泥質(zhì)巖石的風(fēng)化耐久性分級(jí)

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050054；2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

0 引言

風(fēng)化作用對(duì)工程長(zhǎng)期穩(wěn)定影響較大，對(duì)于泥質(zhì)巖石而言，風(fēng)化耐久性主要表現(xiàn)為巖石在水的作用下的耐久性問(wèn)題[1]。國(guó)外的研究者提出了一些風(fēng)化耐久性的分級(jí)方法，ISRM[2]建議以耐久性系數(shù)(Id2)和塑性指數(shù)為指標(biāo)，將巖石風(fēng)化耐久性劃分為6個(gè)等級(jí)，但同時(shí)強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的重要性，認(rèn)為只有現(xiàn)場(chǎng)研究才能更好地理解泥質(zhì)巖石的性質(zhì)。Franklin[3]提出頁(yè)巖分級(jí)系統(tǒng)，采用的指標(biāo)為Id2、IP(塑性指數(shù))和點(diǎn)荷載強(qiáng)度。Grainger提出根據(jù)強(qiáng)度和(Id2)指標(biāo)的3級(jí)分級(jí)系統(tǒng)方法[4]，涵蓋了耐久性強(qiáng)的和耐久性差的巖石。曲永新等[5]提出了以靜態(tài)崩解系數(shù)Ir2和膠結(jié)系數(shù)(GCP=巖粉的干燥飽和吸水率除以巖塊干燥飽和吸水率)為指標(biāo)的風(fēng)化耐久性分級(jí)方法。

泥質(zhì)巖石的風(fēng)化耐久性主要受到巖體與水的相互作用控制，在不斷干濕循環(huán)作用下，巖石會(huì)解體、產(chǎn)生裂隙和表面產(chǎn)生碎片狀剝落[6]。ISRM推薦的崩解耐久性試驗(yàn)方法也是國(guó)內(nèi)《水利水電工程巖石規(guī)程》建議方法，但這種方法有很大的局限性。ISRM建議采用兩次干濕循環(huán)耐久性系數(shù)(Id2)來(lái)評(píng)價(jià)泥質(zhì)巖石的耐久性，Taylor[7]建議采用3次干濕循環(huán)來(lái)代替2次干濕循環(huán)。另外，這種試驗(yàn)方法也存在著一些缺陷。首先，更多循環(huán)次數(shù)意味著更多的時(shí)間消耗；其次，這種試驗(yàn)是把干燥后的樣品浸水10 min后測(cè)定崩解性的，Erguler[8]試驗(yàn)認(rèn)為水分的遷移時(shí)間為24～48 h，泥質(zhì)巖石10 min是不夠的。另外，試驗(yàn)次數(shù)過(guò)多時(shí)，機(jī)械撞擊會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生擾動(dòng)，根據(jù)ISRM(2007)建議，試驗(yàn)樣品應(yīng)盡量圓滑，消去棱角。實(shí)際上也不易做到，因?yàn)闃悠芳庸r(shí)容易產(chǎn)生裂紋。即使加工成功，在后續(xù)的試驗(yàn)中，泥質(zhì)巖石崩解成小塊后仍然會(huì)產(chǎn)生棱角。Moon et al[9]試驗(yàn)認(rèn)為，第一次干濕循環(huán)可以大約在15 min后巖塊分解能夠穩(wěn)定，但后續(xù)浸水時(shí)，巖塊分解穩(wěn)定則需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

綜上，建立以現(xiàn)場(chǎng)條件為依據(jù)的泥質(zhì)巖石風(fēng)化耐久性分級(jí)方法尤為重要。于遠(yuǎn)忠[10]對(duì)于泥灰?guī)r風(fēng)化速度進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，泥灰?guī)r風(fēng)化裂隙長(zhǎng)度的延伸和條數(shù)的增加隨著時(shí)間增長(zhǎng)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。Erguler et al[11]提出了根據(jù)采用SDR指標(biāo)，將泥質(zhì)巖石的風(fēng)化耐久性分為6級(jí)，并相應(yīng)提出了每一級(jí)別的風(fēng)化裂隙典型分布圖。但該方法存在的問(wèn)題也很明顯，首先，由于泥質(zhì)巖石的各向異性，不同方向測(cè)定的裂隙數(shù)是不同的，甚至相差很大；其次，裂隙分布不是均勻的，不同位置測(cè)得的SDR是不相同的，另外，該方法以10 cm×10 cm區(qū)域?yàn)榇韰^(qū)域測(cè)量，在裂隙分布不均勻時(shí)，范圍太小，代表性不強(qiáng)。雖然可以采用多條測(cè)線(xiàn)平均的方法來(lái)彌補(bǔ)這種缺陷，但測(cè)線(xiàn)選擇隨意性就比較大，造成結(jié)果的不穩(wěn)定。一些研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化裂隙的分布符合分形特征，分形維數(shù)可以很好地反映裂隙在巖體中的分布[12]。本文基于分形的思想，對(duì)SDR方法進(jìn)行修正，提出根據(jù)裂隙分形維數(shù)對(duì)泥質(zhì)巖石風(fēng)化耐久性分級(jí)的方法。依據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查兩方面相互印證，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)侏羅系上沙溪廟組特征巖組的風(fēng)化耐久性進(jìn)行了分級(jí)。

1 SDR分級(jí)方法

圖1 泥質(zhì)巖風(fēng)化裂隙素描圖[ 11]

如圖1所示，計(jì)算10 cm尺度上每條測(cè)線(xiàn)穿過(guò)的裂隙條數(shù)，采用類(lèi)似裂隙率的方法，定義

(1)

式中，n為穿過(guò)裂隙數(shù)；l為測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度；λ為測(cè)線(xiàn)在單位長(zhǎng)度內(nèi)穿過(guò)裂隙數(shù)的平均值，定義SDR(Slake Durability Rating)為

SDR=100-100×λ

(2)

SDR=0意味著完全分解，耐久性很差，SDR=100意味著很難分解，在自然干濕循環(huán)中基本不發(fā)生變化。根據(jù)SDR值，將風(fēng)化耐久性分為6 級(jí)，并根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)分級(jí)方法作出對(duì)比，分級(jí)方法見(jiàn)表1。

表1 據(jù)SDR值的風(fēng)化耐久性分級(jí)

2 分級(jí)方法的修正

裂隙分形維度可以很好地刻畫(huà)裂隙在平面上的展布密度、特征，一般采用盒維數(shù)法進(jìn)行表達(dá)，對(duì)于裂隙來(lái)說(shuō)，采用不同尺寸(δ，mm)的正方形去覆蓋平面中存在的裂隙，得到不同尺寸覆蓋裂隙所需要的最少盒數(shù)N(個(gè))，根據(jù)分形幾何方法，分維值(D)計(jì)算可以采用以下公式

D=lnN/ln(1/δ)

(3)

式中，D為分形維數(shù)；N為覆蓋裂隙盒數(shù)；δ為盒尺寸。實(shí)際操作時(shí)，得到方格尺寸δ和覆蓋裂隙所需盒數(shù)N后，對(duì)ln(N)和ln(1/δ)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，擬合所得斜率即裂隙的分維數(shù)。當(dāng)裂隙很少時(shí)，分形維度(D)較低；而裂隙較多時(shí)，分形維度較高，D總是介于1.0～2.0之間，當(dāng)裂隙分布特別密集時(shí)，D接近2.0。

當(dāng)δ很小時(shí)，覆蓋盒數(shù)N會(huì)很大，人工分析相當(dāng)繁瑣，采用計(jì)算機(jī)輔助可以更加快捷準(zhǔn)確。基于Matlab環(huán)境，編制了裂隙自動(dòng)識(shí)別和分形維數(shù)自動(dòng)計(jì)算程序，首先將圖片進(jìn)行二值化處理，將圖片處理成只有黑色和白色兩種顏色形成的圖像，存儲(chǔ)于矩陣中。用不同長(zhǎng)度的正方形進(jìn)行覆蓋，如果正方形中存在黑色圖像(即像素點(diǎn)值為0)，則表明該正方形(盒)為裂隙通過(guò)盒，盒數(shù)計(jì)數(shù)加1。對(duì)整個(gè)圖進(jìn)行遍歷，得到不同尺寸正方形覆蓋的盒數(shù)。根據(jù)分維值計(jì)算，D=ln(N)/ln(1/δ)，計(jì)算該圖裂隙的分形維數(shù)。

對(duì)Erguler提出的不同風(fēng)化耐久性級(jí)別特征圖進(jìn)行分析，計(jì)算了分維數(shù)D(例如Ⅲ級(jí)時(shí)分析圖如圖2、圖3所示)，通過(guò)對(duì)比，確定了分維數(shù)分級(jí)閾值。分析發(fā)現(xiàn)，原分級(jí)中的Ⅴ級(jí)和Ⅵ級(jí)的分形維數(shù)相差不大。實(shí)際上，當(dāng)裂隙分布十分密集時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)照片和素描圖都很難對(duì)裂隙進(jìn)行區(qū)分。因此，將6級(jí)分法合并調(diào)整為5級(jí)，并對(duì)比國(guó)內(nèi)常采用的曲永新提出膠結(jié)系數(shù)判定方法，確定了以裂隙分維值為主的分級(jí)方法和各級(jí)特征，描述如表2。

圖2 Ⅲ級(jí)風(fēng)化耐久性裂隙特征圖(Z.A. Erguler)

圖3 Ⅲ級(jí)風(fēng)化耐久性裂隙特征圖分維值計(jì)算

表2 巖石風(fēng)化耐久性分級(jí)表

3 三峽庫(kù)區(qū)侏羅系沙溪廟組巖石特征

采取了侏羅系沙溪廟組地層3種典型巖石進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試，采用了XRD方法和次甲基藍(lán)染藍(lán)法(SnCl2)對(duì)泥質(zhì)成分的蒙脫石含量進(jìn)行了測(cè)定，并應(yīng)用曲永新提出的干燥飽和吸水率方法測(cè)試了膠結(jié)系數(shù)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，磚紅色泥巖蒙脫石含量最高，有效蒙脫石含量8.02%，而青紫色砂巖由于巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖粉測(cè)試無(wú)法進(jìn)行。對(duì)比可見(jiàn)，蒙脫石含量越高，比表面積越大，巖石活性就會(huì)越強(qiáng)，崩解性也越強(qiáng)。

表3 巖石試樣試驗(yàn)指標(biāo)表

4 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的分級(jí)

在三峽庫(kù)區(qū)侏羅系中上統(tǒng)泥質(zhì)巖的調(diào)查表明，高切坡開(kāi)挖初期，泥質(zhì)巖石一般都比較新鮮，主要以成巖時(shí)形成的垂直于巖層的裂隙為主，開(kāi)挖初期邊坡總體較穩(wěn)定。隨著泥質(zhì)巖石失水、風(fēng)化逐步進(jìn)行，泥巖表面很快就會(huì)形成風(fēng)化裂隙，風(fēng)化裂隙在初期發(fā)展十分迅速，隨著不斷干濕循環(huán)，表層裂隙數(shù)量很快變多。隨著風(fēng)化的不斷進(jìn)行，裂隙分布趨于穩(wěn)定。風(fēng)化耐久性好的巖石，最終穩(wěn)定裂隙分布較少，風(fēng)化耐久性差的泥質(zhì)巖石最終穩(wěn)定裂隙分布密集。對(duì)三峽庫(kù)區(qū)不同地點(diǎn)的泥質(zhì)巖進(jìn)行了裂隙調(diào)查，對(duì)不同泥質(zhì)巖裂隙展布的分形維數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

(1)磚紅色泥巖(W1采集處)。磚紅色泥巖分形維數(shù)為1.48，根據(jù)分形維數(shù)的分級(jí)，磚紅色泥巖風(fēng)化耐久性為Ⅲ級(jí)，結(jié)合測(cè)試(表3)，磚紅色泥巖干燥飽和吸水率為29.65%，膠結(jié)系數(shù)為1.01，呈弱膠結(jié)，蒙脫石含量8.02%，總體特征都符合風(fēng)化耐久性Ⅲ級(jí)特征，有較好一致性。而對(duì)于裂隙計(jì)算表明(圖4(d))，每1 dm裂隙總數(shù)14～48條不等，平均36條(SDR=74)，與Erguler[8]提出的風(fēng)化耐久性分級(jí)也較為一致。

圖4 磚紅色泥巖風(fēng)化裂隙特征和分維值計(jì)算

(2)青紫色砂巖(W3采集處)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查重慶奉節(jié)縣青紫色砂巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，表面可見(jiàn)球狀風(fēng)化，將近10 cm2的裂隙素描圖如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，砂巖裂隙分形維數(shù)為D=1.249，裂隙條數(shù)則一般為10～15條/dm，SDR=90～85，局部裂隙密集。砂巖風(fēng)化耐久性較好，室內(nèi)很難崩解。按Erguler的分級(jí)劃分到Ⅱ級(jí)風(fēng)化耐久性，而按照分形計(jì)算的則接近Ⅱ級(jí)但應(yīng)該劃分為Ⅰ級(jí)風(fēng)化耐久性。實(shí)際情況表明，砂巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，鈣質(zhì)硅質(zhì)膠結(jié)，吸水率很低，不含蒙脫石礦物，風(fēng)化耐久性較好，更符合Ⅰ級(jí)風(fēng)化耐久性標(biāo)準(zhǔn)，但長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化可導(dǎo)致表面的球狀裂隙展開(kāi)，按分形值劃分為近Ⅰ級(jí)偏差情況，很符合實(shí)際。

圖5 砂巖球狀風(fēng)化裂隙特征和分維值計(jì)算

(3)紫紅色泥巖(W2采集處)。紫紅色泥巖分維數(shù)D=1.798(見(jiàn)圖6)，根據(jù)綜合分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)化耐久性為IV級(jí)，屬于易風(fēng)化巖石。而裂隙條數(shù)分析表明，每1 dm發(fā)育平均裂隙條數(shù)為58條(SDR=42)，根據(jù)Erguler的分級(jí)應(yīng)劃分為IV級(jí)，而實(shí)際上，由于裂隙密集，條數(shù)難以通過(guò)素描等方法進(jìn)行精確計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)。紫紅色泥巖不規(guī)則巖塊干燥飽和吸水率可達(dá)到30.14%，屬于弱膠結(jié)，與IV級(jí)特征也是一致的。

圖6 紫色粉砂質(zhì)泥巖裂隙特征和分維值計(jì)算

5 結(jié)論

風(fēng)化裂隙的分形維數(shù)值能夠很好地表征泥質(zhì)巖石風(fēng)化裂隙特征，根據(jù)泥質(zhì)巖石的分形維數(shù)特征，將泥質(zhì)巖石風(fēng)化耐久性分為5級(jí)，能夠克服SDR分級(jí)方法中的缺陷，且與其它分級(jí)方法能夠取得較好的一致性。對(duì)三峽庫(kù)區(qū)沙溪廟組3種代表性泥質(zhì)巖類(lèi)進(jìn)行風(fēng)化耐久性分級(jí)，表明3種不同的巖石風(fēng)化耐久性等級(jí)分別為Ⅲ、IV、Ⅰ級(jí)，與實(shí)際相符，表明本文提出的方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性。