風(fēng)化作用對(duì)侵蝕構(gòu)造地貌碳質(zhì)砂巖高邊坡的影響

劉金芳，屈玉龍

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

1 研究背景

貴州玉石高速公路項(xiàng)目TJ06標(biāo)段工程地區(qū)巖性為泥質(zhì)中風(fēng)化碳質(zhì)砂巖，屬于半成巖，亦屬于極軟巖類。半成巖是一種特殊的巖土體，與一般的巖石及土體均有明顯的區(qū)別，當(dāng)半成巖膨脹性較高時(shí)遇水更易崩解，在物質(zhì)組成、物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方面同時(shí)具有部分土體和巖體的特征。因此，在工程中含有該類巖體時(shí)地質(zhì)情況往往更復(fù)雜。

伴隨巖石風(fēng)化作用，碳質(zhì)砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)及水理性質(zhì)賡續(xù)降低。目前國內(nèi)外的眾多學(xué)者對(duì)巖石的風(fēng)化作用展開了相關(guān)研究，莫彬彬等[1]提出對(duì)微生物-礦物復(fù)合體微環(huán)境進(jìn)行研究，以作為突破口揭示微生物對(duì)巖石風(fēng)化作用，并且將研究成果應(yīng)用于礦物加工工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。孫士宏等[2]通過對(duì)紅砂巖的風(fēng)化機(jī)理進(jìn)行探討，將紅砂巖風(fēng)化機(jī)理歸納為有機(jī)酸腐蝕機(jī)理、生物作用機(jī)理等，并且針對(duì)風(fēng)化作用機(jī)理和紅砂巖的特征，總結(jié)了紅砂巖石刻文物修復(fù)和加固技術(shù)。趙勇剛等[3]利用不同風(fēng)化程度的紅砂巖，進(jìn)行聲發(fā)射特性的對(duì)比研究，得出結(jié)論，風(fēng)化更徹底的分組較風(fēng)化程度弱的分組聲發(fā)射數(shù)量顯著增多，可以推斷，風(fēng)化較為嚴(yán)重的巖體內(nèi)部裂隙和節(jié)理更多。此外，該研究揭示了不同風(fēng)化程度紅砂巖載荷-聲發(fā)射累計(jì)關(guān)系，得出了載荷-聲發(fā)射擬合關(guān)系式。戎巖[4]以陜西關(guān)中地區(qū)的砂巖為研究對(duì)象，從物理風(fēng)化、生物風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化3個(gè)方向淺析了關(guān)中地區(qū)砂巖風(fēng)化成因，并提出砂巖質(zhì)文物保護(hù)方法。楊志法等[5]對(duì)位于浙江省衢州市的古城墻不同巖石進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用三維激光掃描的方式，測(cè)量研究對(duì)象的風(fēng)化剝落深度，得出結(jié)論，古城墻巖石抗風(fēng)化能力最強(qiáng)的是黃綠色火山角礫巖，抗風(fēng)化能力最差的是灰綠色凝灰?guī)r。值得注意的是，古人制作的勾縫蠣灰抗風(fēng)化能力強(qiáng)于被勾縫的巖石。李二強(qiáng)等[6]以甘肅岷縣木寨嶺隧道碳質(zhì)板巖為研究對(duì)象，得出結(jié)論，水-巖及風(fēng)化作用對(duì)巖樣具有顯著劣化效應(yīng)，表現(xiàn)為細(xì)微累計(jì)劣化損傷。

基于學(xué)者研究的基礎(chǔ)，本文將貴州玉石高速公路項(xiàng)目高邊坡中碳質(zhì)砂巖作為研究對(duì)象，通過對(duì)碳質(zhì)砂巖風(fēng)化類型、風(fēng)化影響因素和風(fēng)化作用后的特征分析，揭示了碳質(zhì)砂巖的風(fēng)化機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)貴州玉石高速公路高邊坡TJ06標(biāo)段的現(xiàn)場(chǎng)施工和后期養(yǎng)護(hù)具有不可忽視的實(shí)際意義。

2 碳質(zhì)砂巖基本特征

資料表明，該地區(qū)的碳質(zhì)砂巖總體上呈現(xiàn)灰黑色，局部含煤和較大礫石，礫石分選性及磨圓度均較差，棱角明顯，天然含水量較高，在該類巖石體中崩塌、滑坡、落石等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育更頻繁，巖石更破碎，工程地質(zhì)問題較多。

貴州地區(qū)碳質(zhì)砂巖屬于典型的半成巖，其粒度成分和礦物成分是決定其工程地質(zhì)性質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得容重一般為1.95～2.15 g/cm3；孔隙度較大，為25%～40%；碳質(zhì)砂巖的砂礫體積分?jǐn)?shù)一般為80%以上，黏粒和粉粒體積分?jǐn)?shù)較少，一般在10%～20%。除此之外，碳質(zhì)砂巖的黏土礦物組成主要為伊利石/蒙脫石混層礦物，這使得碳質(zhì)砂巖遇水具有膨脹性，但是由于碳質(zhì)砂巖以膨脹性中等的伊利石/蒙脫石混層礦物為主，使得碳質(zhì)砂巖的膨脹性較低。由于碳質(zhì)砂巖主要為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，天然含水量較高，節(jié)理、裂隙弱發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)用地質(zhì)錘錘擊，聲音沉悶，無回彈，在天然狀態(tài)下用手可捏碎，浸水后膨脹且崩解?；谝陨锨闆r，工程地區(qū)為碳質(zhì)砂巖的地區(qū)，工程地質(zhì)條件更差。邊坡失穩(wěn)發(fā)生在外界各種因素的共同作用下（如降雨、風(fēng)化、人工開挖等）[7]。

高邊坡施工過程中，應(yīng)考慮到碳質(zhì)砂巖孔隙度較大、砂礫體積分?jǐn)?shù)占比大且由于工程區(qū)域碳質(zhì)砂巖含有伊利石/蒙脫石混層礦物，遇水具有膨脹性的特點(diǎn)，嚴(yán)格修建導(dǎo)排水工程，防止降雨和地表水匯入對(duì)施工邊坡造成威脅，甚至導(dǎo)致滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

3 碳質(zhì)砂巖風(fēng)化機(jī)理

3.1 風(fēng)化類型

碳質(zhì)砂巖本身工程地質(zhì)性質(zhì)較差。用于工程中時(shí)，應(yīng)充分考慮影響高邊坡施工的各種因素，風(fēng)化作用對(duì)高邊坡施工、高邊坡防護(hù)措施的選擇和后期養(yǎng)護(hù)的影響不可忽視。風(fēng)化類型按風(fēng)化作用的因素和性質(zhì)一般分為3 大類，分別為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化。其本質(zhì)的區(qū)別是是否有次生礦物的生成和是否有生物的參與。

3.1.1 物理風(fēng)化作用[8]

受風(fēng)化作用的巖石在原部位出現(xiàn)機(jī)械破裂不產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)的過程稱為物理風(fēng)化作用。物理風(fēng)化作用除了受巖石組成物質(zhì)和晝夜溫差效應(yīng)影響之外，巖石節(jié)理面和植物根劈作用同樣可以加速物理風(fēng)化過程。

3.1.2 化學(xué)風(fēng)化作用

化學(xué)風(fēng)化作用，即風(fēng)化過程中產(chǎn)生離子、分子間的化學(xué)反應(yīng)且參與反應(yīng)的物質(zhì)不是來源于生物。一般化學(xué)風(fēng)化作用與水密切相關(guān)，空氣中的氧氣、二氧化碳和降雨中自身的部分可參與化學(xué)反應(yīng)的化合物等通過水介質(zhì)經(jīng)過氧化反應(yīng)、水解水化反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體或其他化合物共同形成化學(xué)風(fēng)化作用。

3.1.3 生物風(fēng)化作用

簡(jiǎn)單地說，在動(dòng)植物和微生物共同參與下的破壞過程稱為生物風(fēng)化作用。物理和化學(xué)風(fēng)化作用共同參與、共同影響，加上生物的參與就是生物風(fēng)化作用。生物化學(xué)風(fēng)化是生物生命生活排泄、分解物和巖體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化學(xué)物質(zhì)的過程；生物物理風(fēng)化作用是指生物的生命活動(dòng)，如植物根劈、穴居動(dòng)物掘洞，加速巖石裂隙的延伸和改變巖石的結(jié)構(gòu)的過程。

3.2 風(fēng)化作用的影響因素

巖石風(fēng)化作用受到多源因素的控制。包括巖石內(nèi)在因素和外在條件的限制，又可細(xì)分為巖石的礦物組成、巖石的成因、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、巖石環(huán)境（如溫差、降雨量、植被覆蓋情況等）、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度等諸多的條件共同制約。

組成巖石的礦物成分的化學(xué)穩(wěn)定性、抗風(fēng)化能力較強(qiáng)礦物的含量與種類的多少共同控制著巖石的抗風(fēng)化能力。根據(jù)組成巖石的常見礦物化學(xué)穩(wěn)定性從強(qiáng)到弱排序依次為：石英、正長石、酸性斜長石、基性斜長石、黑云母。以石英和正長石抵抗風(fēng)化能力為最佳。石英、正長石的顏色較黑云母和基性斜長石礦物顏色較淺，在工程中也可通過礦物的顏色做一個(gè)大致的判斷，即淺色礦物具有更強(qiáng)的抗風(fēng)化能力。

巖石的成因環(huán)境與巖石目前所在的環(huán)境差異較大時(shí)，巖石更容易被風(fēng)化；而當(dāng)巖石生成環(huán)境與巖石現(xiàn)在環(huán)境相似時(shí)，巖石更不易被風(fēng)化。三大類巖石種類中，沉積巖由于形成時(shí)的環(huán)境和風(fēng)化環(huán)境較為類似。所以，沉積巖較其他兩大類巖石的抗風(fēng)化能力普遍較強(qiáng)。

地質(zhì)構(gòu)造也是風(fēng)化條件的影響因素。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)風(fēng)化作用的影響主要體現(xiàn)在巖體受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用時(shí)，巖層受擠壓、拉升造成巖體出現(xiàn)斷層、節(jié)理、裂隙。巖石節(jié)理、裂隙的出現(xiàn)增加了水、空氣和溫度的流通量，提高了接觸面積。而接觸面積的增加會(huì)提高化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致巖體的抗風(fēng)化能力降低。

除了上述影響因素外，還包括氣候條件。氣候條件對(duì)風(fēng)化的影響集中體現(xiàn)在氣溫變化、降水量。氣溫條件的不同會(huì)直接影響化學(xué)反應(yīng)速率，氣溫條件還影響風(fēng)化作用的類型。在干旱而寒冷的氣候條件下，往往是以物理風(fēng)化作用為主，風(fēng)化作用后的產(chǎn)物也不徹底；而在潮濕而溫暖的氣候條件下，是以除物理風(fēng)化作用的另外2 種風(fēng)化作用為主，巖石經(jīng)過風(fēng)化后形成潮濕且較厚的土壤層。降雨量增多同時(shí)也會(huì)對(duì)風(fēng)化作用的加快起促進(jìn)作用，且降雨量充足、溫度適宜的條件下生物大量繁殖，生物風(fēng)化作用明顯增強(qiáng)。

3.3 風(fēng)化作用的特征

巖石風(fēng)化作用的復(fù)雜性往往造就了巖石風(fēng)化作用的表現(xiàn)也錯(cuò)綜復(fù)雜。在物理風(fēng)化作用、化學(xué)風(fēng)化作用和生物風(fēng)化作用下表現(xiàn)出不同的特征。

物理風(fēng)化作用下巖石的特征通常是因巖石受溫度熱脹冷縮、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致巖石的整體性遭到破壞，以至巖體破壞，體積增大，巖石孔隙率增加，并通常伴隨巖體的組織結(jié)構(gòu)、構(gòu)造改變。這種改變除了在巖體的外觀上發(fā)生變化外，也表現(xiàn)在巖石物理力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)上。對(duì)于物理力學(xué)性質(zhì)，原巖破碎、變形加劇，導(dǎo)致巖石的彈性模量、聯(lián)結(jié)力降低，抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等巖石參數(shù)值減??；同樣的，水理性質(zhì)的改變也是由風(fēng)化作用引起的巖體孔隙率增加，巖體破碎，造成巖體單位吸水量升高，促使巖石質(zhì)量指標(biāo)、軟化系數(shù)和滲透系數(shù)等參數(shù)值的降低。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)指標(biāo)所包含的物理意義不盡相同，但是，兩者間存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系。各種不同風(fēng)化作用所造成物理力學(xué)性質(zhì)、巖體水理性質(zhì)的改變相差無幾，故下文不做贅述。

相別于物理風(fēng)化作用，化學(xué)風(fēng)化作用會(huì)伴隨著次生礦物的形成。這使得風(fēng)化后的巖石顏色可能會(huì)發(fā)生改變，次生礦物的形成則會(huì)導(dǎo)致巖體微觀結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的變化，這種變化往往在肉眼下是無法識(shí)別的。與上述物理風(fēng)化作用一樣，化學(xué)風(fēng)化作用會(huì)致使巖體的體積發(fā)生變化。

生物風(fēng)化作用后的巖體特征與化學(xué)風(fēng)化作用下的巖體特征基本一致。

3.4 風(fēng)化作用的生態(tài)防治技術(shù)

傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)措施坡面墻、噴漿防護(hù)等，雖然能夠起到對(duì)邊坡的加固和防護(hù)作用，但忽略了工程施工的生態(tài)環(huán)境保護(hù)這一重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。所以，在確保邊坡穩(wěn)定性為前提的原則下，主要考慮對(duì)邊坡進(jìn)行生態(tài)防護(hù)和工程結(jié)合的方法。

在保證邊坡穩(wěn)定性的前提下才可以對(duì)邊坡的生態(tài)環(huán)境防護(hù)進(jìn)行使用，以安全系數(shù)1.25 為安全閾值，小則需要做工程防護(hù)措施，大則可以直接進(jìn)行生態(tài)防護(hù)。由于碳質(zhì)砂巖的風(fēng)化作用主要表現(xiàn)在邊坡的淺表層，而生態(tài)防護(hù)一般是利用植物對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，屬于弱防護(hù)措施，應(yīng)在考慮工程安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下適當(dāng)放緩坡比。

在首先保證邊坡安全的前提之下，豐富邊坡生態(tài)防護(hù)多樣性、增強(qiáng)藝術(shù)內(nèi)容、降低經(jīng)濟(jì)投入同時(shí)應(yīng)該考慮固碳、降塵、凈化空氣的功能。

生態(tài)防護(hù)的耕植方法要根據(jù)工程所在地區(qū)的地形地貌、水文地質(zhì)條件等眾多影響因素，選擇合適的耕植方法、植物和養(yǎng)護(hù)方式等。邊坡的生態(tài)防護(hù)還要考慮邊坡生態(tài)防護(hù)的植物是否可能對(duì)其他當(dāng)?shù)氐闹参镌斐蓢?yán)重的危害，做到因地制宜。

邊坡生態(tài)防護(hù)的主要目的是防止邊坡的沖刷剝蝕、風(fēng)化作用以及美化環(huán)境等。應(yīng)同時(shí)采用多種植物相互防護(hù)的原則，盡量做到多種類型植物搭配，易于植物的生長、利于長期防護(hù)。

4 討論

本文以貴州玉石高速公路TJ06標(biāo)段高邊坡施工為工程背景。貴州玉石高速公路所在工程區(qū)域主要巖性為中風(fēng)化碳質(zhì)砂巖，碳質(zhì)砂巖本身工程地質(zhì)性質(zhì)不佳，加上該地區(qū)碳質(zhì)砂巖含有中等膨脹性的伊利石/蒙脫石的混層礦物。在不利工況下容易產(chǎn)生崩塌、落實(shí)及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響到了高邊坡施工安全和整體工程進(jìn)度，甚至還會(huì)大大增加工程成本。

其中，風(fēng)化作用是影響邊坡整體穩(wěn)定性不可忽視的影響因素之一。本文按照風(fēng)化作用的3 種類型，探討了3 種風(fēng)化類型的區(qū)別與基本特征；以多源因素分析了各因素對(duì)巖石風(fēng)化作用的影響；分析了不同風(fēng)化類型下的巖石風(fēng)化作用特征。對(duì)工程項(xiàng)目碳質(zhì)砂巖高邊坡風(fēng)化作用研究能夠判斷該工程區(qū)域以何種風(fēng)化作用為主，并且采取針對(duì)性的工程和生態(tài)防治結(jié)合的防護(hù)措施。所以，結(jié)合前人的研究結(jié)果，探討并分析風(fēng)化作用對(duì)碳質(zhì)砂巖高邊坡的影響，采用生態(tài)防治技術(shù)來處理風(fēng)化作用的同時(shí)解決工程施工的生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題，能夠在高邊坡施工過程中從各方面提高工程施工安全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性。

5 結(jié)論

高邊坡穩(wěn)定性受各種因素共同作用，除內(nèi)在的巖性、礦物成分、節(jié)理和裂隙等因素外，外在因素地下水、人為活動(dòng)和風(fēng)化作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性也有重要影響，要利用生態(tài)防治技術(shù)處理風(fēng)化作用。

風(fēng)化作用通過降低巖石強(qiáng)度、增大巖體內(nèi)部裂隙和改變巖體礦物成分等作用于高邊坡的穩(wěn)定性。盡管巖石風(fēng)化的類型有所差異，但風(fēng)化作用后巖石的特征整體表現(xiàn)一致。且自然條件下的巖石風(fēng)化作用本身就是相輔相成的。風(fēng)化作用對(duì)邊坡的作用是普遍存在的，但是，風(fēng)化作用對(duì)邊坡的影響僅限淺層。對(duì)邊坡整體的威脅主要在于改變邊坡形態(tài)和流水路徑，如，使邊坡下部易風(fēng)化巖體部分被掏空，形成墜落式危巖。常見的傳統(tǒng)防護(hù)措施只考慮邊坡穩(wěn)定性，并未考慮生態(tài)環(huán)境方面的防護(hù)，利用生態(tài)防治技術(shù)可以補(bǔ)充傳統(tǒng)工程的不足，解決工程施工的生態(tài)保護(hù)這一重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。