巖石風化程度的劃分及工程特性研究

巖石風化程度的劃分及工程特性研究

1巖石風化程度的定量化評價巖質(zhì)風化程度的劃分及工程特征的研究，對大型水電工程、高層建筑、道路橋梁等工程的選擇以及土地基本結(jié)構(gòu)的設計和施工方案的確定起著重要作用，對評價圍巖的穩(wěn)定性和邊坡工程也具有重要意義。目前，巖石風化程度劃分多采用工程地質(zhì)定性評價方法，從巖石結(jié)構(gòu)、巖石顏色、礦物成分、巖石破碎程度、掘進的難易程度等方面綜合分析確定關(guān)于巖石風化程度的定量評價，目前常采用的是對巖體工程地質(zhì)性質(zhì)比較敏感的一些物理力學性質(zhì)指標，通過室內(nèi)或現(xiàn)場測試巖石物理力學性質(zhì)單項或綜合指標進行風化程度分帶本文對由浙江天荒坪抽水蓄能電站巖石風化情況的現(xiàn)場調(diào)查和對巖樣顯微裂隙的發(fā)育狀況及次生充填特點、長石蝕變性質(zhì)，粘土礦物成分室內(nèi)研究等得到的定性資料進行了分析研究，并進行定量化的統(tǒng)計，建立了巖石風化程度劃分判據(jù)。給出的定量指標熟化度不僅很好反映了巖石風化程度，而且能很好地反映巖石風化后的質(zhì)量變化。2巖石、礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)變化的評價指標2.1巖石風化特征巖石經(jīng)風化作用后，有許多不同于原巖的微觀特征。如微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造和微裂隙發(fā)育特征、礦物的粘土化和其他次生變化程度等。分析研究風化巖石的這些微觀特征，可判別巖石的風化程度。下面以天荒坪壩址區(qū)巖石的顯微鏡下研究資料為例加以說明。天荒坪抽水蓄能電站位于浙江安吉縣，地處天目山中部。壩址區(qū)的巖性為層狀火山巖，主要巖性為流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r。巖石為暗紅色，質(zhì)密堅硬，具熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)。巖石風化的次生礦物主要為粘土類礦物，其次為方解石、褐鐵礦等。通過對巖石標本薄片在顯微鏡下的觀察對比，確定顯微裂隙的發(fā)育狀況及長石的次生蝕變率作為巖石風化程度判別的標志。2.1.1顯微構(gòu)造分析風化裂隙是巖石風化程度的一個重要判別標志。這種微裂隙具有無方向性、不規(guī)則發(fā)育、延伸性差、多被氧化鐵充填等特點。對強風化帶巖樣進行顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂隙很發(fā)育，密集程度高，呈網(wǎng)狀或樹枝狀，被紅褐色氧化鐵充填；在弱風化帶，風化裂隙發(fā)育差，密集程度較低，局部充填氧化鐵；在微風化帶，這種裂隙偶爾可見，氧化鐵只見點狀浸染。風化作用形成的這種裂隙和構(gòu)造斷裂產(chǎn)生的細微裂隙成因不同，且后者通常被次生石英及方解石充填。2.1.2風基石礦物的原生立地條件分析天荒坪壩址區(qū)的流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r中的主要晶屑成份為鉀長石，其含量在20%左右，粒徑為0.1～0.5mm。鉀長石在風化過程中，逐漸分解為粘土類的次生礦物。在衡量長石的次生變化程度時，可采用次生蝕變率，它是指風化長石的體積百分含量。具體確定次生蝕變率時，首先估計標本薄片中風化長石的面積，其次估計風化長石的厚薄。由于長石風化后粘土中吸收了氧化鐵的成份，所以長石表面的明暗程度、紅褐色調(diào)的變化以及正交偏光鏡下的光學特性就成了長石風化厚度的分析依據(jù)。對天荒坪壩址區(qū)巖石中長石風化次生蝕變率進行統(tǒng)計分析，將巖石風化程度劃分為5個級別，如表1。綜合顯微裂隙的發(fā)育狀況及長石的次生蝕變性，確定了天荒坪壩址區(qū)巖石的風化程度的顯微鏡下判別標志，如表2。2.2x衍射分析和差熱分析巖石經(jīng)過化學風化作用，其礦物成分發(fā)生變化，將形成各種新的次生礦物。其中粘土礦物發(fā)育的特征是巖石風化程度劃分的重要標志。巖石的主要成巖礦物在風化過程中往往表現(xiàn)出階段性，即主要的硅酸鹽礦物經(jīng)風化后，要逐步地向最終的穩(wěn)定礦物轉(zhuǎn)化。這一轉(zhuǎn)化過程，要經(jīng)歷很長的時間并通過一系列中間階段的過渡性礦物來實現(xiàn)。這些不同的風化階段，反映了巖石的不同風化程度。因此，可以依據(jù)風化作用轉(zhuǎn)變階段及粘土礦物成分劃分巖石的風化程度。對天荒坪抽水蓄能電站壩址區(qū)內(nèi)3個典型風化剖面進行現(xiàn)場調(diào)查，采集了40個巖樣，在實驗室作了X衍射分析和差熱分析。根據(jù)實驗結(jié)果分析得出，該地區(qū)化學風化作用明顯，風化巖中的粘土礦物發(fā)育，巖石風化產(chǎn)生的蝕變礦物主要為蒙脫石、高嶺石、絹云母、伊利石。因此，依據(jù)巖石中粘土礦物分布特征以及巖石中長石狀態(tài)，進行了巖石風化程度劃分，如表3。3巖石風化程度的調(diào)查與分級本文提出了熟化度概念，它是表征巖石次生蝕變程度的指標，用來定量反映巖石的風化程度。熟化度是根據(jù)在巖石表面上觀察的礦物蝕變等級、蝕變礦物分散度以及巖石中蝕變部分占全部巖石表面積的百分比綜合確定的。對于風化剖面上的任意點都可以取樣分析，統(tǒng)計求得熟化度。熟化度的表達式：式中：S為熟化度，反映巖石風化程度和質(zhì)量好壞；A熟化度值范圍為1.0～2.0,S值越大，表示巖石風化程度越深。根據(jù)熟化度以及風化巖石次生蝕變礦物發(fā)育狀況對巖石風化程度進行了分級，如表4。對天荒坪壩址區(qū)20塊不同風化程度的巖石的縱波速(v表5為20塊典型風化巖樣的實測資料，以I圖1,2分別為I基于I式中：R為全相關(guān)系數(shù)。由以上分析可知，熟化度與點荷載試驗指標及縱波速具有良好相關(guān)性。因此，熟化度不僅能很好反映巖石風化后巖石質(zhì)量變化，而且，也可用來判別巖石的風化程度。4巖石風化程度的判別依據(jù)通過以上分析，可以得出以下幾點結(jié)論：(1)對巖石中的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分的變化進行定量統(tǒng)計分析，建立巖石風化程度劃分判據(jù)是可行的。(2)給出的定量指標熟化度不僅能反映巖石風化后巖石質(zhì)