川中紅層巖體結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育特征及多尺度分析

吳沛沛， 鐘志彬，2*， 余雷， 王園園， 鄧榮貴， 劉宇罡

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土建二院， 成都 610031； 2. 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院， 成都 610059； 3. 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)鑒定中心， 北京 100844； 4. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031)

四川盆地廣泛分布的紅層巖體工程特性具有典型性和代表性，其強(qiáng)度低、抗風(fēng)化能力和水理性差的特征是造成紅層滑坡、邊坡失穩(wěn)、路基不均勻變形和隧道圍巖大變形的重要原因，長(zhǎng)期以來備受巖石力學(xué)科研工作者和工程師的關(guān)注，解決了一些傳統(tǒng)的工程問題[1-8]。近年來，高速鐵路紅層軟巖深挖路塹路基持續(xù)性超限上拱變形，成為西南地區(qū)高速鐵路建設(shè)的又一關(guān)鍵問題，開始受到廣泛關(guān)注[9-11]。西成、成貴和成渝客專紅層區(qū)多個(gè)開挖路基或隧道工點(diǎn)出現(xiàn)長(zhǎng)期上拱超限變形病害[12]，內(nèi)江北站兩段開挖路塹路基出現(xiàn)持續(xù)超限變形上拱最為典型，致使列車降速至80 km/h運(yùn)行，并且不得不斥巨資返工整治。

紅層巖體受成巖、構(gòu)造、剝蝕和卸荷作用影響，其裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育復(fù)雜。巖體結(jié)構(gòu)裂隙及其特征又是決定巖體工程特性的關(guān)鍵因素。因此，開展紅層軟巖精細(xì)化結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性能研究，揭示紅層巖層深挖路塹型路基持續(xù)上拱變形的內(nèi)在機(jī)理，成為紅層地區(qū)高速鐵路建設(shè)的迫切需求。

結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育長(zhǎng)度、產(chǎn)狀及形態(tài)等特征參數(shù)的測(cè)量、統(tǒng)計(jì)和分析，是工程巖體結(jié)構(gòu)研究的重要工作。對(duì)裂隙的描述多利用裂隙斯密特等密度圖、玫瑰花圖、極點(diǎn)圖和統(tǒng)計(jì)直方圖等方法。伍法權(quán)[13]較早開展了巖體裂隙統(tǒng)計(jì)分析的相關(guān)研究，系統(tǒng)總結(jié)了巖體節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)分析方法；韓小良[14]提出聚類分析法被運(yùn)用于長(zhǎng)江三峽水庫(kù)區(qū)巖體裂隙網(wǎng)格模擬；Oda[15]提出了同時(shí)考慮裂隙分布密度、尺寸和傾角的幾何結(jié)構(gòu)張量的統(tǒng)計(jì)分析方法。巖石內(nèi)這些隨機(jī)發(fā)育、不同尺度的裂隙是造成其力學(xué)性能弱化及各向異性特征的主要原因。周翠英等[8]基于裂隙性紅層軟巖的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，水-應(yīng)力-裂隙三者之間的相互作用會(huì)加速軟巖變形破壞的速度和進(jìn)程，且影響軟巖局部破壞的力學(xué)特性、各發(fā)展階段持續(xù)的時(shí)間以及最終破壞模式；唐立民[16]則分析了紅層軟巖中垂直節(jié)理對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響特征及其工程應(yīng)對(duì)措施。

然而，上述研究都只是針對(duì)某一尺度巖體結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。巖體長(zhǎng)期地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)曾經(jīng)受過多次構(gòu)造作用，形成了不同尺度及特征的結(jié)構(gòu)裂隙，其分布復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)狀是其主要發(fā)育特點(diǎn)。對(duì)巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的尺寸效應(yīng)一直都是裂隙巖體力學(xué)研究的一個(gè)重要課題[17-20]。巖體結(jié)構(gòu)裂隙多尺度發(fā)育規(guī)律分析可以更有效地研究巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到對(duì)巖體結(jié)構(gòu)和工程特性的精細(xì)化研究。根據(jù)四川盆地紅層巖體結(jié)構(gòu)特征、常見巖體工程尺度(如路塹和隧洞工程)和視覺感知尺度情況，現(xiàn)提出的大尺度(宏觀)裂隙指長(zhǎng)度大于100 cm切層節(jié)理或者貫通層面；中尺度(中觀)裂隙指長(zhǎng)度介于5～100 cm，發(fā)育于單層泥質(zhì)砂巖內(nèi)或泥巖層內(nèi)的少數(shù)切穿單層的節(jié)理；小(細(xì)觀)尺度裂隙指長(zhǎng)度1～5 cm，發(fā)育于泥巖層或砂巖夾層內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)狀基體裂隙。

為此，現(xiàn)針對(duì)成渝客運(yùn)專線內(nèi)江北站(以下簡(jiǎn)稱內(nèi)江北站)地區(qū)紅層開挖路塹邊坡結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取原位巖體不同尺度結(jié)構(gòu)裂隙信息，對(duì)紅層巖體節(jié)理裂隙發(fā)育特征、巖體結(jié)構(gòu)特性和沉積地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析。為川中紅層巖體結(jié)構(gòu)特性的深入研究提供參考，也為區(qū)內(nèi)重要工程建設(shè)和病害處理提供理論和技術(shù)支持。

1 工程地質(zhì)環(huán)境概述

紅層主要是高氧化環(huán)境沉積的泥巖夾砂質(zhì)泥巖層，或者富含鐵氧化物的風(fēng)化層。含有三價(jià)鐵氧化物，總體呈磚紅至紫紅色，屬于軟巖或中軟巖類，工程性質(zhì)較差。四川盆地紅層主要包含侏羅系和白堊系地層，含少量第三系地層[2]。成渝客運(yùn)專線內(nèi)江北站的紅層泥質(zhì)巖路塹邊坡，是川中最具有代表性的典型紅層巖體。該區(qū)域構(gòu)造作用輕微，川中除龍泉山和威遠(yuǎn)穹窿構(gòu)造區(qū)外無大的斷層發(fā)育，巖層一般發(fā)育兩組近正交的陡傾節(jié)理，是控制路塹邊坡變形破壞的主要裂隙面。

裂隙測(cè)繪區(qū)域地形屬于丘陵區(qū)，相對(duì)高差多在30～100 m，山丘常呈剝蝕型渾圓狀，局部因泥質(zhì)砂巖夾層崩塌型演化成3～10 m高的陡坎或陡壁。地質(zhì)構(gòu)造方面，主要為近水平褶皺構(gòu)造，巖層呈現(xiàn)近水平的緩波狀特征，剪切節(jié)理不甚發(fā)育，層理清晰，層面尚有壓刻痕殘留。孟召平等[21]的研究顯示，中侏羅世時(shí)期以資陽(yáng)-內(nèi)江-瀘州一帶形成了典型的濱湖亞相沉積環(huán)境。對(duì)向下凹陷地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，可見數(shù)十米至數(shù)百米寬的古河道沉積環(huán)境痕跡。Chen等[22]的研究表明，地層中的綠灰色粉砂巖夾層，是湖泊環(huán)境的沉積物，內(nèi)含較多的親水性礦物；而紫紅色、紫綠色和灰綠色泥巖層屬于類古土壤成巖之物。如此巖層開挖卸荷后，極易產(chǎn)生差異風(fēng)化和漸進(jìn)性失穩(wěn)剝落，其特征見圖1，位置見圖2。

內(nèi)江市地屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和但夏季炎熱晝夜溫差也可達(dá)20 ℃；多年平均降雨量達(dá)1 000 mm以上，夏季常出現(xiàn)暴雨，高溫和多雨為紅層邊坡和路基快速風(fēng)化提供了條件。

2 紅層路塹邊坡巖體結(jié)構(gòu)裂隙特征

內(nèi)江高鐵北站區(qū)典型路塹邊坡長(zhǎng)度約190 m，最大高度15.74 m，走向南東-北西向，整體坡度約40°，巖體為紫紅色泥巖為主，夾多層灰綠色泥質(zhì)細(xì)砂巖，如圖3所示。

川中盆地紅層軟巖具有典型的宏觀結(jié)構(gòu)和特殊的中觀及細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。

其中，宏觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)是沙溪廟組的紫紅色泥巖夾泥質(zhì)細(xì)砂巖，遂寧組的鮮紅色泥巖層，蓬萊鎮(zhèn)組的紫紅色及條帶狀(個(gè)別團(tuán)塊狀)雜色泥巖夾灰綠色泥質(zhì)細(xì)砂巖地層，其節(jié)理面裂隙長(zhǎng)度大于100 cm。中觀結(jié)構(gòu)指灰綠色泥質(zhì)粉砂巖層內(nèi)，發(fā)育長(zhǎng)度5～100 cm，以折線狀為主少許弧形的張性裂隙，與巖石塊體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)；細(xì)觀結(jié)構(gòu)指紫紅色泥巖中發(fā)育的長(zhǎng)度小于5 cm，近似呈棋盤式網(wǎng)絡(luò)狀細(xì)小裂隙，與似豆腐塊狀的泥巖塊構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。

圖1 差異風(fēng)化特征Fig.1 Differential weathering of stratum

圖2 邊坡位置Fig.2 Slope position

近水平狀紅層邊坡整體自穩(wěn)性較好，路塹開挖邊坡高度和傾角都較大。傳統(tǒng)工程巖體力學(xué)方法是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)繪，目前已采用三維激光掃描或三維攝影及圖像處理技術(shù)。本邊坡為平面型邊坡，坡面基本規(guī)則，所以采用了配置標(biāo)尺的平面攝影和典型區(qū)段結(jié)構(gòu)裂隙實(shí)地測(cè)繪驗(yàn)證的方法。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪時(shí)采用了高清數(shù)碼相機(jī)對(duì)整個(gè)坡體巖層進(jìn)行連續(xù)拍攝，根據(jù)標(biāo)尺實(shí)現(xiàn)整個(gè)邊坡影像的原始尺寸平面還原與重構(gòu)，結(jié)果見圖3。利用AutoCAD對(duì)節(jié)理裂隙進(jìn)行素描和統(tǒng)計(jì)，獲得巖體裂隙數(shù)據(jù)(圖3右上黃色虛線框部分)。

2.1 邊坡巖體宏觀結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育特征

2.1.1 宏觀裂隙發(fā)育長(zhǎng)度分布特征

將大于1 m的結(jié)構(gòu)裂隙歸為宏觀裂隙，按照長(zhǎng)度1～20、20～40、40～60、60～80、80～100和大于100 m段分組，統(tǒng)計(jì)各組條數(shù)，并計(jì)算各組裂隙組內(nèi)平均長(zhǎng)度，得到的結(jié)果如表1和圖4所示。宏觀裂隙中長(zhǎng)度大于10 m的基本屬于層面，視傾角接近水平；裂隙長(zhǎng)度小于10 m的多屬于構(gòu)造剪切節(jié)理，視傾角為30°～50°，宏觀裂隙平均長(zhǎng)度l與其發(fā)育數(shù)量n呈冪函數(shù)分布，相關(guān)系數(shù)R=0.955，回歸經(jīng)驗(yàn)公式為

n=144.185l-0.774

(1)

式(1)中：n為裂隙發(fā)育的數(shù)量，條；l為裂隙的平均長(zhǎng)度，m。

圖3 典型砂巖層中細(xì)觀結(jié)構(gòu)面測(cè)繪區(qū)Fig.3 Survey area of meso-structural plane in typical sandstone layer

表1 巖體宏觀裂隙長(zhǎng)度及發(fā)育數(shù)量Table 1 The macroscopic fracture length and development quantity of rock mass

圖4 宏觀裂隙長(zhǎng)度及發(fā)育數(shù)曲線Fig.4 The macroscopic fracture length and development number curve

2.1.2 宏觀裂隙面特征分析

宏觀上看，該紅層邊坡呈明顯的夾層狀，紫紅色的泥質(zhì)巖與紫綠色泥巖層厚度大，灰綠色的泥質(zhì)砂巖層厚度小，泥質(zhì)砂巖與砂泥巖呈交錯(cuò)水平層狀分布。邊坡西側(cè)砂巖層中部不連續(xù)，沿邊坡走向的出現(xiàn)巖層尖滅現(xiàn)象，且尖滅方向相向，泥質(zhì)砂巖夾層中部總體上逐漸增厚；夾層多呈扁平端部尖滅狀透鏡體，長(zhǎng)度數(shù)米至百米，厚度數(shù)厘米至數(shù)十厘米，層面呈斷續(xù)的弧形狀，局部發(fā)育數(shù)米至數(shù)十米長(zhǎng)的切層構(gòu)造剪切節(jié)理。結(jié)合前述四川盆地紅層地質(zhì)環(huán)境及成因推測(cè)，該段邊坡地層應(yīng)該屬于古河流環(huán)境沉積物。此外，泥質(zhì)砂巖夾層厚度變化明顯，邊坡西北段底部泥質(zhì)砂巖層厚度，由東南段向西北段逐漸增厚。其中一段泥質(zhì)砂巖夾層被構(gòu)造節(jié)理錯(cuò)斷，分成4個(gè)部分，其他泥質(zhì)砂巖夾層基本完整，根據(jù)斷面分析應(yīng)該是后期地質(zhì)構(gòu)造節(jié)理錯(cuò)動(dòng)所致。邊坡整體為層狀結(jié)構(gòu)，泥巖與泥質(zhì)砂巖夾層呈互層或交錯(cuò)關(guān)系，夾層厚度沿走向變化呈兩端尖滅狀透鏡體，這反映了沉積環(huán)境的動(dòng)蕩性和物源類型變化的頻繁性[16]。

2.2 泥質(zhì)砂巖層中觀裂隙發(fā)育特征

2.2.1 中觀裂隙發(fā)育長(zhǎng)度分布特征

路塹邊坡巖體內(nèi)的中觀裂隙信息的獲取與宏觀結(jié)構(gòu)面裂隙相同。裂隙描繪以豎直向上為y軸，水平向右為x軸建立平面直角坐標(biāo)系。自動(dòng)獲取裂隙尺寸及其與y軸正向的夾角數(shù)據(jù)，再通過excel及origin等統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)裂隙數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。這里以邊坡西北段巖層裂隙為重點(diǎn)進(jìn)行描述分析。

將中觀裂隙按照5～15、15～25、…、95～100 cm進(jìn)行分組，參考宏觀裂隙統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析，裂隙長(zhǎng)度與發(fā)育數(shù)量數(shù)據(jù)見表2和圖5。中觀裂隙平均長(zhǎng)度l與裂隙發(fā)育數(shù)n呈冪函數(shù)分布，相關(guān)系數(shù)R=0.999，回歸經(jīng)驗(yàn)公式為

n= 370 205.795l-0.174 2

(2)

表2 巖體中觀裂隙及發(fā)育數(shù)量Table 2 Mesoscopic fracture in rock mass

圖5 中觀裂隙發(fā)育數(shù)與長(zhǎng)度分布曲線Fig.5 The distribution curve of the development number and length of mesoscopic fractures

2.2.2 中觀裂隙傾角及裂隙面特征

根據(jù)中觀裂隙視傾角分布范圍繪制的直方圖(圖6)顯示，中觀裂隙發(fā)育數(shù)量與其傾角的分布符合高斯分布，在60°～90°視傾角區(qū)間發(fā)育的裂隙較多，并隨傾角呈線性增加；在0°～60°視傾角區(qū)間發(fā)育的裂隙較少，發(fā)育數(shù)量變化不大。直方圖顯示裂隙發(fā)育數(shù)n與視傾角θ的統(tǒng)計(jì)高斯分布函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.938，回歸經(jīng)驗(yàn)公式為

(3)

式(3)中：θ為裂隙的視傾角，(°)。

圖6 中觀裂隙數(shù)傾角分布直方圖Fig.6 Histogram of dip angle distribution of mesoscopic fracture number

測(cè)繪區(qū)中觀裂隙發(fā)育在典型泥質(zhì)砂巖夾層內(nèi)，抗沖刷和風(fēng)化的能力較泥巖強(qiáng)。泥質(zhì)砂巖夾層產(chǎn)狀近于水平狀，層面較為規(guī)則，切層裂隙發(fā)育，多數(shù)呈折線狀，裂隙面壁粗糙，顯示張性特征。

2.3 泥巖細(xì)觀裂隙發(fā)育特征

2.3.1 細(xì)觀裂隙發(fā)育長(zhǎng)度特征

對(duì)泥巖中的細(xì)觀裂隙進(jìn)行標(biāo)尺拍照，貼入CAD圖上素描統(tǒng)計(jì)裂隙數(shù)量，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置20 cm×20 cm測(cè)量統(tǒng)計(jì)窗驗(yàn)證。

按照1～1.5、1.5～2.0、…、4.5～5.0 cm長(zhǎng)度段分組，統(tǒng)計(jì)表明細(xì)觀裂隙的平均長(zhǎng)度l與裂隙發(fā)育數(shù)量n呈二次方多項(xiàng)式分布，結(jié)果見表3和圖7，R=0.992，回歸經(jīng)驗(yàn)公式為

n=-31.05l2-363.69l+2 992.1

(4)

相關(guān)系數(shù)與其他中等或堅(jiān)硬巖層中細(xì)觀裂隙長(zhǎng)度與數(shù)量發(fā)育情況有所差異，初步分析認(rèn)為，中等或堅(jiān)硬巖體細(xì)觀裂隙主要是構(gòu)造成因，而軟弱紅層泥質(zhì)巖內(nèi)的細(xì)觀裂隙主要是干縮、熱脹冷縮和風(fēng)化卸荷成因。

表3 巖體細(xì)觀裂隙及發(fā)育數(shù)量Table 3 Meso-fracture of rock mass

圖7 裂隙平均長(zhǎng)度-發(fā)育條數(shù)分布曲線Fig.7 Distribution curve of average fracture length and number of fractures

2.3.2 細(xì)觀裂隙傾角及裂隙面特征

根據(jù)細(xì)觀裂隙測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制傾角的直方圖(圖8)發(fā)現(xiàn)，細(xì)觀裂隙傾角發(fā)育與中觀裂隙傾角發(fā)育接近，服從高斯分布，相關(guān)系數(shù)R=0.99，回歸經(jīng)驗(yàn)公式為

(5)

細(xì)觀裂隙發(fā)育狀況較中觀宏觀裂隙發(fā)育均勻，裂隙發(fā)育數(shù)量與裂隙長(zhǎng)度相關(guān)性更強(qiáng)。裂隙傾角多集中在60°～90°。反映了紅層軟巖結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育的客觀規(guī)律。

圖8 細(xì)觀裂隙數(shù)傾角分布直方圖Fig.8 Histogram of microfracture number dip angle distribution

3 紅層巖體結(jié)構(gòu)裂隙特征分析

巖體中裂隙產(chǎn)狀對(duì)其力學(xué)特性影響顯著[23-24]，對(duì)巖體裂隙發(fā)育走向、傾向和傾角分布采用極射赤平投影的傳統(tǒng)方法，效率極低，并且類似Oda的結(jié)構(gòu)張量分析法等計(jì)算過程較為復(fù)雜，不便于實(shí)際工程應(yīng)用。鐘志彬等[23-24]提出的裂隙幾何特征統(tǒng)計(jì)分析方法，考慮裂隙發(fā)育的長(zhǎng)度以及角度相關(guān)性，對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，獲得裂隙網(wǎng)絡(luò)的綜合優(yōu)勢(shì)角等定量參數(shù)，本段將借鑒該方法對(duì)不同尺度裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育特征進(jìn)行定量對(duì)比分析。

3.1 裂隙幾何特征分析原理

考慮裂隙的長(zhǎng)度與傾角對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響，針對(duì)二維平面素描的裂隙情況，假設(shè)將各條裂隙的長(zhǎng)度li都投影在某個(gè)方向θk上，此時(shí)裂隙網(wǎng)絡(luò)在θk方向上的投影總長(zhǎng)度密度為

(6)

式(6)中：θi為裂隙切線方向與y軸豎向的夾角；αi為第i條裂隙與基準(zhǔn)軸的夾角；N為裂隙總數(shù)；A為統(tǒng)計(jì)區(qū)域巖體表面積；li為裂隙的長(zhǎng)度。

為進(jìn)一步計(jì)算裂隙網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)方向，給出幾何方向貢獻(xiàn)系數(shù)ξ的定義為

(7)

式(7)中：θj為選擇的所有投影角度即裂隙與豎向y軸方向的夾角，0°≤θj≤90°；m為角度的等份數(shù)量，即投影方向；θk為m個(gè)投影方向中的第k個(gè)投影方向。

只要ξ(θk;li，αi)的值最大就可以確定最大的裂隙長(zhǎng)度傾角的裂隙網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)方向。從而，裂隙的綜合優(yōu)勢(shì)傾角θp表示為

θp={θk|Max[ξ(θk;li，αi)]}

(8)

進(jìn)一步可以通過計(jì)算ξ(θk;li，αi)的最小值與最大值的比值，獲得裂隙網(wǎng)格隨機(jī)率κ，公式為

(9)

κ∈[0，1]，κ越小表明裂隙發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方向性越明顯，越大則裂隙分布越均勻。

3.2 紅層巖體結(jié)構(gòu)裂隙幾何特征分析

裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何特征分析法原理就是將具有二維空間屬性的節(jié)理裂隙投影到不同的投影線上，在0°～90°的范圍內(nèi)對(duì)不同投影方向下的網(wǎng)絡(luò)裂隙幾何貢獻(xiàn)率系數(shù)、裂隙的綜合優(yōu)勢(shì)角θp和隨機(jī)率κ。將豎向y軸確定為參考主方向，將裂隙的傾角轉(zhuǎn)換成與y軸正方向之間的夾角，分別以5°、3°、1°(也可為其他等差角度)為等分角，將90°分別分成19、31和91個(gè)角度區(qū)間，以不同的分析精度對(duì)砂巖層裂隙進(jìn)行整體分析。計(jì)算最大ξmax和最小ξmin值并結(jié)合綜合優(yōu)勢(shì)角θp和隨機(jī)率κ，判斷整個(gè)砂巖裂隙發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方向。計(jì)算結(jié)果如表 4所示，由于宏觀裂隙數(shù)量較少，優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向明確，這里僅對(duì)中觀和細(xì)觀裂隙進(jìn)行分析。

采用裂隙傾角-長(zhǎng)度密度云圖表達(dá)可得到如圖9所示的結(jié)果，圖 9(a)顯示中觀裂隙在75°～90°傾角和5.0～20.0 cm長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)分布密度最大，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?5°～90°。由圖 9(b)可以看出，細(xì)觀裂隙在45°～90°傾角和1.0～3.0 cm長(zhǎng)度區(qū)域密度最大，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?5°～90°。細(xì)觀裂隙的傾角-長(zhǎng)度分布密度比中觀裂隙分布密度明顯均勻得多。根據(jù)3.1節(jié)的分析方法，中觀裂隙優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?5°～87°，細(xì)觀裂隙優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?7°～90°，中觀裂隙網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)率為0.38，細(xì)觀裂隙網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)率為0.81，并且細(xì)觀裂隙角度分布較均勻，兩者基本吻合。上述分析表明裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何特征分析法可以有效地描述紅層軟巖，在不同尺度下裂隙傾角發(fā)育特征。

表4 砂巖層裂隙幾何特征參數(shù)表Table 4 Geometric characteristic parameters of different isometric angles in sandstone layers

圖9 裂隙傾角-長(zhǎng)度密度云圖Fig.9 Density cloud image of angel-length

由表4可知，等分角越小，得到的裂隙最大幾何方向貢獻(xiàn)系數(shù)ζmax越小。裂隙發(fā)育的隨機(jī)率κ不隨等分角變化，得到的裂隙優(yōu)勢(shì)角的差值僅為1.0%～4.0%，等分角劃分與裂隙隨機(jī)率和優(yōu)勢(shì)角度評(píng)價(jià)指標(biāo)大小基本沒有關(guān)系。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)常采用5°就可以滿足精度要求。中觀裂隙和細(xì)觀裂隙的優(yōu)勢(shì)角度分別為85°～87°和87°～90°，兩者差異較小。近豎向優(yōu)勢(shì)發(fā)育角度特征表明，裂隙是在穩(wěn)定的沉積環(huán)境及工程開挖卸荷應(yīng)力作用下產(chǎn)生的張性裂隙，在該類裂隙網(wǎng)絡(luò)切割下，加之長(zhǎng)期降雨入滲軟化作用，巖層將可能碎裂化，宏觀力學(xué)性能顯著降低，而泥質(zhì)巖風(fēng)化速度快，兩因素結(jié)合將進(jìn)一步造成邊坡局部垮塌。

4 結(jié)論

(1)成渝客專內(nèi)江北站區(qū)地層為四川盆地中典型紅層巖體，河流湖濱沉積環(huán)境，紫紅色泥巖和泥質(zhì)砂巖為主，宏觀裂隙以層面和個(gè)別長(zhǎng)度較大的構(gòu)造小斷層構(gòu)成，數(shù)量較少。裂隙長(zhǎng)度與其發(fā)育條數(shù)呈冪函數(shù)分布。

(2)中觀裂隙基本發(fā)育在泥質(zhì)砂巖或粉細(xì)砂巖層中，發(fā)育數(shù)量較多，多為切層張興裂隙。裂隙長(zhǎng)度與其發(fā)育條數(shù)之間呈冪函數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。裂隙傾角與發(fā)育條數(shù)之間呈高斯分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

(3)細(xì)觀裂隙幾乎全部發(fā)育在泥巖層內(nèi)，發(fā)育數(shù)量龐大，在泥巖層巖體中構(gòu)成密集的網(wǎng)絡(luò)狀裂隙系統(tǒng)。裂隙長(zhǎng)度與其發(fā)育條數(shù)之間呈二次函數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。裂隙傾角與發(fā)育條數(shù)之間呈高斯分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

(4)中觀和細(xì)觀裂隙陡傾，傾角集中范圍分別是75°～90°和85°～90°。中觀裂隙走向優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?5°～87°，細(xì)觀裂隙走向優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?7°～90°，中觀裂隙網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)率(0.38)小于細(xì)觀裂隙網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)率(0.81)。