陜北地區(qū)砂巖的技術指標特性

馬慶偉，楊晨光

(西安公路研究院，陜西 西安 710065)

0 引 言

“十三五”期間，陜北地區(qū)高速公路建設任務日益繁重，進而對筑路材料的需求量增大且對其質(zhì)量提出較高要求[1]。受到地域限制，陜北地區(qū)高速公路建設面臨著優(yōu)質(zhì)石料嚴重匱乏、采用外運集料經(jīng)濟性較差的局面[2]；另一方面，陜北地區(qū)富含的大量砂巖礦藏尚未被開發(fā)，宜將其用于公路基礎建設[3-4]。截至目前為止，陜西省內(nèi)關于砂巖用于高速公路基層及底基層的實體應用工程較少，尤其是將砂巖用于基層尚無先例[5]。鑒于此，本文針對陜北地區(qū)的砂巖，系統(tǒng)分析其形成過程、礦物組成及力學性能，為今后陜北地區(qū)公路工程建設提供一定理論依據(jù)。

1 陜北地區(qū)砂巖的成巖過程及分布

陜北地區(qū)砂巖儲層經(jīng)歷復雜的成巖作用，主要包括砂巖的壓實作用、膠結作用、溶蝕作用、壓溶作用、交代作用以及石英的次生加大作用等[6]，其中壓實作用和溶蝕作用是砂巖最為重要的作用?；谏皫r成因作用的重要程度，將陜北地區(qū)砂巖成巖作用分為兩大類[7]：一類如壓實作用和膠結作用，是對孔滲性有破壞效果的成巖作用；另一類如溶蝕作用，可對孔滲性起改善效果。下面對延安組砂巖儲層的主要成巖作用進行簡述。

(1)壓實作用。對于研究區(qū)延安組地層，由于不同地區(qū)的巖石類型及埋深不同，同一地層的壓實強度存在較大差異[8]，其中長石砂巖類、巖屑砂巖類的壓實作用更顯著。

(2)膠結作用。研究區(qū)延安組儲層膠結物主要以石英、高嶺石和方解石為主，強烈的膠結作用是造成儲層滲透率降低的重要因素之一[9]。

(3)溶蝕作用。研究區(qū)砂巖被溶解的碎屑組分主要是石英、長石巖屑，其中石英、長石被溶蝕現(xiàn)象普遍，石英壓溶會形成顆粒間凹凸接觸或縫合線接觸[10]。

(4)次生加大作用。研究區(qū)石英次生加大不發(fā)育，石英含量高，相對較純，硅質(zhì)極易加大在石英碎屑顆粒上，加大邊與顆粒表面相結合，構成再生膠結結構。

研究區(qū)陜北地區(qū)沿線砂巖的主要成分為石英、黏土等，如圖1、2所示。砂巖顏色有的偏紅，有的發(fā)灰[11]。

圖1 砂巖樣本一

圖2 砂巖樣本二

2 陜北地區(qū)砂巖的礦物組成

砂巖是一種位于陜北地區(qū)具有地域特色的沉積巖，絕大部分砂巖由0.05～2 mm的細微砂粒經(jīng)膠結作用而形成[12-13]。砂巖成分復雜，石英成分占60%以上，黏土成分占11%左右，針鐵礦成分占12%左右，其他物質(zhì)占11%以上。

對陜北地區(qū)沿線的砂巖和石灰?guī)r進行隨機調(diào)查取樣，共收集了3種產(chǎn)地的砂巖A(黃陵)、B(延安)、C(富縣)以及一種石灰?guī)rD(延長)。對不同類型的砂巖及石灰?guī)r進行了粉晶X衍射試驗，結果見表1。

表1 粉晶X衍射分析

從表1可知，陜北地區(qū)砂巖成分特征的項目主要有石英含量、長石含量等，而石英(長石和巖屑)的比例表示為巖礦成分成熟度。不同類型的巖石成分成熟度差異較大，石英的含量越高，成分成熟度越高，巖石的抗壓性越好，物性也相對較好，反之，物性較差[14]。

試驗結果表明，陜北地區(qū)的砂巖礦物組成基本相同，僅礦物含量存在一定差異。由于樣品均為長石砂巖類[15]，不能僅憑借礦物元素及組成進行砂巖的差異性研究，需要結合砂巖的物理和力學指標一同進行適用性確定。

分析表1可知：該地區(qū)地層中砂巖石英含量最高，發(fā)育成熟度較好；該類砂巖由長石、石英、方解石及云母等碎屑礦物共同構成砂巖的骨架，而含量較低的伊利石、綠泥石、高嶺石等黏土礦物主要起到膠結作用[16]。此外，砂巖中存在少量的鐵、鈣質(zhì)膠結物或游離氧化物。由于砂巖中起到骨架作用的礦物成分、含量各不相同，導致砂巖巖樣的力學參數(shù)(如黏聚力、內(nèi)摩擦角、單軸抗壓強度、彈性模量等)存在差異。以石英為主的砂巖顆粒易因顆粒界面的應力集中造成巖體的脆性破壞。研究表明，顆粒剛度比可在較大范圍內(nèi)影響砂巖巖樣的宏觀力學性能。顆粒間的切向剛度與顆粒接觸剛度比成反比關系，膠結砂巖脆性受切向剛度影響較大；平行黏結剛度與顆粒接觸剛度的比值越大，砂巖顆粒脆性越大，越容易發(fā)生黏結破壞及剪切破壞。

3 陜北地區(qū)砂巖物理及力學指標

3.1 物理特征

根據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG E41—2005)中規(guī)定的方法，對陜北地區(qū)沿線A、B、C三處產(chǎn)地砂巖和石灰?guī)rD進行巖石學簡易鑒定，結果見表2。

3.2 吸水率和含水率

根據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG E41—2005)中含水率和吸水性試驗要求，對陜北地區(qū)不同種類的砂巖及石灰?guī)r的含水率和吸水率進行測定，結果見表3。

表3 不同產(chǎn)地巖石的吸水率與含水率

由表3可以看出，砂巖吸水率基本在3%以上，遠大于石灰?guī)r，含水量也存在同一規(guī)律。

3.3 密度及孔隙率

根據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG E41—2005)中的密度試驗要求，對陜北地區(qū)不同產(chǎn)地的巖石進行密度和孔隙率測定，結果見表4。

表4 巖石密度及孔隙率

由表4可知，砂巖密度整體較石灰?guī)r偏小，均在2.70 g·cm-3以下，孔隙率在10%左右，接近石灰?guī)r碎石的10倍。

3.4 單軸抗壓強度

根據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JGT E41—2005)中的相關規(guī)定，分別對陜北地區(qū)不同產(chǎn)地的巖石進行單軸抗壓強度測定。采用壓力試驗機分別測得天然、烘干、飽水3種狀態(tài)下巖石的單軸極限抗壓強度，試件尺寸為50 mm±2 mm。試驗結果見表5，試驗設備見圖3。

表5 不同地區(qū)砂巖的單軸飽水抗壓強度

圖3 XRD試驗實體

經(jīng)調(diào)查分析可知，陜北地區(qū)砂巖的沉積、成巖時間短，試件的飽水抗壓強度較低，工程力學性能不佳。因此，依照巖石的飽水抗壓強度進行砂巖堅硬程度的劃分。其中，采用30 MPa的巖石單軸飽水抗壓強度作為硬質(zhì)、軟質(zhì)巖石的劃分界限，劃分結果見表6。

表6 巖石堅硬程度的劃分

由表6可知，上述各硬質(zhì)砂巖和石灰?guī)r均屬于硬質(zhì)巖，其中石灰?guī)r屬于堅硬巖，A、B、C三處產(chǎn)地砂巖屬于較堅硬巖。

由表3～5可知，石灰?guī)r的軟化系數(shù)高于砂巖，表明砂巖的軟化系數(shù)與孔隙率、吸水率相關。因此，砂巖的力學性質(zhì)在一定程度上受到吸水率的影響，后續(xù)試驗分析中要充分重視砂巖的這一性質(zhì)。

4 結 語

(1)對項目所在地的砂巖成巖過程及分布進行綜合分析，研究區(qū)砂巖儲層經(jīng)歷的成巖作用類型較多，主要從壓實作用、膠結作用、交代作用、溶蝕作用、壓溶作用和石英的次生加大作用等方面闡述了砂巖的成巖過程。

(2)綜合分析項目沿線砂巖性質(zhì)，并與石灰?guī)r相比較。從巖石的礦物組成、物理性質(zhì)和力學指標等方面分析：該地區(qū)砂巖存在強度較低、孔隙率較大、吸水率較大以及抗凍性較差等工程力學特性；不同產(chǎn)地的砂巖性質(zhì)相差不大。

(3)砂巖的軟化系數(shù)在一定程度上受到孔隙率的影響，并與砂巖吸水率相關，因此砂巖吸水率的高低影響砂巖的力學性質(zhì)。