第三系粉砂质泥岩风化特性.pdf

第三 系粉砂质泥岩 风化特性 吴启红 ，徐 青，彭振斌 ，彭文祥 ，尹 泉 1 中南大学地学与环境工程 学院长沙 4 1 0 0 8 3 2 江 苏省地质 调 查研 究 院，南京 2 1 0 0 1 8 R e V 1 e w 摘要为研究第三 系粉砂质泥岩 的风化特性，通过不 同的试验，对不同风化程度 的粉砂质 泥岩岩体 分别进行工程特性、风化耐久性 和风化速度研究。通过 测试风化岩体的矿物成分、化学成分及物理力学性质来对其工程特性进行研究：通过抗压强度试验、软化崩解 性试验对其风化耐久性进行研 究；通过对所 处 4种不同环境的风化岩石 的观测试验来对其风化速度进行研究。试验结果表明：随着 岩体风化程度的加深，岩石 中黏土矿物含量增加，活动性强的化学成分相对减 少，岩石干密度 降低、总孔隙度和吸水率增大，力学性 能降低。岩体更容易软化崩解。岩石的风化速率与 自身的风化状态和暴露的面积有关。关键词 第三系；泥质粉砂岩；工程特性；风化耐久性；风化速度 中圈分 类号P 6 4 2 3 文献标识码A 文章缩号 1 0 0 0-7 8 5 7(2 0 1 0)0 6 0 0 6 5-0 4 S t u d y o n t h e W e a t h e r i n g Ch a r a c t e r i s t i c s o f Te r t i a r y Pe l i t i c S i l t s t o n e WU Q i h o n g ，X U Q i n g ，P E N G Z h e n b i n ，P E N G We n x i a n g ，Y I N Q u a n 1 S c h o o l o f G e o s c i e n c e a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g)；C e n t r d S o u t h U n i v e r s i t),C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3,C h i n a 2 G e o l o gic a l S u r v e y ofa n g s u P r o v i n c e，Na n j i n g 2 1 0 0 1 8,C h i n a A 阳c I T o s t u d y t h e w e a t h e rin g c h a r a c t e ri s t i c s o f t e r t i a r y p e l i t i c s i h s t o n e e a c h s i l t y mu d s t o n e wi t h d i f f e r e n t w e a t h e ri n g d e g r e e s i s a n a l y z e d i n ma n y d i f f e r e n t e x p e r i me n t a t i o n s T h e r e s e a r c h i n g fi e l d s i n v o l v e i t s e n g i n e e r i n g c h a r a c t e ri s t i c s，w e a t h e r i n g d u r a b i l i t y a n d we a t h e ri n g s p e e d T h e e n g i n e e rin g c h a r a c t e ris t i c s we r e r e v e a l e d b y t e s t i n g mi n e r a l c o mp o s i t i o n，c h e mi c a l c o mp o s i t i o n a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r o c k ma s s w i t h d i f f e r e n t w e a t h e r i n g d e g r e e s T h e we a t h e ri n g d u r a b i l i t y wa s s h o w n b y t e s t i n g c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s l a k e d u r a b i l i t y o f d i ffe r e n t r o c k s a mp l e s T h e w e a t h e r i n g s p e e d wa s d e t e r mi n e d i n f o u r d i ff e r e n t e x p e r i me n t a l c o n d i t i o n s f o r t h e w e a t h e r i n g r o c k The t e s t r es u l t s s ho w t h a t wi t h t h e g r o wt h o f we a t he ring d eg r e e o f t h e r o ck n l a s s，t h e c o n t e nt o f c l a y mi ne r a l s i n t h e r o c k ma s s i n cr ea s e s，t h e c h e mi c a l c o mp o s i t i o n wi t h h i g h a c t i v i t y i n t h e r o c k ma s s d e c r e a s e s r e l a t i v e l y，t h e d r y d e n s i t y o f t h e s i l t y mu d s t o n e d e c r e a s e s，t h e t o t a l p o r o s i t y a n d t h e wa t e r a b s o r p t i o n r a t e o f t h e s i l t y mu d s t o n e i n c r e a s e s，t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a r e w e a k e n e d，a n d t h e r o c k ma s s b e c o me s e a s y t o s o f t e n a n d c o l l a p s e At t h e s a me t i me，t h e w e a t h e rin g s p e e d o f t h e r o c k ma s s i s r e l a t e d t o t h e we a t h e r i n g d e g r e e a n d t h e e x p o s e d a r e a o f t h e r o c k ma s s T h e r e s e a r c h fi n d i n g s p r o v i d e s o me t h e o r e t i c a l b a s i s f o r u n d e r s t a n d i n g t h e T e rti a ry P e l i t i c S i h s t o n e a n d s o l v i n g r e l a t e d p r o b l e ms i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g Ke y wo r d s t e rt i a r y；s i l t y mu d s t o n e；e n g i n e e rin g c h a r a c t e ri s t i c s；we a t h e r i n g d u r a b i l i t y；we a t h e r i n g s p e e d 0 引言 第三 系粉砂质泥岩，红褐色或褐红色，风化色为暗灰红 色，粉砂泥质碎屑结构，薄层至块状构造，主要矿物为黏土矿 物、石英、赤铁矿，泥质、铁质胶结。室内显微镜观察、X射线光 粉晶衍射分析、扫描电子显微镜分析显示其具有 以下特征：碎 屑物 粒 度介 于 0 0 5 0 5 0 ram之 间 含 量 为 7 5 9 0 黏 土 矿物 多 呈 片 状，铁 质 物 多 沿 近平 行 的微 细 裂 隙 充 填，具微 层 理构 造 1。第三系粉砂质泥岩为干旱条件下形成 的内陆湖相沉积 的碎 屑岩，岩层 形成 时 代较 晚、成岩 程 度 不高，失水 易 收缩 开 裂、遇水则膨胀湿化崩解。其另一特征是裂隙和孑 L 隙(含微 裂隙和微孔 隙)比较发育，这与岩石原生结构的颗粒排列有 收 稿 13期：2 0 0 9 1 0 3 0 基金项 目：国家 自然科 学基金项 目(5 0 8 7 8 2 1 2)；湖 南省企业博士后专项基金 项 目(2 0 0 7 1 3 8)作者 简介：吴启红，博 士研 究生，研 究方 向为地质 工程、岩土 工程 的勘 察、设 计与研 究，电子信 箱：w q h 1 0 1 6 1 2 6 C 0 12 1；彭振斌(通信作者)，教授，研 究方向 为地质工程、岩土工程的教学和科研，电子信 箱：z b p 9 0 4 0 s i n a c o n 科 技 导 报 2 01 0，2 8(6)6 5 R 豢 e V 1 e W 关，也 与力学扰 动和 水分 变化导致 的颗 粒重 排列有 关。由于第 三 系粉 砂质 泥 岩所 含 的可溶 性 物质 较 多，透水 性 较差、含水较多，因而比较软弱，为软岩。1 风化岩体的工程特性研究 岩体 风化的过程是岩体在经受风化营力作用后裂纹扩 展、裂隙加宽加长并贯通、新裂隙产生和岩体结构发生变化 的过程，也是岩石原有矿物组成、化学成分、物理力学性质和 水理性质发生改变的过程(如表 l、表 2)。岩体风化的结果是 使岩体的强度和稳定性大大降低。1 1 岩矿 分析 由表 1可以看 出粉砂质泥岩随着风化程度的加深，岩石 表 1风化岩石矿物成分 Ta b l e 1 Mi n e r a l c o mp o s i t io n o f we a t h e r i n g r o c k 中的伊利石、褐铁矿和铁质 含量均有所增加，其 中黏土矿物 及次生矿物等含量也随之增加。1 2化学成 分分 析 由表 2可 以看 出，岩石 由微 风化 状 态风 化 为全 风化 过程 中 化 学 成 分 的 变 化 趋 势 与各 金 属离 子 活动 性 强 弱 有 关 F e O 、A l 2 0 、有机质等活动性弱的化学成分含量均相对增加，而一 些 活 动 性 强 的化 学 成 分 如 N a 2 0、K 2 O、C a O、Mg O 等含 量 则 相对 减少 1 3物理力 学性 质 试验结果表明，随着风化程度的加深，岩石干密度降低、总孔隙度和吸水率增大(表 3)。同时风化作用破坏了岩石颗 粒 问的联结，产生和加剧了岩体 的裂隙化、降低结构面 的粗 糙程度、削弱岩体整体力学性能I 3 I。在 试 验方 向、含 水 状 态相 的同 时 岩 石 由微 风化 一 弱 风 化一 强风化，其天然单轴抗压强度以及抗拉强度均逐渐降 低 表 3风化岩体物理力学性质 T a b l e 3 Me c h a n ic a l p r o p e r t i e s of we a t h e r i n g r o c k 2风化 耐久性研 究 2 1 抗压强 度试验 代表性岩石在烘干一浸水一烘干循环中抗压强度的变 化见表 4。结果表明：岩石吸水率(含水量)增加，其强度逐渐 降低，岩石经过多次干湿循环后，在含水量较低状态下的天 然 单轴 抗 压 强度 甚 至 低 于未 经 干湿 循 环 的 天 然单 轴 饱 和抗 6 6科技导报 2 0 1 0，2 8 f 6)压强 度。2 2软化 崩解性 试验 取 1 0块岩石试块为一组，分别制成 4 0 6 0 g试样，置于岩 石耐崩解试验仪中进行试验 5-9 1，结果见表 5。从表中可以看 出，不同风化程度的岩石，其破坏特征不同，岩石风化程度越 深则越易于崩解破坏；随着岩石风化程度的加深，岩石抗软 表 4代表性岩石的风化耐久陛抗压强度试验 结果 Ta b l e 4 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o f we a t h er i n g d u r a b i l i t y o f t h e r e p r e s e n t a t i v e r o c k 素 eV 1 eW 风化 试验 耐崩解性 样 品特征 程度 组数 指数 试验前 试验后 抗崩解性 化崩解的能力降低。风化作用促使岩体 的优 良性质减弱，不 良性质加强，力学强度逐渐降低，岩体的工程性能明显变差。由于岩 石 内含 有膨 胀 性 的黏 土 矿物，当 岩石 浸水 后，亲 水性 矿 物吸 附水 分 而引 起 岩石 膨 胀 变形，导致 岩 石崩 裂；同 时由于岩石 内部存在空隙，局部含有可溶盐类，浸水后，盐类 溶解使岩石内部形成连通的“空洞”，形成水分子通道，进一 步加剧岩石的膨胀变形崩解。3风化速度研究 对岩石进行以下试验l l叫：室内模拟干湿循环岩石风化 速度 观测；四面临空岩石(室外模 拟)风化剥 落量观测；侧 向约束岩石(室外模 拟)风化剥落厚度观测；边坡 岩 石(自然状态)风化剥落厚度观测。各试验结果见表 6 表 9。从 试 验结 果 可 知，随 着 岩石 风 化 程 度 的加 深 发 生 了初 裂一巨裂一碎化的破坏过程：岩石风化速度与时间及降雨量 表 6室内模拟干湿循环岩石风化速度观测成 果表 Ta b l e 6 We a t h er in g v e l o c it y o f t h e r ep r e s e n t a t i v e r o c k i n i n d o o r s i mu la t i o n o f a lt e n a t e we t t i n g a n d d r y i n g 表 7四面临空岩石(室外模拟)风化剥落量与时 间及降雨量的关系 Ta b l e 7 Re l a t io n a mo n g we i g h t o f we a t h e r i n g r o c k s c a l i n g o ff i n a i r t i me a n d r a i n f a l l i n o u t d o o r s imu l a t i o n 时 间 d 31 3 O 2 9 3 3 3 0 2 9 3 0 3 0 3 0 3 0 31 3 0 时间段内降雨量 ra m 1 9 8 7 1 5 3 2 3 3 8 2 5 3 6 4 2 9 1 3 2 4 0 7 2 2 1 2 2 3 1 6 2 8 8 1 9 0 2 l 1 3 6 强 风化 3 5 9 1 8 3 1 2 6 5 0 7 4 3 5 9 9 1 1 3 5 1 剥 落碎化 一 一 一 剥落量 g 弱风化 0 1 9 1 6 1 3 4 1 8 4 1 3 7 4 0 4 6 2 2 1 0 7 1 1 3 2 1 剥落碎化 微 风化 0 0 1 1 1 2 31 7 4 1 1 9 2 3 4 2 5 6 3 1 2 3 0 4 4 1 3 科 技 导 报 2 0 1 02 8(6)6 7 e v l e w I 表 8侧向约束岩石(室外模拟)风化剥落量与时间及降雨量关系 Ta b le 8 Re l a t i o n a mo n g we i g h t o f we a t h e r in g r o c k s c a l i n g o ff r o c k wit h a t e r a l r e s t r a i n t，t i me a n d r a i n f a l l in o u t d o o r s i mu la t i o n 时 间 d 3 1 3 O 2 9 3 3 3 O 2 9 3 0 3 0 3 0 3 O 3 1 3 O 时间段内降雨量 m m 1 9 8 7 1 5 3 2 3 3 8 2 5 3 6 4 2 9 1 3 2 4 0 7 2 2 1 2 2 3 1 6 2 8 8 1 9 0 2 1 l 3 6 强 风 化 1 0 2 3 2 6 3 3 3 6 4 9 9 1 1 1 7 1 4 7 1 8 6 1 9 1 2 2 1 剥落量儋 弱风化 0 5 1 0 1 5 2 1 2 9 6 7 8 1 9 2 1 0 1 l 3 3 1 5 2 微 风 化 0 3 5 7 1 1 2 0 41 5 3 6 6 7 4 7 6 1 0 3 表 9边坡岩石 自然状态)风化剥落量与时间及 降雨量关系 T a b le 9 Re l a t i o n a mo n g we i g h t o f we a t h e r in g r o c k s c a l i n g o ff roc k wit h a t er a l r e s t rain t，t i me a n d r a i n f a l l i n n a t u ral c o n d i t io n s 时 间 d 3 1 3 0 2 9 3 3 3 0 2 9 3 0 3 0 3 0 3 0 3 1 3 0 时间段内降雨量 m m 1 9 8 7 1 5 3 2 3 3 8 2 5 3 6 4 2 9 1 3 2 4 0 7 2 2 1 2 2 3 1 6 2 8 8 1 9 0-2 1 1 3 6 强 风 化 2 3 3 6 4 7 5 1 5 9 7 2 1 0 6 1 2 8 1 6 4 1 9 7 2 1 1 2 2 6 剥落量 弱风化 0 1 0 1 5 2 1 3 7 4 6 8 1 9 9 1 0 7 1 3 3 l 3 1 1 4 6 微 风 化 0 7 1 1 1 3 1 9 2 6 5 1 6 7 7 6 9 5 1 0 6 1 2 6 的关系密切，岩石呈微风化状态时，其力学强度较高，较完 整，降雨对其风化剥落量影响不明显：岩石风化呈弱一强风 化状时，裂隙化程度深，岩石风化剥落受降雨量的影响便逐 渐显著，同时岩石风化有加速 的趋势；在 3种试验状态下，四 面临空状态下风化速度最大 自然状态下次之，侧向约束状 态风化速度最慢，说明岩石暴露 面积越大 其受各种风化营 力的破坏及影响越大，其风化速度则越快。4结 论 由于 自身 沉积 环 境、矿 物成 分 和 微结 构 的特 点 白垩 系 泥质粉砂岩强度低、抗风化能力低且易崩解。随着岩体风化 程度的加深，岩石 中的伊利石、褐铁矿和铁质含量均增加，活 动性强的化学成分减少，岩体的强度和稳定性大大降低，岩 石干密度降低、总孔隙度、吸水率增大，岩石抗软化崩解 的能 力降 低。岩石风 化速 度 与时 间及 降雨 量 的关 系密 切 岩 石 风化 呈 弱一强风化状时，裂隙化 程度深，岩石 风化剥落受 降雨量的 影响便逐渐显著，岩石暴露面积越大，其受各种风化营力 的 破坏及影响越大，其风化速度则越快。参 考文献(Re f e r e n c e s)1 彭柏兴，王星华 湘浏盆地红层软岩 的几个岩土工程问题 J I 地下空 间与工程学报，2 0 0 6，2(1)：1 4 1 1 4 4 P e n g B a i x i n g，Wa n g Xi n g h u a C h i n e s e J o u r n d o f U n d e r g r o u n d O tC C a n d E n g i nee r i n g,2 0 0 6，2(1)：1 4 1 1 4 4 【2】杨宗才，张俊云，周德 培 红层泥岩边坡快速风化特性研究f J 岩石力 学与工程学报，2 0 0 6，2 5(2)：2 7 6 2 8 3 Ya n g Z o n g e a i，Z h a n g J u n y u n，Z h o u D e p e i C h i nes e J o u r n o l of R o c k Me c h a n i c s a n d E n gin e e r i n g,2 0 0 6，2 5(2)：2 7 6 2 8 3 f 3】工 程地质 手册 编写委员会 工程地质手册(第四版)Ml北京：中国 6 8科技导报 2 0 1 0，2 8(6)建筑工业 出版社 2 0 0 7 T h e C o m p i l a t i o n C o mmi t t e e o f E n g i n e e ri n g G e o l o g y Hand b o o k E n gi n e e ri n g g e o l o g y h a n d b o o k M 4 t h e d B e ij i n g：C h i n a Ar c h i t e c t u r e and Bu i l d i n g P r e s s，2 0 0 7【4 喻泽红，魏红卫，邹银 生 加筋红砂岩风化土强度和变形特性IJ J 岩石 力学与工程学报 2 0 0 5 2 4(1 5)：2 7 7 0 2 7 7 9 Y u Z e h o n g We i H o n g w e i Z o u Y i n s h e n g C h i nes e J o M o f R o c k Me c h a n ic s and E n ginee r i n g,2 0 0 5，2 4(1 5)：2 7 7 0-2 7 7 9 5 赵明华，苏永华，刘 晓明 湘南红砂岩崩解机理研究【j】湖南大学学报：自然科学版，2 0 0 6。3 3 f I)：1 6 1 9 Z h a o Mi n g h H a，S u Y o n g h u a，L i u Xi a o m i n g J o u r n a l of H u n a n U n i v e r s i t y：N a t u r a l S c i e n c e s，2 0 0 6，3 3(1)：1 6-1 9 6】余宏明，胡艳欣，张纯根 三峡库区 巴东地 区紫红 色泥岩的崩解特性 研究I J J 地质科技情报，2 0 0 2，2 1(4)：7 7 8 0 Y u Ho n g mi n g，H u e Y a n x i n，Z h a n g C h u n g e n G e o l o gi c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n f o r ma t i o n，2 0 0 2，2 l(4)：7 7-8 0 7】G B 5 0 0 2 1 2 0 0 1 岩 土工 程勘 察规 范 S】中华 人 民共 和 国建设 部，2 o o 2 G B 5 0 0 2 1 2 0 0 1 C o d e f o r i n v e s t i g a t i o n o f g e o t e c h n i e a l e n g i n e e r i n g S Mi n i s t r y o f C o n s t r u c t i o n P e o p l e s Re p u b l i c o f Ch i n a，2 0 02 8 中华人 民共 和国建设 部 G B T 5 0 2 6 6 9 9工程 岩体试验方法标准【S】1 99 9 Mi n i s t ry o f Co n s t r u c t i o n P e o p l e S Re p u bl i c o f Ch i n a GB T 5 0 2 6 69 9 S t a n d a r d f o r t e s t s m e t h o d o f e n g i n e e ri n g r o c k ma s s e s S 1 9 9 9 【9 陈科平 高速公路边坡稳定性模糊评价及加固治理研究【D】长沙：中 南大学地学与环境学院 2 0 0 7 Ch e n Ke p i n g S t u d y o n f u z z y e v a l u a t i o n for s t a b i l it y a n d r e i n f o r c e me n t t e c h n i q u e o f e x p r e s s w a y s l o p e D C h a n g s h a：C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y，S c h o o l o f Ge o s c i nc e a nd En v i r o n me n t，2 0 0 7 【l O 钟 凯，刘爱萍，谢强 红层边坡 风化剥落过 程的调查 与试 验研究f J 路基工程 2 0 0 0(4)：5 3 5 6 Z h o n g K a i，L i u A i p i n g，X i e Q i a n g S u b g r a d e E n g i nee r i n g,2 0 0 0(4)：5 3 5 6(责任蝙辑岳 臣)