⅱ级风化耐久性，而按照分形计算的则接近Ⅱ级但应该划分为Ⅰ级风化耐久性。实际情况表明，砂岩岩质坚硬，钙质硅质胶结，吸水率很低，不含蒙脱石矿物，风化耐久性较好，更符合Ⅰ级风化耐久性标准，但长时间风化可导致表面的球状裂隙展开，按分形值划分为近Ⅰ级偏差情况，很符合实际。

图5 砂岩球状风化裂隙特征和分维值计算

(3)紫红色泥岩(W2采集处)。紫红色泥岩分维数D=1.798(见图6)，根据综合分级标准，风化耐久性为IV级，属于易风化岩石。而裂隙条数分析表明，每1 dm发育平均裂隙条数为58条(SDR=42)，根据Erguler的分级应划分为IV级，而实际上，由于裂隙密集，条数难以通过素描等方法进行精确计数和统计。紫红色泥岩不规则岩块干燥饱和吸水率可达到30.14%，属于弱胶结，与IV级特征也是一致的。

图6 紫色粉砂质泥岩裂隙特征和分维值计算

5 结论

风化裂隙的分形维数值能够很好地表征泥质岩石风化裂隙特征，根据泥质岩石的分形维数特征，将泥质岩石风化耐久性分为5级，能够克服SDR分级方法中的缺陷，且与其它分级方法能够取得较好的一致性。对三峡库区沙溪庙组3种代表性泥质岩类进行风化耐久性分级，表明3种不同的岩石风化耐久性等级分别为Ⅲ、IV、Ⅰ级，与实际相符，表明本文提出的方法具有较强的实用性。