川中紅層巖體結構裂隙發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. 中鐵二院工程集團有限責任公司土建二院， 成都 610031； 2. 成都理工大學環境與土木工程學院， 成都 610059； 3. 中國國家鐵路集團有限公司設計鑒定中心， 北京 100844； 4. 西南交通大學土木工程學院， 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，其強度低、抗風化能力和水理性差的特征是造成紅層滑坡、邊坡失穩、路基不均勻變形和隧道圍巖大變形的重要原因，長期以來備受巖石力學科研工作者和工程師的關注，解決了一些傳統的工程問題[1-8]。近年來，高速鐵路紅層軟巖深挖路塹路基持續性超限上拱變形，成為西南地區高速鐵路建設的又一關鍵問題，開始受到廣泛關注[9-11]。西成、成貴和成渝客專紅層區多個開挖路基或隧道工點出現長期上拱超限變形病害[12]，內江北站兩段開挖路塹路基出現持續超限變形上拱最為典型，致使列車降速至80 km/h運行，并且不得不斥巨資返工整治。

紅層巖體受成巖、構造、剝蝕和卸荷作用影響，其裂隙結構發育復雜。巖體結構裂隙及其特征又是決定巖體工程特性的關鍵因素。因此，開展紅層軟巖精細化結構及物理力學性能研究，揭示紅層巖層深挖路塹型路基持續上拱變形的內在機理，成為紅層地區高速鐵路建設的迫切需求。

結構裂隙發育長度、產狀及形態等特征參數的測量、統計和分析，是工程巖體結構研究的重要工作。對裂隙的描述多利用裂隙斯密特等密度圖、玫瑰花圖、極點圖和統計直方圖等方法。伍法權[13]較早開展了巖體裂隙統計分析的相關研究，系統總結了巖體節理裂隙統計分析方法；韓小良[14]提出聚類分析法被運用于長江三峽水庫區巖體裂隙網格模擬；Oda[15]提出了同時考慮裂隙分布密度、尺寸和傾角的幾何結構張量的統計分析方法。巖石內這些隨機發育、不同尺度的裂隙是造成其力學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試驗結果分析認為，水-應力-裂隙三者之間的相互作用會加速軟巖變形破壞的速度和進程，且影響軟巖局部破壞的力學特性、各發展階段持續的時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理對邊坡穩定性的影響特征及其工程應對措施。

然而，上述研究都只是針對某一尺度巖體結構裂隙發育特征進行統計分析。巖體長期地質歷史時期內曾經受過多次構造作用，形成了不同尺度及特征的結構裂隙，其分布復雜，網絡狀是其主要發育特點。對巖體裂隙網絡的尺寸效應一直都是裂隙巖體力學研究的一個重要課題[17-20]。巖體結構裂隙多尺度發育規律分析可以更有效地研究巖體裂隙網絡結構，從而達到對巖體結構和工程特性的精細化研究。根據四川盆地紅層巖體結構特征、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，現提出的大尺度(宏觀)裂隙指長度大于100 cm切層節理或者貫通層面；中尺度(中觀)裂隙指長度介于5～100 cm，發育于單層泥質砂巖內或泥巖層內的少數切穿單層的節理；小(細觀)尺度裂隙指長度1～5 cm，發育于泥巖層或砂巖夾層內部的網絡狀基體裂隙。

為此，現針對成渝客運專線內江北站(以下簡稱內江北站)地區紅層開挖路塹邊坡結構，現場實測獲取原位巖體不同尺度結構裂隙信息，對紅層巖體節理裂隙發育特征、巖體結構特性和沉積地質環境進行分析。為川中紅層巖體結構特性的深入研究提供參考，也為區內重要工程建設和病害處理提供理論和技術支持。

1 工程地質環境概述

紅層主要是高氧化環境沉積的泥巖夾砂質泥巖層，或者富含鐵氧化物的風化層。含有三價鐵氧化物，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]。成渝客運專線內江北站的紅層泥質巖路塹邊坡，是川中最具有代表性的典型紅層巖體。該區域構造作用輕微，川中除龍泉山和威遠穹窿構造區外無大的斷層發育，巖層一般發育兩組近正交的陡傾節理，是控制路塹邊坡變形破壞的主要裂隙面。

裂隙測繪區域地形屬于丘陵區，相對高差多在30～100 m，山丘常呈剝蝕型渾圓狀，局部因泥質砂巖夾層崩塌型演化成3～10 m高的陡坎或陡壁。地質構造方面，主要為近水平褶皺構造，巖層呈現近水平的緩波狀特征，剪切節理不甚發育，層理清晰，層面尚有壓刻痕殘留。孟召平等[21]的研究顯示，中侏羅世時期以資陽-內江-瀘州一帶形成了典型的濱湖亞相沉積環境。對向下凹陷地層結構進行觀察，可見數十米至數百米寬的古河道沉積環境痕跡。Chen等[22]的研究表明，地層中的綠灰色粉砂巖夾層，是湖泊環境的沉積物，內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，極易產生差異風化和漸進性失穩剝落，其特征見圖1，位置見圖2。

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

2 紅層路塹邊坡巖體結構裂隙特征

內江高鐵北站區典型路塹邊坡長度約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，夾多層灰綠色泥質細砂巖，如圖3所示。

川中盆地紅層軟巖具有典型的宏觀結構和特殊的中觀及細觀結構特征。

其中，宏觀地質結構是沙溪廟組的紫紅色泥巖夾泥質細砂巖，遂寧組的鮮紅色泥巖層，蓬萊鎮組的紫紅色及條帶狀(個別團塊狀)雜色泥巖夾灰綠色泥質細砂巖地層，其節理面裂隙長度大于100 cm。中觀結構指灰綠色泥質粉砂巖層內，發育長度5～100 cm，以折線狀為主少許弧形的張性裂隙，與巖石塊體構成的結構；細觀結構指紫紅色泥巖中發育的長度小于5 cm，近似呈棋盤式網絡狀細小裂隙，與似豆腐塊狀的泥巖塊構成的結構。

圖1 差異風化特征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性較好，路塹開挖邊坡高度和傾角都較大。傳統工程巖體力學方法是現場實際測繪，目前已采用三維激光掃描或三維攝影及圖像處理技術。本邊坡為平面型邊坡，坡面基本規則，所以采用了配置標尺的平面攝影和典型區段結構裂隙實地測繪驗證的方法?，F場測繪時采用了高清數碼相機對整個坡體巖層進行連續拍攝，根據標尺實現整個邊坡影像的原始尺寸平面還原與重構，結果見圖3。利用AutoCAD對節理裂隙進行素描和統計，獲得巖體裂隙數據(圖3右上黃色虛線框部分)。

2.1 邊坡巖體宏觀結構裂隙發育特征

2.1.1 宏觀裂隙發育長度分布特征

將大于1 m的結構裂隙歸為宏觀裂隙，按照長度1～20、20～40、40～60、60～80、80～100和大于100 m段分組，統計各組條數，并計算各組裂隙組內平均長度，得到的結果如表1和圖4所示。宏觀裂隙中長度大于10 m的基本屬于層面，視傾角接近水平；裂隙長度小于10 m的多屬于構造剪切節理，視傾角為30°～50°，宏觀裂隙平均長度l與其發育數量n呈冪函數分布，相關系數R=0.955，回歸經驗公式為

n=144.185l-0.774

(1)

式(1)中：n為裂隙發育的數量，條；l為裂隙的平均長度，m。

圖3 典型砂巖層中細觀結構面測繪區Fig.3 Survey area of meso-structural plane in typical sandstone layer

表1 巖體宏觀裂隙長度及發育數量Table 1 The macroscopic fracture length and development quantity of rock mass

圖4 宏觀裂隙長度及發育數曲線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，紫紅色的泥質巖與紫綠色泥巖層厚度大，灰綠色的泥質砂巖層厚度小，泥質砂巖與砂泥巖呈交錯水平層狀分布。邊坡西側砂巖層中部不連續，沿邊坡走向的出現巖層尖滅現象，且尖滅方向相向，泥質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，長度數米至百米，厚度數厘米至數十厘米，層面呈斷續的弧形狀，局部發育數米至數十米長的切層構造剪切節理。結合前述四川盆地紅層地質環境及成因推測，該段邊坡地層應該屬于古河流環境沉積物。此外，泥質砂巖夾層厚度變化明顯，邊坡西北段底部泥質砂巖層厚度，由東南段向西北段逐漸增厚。其中一段泥質砂巖夾層被構造節理錯斷，分成4個部分，其他泥質砂巖夾層基本完整，根據斷面分析應該是后期地質構造節理錯動所致。邊坡整體為層狀結構，泥巖與泥質砂巖夾層呈互層或交錯關系，夾層厚度沿走向變化呈兩端尖滅狀透鏡體，這反映了沉積環境的動蕩性和物源類型變化的頻繁性[16]。

2.2 泥質砂巖層中觀裂隙發育特征

2.2.1 中觀裂隙發育長度分布特征

路塹邊坡巖體內的中觀裂隙信息的獲取與宏觀結構面裂隙相同。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系。自動獲取裂隙尺寸及其與y軸正向的夾角數據，再通過excel及origin等統計軟件對裂隙數據進行處理分析。這里以邊坡西北段巖層裂隙為重點進行描述分析。

將中觀裂隙按照5～15、15～25、…、95～100 cm進行分組，參考宏觀裂隙統計方法進行分析，裂隙長度與發育數量數據見表2和圖5。中觀裂隙平均長度l與裂隙發育數n呈冪函數分布，相關系數R=0.999，回歸經驗公式為

n= 370 205.795l-0.174 2

(2)

表2 巖體中觀裂隙及發育數量Table 2 Mesoscopic fracture in rock mass

圖5 中觀裂隙發育數與長度分布曲線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，中觀裂隙發育數量與其傾角的分布符合高斯分布，在60°～90°視傾角區間發育的裂隙較多，并隨傾角呈線性增加；在0°～60°視傾角區間發育的裂隙較少，發育數量變化不大。直方圖顯示裂隙發育數n與視傾角θ的統計高斯分布函數關系，相關系數R=0.938，回歸經驗公式為

(3)

式(3)中：θ為裂隙的視傾角，(°)。

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

測繪區中觀裂隙發育在典型泥質砂巖夾層內，抗沖刷和風化的能力較泥巖強。泥質砂巖夾層產狀近于水平狀，層面較為規則，切層裂隙發育，多數呈折線狀，裂隙面壁粗糙，顯示張性特征。

2.3 泥巖細觀裂隙發育特征

2.3.1 細觀裂隙發育長度特征

對泥巖中的細觀裂隙進行標尺拍照，貼入CAD圖上素描統計裂隙數量，現場設置20 cm×20 cm測量統計窗驗證。

按照1～1.5、1.5～2.0、…、4.5～5.0 cm長度段分組，統計表明細觀裂隙的平均長度l與裂隙發育數量n呈二次方多項式分布，結果見表3和圖7，R=0.992，回歸經驗公式為

n=-31.05l2-363.69l+2 992.1

(4)

相關系數與其他中等或堅硬巖層中細觀裂隙長度與數量發育情況有所差異，初步分析認為，中等或堅硬巖體細觀裂隙主要是構造成因，而軟弱紅層泥質巖內的細觀裂隙主要是干縮、熱脹冷縮和風化卸荷成因。

表3 巖體細觀裂隙及發育數量Table 3 Meso-fracture of rock mass

圖7 裂隙平均長度-發育條數分布曲線Fig.7 Distribution curve of average fracture length and number of fractures

2.3.2 細觀裂隙傾角及裂隙面特征

根據細觀裂隙測量數據，繪制傾角的直方圖(圖8)發現，細觀裂隙傾角發育與中觀裂隙傾角發育接近，服從高斯分布，相關系數R=0.99，回歸經驗公式為

(5)

細觀裂隙發育狀況較中觀宏觀裂隙發育均勻，裂隙發育數量與裂隙長度相關性更強。裂隙傾角多集中在60°～90°。反映了紅層軟巖結構裂隙發育的客觀規律。

圖8 細觀裂隙數傾角分布直方圖Fig.8 Histogram of microfracture number dip angle distribution

3 紅層巖體結構裂隙特征分析

巖體中裂隙產狀對其力學特性影響顯著[23-24]，對巖體裂隙發育走向、傾向和傾角分布采用極射赤平投影的傳統方法，效率極低，并且類似Oda的結構張量分析法等計算過程較為復雜，不便于實際工程應用。鐘志彬等[23-24]提出的裂隙幾何特征統計分析方法，考慮裂隙發育的長度以及角度相關性，對這兩個參數進行綜合分析，獲得裂隙網絡的綜合優勢角等定量參數，本段將借鑒該方法對不同尺度裂隙網絡的發育特征進行定量對比分析。

3.1 裂隙幾何特征分析原理

考慮裂隙的長度與傾角對巖石力學參數的影響，針對二維平面素描的裂隙情況，假設將各條裂隙的長度li都投影在某個方向θk上，此時裂隙網絡在θk方向上的投影總長度密度為

(6)

式(6)中：θi為裂隙切線方向與y軸豎向的夾角；αi為第i條裂隙與基準軸的夾角；N為裂隙總數；A為統計區域巖體表面積；li為裂隙的長度。

為進一步計算裂隙網絡優勢方向，給出幾何方向貢獻系數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為角度的等份數量，即投影方向；θk為m個投影方向中的第k個投影方向。

只要ξ(θk;li，αi)的值最大就可以確定最大的裂隙長度傾角的裂隙網絡優勢方向。從而，裂隙的綜合優勢傾角θp表示為

θp={θk|Max[ξ(θk;li，αi)]}

(8)

進一步可以通過計算ξ(θk;li，αi)的最小值與最大值的比值，獲得裂隙網格隨機率κ，公式為

(9)

κ∈[0，1]，κ越小表明裂隙發育的優勢方向性越明顯，越大則裂隙分布越均勻。

3.2 紅層巖體結構裂隙幾何特征分析

裂隙網絡幾何特征分析法原理就是將具有二維空間屬性的節理裂隙投影到不同的投影線上，在0°～90°的范圍內對不同投影方向下的網絡裂隙幾何貢獻率系數、裂隙的綜合優勢角θp和隨機率κ。將豎向y軸確定為參考主方向，將裂隙的傾角轉換成與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個角度區間，以不同的分析精度對砂巖層裂隙進行整體分析。計算最大ξmax和最小ξmin值并結合綜合優勢角θp和隨機率κ，判斷整個砂巖裂隙發育的優勢方向。計算結果如表 4所示，由于宏觀裂隙數量較少，優勢發育方向明確，這里僅對中觀和細觀裂隙進行分析。

采用裂隙傾角-長度密度云圖表達可得到如圖9所示的結果，圖 9(a)顯示中觀裂隙在75°～90°傾角和5.0～20.0 cm長度區域內分布密度最大，優勢方向為85°～90°。由圖 9(b)可以看出，細觀裂隙在45°～90°傾角和1.0～3.0 cm長度區域密度最大，優勢方向為75°～90°。細觀裂隙的傾角-長度分布密度比中觀裂隙分布密度明顯均勻得多。根據3.1節的分析方法，中觀裂隙優勢方向為85°～87°，細觀裂隙優勢方向為87°～90°，中觀裂隙網絡隨機率為0.38，細觀裂隙網絡隨機率為0.81，并且細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絡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育特征。

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

圖9 裂隙傾角-長度密度云圖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系數ζmax越小。裂隙發育的隨機率κ不隨等分角變化，得到的裂隙優勢角的差值僅為1.0%～4.0%，等分角劃分與裂隙隨機率和優勢角度評價指標大小基本沒有關系。實際工程應用時常采用5°就可以滿足精度要求。中觀裂隙和細觀裂隙的優勢角度分別為85°～87°和87°～90°，兩者差異較小。近豎向優勢發育角度特征表明，裂隙是在穩定的沉積環境及工程開挖卸荷應力作用下產生的張性裂隙，在該類裂隙網絡切割下，加之長期降雨入滲軟化作用，巖層將可能碎裂化，宏觀力學性能顯著降低，而泥質巖風化速度快，兩因素結合將進一步造成邊坡局部垮塌。

4 結論

(1)成渝客專內江北站區地層為四川盆地中典型紅層巖體，河流湖濱沉積環境，紫紅色泥巖和泥質砂巖為主，宏觀裂隙以層面和個別長度較大的構造小斷層構成，數量較少。裂隙長度與其發育條數呈冪函數分布。

(2)中觀裂隙基本發育在泥質砂巖或粉細砂巖層中，發育數量較多，多為切層張興裂隙。裂隙長度與其發育條數之間呈冪函數的統計關系。裂隙傾角與發育條數之間呈高斯分布函數的統計關系。

(3)細觀裂隙幾乎全部發育在泥巖層內，發育數量龐大，在泥巖層巖體中構成密集的網絡狀裂隙系統。裂隙長度與其發育條數之間呈二次函數的統計關系。裂隙傾角與發育條數之間呈高斯分布函數的統計關系。

(4)中觀和細觀裂隙陡傾，傾角集中范圍分別是75°～90°和85°～90°。中觀裂隙走向優勢方向為85°～87°，細觀裂隙走向優勢方向為87°～90°，中觀裂隙網絡隨機率(0.38)小于細觀裂隙網絡隨機率(0.81)。