基于試驗數據的嘉陵江紅層物理力學特征研究

劉云鵬，馬金根，鐘 果，張佑廷

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

在我國，紅層（redbeds）主要是指中生代以來即三疊系、侏羅系、白堊系和新生代古近系的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相等陸相碎屑巖，多以夾層互層出現，從外表來看主要顏色為紅色。一般認為是在炎熱干燥的古氣候環境條件下，由于氧化作用較為強烈，使碎屑礦物中的Fe2＋氧化成了Fe3＋，從而形成了紅色的外觀［1-2］。巖性有礫巖、砂巖和泥巖，以泥質膠結為主，也有鈣質或鐵質膠結。基本特點是形成時代新、成巖作用較差、所經歷的地質運動少、地質構造簡單、產狀平緩、軟硬相間，多屬較軟巖和軟巖類。

四川盆地一帶分布的紅層出露總面積約為30萬km2，素有“紅色盆地”之稱。本文中的“嘉陵江紅層”是指分布于嘉陵江流域（古四川盆地周邊山前）的一套砂巖與泥巖不等厚互層地層組合巖體。嘉陵江紅層的沉積建造是一個漫長的地質歷史過程，也伴隨著古四川盆地形成的過程，侏羅紀—白堊紀，古四川盆地為干熱氣候環境，因此，沉積了巨厚的嘉陵江紅層［3］。屬于內陸河湖相沉積，沉積物多以碎屑、黏土沉積為主，巖石碎屑多具棱角，分選性差，在水平方向上巖相變化大，含陸生生物化石。巖性上以紫紅及磚紅色泥巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥質砂巖為主，具有軟硬相間的工程地質特性，承載和變形穩定問題突出［4-8］，部分紅層巖體中形成的軟弱夾層，則對壩基或邊坡穩定性具有控制作用［9-11］。

本文中的試驗數據主要來源于蒼溪水電站、草街航電樞紐、金溪航電樞紐、老木孔航電工程、沙溪電航工程和上石盤電航工程等6個工程，參與統計的巖石（塊）的試驗數量總計約150余組，不同風化狀態巖性的試驗組數分布和不同地層的試驗組數分布見圖1-2。通過巖石試塊物理指標和力學指標的試驗結果統計，分析不同風化狀態和不同地質時代的巖石物理力學指標特征，重點是建立巖石的物理指標與抗壓強度及抗拉強度的相關性，為類似地區巖石物理力學特征的計算參數提供依據和參考。

圖1 不同風化狀態巖性的試驗組數

1 巖石礦物及巖體結構特性

嘉陵江紅層巖性單一，按照其物質組成與結構特征，可分為砂巖類和泥巖類兩類。根據嘉陵江紅層礦化成分分析，不管是砂巖類巖石還是泥巖類巖石，其化學組分基本相同，主要是SiO2，其次是Fe和Al的倍半氧化物及揮發物質，其中鐵氧化物和氫氧化物則是造成紅層之紅色的主要原因。

砂巖類巖性有砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖等；泥巖類巖性有泥巖、粉砂質泥巖。砂巖類大多為鈣質、泥質膠結，砂粒成分主要為石英和長石，含量在70%～90%，其次少量為巖屑（一般含量＜10%）。泥巖類在物質組成與結構上與砂巖類明顯不同。泥巖為泥質結構，物質以泥質物為主，少量鈣質、鐵質及粉砂粒級的巖屑，富含高嶺石、伊利石、蒙脫石和水云母等礦物，而伊利石、蒙脫石和水云母等礦物為親水性黏土礦物，最高含量可達80%以上。因此，泥巖類巖石強度低，抗風化能力弱，具有遇水軟化、崩解，失水開裂、剝落之特點。巖石中隨著砂粒（石英、長石等礦物）含量的增加，巖性逐漸過渡為砂質泥巖（一般認為砂質與泥質之比1／3～1／2），嘉陵江紅層中砂質泥巖分布較普遍。對于工程地質特性而言，泥巖的強度隨著砂質含量的增加而增加，而其膨脹性和水敏性則主要取決于伊利石和蒙脫石的含量，蒙脫石的含量對膨脹性影響最為明顯。

圖2 不同地層的試驗組數

嘉陵江紅層巖體形成時代較新，所經歷的地質運動較少，地質構造較為簡單，巖層近于水平或呈緩傾的單斜地層。多為層狀結構，層理發育，產狀平緩，常伴有平面“X”型節理構造。泥巖多呈薄層狀，砂巖多呈厚層狀或中厚層狀，介于泥巖和砂巖間的粉砂質泥巖和泥質粉砂巖的層厚與泥質含量有關，泥質含量越高，層厚越薄。

2 紅層試樣及指標選取

2.1 巖石試樣

按巖石試樣的巖性可將嘉陵江紅層巖石分為砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖4類；巖石的風化程度分為強風化、弱風化、微風化和新鮮4級。由此，可以獲得不同巖性和風化程度組合共計16種。但是，由于風化后的紅層巖體中裂隙較為發育、破碎，另外，泥質巖類巖石本身強度就很低，因此，在實際工程實踐中較難取得粉砂質泥巖和泥巖的強風化巖塊試樣，可以用于分析的試驗組數較少，無法對其進行數理統計分析。本次參與統計的巖石（塊）的試驗數量總計約150余組，其中砂巖包括強風化、弱風化、微風化和新鮮4種風化程度的數據；粉砂質泥巖包括了弱風化、微風化和新鮮3種風化程度的數據，而泥質粉砂巖則只包括弱風化、新鮮2種風化程度的數據。

這些試樣主要來源于四川盆地及周邊的嘉陵江流域的水利水電工程中的巖石，基本上代表了嘉陵江紅層的巖性特征，即砂巖類巖石（砂巖及泥質粉砂巖）成分主要以石英、長石及巖屑為主，膠結物（含雜基）主要為泥質物和鈣質物；泥巖類巖石（粉砂質泥巖及泥巖）成分主要以泥質物為主，其次是鈣質、鐵質以及粉（砂）粒級的巖屑（即粉砂屑）。

2.2 指標選取

從巖石的物理力學指標在工程應用中的作用來看，可分為物理指標和力學指標兩類，其中物理指標是表征巖石的固有物理特性，如天然密度、干密度、飽和吸水率、孔隙率等，前三者都為實測指標。其中，干密度不僅與組成巖石的礦物成分差異有關，還與礦物顆粒的排列組合形式、孔隙數量等巖石結構有密切聯系；飽和吸水率指標與巖石的孔隙體積及礦物成分的吸水性密切相關；孔隙率反映了巖石中孔隙體積的多少（如果要考慮裂隙，則應采用空隙率），為計算指標。

力學指標是巖石在外力作用下所表現出的強度值（工程實踐中，多采用室內試驗方式獲得，一般通過特定尺寸巖塊式樣，對其施加一定的外力，以試件破壞時的外力大小作為巖石的強度值），如抗壓強度、抗拉強度等。水利水電工程中，巖石的抗壓強度是取高徑比為2∶1的巖石試塊，對其施加單向軸向壓力，試件破壞時的壓力即為巖石的單軸抗壓強度，也稱為抗壓強度，并以巖石試塊飽水以后的飽和抗壓強度作為巖石強度分級的指標。

3 試驗成果統計分析

從統計意義上講，試驗數據統計過程中，一組測定值中與平均值的偏差超過3倍標準差的測定值，稱為高度異常的異常值。在處理數據時，將高度異常值予以剔除；另外，從物理意義角度，對于飽和抗壓強度大于30MPa的粉砂質泥巖與泥巖、飽和抗壓強度大于60MPa的泥質粉砂巖及飽和抗壓強度大于100MPa的砂巖數據也應予以舍去。

3.1 物理特性

通過數據統計，嘉陵江紅層巖石的主要物理特性指標如表1所示。

表1 嘉陵江紅層主要物理特性區間統計

從年代地層單位看，統計分析用嘉陵江紅層主要集中在侏羅系中統上沙溪廟組、侏羅系上統蓬萊鎮組、侏羅系上統遂寧組及白堊系下統蒼溪組。以新鮮風化程度條件下的3種主要巖性干密度等物理試驗指標為例（見表2）：新鮮砂巖的干密度為2.28～2.41g／cm3，比重2.62～2.69，普通吸水率2.32%～4.65%，飽和吸水率4.43%～5.69%，孔隙率9.77%～13.65%；新鮮泥質粉砂巖的干密度為2.48～2.56g／cm3，比重2.71～2.74，普通吸水率2.47%～4.63%，飽和吸水率3.89%～4.99%，孔隙率6.55%～7.50%；新鮮粉砂質泥巖的干密度為2.42g／cm3～2.54g／cm3，比重2.74～2.77，普通吸水率2.82%～4.93%，飽和吸水率3.28%～5.04%，孔隙率6.55%～7.31%。

由表2可見，相同風化程度、相同巖性但不同地質年代的紅層巖石的干密度及其他各項物理指標基本接近或大體處于相同水平，這反映了不同時代的嘉陵江紅層巖石主要形成于河湖相的相似沉積環境，其形成的巖石礦物成分及巖石結構基本相同。

表2 新鮮風化程度條件下嘉陵江紅層三種主要巖性的干密度與比重統計（平均值）

總體而言，干密度和比重具有隨顆粒變細逐漸變大的趨勢，而孔隙率卻逐漸變小。這與巖石顆粒的結構及膠結類型有一定關系，嘉陵江紅層砂巖及泥質粉砂巖為碎屑結構，而粉砂質泥巖與泥巖的結構為泥質結構（非碎屑結構），大部分為非晶質或隱晶質；同時，嘉陵江紅層的砂巖及泥質粉砂巖主要以孔隙膠結為主，少量為基底膠結，這與盆地陸相沉積環境長期的簸選動力條件特征相吻合。

一般而言，吸水率能有效地反映巖石中孔隙和裂隙的發育程度。泥質粉砂巖和粉砂質泥巖的普通吸水率一般大于砂巖，分析認為這與泥質粉砂巖和粉砂質泥巖所含的泥質物有關，泥質粉砂巖和粉砂質泥巖的泥質物一般為隱晶塵狀泥質，泥質物的礦物成分以伊利石或伊利石／蒙脫石混層礦物為主，而這類礦物具有表面大、親水性強、離子交換容量大等特性。但由于砂巖類的孔隙率一般大于泥質粉砂巖和粉砂質泥巖，因此，在真空或加壓狀態下的砂巖飽和吸水率則明顯表現為大于后兩者。

3.2 力學特性

巖石力學特征的基礎可以從固有的物理特性上反映出來，因此，巖石物理特性對其力學特性具有決定性影響。基于不用巖性對嘉陵江紅層巖石的力學指標進行統計分析，主要考慮了風化程度對巖石力學特性的影響。通過對比分析150余組嘉陵江紅層巖石（塊）試驗成果（見表3），可以得到各類紅層巖石力學指標的特點，具體如下：

（1）嘉陵江紅層巖石的強度低，以新鮮飽和抗壓強度（Rb）為標準評價巖石的堅硬程度，砂巖Rb=25.30～42.85MPa，軟化系數為0.44～0.67，屬于較軟巖～中硬巖，大多數為較軟巖；泥質粉砂巖Rb=8.82～26.2MPa，軟化系數為0.16～0.65，屬于軟巖～較軟巖；粉砂質泥巖Rb=7.28～12.82MPa，軟化系數為0.15～0.60，屬于軟巖。嘉陵江紅層巖石形成于侏羅紀～第三紀，這與三疊紀以前較老的沉積巖大多屬于中硬～堅硬巖石形成鮮明對比，具有時代較新、膠結差、膠結物以鈣質或泥質為主的特點。

（2）風化作用對同類巖石的強度具有較大影響。采用風化系數（風化巖石與新鮮巖石飽和抗壓強度的比值Kw=Rb風化／Rb新鮮）來衡量風化作用對巖石強度的弱化作用，根據表3統計成果，可得到嘉陵江紅層巖石的風化系數（見表4）。弱風化砂巖的Rb=19.1～33.6MPa，弱風化系數為0.6～0.78；弱風化泥質粉砂巖的Rb=8.24～19.6MPa，弱風化系數為0.75～0.88；弱風化分砂質泥巖的Rb=4.70～13.01MPa，弱風化系數為0.43～0.53；由此看見，風化作用對泥質巖類巖石的弱風化作用大于砂巖類巖石。這主要源于泥質巖類巖石組成物質以泥質物為主，與砂巖類巖石相比，其親水作用較強，巖石在水的作用下易發生崩解和膨脹。

表4 嘉陵江紅層巖石風化系數

4 巖石物理指標與力學指標關系分析

嘉陵江紅層巖石屬于沉積巖。一定沉積環境下，特定礦物顆粒按相應的結構組成的巖石，具備一定的礦物組分和結構，具有本身的固有性質，即物理特征；巖石的物理指標就是巖石固有物理特征在一定試驗條件下的數值表現，是巖石的固有指標。在特定的外力作用下，將表現出一定的性質，即力學性質；巖石力學指標是力學特性的數值表現，他是巖石在一定條件下的特征性指標，非固定指標。巖石的物理特性與其力學特性之間有著內在的邏輯關系。因此，可以在統計分析的基礎上，找到兩者之間的關系。

在理論分析上，可以通過物理指標與力學指標建立一些數學關系，來分析兩者間存在的普遍規律；工程實踐中，通過容易獲得的、大量的物理指標數據計算得到力學指標，從而可以減少一定的試驗工作量，對巖石及巖體的參數指標進行工程類比具有一定的指導作用。

巖石干密度不僅反映了組成巖石的礦物成分差異，還與礦物顆粒的排列組合形式、孔隙數量等巖石結構密切相關。從強風化到新鮮巖石，其干密度也隨之增加，同時對應了巖石強度的增加，因此，干密度指標作為巖石物理指標的代表值具有一定的合理性。沉積環境的差異決定了物質成分的差異，并最終導致了物理力學指標的差異。一般而言，強度較高的紅層巖石位于近盆周地區，以河流相、洪泛相等沉積環境為主，距離盆周物源山區較近，屬于動水環境，水動力條件較強；盆中地區則大多為濱淺湖相、淺湖相以致半深水湖相，遠離盆周山系物源區，屬于靜水沉積環境，強度相較與近盆周地區為低。根據對草街航電等工程中新鮮砂巖、新鮮泥巖的干密度與飽和抗壓強度的統計分析，發現兩者之間確實有一定的內在聯系，其決定系數R2分別為0.543和0.479，說明干密度和飽和抗壓強度之間相關性較好。

除此之外，對普通吸水率、飽和吸水率、烘干抗壓強度、飽和抗壓強度、干抗拉強度及飽和抗拉強度之間的關系也進行了回歸分析，其回歸模型數據如表5所示，圖3～11為相應的關系曲線圖。可見，這些回歸模型的相關系數R為0.692～0.988，因此，在已經取得部分試驗數據的基礎上，可以采用這些回歸模型獲得其他物理力學參數，減少部分試驗工作量。

圖3 新鮮砂巖干密度與飽和抗壓強度相關性

表5 草街航電工程物理力學指標回歸模型

圖4 新鮮泥巖干密度與飽和抗壓強度相關性

圖5 普通吸水率與烘干抗壓強度相關性

圖6 飽和吸水率與飽和抗壓強度相關性

圖7 普通吸水率與烘干抗拉強度相關性

圖8 飽和吸水率與飽和抗拉強度相關性

圖9 普通吸水率與飽和吸水率相關性

圖10 烘干抗壓強度與烘干抗拉強度相關性

圖11 飽和抗壓強度與飽和抗拉強度相關性

5 結 論

基于多個嘉陵江流域典型水利水電工程實例，通過大量試驗數據的統計分析，對嘉陵江紅層物理力學特征的認識如下：

（1）嘉陵江紅層沉積時期以侏羅紀—白堊紀為主，屬于內陸河湖相沉積。巖性上以紫紅及磚紅色泥巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥質砂巖為主，具有軟硬相間的工程地質特性。

（2）嘉陵江紅層巖石的強度低，大多數為軟巖～較軟巖，少數為強度較高的中硬巖。風化作用對泥質巖類巖石的弱化作用大于砂巖類巖石。這主要源于泥質巖類巖石組成物質以泥質物為主，與砂巖類巖石相比，其親水作用較強，巖石在水的作用下易發生崩解和膨脹。 （3）從強風化到新鮮巖石，其干密度也隨之增加，同時對應了巖石強度的增加。新鮮砂巖、新鮮泥巖的干密度與飽和抗壓強度的統計分析表明，兩者之間確實有一定的內在聯系。普通吸水率、飽和吸水率、烘干抗壓強度、飽和抗壓強度、干抗拉強度及飽和抗拉強度之間的回歸模型的相關系數為0.692～0.988，說明可以采用這些回歸模型獲得其他物理力學參數，減少部分試驗工作量。