基于试验数据的嘉陵江红层物理力学特征研究

刘云鹏，马金根，钟 果，张佑廷

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

在我国，红层（redbeds）主要是指中生代以来即三叠系、侏罗系、白垩系和新生代古近系的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪积相等陆相碎屑岩，多以夹层互层出现，从外表来看主要颜色为红色。一般认为是在炎热干燥的古气候环境条件下，由于氧化作用较为强烈，使碎屑矿物中的Fe2＋氧化成了Fe3＋，从而形成了红色的外观［1-2］。岩性有砾岩、砂岩和泥岩，以泥质胶结为主，也有钙质或铁质胶结。基本特点是形成时代新、成岩作用较差、所经历的地质运动少、地质构造简单、产状平缓、软硬相间，多属较软岩和软岩类。

四川盆地一带分布的红层出露总面积约为30万km2，素有“红色盆地”之称。本文中的“嘉陵江红层”是指分布于嘉陵江流域（古四川盆地周边山前）的一套砂岩与泥岩不等厚互层地层组合岩体。嘉陵江红层的沉积建造是一个漫长的地质历史过程，也伴随着古四川盆地形成的过程，侏罗纪—白垩纪，古四川盆地为干热气候环境，因此，沉积了巨厚的嘉陵江红层［3］。属于内陆河湖相沉积，沉积物多以碎屑、黏土沉积为主，岩石碎屑多具棱角，分选性差，在水平方向上岩相变化大，含陆生生物化石。岩性上以紫红及砖红色泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩为主，具有软硬相间的工程地质特性，承载和变形稳定问题突出［4-8］，部分红层岩体中形成的软弱夹层，则对坝基或边坡稳定性具有控制作用［9-11］。

本文中的试验数据主要来源于苍溪水电站、草街航电枢纽、金溪航电枢纽、老木孔航电工程、沙溪电航工程和上石盘电航工程等6个工程，参与统计的岩石（块）的试验数量总计约150余组，不同风化状态岩性的试验组数分布和不同地层的试验组数分布见图1-2。通过岩石试块物理指标和力学指标的试验结果统计，分析不同风化状态和不同地质时代的岩石物理力学指标特征，重点是建立岩石的物理指标与抗压强度及抗拉强度的相关性，为类似地区岩石物理力学特征的计算参数提供依据和参考。

图1 不同风化状态岩性的试验组数

1 岩石矿物及岩体结构特性

嘉陵江红层岩性单一，按照其物质组成与结构特征，可分为砂岩类和泥岩类两类。根据嘉陵江红层矿化成分分析，不管是砂岩类岩石还是泥岩类岩石，其化学组分基本相同，主要是SiO2，其次是Fe和Al的倍半氧化物及挥发物质，其中铁氧化物和氢氧化物则是造成红层之红色的主要原因。

砂岩类岩性有砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩等；泥岩类岩性有泥岩、粉砂质泥岩。砂岩类大多为钙质、泥质胶结，砂粒成分主要为石英和长石，含量在70%～90%，其次少量为岩屑（一般含量＜10%）。泥岩类在物质组成与结构上与砂岩类明显不同。泥岩为泥质结构，物质以泥质物为主，少量钙质、铁质及粉砂粒级的岩屑，富含高岭石、伊利石、蒙脱石和水云母等矿物，而伊利石、蒙脱石和水云母等矿物为亲水性黏土矿物，最高含量可达80%以上。因此，泥岩类岩石强度低，抗风化能力弱，具有遇水软化、崩解，失水开裂、剥落之特点。岩石中随着砂粒（石英、长石等矿物）含量的增加，岩性逐渐过渡为砂质泥岩（一般认为砂质与泥质之比1／3～1／2），嘉陵江红层中砂质泥岩分布较普遍。对于工程地质特性而言，泥岩的强度随着砂质含量的增加而增加，而其膨胀性和水敏性则主要取决于伊利石和蒙脱石的含量，蒙脱石的含量对膨胀性影响最为明显。

图2 不同地层的试验组数

嘉陵江红层岩体形成时代较新，所经历的地质运动较少，地质构造较为简单，岩层近于水平或呈缓倾的单斜地层。多为层状结构，层理发育，产状平缓，常伴有平面“X”型节理构造。泥岩多呈薄层状，砂岩多呈厚层状或中厚层状，介于泥岩和砂岩间的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩的层厚与泥质含量有关，泥质含量越高，层厚越薄。

2 红层试样及指标选取

2.1 岩石试样

按岩石试样的岩性可将嘉陵江红层岩石分为砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩4类；岩石的风化程度分为强风化、弱风化、微风化和新鲜4级。由此，可以获得不同岩性和风化程度组合共计16种。但是，由于风化后的红层岩体中裂隙较为发育、破碎，另外，泥质岩类岩石本身强度就很低，因此，在实际工程实践中较难取得粉砂质泥岩和泥岩的强风化岩块试样，可以用于分析的试验组数较少，无法对其进行数理统计分析。本次参与统计的岩石（块）的试验数量总计约150余组，其中砂岩包括强风化、弱风化、微风化和新鲜4种风化程度的数据；粉砂质泥岩包括了弱风化、微风化和新鲜3种风化程度的数据，而泥质粉砂岩则只包括弱风化、新鲜2种风化程度的数据。

这些试样主要来源于四川盆地及周边的嘉陵江流域的水利水电工程中的岩石，基本上代表了嘉陵江红层的岩性特征，即砂岩类岩石（砂岩及泥质粉砂岩）成分主要以石英、长石及岩屑为主，胶结物（含杂基）主要为泥质物和钙质物；泥岩类岩石（粉砂质泥岩及泥岩）成分主要以泥质物为主，其次是钙质、铁质以及粉（砂）粒级的岩屑（即粉砂屑）。

2.2 指标选取

从岩石的物理力学指标在工程应用中的作用来看，可分为物理指标和力学指标两类，其中物理指标是表征岩石的固有物理特性，如天然密度、干密度、饱和吸水率、孔隙率等，前三者都为实测指标。其中，干密度不仅与组成岩石的矿物成分差异有关，还与矿物颗粒的排列组合形式、孔隙数量等岩石结构有密切联系；饱和吸水率指标与岩石的孔隙体积及矿物成分的吸水性密切相关；孔隙率反映了岩石中孔隙体积的多少（如果要考虑裂隙，则应采用空隙率），为计算指标。

力学指标是岩石在外力作用下所表现出的强度值（工程实践中，多采用室内试验方式获得，一般通过特定尺寸岩块式样，对其施加一定的外力，以试件破坏时的外力大小作为岩石的强度值），如抗压强度、抗拉强度等。水利水电工程中，岩石的抗压强度是取高径比为2∶1的岩石试块，对其施加单向轴向压力，试件破坏时的压力即为岩石的单轴抗压强度，也称为抗压强度，并以岩石试块饱水以后的饱和抗压强度作为岩石强度分级的指标。

3 试验成果统计分析

从统计意义上讲，试验数据统计过程中，一组测定值中与平均值的偏差超过3倍标准差的测定值，称为高度异常的异常值。在处理数据时，将高度异常值予以剔除；另外，从物理意义角度，对于饱和抗压强度大于30MPa的粉砂质泥岩与泥岩、饱和抗压强度大于60MPa的泥质粉砂岩及饱和抗压强度大于100MPa的砂岩数据也应予以舍去。

3.1 物理特性

通过数据统计，嘉陵江红层岩石的主要物理特性指标如表1所示。

表1 嘉陵江红层主要物理特性区间统计

从年代地层单位看，统计分析用嘉陵江红层主要集中在侏罗系中统上沙溪庙组、侏罗系上统蓬莱镇组、侏罗系上统遂宁组及白垩系下统苍溪组。以新鲜风化程度条件下的3种主要岩性干密度等物理试验指标为例（见表2）：新鲜砂岩的干密度为2.28～2.41g／cm3，比重2.62～2.69，普通吸水率2.32%～4.65%，饱和吸水率4.43%～5.69%，孔隙率9.77%～13.65%；新鲜泥质粉砂岩的干密度为2.48～2.56g／cm3，比重2.71～2.74，普通吸水率2.47%～4.63%，饱和吸水率3.89%～4.99%，孔隙率6.55%～7.50%；新鲜粉砂质泥岩的干密度为2.42g／cm3～2.54g／cm3，比重2.74～2.77，普通吸水率2.82%～4.93%，饱和吸水率3.28%～5.04%，孔隙率6.55%～7.31%。

由表2可见，相同风化程度、相同岩性但不同地质年代的红层岩石的干密度及其他各项物理指标基本接近或大体处于相同水平，这反映了不同时代的嘉陵江红层岩石主要形成于河湖相的相似沉积环境，其形成的岩石矿物成分及岩石结构基本相同。

表2 新鲜风化程度条件下嘉陵江红层三种主要岩性的干密度与比重统计（平均值）

总体而言，干密度和比重具有随颗粒变细逐渐变大的趋势，而孔隙率却逐渐变小。这与岩石颗粒的结构及胶结类型有一定关系，嘉陵江红层砂岩及泥质粉砂岩为碎屑结构，而粉砂质泥岩与泥岩的结构为泥质结构（非碎屑结构），大部分为非晶质或隐晶质；同时，嘉陵江红层的砂岩及泥质粉砂岩主要以孔隙胶结为主，少量为基底胶结，这与盆地陆相沉积环境长期的簸选动力条件特征相吻合。

一般而言，吸水率能有效地反映岩石中孔隙和裂隙的发育程度。泥质粉砂岩和粉砂质泥岩的普通吸水率一般大于砂岩，分析认为这与泥质粉砂岩和粉砂质泥岩所含的泥质物有关，泥质粉砂岩和粉砂质泥岩的泥质物一般为隐晶尘状泥质，泥质物的矿物成分以伊利石或伊利石／蒙脱石混层矿物为主，而这类矿物具有表面大、亲水性强、离子交换容量大等特性。但由于砂岩类的孔隙率一般大于泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，因此，在真空或加压状态下的砂岩饱和吸水率则明显表现为大于后两者。

3.2 力学特性

岩石力学特征的基础可以从固有的物理特性上反映出来，因此，岩石物理特性对其力学特性具有决定性影响。基于不用岩性对嘉陵江红层岩石的力学指标进行统计分析，主要考虑了风化程度对岩石力学特性的影响。通过对比分析150余组嘉陵江红层岩石（块）试验成果（见表3），可以得到各类红层岩石力学指标的特点，具体如下：

（1）嘉陵江红层岩石的强度低，以新鲜饱和抗压强度（Rb）为标准评价岩石的坚硬程度，砂岩Rb=25.30～42.85MPa，软化系数为0.44～0.67，属于较软岩～中硬岩，大多数为较软岩；泥质粉砂岩Rb=8.82～26.2MPa，软化系数为0.16～0.65，属于软岩～较软岩；粉砂质泥岩Rb=7.28～12.82MPa，软化系数为0.15～0.60，属于软岩。嘉陵江红层岩石形成于侏罗纪～第三纪，这与三叠纪以前较老的沉积岩大多属于中硬～坚硬岩石形成鲜明对比，具有时代较新、胶结差、胶结物以钙质或泥质为主的特点。

（2）风化作用对同类岩石的强度具有较大影响。采用风化系数（风化岩石与新鲜岩石饱和抗压强度的比值Kw=Rb风化／Rb新鲜）来衡量风化作用对岩石强度的弱化作用，根据表3统计成果，可得到嘉陵江红层岩石的风化系数（见表4）。弱风化砂岩的Rb=19.1～33.6MPa，弱风化系数为0.6～0.78；弱风化泥质粉砂岩的Rb=8.24～19.6MPa，弱风化系数为0.75～0.88；弱风化分砂质泥岩的Rb=4.70～13.01MPa，弱风化系数为0.43～0.53；由此看见，风化作用对泥质岩类岩石的弱风化作用大于砂岩类岩石。这主要源于泥质岩类岩石组成物质以泥质物为主，与砂岩类岩石相比，其亲水作用较强，岩石在水的作用下易发生崩解和膨胀。

表4 嘉陵江红层岩石风化系数

4 岩石物理指标与力学指标关系分析

嘉陵江红层岩石属于沉积岩。一定沉积环境下，特定矿物颗粒按相应的结构组成的岩石，具备一定的矿物组分和结构，具有本身的固有性质，即物理特征；岩石的物理指标就是岩石固有物理特征在一定试验条件下的数值表现，是岩石的固有指标。在特定的外力作用下，将表现出一定的性质，即力学性质；岩石力学指标是力学特性的数值表现，他是岩石在一定条件下的特征性指标，非固定指标。岩石的物理特性与其力学特性之间有着内在的逻辑关系。因此，可以在统计分析的基础上，找到两者之间的关系。

在理论分析上，可以通过物理指标与力学指标建立一些数学关系，来分析两者间存在的普遍规律；工程实践中，通过容易获得的、大量的物理指标数据计算得到力学指标，从而可以减少一定的试验工作量，对岩石及岩体的参数指标进行工程类比具有一定的指导作用。

岩石干密度不仅反映了组成岩石的矿物成分差异，还与矿物颗粒的排列组合形式、孔隙数量等岩石结构密切相关。从强风化到新鲜岩石，其干密度也随之增加，同时对应了岩石强度的增加，因此，干密度指标作为岩石物理指标的代表值具有一定的合理性。沉积环境的差异决定了物质成分的差异，并最终导致了物理力学指标的差异。一般而言，强度较高的红层岩石位于近盆周地区，以河流相、洪泛相等沉积环境为主，距离盆周物源山区较近，属于动水环境，水动力条件较强；盆中地区则大多为滨浅湖相、浅湖相以致半深水湖相，远离盆周山系物源区，属于静水沉积环境，强度相较与近盆周地区为低。根据对草街航电等工程中新鲜砂岩、新鲜泥岩的干密度与饱和抗压强度的统计分析，发现两者之间确实有一定的内在联系，其决定系数R2分别为0.543和0.479，说明干密度和饱和抗压强度之间相关性较好。

除此之外，对普通吸水率、饱和吸水率、烘干抗压强度、饱和抗压强度、干抗拉强度及饱和抗拉强度之间的关系也进行了回归分析，其回归模型数据如表5所示，图3～11为相应的关系曲线图。可见，这些回归模型的相关系数R为0.692～0.988，因此，在已经取得部分试验数据的基础上，可以采用这些回归模型获得其他物理力学参数，减少部分试验工作量。

图3 新鲜砂岩干密度与饱和抗压强度相关性

表5 草街航电工程物理力学指标回归模型

图4 新鲜泥岩干密度与饱和抗压强度相关性

图5 普通吸水率与烘干抗压强度相关性

图6 饱和吸水率与饱和抗压强度相关性

图7 普通吸水率与烘干抗拉强度相关性

图8 饱和吸水率与饱和抗拉强度相关性

图9 普通吸水率与饱和吸水率相关性

图10 烘干抗压强度与烘干抗拉强度相关性

图11 饱和抗压强度与饱和抗拉强度相关性

5 结 论

基于多个嘉陵江流域典型水利水电工程实例，通过大量试验数据的统计分析，对嘉陵江红层物理力学特征的认识如下：

（1）嘉陵江红层沉积时期以侏罗纪—白垩纪为主，属于内陆河湖相沉积。岩性上以紫红及砖红色泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩为主，具有软硬相间的工程地质特性。

（2）嘉陵江红层岩石的强度低，大多数为软岩～较软岩，少数为强度较高的中硬岩。风化作用对泥质岩类岩石的弱化作用大于砂岩类岩石。这主要源于泥质岩类岩石组成物质以泥质物为主，与砂岩类岩石相比，其亲水作用较强，岩石在水的作用下易发生崩解和膨胀。 （3）从强风化到新鲜岩石，其干密度也随之增加，同时对应了岩石强度的增加。新鲜砂岩、新鲜泥岩的干密度与饱和抗压强度的统计分析表明，两者之间确实有一定的内在联系。普通吸水率、饱和吸水率、烘干抗压强度、饱和抗压强度、干抗拉强度及饱和抗拉强度之间的回归模型的相关系数为0.692～0.988，说明可以采用这些回归模型获得其他物理力学参数，减少部分试验工作量。