风化作用对侵蚀构造地貌碳质砂岩高边坡的影响

刘金芳，屈玉龙

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

1 研究背景

贵州玉石高速公路项目TJ06标段工程地区岩性为泥质中风化碳质砂岩，属于半成岩，亦属于极软岩类。半成岩是一种特殊的岩土体，与一般的岩石及土体均有明显的区别，当半成岩膨胀性较高时遇水更易崩解，在物质组成、物理力学性质、结构和构造方面同时具有部分土体和岩体的特征。因此，在工程中含有该类岩体时地质情况往往更复杂。

伴随岩石风化作用，碳质砂岩的物理力学性质及水理性质赓续降低。目前国内外的众多学者对岩石的风化作用展开了相关研究，莫彬彬等[1]提出对微生物-矿物复合体微环境进行研究，以作为突破口揭示微生物对岩石风化作用，并且将研究成果应用于矿物加工工业和农业生产。孙士宏等[2]通过对红砂岩的风化机理进行探讨，将红砂岩风化机理归纳为有机酸腐蚀机理、生物作用机理等，并且针对风化作用机理和红砂岩的特征，总结了红砂岩石刻文物修复和加固技术。赵勇刚等[3]利用不同风化程度的红砂岩，进行声发射特性的对比研究，得出结论，风化更彻底的分组较风化程度弱的分组声发射数量显著增多，可以推断，风化较为严重的岩体内部裂隙和节理更多。此外，该研究揭示了不同风化程度红砂岩载荷-声发射累计关系，得出了载荷-声发射拟合关系式。戎岩[4]以陕西关中地区的砂岩为研究对象，从物理风化、生物风化和化学风化3个方向浅析了关中地区砂岩风化成因，并提出砂岩质文物保护方法。杨志法等[5]对位于浙江省衢州市的古城墙不同岩石进行试验研究，利用三维激光扫描的方式，测量研究对象的风化剥落深度，得出结论，古城墙岩石抗风化能力最强的是黄绿色火山角砾岩，抗风化能力最差的是灰绿色凝灰岩。值得注意的是，古人制作的勾缝蛎灰抗风化能力强于被勾缝的岩石。李二强等[6]以甘肃岷县木寨岭隧道碳质板岩为研究对象，得出结论，水-岩及风化作用对岩样具有显著劣化效应，表现为细微累计劣化损伤。

基于学者研究的基础，本文将贵州玉石高速公路项目高边坡中碳质砂岩作为研究对象，通过对碳质砂岩风化类型、风化影响因素和风化作用后的特征分析，揭示了碳质砂岩的风化机理。研究结果对贵州玉石高速公路高边坡TJ06标段的现场施工和后期养护具有不可忽视的实际意义。

2 碳质砂岩基本特征

资料表明，该地区的碳质砂岩总体上呈现灰黑色，局部含煤和较大砾石，砾石分选性及磨圆度均较差，棱角明显，天然含水量较高，在该类岩石体中崩塌、滑坡、落石等地质灾害发育更频繁，岩石更破碎，工程地质问题较多。

贵州地区碳质砂岩属于典型的半成岩，其粒度成分和矿物成分是决定其工程地质性质的物质基础，试验结果测得容重一般为1.95～2.15 g/cm3；孔隙度较大，为25%～40%；碳质砂岩的砂砾体积分数一般为80%以上，黏粒和粉粒体积分数较少，一般在10%～20%。除此之外，碳质砂岩的黏土矿物组成主要为伊利石/蒙脱石混层矿物，这使得碳质砂岩遇水具有膨胀性，但是由于碳质砂岩以膨胀性中等的伊利石/蒙脱石混层矿物为主，使得碳质砂岩的膨胀性较低。由于碳质砂岩主要为泥质结构，天然含水量较高，节理、裂隙弱发育，现场用地质锤锤击，声音沉闷，无回弹，在天然状态下用手可捏碎，浸水后膨胀且崩解。基于以上情况，工程地区为碳质砂岩的地区，工程地质条件更差。边坡失稳发生在外界各种因素的共同作用下（如降雨、风化、人工开挖等）[7]。

高边坡施工过程中，应考虑到碳质砂岩孔隙度较大、砂砾体积分数占比大且由于工程区域碳质砂岩含有伊利石/蒙脱石混层矿物，遇水具有膨胀性的特点，严格修建导排水工程，防止降雨和地表水汇入对施工边坡造成威胁，甚至导致滑坡、崩塌等地质灾害。

3 碳质砂岩风化机理

3.1 风化类型

碳质砂岩本身工程地质性质较差。用于工程中时，应充分考虑影响高边坡施工的各种因素，风化作用对高边坡施工、高边坡防护措施的选择和后期养护的影响不可忽视。风化类型按风化作用的因素和性质一般分为3 大类，分别为物理风化、化学风化、生物风化。其本质的区别是是否有次生矿物的生成和是否有生物的参与。

3.1.1 物理风化作用[8]

受风化作用的岩石在原部位出现机械破裂不产生新的化学物质的过程称为物理风化作用。物理风化作用除了受岩石组成物质和昼夜温差效应影响之外，岩石节理面和植物根劈作用同样可以加速物理风化过程。

3.1.2 化学风化作用

化学风化作用，即风化过程中产生离子、分子间的化学反应且参与反应的物质不是来源于生物。一般化学风化作用与水密切相关，空气中的氧气、二氧化碳和降雨中自身的部分可参与化学反应的化合物等通过水介质经过氧化反应、水解水化反应等化学反应产生气体或其他化合物共同形成化学风化作用。

3.1.3 生物风化作用

简单地说，在动植物和微生物共同参与下的破坏过程称为生物风化作用。物理和化学风化作用共同参与、共同影响，加上生物的参与就是生物风化作用。生物化学风化是生物生命生活排泄、分解物和岩体产生化学反应，生成新的化学物质的过程；生物物理风化作用是指生物的生命活动，如植物根劈、穴居动物掘洞，加速岩石裂隙的延伸和改变岩石的结构的过程。

3.2 风化作用的影响因素

岩石风化作用受到多源因素的控制。包括岩石内在因素和外在条件的限制，又可细分为岩石的矿物组成、岩石的成因、结构与构造、岩石环境（如温差、降雨量、植被覆盖情况等）、地质构造复杂程度等诸多的条件共同制约。

组成岩石的矿物成分的化学稳定性、抗风化能力较强矿物的含量与种类的多少共同控制着岩石的抗风化能力。根据组成岩石的常见矿物化学稳定性从强到弱排序依次为：石英、正长石、酸性斜长石、基性斜长石、黑云母。以石英和正长石抵抗风化能力为最佳。石英、正长石的颜色较黑云母和基性斜长石矿物颜色较浅，在工程中也可通过矿物的颜色做一个大致的判断，即浅色矿物具有更强的抗风化能力。

岩石的成因环境与岩石目前所在的环境差异较大时，岩石更容易被风化；而当岩石生成环境与岩石现在环境相似时，岩石更不易被风化。三大类岩石种类中，沉积岩由于形成时的环境和风化环境较为类似。所以，沉积岩较其他两大类岩石的抗风化能力普遍较强。

地质构造也是风化条件的影响因素。地质构造对风化作用的影响主要体现在岩体受地质构造运动作用时，岩层受挤压、拉升造成岩体出现断层、节理、裂隙。岩石节理、裂隙的出现增加了水、空气和温度的流通量，提高了接触面积。而接触面积的增加会提高化学反应速率，导致岩体的抗风化能力降低。

除了上述影响因素外，还包括气候条件。气候条件对风化的影响集中体现在气温变化、降水量。气温条件的不同会直接影响化学反应速率，气温条件还影响风化作用的类型。在干旱而寒冷的气候条件下，往往是以物理风化作用为主，风化作用后的产物也不彻底；而在潮湿而温暖的气候条件下，是以除物理风化作用的另外2 种风化作用为主，岩石经过风化后形成潮湿且较厚的土壤层。降雨量增多同时也会对风化作用的加快起促进作用，且降雨量充足、温度适宜的条件下生物大量繁殖，生物风化作用明显增强。

3.3 风化作用的特征

岩石风化作用的复杂性往往造就了岩石风化作用的表现也错综复杂。在物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用下表现出不同的特征。

物理风化作用下岩石的特征通常是因岩石受温度热胀冷缩、地质构造应力场导致岩石的整体性遭到破坏，以至岩体破坏，体积增大，岩石孔隙率增加，并通常伴随岩体的组织结构、构造改变。这种改变除了在岩体的外观上发生变化外，也表现在岩石物理力学性质和水理性质上。对于物理力学性质，原岩破碎、变形加剧，导致岩石的弹性模量、联结力降低，抗压强度和抗剪强度等岩石参数值减小；同样的，水理性质的改变也是由风化作用引起的岩体孔隙率增加，岩体破碎，造成岩体单位吸水量升高，促使岩石质量指标、软化系数和渗透系数等参数值的降低。岩石的物理力学性质、水理性质指标所包含的物理意义不尽相同，但是，两者间存在紧密的内在联系。各种不同风化作用所造成物理力学性质、岩体水理性质的改变相差无几，故下文不做赘述。

相别于物理风化作用，化学风化作用会伴随着次生矿物的形成。这使得风化后的岩石颜色可能会发生改变，次生矿物的形成则会导致岩体微观结构和构造的变化，这种变化往往在肉眼下是无法识别的。与上述物理风化作用一样，化学风化作用会致使岩体的体积发生变化。

生物风化作用后的岩体特征与化学风化作用下的岩体特征基本一致。

3.4 风化作用的生态防治技术

传统的边坡防护措施坡面墙、喷浆防护等，虽然能够起到对边坡的加固和防护作用，但忽略了工程施工的生态环境保护这一重点和难点问题。所以，在确保边坡稳定性为前提的原则下，主要考虑对边坡进行生态防护和工程结合的方法。

在保证边坡稳定性的前提下才可以对边坡的生态环境防护进行使用，以安全系数1.25 为安全阈值，小则需要做工程防护措施，大则可以直接进行生态防护。由于碳质砂岩的风化作用主要表现在边坡的浅表层，而生态防护一般是利用植物对边坡进行防护，属于弱防护措施，应在考虑工程安全性和经济性的前提下适当放缓坡比。

在首先保证边坡安全的前提之下，丰富边坡生态防护多样性、增强艺术内容、降低经济投入同时应该考虑固碳、降尘、净化空气的功能。

生态防护的耕植方法要根据工程所在地区的地形地貌、水文地质条件等众多影响因素，选择合适的耕植方法、植物和养护方式等。边坡的生态防护还要考虑边坡生态防护的植物是否可能对其他当地的植物造成严重的危害，做到因地制宜。

边坡生态防护的主要目的是防止边坡的冲刷剥蚀、风化作用以及美化环境等。应同时采用多种植物相互防护的原则，尽量做到多种类型植物搭配，易于植物的生长、利于长期防护。

4 讨论

本文以贵州玉石高速公路TJ06标段高边坡施工为工程背景。贵州玉石高速公路所在工程区域主要岩性为中风化碳质砂岩，碳质砂岩本身工程地质性质不佳，加上该地区碳质砂岩含有中等膨胀性的伊利石/蒙脱石的混层矿物。在不利工况下容易产生崩塌、落实及滑坡等地质灾害，严重影响到了高边坡施工安全和整体工程进度，甚至还会大大增加工程成本。

其中，风化作用是影响边坡整体稳定性不可忽视的影响因素之一。本文按照风化作用的3 种类型，探讨了3 种风化类型的区别与基本特征；以多源因素分析了各因素对岩石风化作用的影响；分析了不同风化类型下的岩石风化作用特征。对工程项目碳质砂岩高边坡风化作用研究能够判断该工程区域以何种风化作用为主，并且采取针对性的工程和生态防治结合的防护措施。所以，结合前人的研究结果，探讨并分析风化作用对碳质砂岩高边坡的影响，采用生态防治技术来处理风化作用的同时解决工程施工的生态环境保护问题，能够在高边坡施工过程中从各方面提高工程施工安全性、经济性和合理性。

5 结论

高边坡稳定性受各种因素共同作用，除内在的岩性、矿物成分、节理和裂隙等因素外，外在因素地下水、人为活动和风化作用对边坡稳定性也有重要影响，要利用生态防治技术处理风化作用。

风化作用通过降低岩石强度、增大岩体内部裂隙和改变岩体矿物成分等作用于高边坡的稳定性。尽管岩石风化的类型有所差异，但风化作用后岩石的特征整体表现一致。且自然条件下的岩石风化作用本身就是相辅相成的。风化作用对边坡的作用是普遍存在的，但是，风化作用对边坡的影响仅限浅层。对边坡整体的威胁主要在于改变边坡形态和流水路径，如，使边坡下部易风化岩体部分被掏空，形成坠落式危岩。常见的传统防护措施只考虑边坡稳定性，并未考虑生态环境方面的防护，利用生态防治技术可以补充传统工程的不足，解决工程施工的生态保护这一重点和难点问题。