成玉祥，段玉貴，李格燁,張　駿，王　霞

(1.長安大學 地質(zhì)工程系，陜西 西安 710054；2.地質(zhì)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.金昌市規(guī)劃設計院，甘肅 金昌 737100)

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巖石凍融風化作用積累泥石流物源試驗研究*

成玉祥1，2，段玉貴3，李格燁1,2,張駿1，2，王霞1，2

(1.長安大學 地質(zhì)工程系，陜西 西安 710054；2.地質(zhì)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.金昌市規(guī)劃設計院，甘肅 金昌 737100)

摘要:風化作用導致地表巖石的破碎，是泥石流固體物質(zhì)的主要來源之一。研究巖石風化作用對于研究高原泥石流物源的積累效應和泥石流的形成機理具有重要意義。在高寒地區(qū)，地表巖石以物理風化為主。溫度和水分的變化是物理風化作用的主要原因。該文選擇青海省玉樹州泥質(zhì)砂巖，分6級不同含水率，分別開展了循環(huán)10次、20次、40次、60次、80次凍融試驗，并對凍融巖樣進行縱波波速測量、CT掃描和抗拉強度測量，橫向比較巖石的風化程度。通過試驗得出不同含水率條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣的縱波波速、CT數(shù)和抗拉強度都呈減小的趨勢。綜合分析認為溫差作用和冰劈效應在高寒地區(qū)巖石風化中的主要地質(zhì)作用。在干燥條件下，溫差作用更加明顯。在含水條件下，溫差風化和冰劈作用同時存在，相互促進。

關(guān)鍵詞:高寒地區(qū)；巖石風化；砂巖；凍融試驗；泥石流；物源

巖石風化作用是地球表面一切外動力地質(zhì)作用的起點。巖石在地表經(jīng)過風化后，形成松散堆積物，再經(jīng)過搬運、沉積，最后壓實固結(jié)成巖，這就是地質(zhì)的大循環(huán)。巖石的風化作用是一種很復雜的地質(zhì)過程，包括了物理、化學和生物等過程。因地表環(huán)境(溫度、濕度等)的差異，風化類型有所不同，所形成的風化產(chǎn)物也有明顯差別。在高寒地區(qū)，由于氣候寒冷，化學風化和生物風化作用非常微弱，物理風化作用占主導地位。在這個過程中，溫差變化和水的凍融作用起到關(guān)鍵作用，最終結(jié)果導致了巖石的碎裂化和散體化。

許多學者在巖石的凍融風化方面開展了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果。Yamabe[1]、delRoa[2]、Sondergld[3]、Yavuz[4]、Fatih[5]、Javier[6]、羅學東[7]、吳剛[8]、高志剛[9]、徐光苗等[10]、劉成禹[11]、蔣立浩[12]、楊更社等[13]，以及其他的學者選擇不同的巖性巖樣，進行了不同循環(huán)次數(shù)、不同溫差條件下的反復凍融試驗，并進行了實驗巖樣物理力學性質(zhì)測試，開展的試驗類型包含了單軸抗壓試驗、三軸壓縮試驗、超聲波速測量、硬度測量、CT掃描等試驗，得出的普遍結(jié)論是隨著循環(huán)次數(shù)增加而強度衰減、 超聲波速減小等。

從以上研究成果我們不難看出目前的研究主要集中在凍融作用導致的巖體強度的弱化上，都是從巖體穩(wěn)定性的角度出發(fā)，專門針對地表巖石風化是如何轉(zhuǎn)化為松散堆積物的研究尚不多見，而這方面的研究正是高寒地區(qū)泥石流物源積累研究的核心問題。因此本文選擇最容易發(fā)生風化的巖石類型進行試驗研究，專門研究凍融循環(huán)作用下巖石的破碎過程。樣品為取自青海省玉樹州囊謙縣境內(nèi)的泥質(zhì)砂巖。在樣品所在區(qū)域，地表裸露，泥質(zhì)砂巖風化成細砂、粉砂，在暴雨的侵蝕下，形成面坡式泥流。因此，選擇的試驗對象對于研究泥石流物源的積累具有一定的代表性。

1循環(huán)凍融風化形成泥石流物源的基本原理

從泥石流的固體物源的來源來看，主要來自于物理風化產(chǎn)物、殘坡積物、重力堆積物和人工堆積物。其中物理風化產(chǎn)物和殘坡積物屬于面狀物源，而重力堆積物和人工堆積物屬于點狀物源。青藏高原地區(qū)泥石流的物源以面狀物源為主。無論是物理風化產(chǎn)物還是殘坡積物，都與巖石的風化作用密切相關(guān)。風化作用產(chǎn)生的巖石破碎過程也是泥石流物源的形成過程，地表水的短距離搬運和重力地質(zhì)作用則是泥石流固體物源的積累過程(圖1)。

圖1　物理風化作用積累泥石流物源的模式圖

從理論上講，風化作用使地表巖體的完整性變差，抗拉強度降低。巖石抗拉強度減弱的過程就是巖體塊裂化、碎裂化、散體化的過程。當抗拉強度降低到一定程度，外動力地質(zhì)作用就可能將一部分松動的巖塊剝蝕下來，搬離原地。這時，被剝離的巖屑就有可能變成泥石流的物源。

在青藏高原地區(qū)，氣候寒冷，總體上化學風化和生物風化作用微弱，物理風化占主導地位。在物理風化作用中，其決定性作用的是溫差風化作用和冰劈風化作用。溫差風化的強度取決于巖石內(nèi)礦物的熱脹冷縮性質(zhì)的差異，這種風化作用在空間上比較均衡，但由于巖石是熱的不良導體，因此局限在地表。冰劈風化作用主要是由于水的反膨脹性質(zhì)引起的。賦存在巖石裂隙中的地下水凍結(jié)后體積增加，對裂隙的擴張而引起巖石裂解。當這二者同時存在時，風化速度更快(圖2)。風化程度取決于地表巖石構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、含水率、溫差、地表巖石的含水率等。因此我們設計了巖石風化循環(huán)凍融實驗。

圖2　巖石物理風化轉(zhuǎn)化為泥石流物源示意圖

2試驗方案

2.1試驗目的

高寒地區(qū)的巖石風化，促進了地表的變化過程，也為泥石流的形成提供了豐富的物源。本試驗的主要目的是為了模擬在不同條件下循環(huán)凍融作用下巖石的抗拉強度變化規(guī)律，并進一步通過超聲波速測試和CT掃描來反映風化過程中物理力學性質(zhì)的變化規(guī)律。

2.2試驗步驟

①制樣：將巖塊切割成標準的抗壓強度試樣(φ=5cm)，清除干凈表面巖屑，備用。

②測試孔隙度：將制好的試樣，放在廣口瓶中，采用抽氣法排除孔隙中密封的氣泡，充分浸水，時間不少于6h，完成后用天平秤取飽和試樣的質(zhì)量；將飽和試樣放入烘箱中24h，使得水分充分蒸發(fā)，完成后用天平秤取干燥試樣的質(zhì)量；計算試樣孔隙度和飽和含水率，根據(jù)以上測試可以求得孔隙水的質(zhì)量，反算孔隙的體積，進而可以求得巖樣的孔隙度和體積含水率。

③凍融試驗試樣分組：根據(jù)以上獲得的飽和體積含水率，分別向干燥后的樣品中注入不同量的水，制成不同含水率的試樣，如表1(共31組樣，表中為樣品編號)所示。

表1　試樣配制及編號表

④試樣密封：將配好含水量的試樣裝入橡膠膜中，并向其中多滴一滴水(補充橡膠膜對水分的占用)，然后綁扎密封，及時對樣品進行編號，靜置24 h，使得水分擴散均勻。

⑤將密封后的試樣放入冷凍機中，反復凍融，每天一個循環(huán)，即取出自然融化，融化后再放入凍結(jié)。我們根據(jù)玉樹地區(qū)的氣溫變化，最后選擇最低凍結(jié)溫度為-24 ℃，融化采用室溫條件下的自然融化。達到設計凍融次數(shù)后取出試樣，去掉密封橡膠模，自然風干，主要記住相應的樣品編號。等所有試樣的凍融試驗全部結(jié)束后，再將試樣放在烘箱中烘干24 h。

至此，循環(huán)凍融實驗過程結(jié)束，進一步需要對經(jīng)過凍融風化的巖樣進行測試。

⑥測試所有樣品的超聲波速，研究不同含水率，不同凍融循環(huán)次數(shù)巖樣波速變化規(guī)律。

⑦所有樣品橫斷面CT掃描，研究不同含水率，不同凍融循環(huán)次數(shù)巖樣CT數(shù)變化規(guī)律。

⑧測試所有樣品的抗拉強度，研究不同含水率，不同凍融循環(huán)次數(shù)抗拉強度變化規(guī)律。

3實驗過程與結(jié)果分析

3.1不同循環(huán)凍融條件下巖樣超聲波速測試

聲波測試是彈性波測試方法中的一種，當外力對彈性介質(zhì)的某一部分產(chǎn)生初始擾動時，由于介質(zhì)的彈性，這種擾動將由一個介質(zhì)點傳播到另一個質(zhì)點，如此連續(xù)下去，即出現(xiàn)彈性波。在固體、液體、氣體中，由于拉——壓型變而產(chǎn)生的彈性波常稱為縱波Vp，在固體中由于切變而產(chǎn)生的彈性波稱為橫波Vs。

(1)

(2)

由此可知，Vp與Vs均與巖體的彈性模量E、泊桑比μ、密度ρ有關(guān)。本次試驗主要測試的是縱波Vp。

凍融試驗全部結(jié)束后，試樣放在烘箱中烘干24 h后，對所有巖樣進行超聲波速測量。超聲波速測量在西安理工大學巖石力學實驗室完成，結(jié)果如表2所示。

圖3為不同含水率的巖樣縱波波速與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。從圖3中可以看處，不同含水率的巖樣經(jīng)過不同次數(shù)的循環(huán)凍融作用后，縱波波速都呈減小的趨勢。凍融循環(huán)10次，飽和后試樣的縱波速度為干燥樣的93%；凍融循環(huán)20次，含水率80%試樣的縱波速度為干燥樣的78.7%；凍融循環(huán)40次，含水率80%試樣的縱波速度為干燥樣的74.9%；凍融循環(huán)60次，飽和后試樣的縱波速度為干燥樣的92.4%；凍融循環(huán)80次，飽和后試樣的縱波速度為含水率20%試樣的93.3%。

表2　不同含水率不同凍融循環(huán)次數(shù)巖樣超聲波速

圖3　不同含水率的巖樣縱波波速與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4　不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣縱波波速與含水率的關(guān)系

圖4為不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣縱波波速與含水率的關(guān)系。從圖4中可以看出，總體趨勢都是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，縱波波速減小。干燥樣品凍融60次后，縱波波速減小為原樣的87.4%；含水率20%的樣品凍融80次后，縱波波速減小為原樣的84.6%；含水率40%的樣品凍融80次后，縱波波速減小為原樣的83.8%；含水率60%的樣品凍融80次后，縱波波速減小為原樣的84.6%；含水率80%的樣品凍融60次后，縱波波速減小為原樣的82.4%；飽和樣品凍融80次后，縱波波速減小為原樣的78.9%。

3.2不同循環(huán)凍融條件下巖樣CT掃描

X射線穿透被檢測物體時，它的光強符合赫爾曼方程：

I=I0exp(-μmρλ)。

(3)

式中：I0為X射線的初始光強；I為X射線穿透物體后的光強；μm為被檢測體單位質(zhì)量的吸收系數(shù)；ρ為物體密度；λ為入射X射線的波長。

在一般情況下，μm只與入射X射線的波長有關(guān)。一般用μ作為物體對X射線的衰減系數(shù)″經(jīng)CT重建的圖象實際上是衰減系數(shù)μ的分布。

μ=μmρ(cm-1)。

(4)

由于水的ρ=1.0，μw=μm。

然而用μ的分布在CT掃描后直接成像，材料之間反映的差異不是很明顯，為了顯著地反映不同材料在CT圖象上的差異，Huonsfield引入了CT數(shù)的概念。

H=(μ-μm)/μw×1 000。

(5)

顯然，水的Hw=0；空氣的Hg=-1 000。

利用正比于CT數(shù)H的亮度成像就可得到完整的CT圖象。且由CT數(shù)H的變化能很明顯地表達出物質(zhì)成分的差異。

CT圖像實際上是沒有任何圖象格式的數(shù)據(jù)的集合，其格式為raw，其每個點上的數(shù)據(jù)就是CT數(shù)，其值的大小在CT圖像上由灰度表示。根據(jù)CT物理原理，CT數(shù)與對應的巖石密度成正比，圖像中亮度高的地方CT數(shù)大，表示該區(qū)的巖石密度高，暗色的地方其CT數(shù)值較低，表示該區(qū)的巖石物質(zhì)組成成分密度低。

由于數(shù)據(jù)量太大，實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計中只選擇了樣品中部掃描截面(圖5)，限于篇幅，文中未列舉CT圖像。在實際的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，由于掃描圖像的不同位置在巖樣中距離巖樣表面的距離不同，受表面的影響差異較大，可比性較差。因此我們選擇樣品中部掃描截面的最中心部位進行CT數(shù)的統(tǒng)計，此部位距離巖樣的側(cè)壁和兩個頂面的距離均為2.5cm。CT數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

圖5　CT掃描截面和CT數(shù)采集區(qū)域

含水率/%原樣10次20次40次60次80次01456.81444.51451.81428.61410.81403.2201456.81488.71405.11428.31388.11031.2401456.81386.01092.91034.41008.9992.8601456.81291.4850.3810.2795.9801456.8790.2950.1840.11001456.8733.9827.3872.0806.5888.9

圖6為不同含水率的巖樣CT值與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。凍融循環(huán)10次，飽和后循環(huán)凍融試樣的CT值為干燥樣的50.8%；凍融循環(huán)20次，飽和后循環(huán)凍融試樣的CT值為干燥樣的56.9%；凍融循環(huán)40次，飽和后循環(huán)凍融試樣的CT值為干燥樣的61%；凍融循環(huán)60次，飽和后循環(huán)凍融試樣CT值為干燥樣的57%；凍融循環(huán)80次，飽和后循環(huán)凍融試樣CT值為干燥試樣的63.3%。圖7為不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣CT值與含水率的關(guān)系。從圖7中可以看出，相同的循環(huán)凍融后的巖樣，隨著含水率增大，CT值都呈減小的趨勢。從圖6中可以看處，不同含水率的巖樣經(jīng)過不同次數(shù)的循環(huán)凍融作用后，CT值都呈減小的趨勢。干燥樣品凍融60次后，CT值減小為原樣的96.3%；含水率20%的樣品凍融80次后，CT值減小為原樣的70.8%；含水率40%的樣品凍融80次后，CT值減小為原樣的68.1%；含水率60%的樣品凍融80次后，CT值減小為原樣的54.6%；含水率80%的樣品凍融60次后，CT值減小為原樣的57.7%；飽和樣品凍融80次后，CT值減小為原樣的61.0%。

圖6　不同含水率的巖樣CT值與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7　不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣CT值與含水率的關(guān)系

3.3不同循環(huán)凍融條件下巖樣抗拉強度測試

巖體的抗拉強度反應了結(jié)構(gòu)顆粒與膠結(jié)物之間的緊密程度。一般情況下，巖體所包含的礦物成分不同，其熱膨脹性質(zhì)有差異，因此在溫差作用下，在兩種不同礦物的接觸帶上，會產(chǎn)生很強的應力集中現(xiàn)象，這種應力集中很容易超過膠結(jié)物的強度，造成巖體破碎，這就是典型的溫差風化作用。其結(jié)果在宏觀上的反應就是抗拉強度的降低。

如果巖體不是很完整，存在孔隙、節(jié)理或裂隙時，裂隙中分布的地下水在凍結(jié)過程中會產(chǎn)生體積反膨脹。如果冰充滿整個裂隙后，就會對裂隙的兩壁產(chǎn)生很強的擠壓作用，同時在裂隙的頂端會產(chǎn)生很強的拉應力集中，其結(jié)果是裂隙不斷擴大，巖體結(jié)構(gòu)逐漸散體化。

依據(jù)上述原理，我們對所有循環(huán)凍融后的巖樣的抗拉強度進行了測試，結(jié)果如表4所示，具體測試工作在長安大學巖石力學實驗室完成。

表4　不同含水率不同凍融循環(huán)次數(shù)巖樣抗拉強度

圖8為不同含水率的巖樣抗拉強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。從圖8中可以看處，相同的循環(huán)凍融后的巖樣，隨著含水率增大，抗拉強度都呈減小的趨勢。凍融循環(huán)10次，飽和后循環(huán)凍融試樣的抗拉強度為干燥樣的78.0%；凍融循環(huán)20次，飽和后循環(huán)凍融試樣的抗拉強度值為干燥樣的71.0%；凍融循環(huán)40次，飽和后循環(huán)凍融試樣的抗拉強度為干燥樣的63.7%；凍融循環(huán)60次，飽和后循環(huán)凍融試樣抗拉強度為干燥樣的76.5%；凍融循環(huán)80次，飽和后循環(huán)凍融試樣抗拉強度為干燥試樣的84.2%。圖9為不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣抗拉強度與含水率的關(guān)系。從圖9中可以看出，不同含水率的巖樣經(jīng)過不同次數(shù)的循環(huán)凍融作用后，抗拉強度都呈減小的趨勢。干燥樣品凍融60次后，抗拉強度減小為原樣的68.8%；含水率20%的樣品凍融80次后，抗拉強度減小為原樣的58.4%；含水率40%的樣品凍融80次后，抗拉強度減小為原樣的55.2%；含水率60%的樣品凍融80次后，抗拉強度減小為原樣的44.1%；含水率80%的樣品凍融60次后，抗拉強度減小為原樣的59.7%；飽和樣品凍融80次后，抗拉強度減小為原樣的49.2%。

圖8　不同含水率的巖樣抗拉強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖9　不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣抗拉強度與含水率的關(guān)系

3.4實驗結(jié)果綜合分析

由上述試驗結(jié)果可以看出，循環(huán)凍融無疑可以導致巖石的強度降低。在試驗結(jié)果上表現(xiàn)為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣的縱波波速、CT數(shù)和抗拉強度都呈減小的趨勢。同時，我們發(fā)現(xiàn)當凍融循環(huán)次數(shù)相同條件下，巖樣含水量越大，巖樣的縱波波速、CT數(shù)和抗拉強度越小。這進一步證實了我們前文的分析結(jié)果，巖石的物理風化主要是由于溫差作用和冰劈作用引起的。對干燥巖樣只有溫差風化，在巖樣含水條件下，同時存在溫差風化和冰劈風化作用。溫差風化產(chǎn)生的裂隙為水分的賦存提供空間，水的凍結(jié)膨脹又進一步加快了裂隙的擴展。這在實驗結(jié)果中也有所表現(xiàn)，尤其是循環(huán)次數(shù)為20次和40次時，含水率對縱波速度、CT數(shù)和抗拉強度的影響更為明顯，說明此階段冰劈風化作用起主導作用。當循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增大時，含水率的影響程度變小。這是因為當風化達到一定程度后，微孔隙體積增大，而試驗過程中沒有補充水分，導致水分不足以充滿微孔隙時，水的反膨脹作用產(chǎn)生的體積增加已經(jīng)不能夠?qū)r石顆粒產(chǎn)生擠壓，冰劈風化作用逐漸減弱，此時溫差風化作用逐漸起主導作用。

4結(jié)論

(1)在高寒地區(qū)，地表巖體在風化作用下不斷的破碎，形成了松散堆積物。這些松散堆積物在重力作用和地表水的作用下，進入到泥石流溝道中，就構(gòu)成了泥石流的物源。

(2)循環(huán)凍融是高寒地區(qū)巖體風化的主要原因。具體表現(xiàn)為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣的縱波波速、CT數(shù)和抗拉強度都呈減小的趨勢。說明巖樣的整體性變差、強度降低。

(3)溫差作用和冰劈效應在高寒地區(qū)巖石風化中的主要地質(zhì)作用。在干燥條件下，溫差作用更加明顯。在含水條件下，溫差風化和冰劈作用同時存在，相互促進。

(4)巖石風化后能否轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍鞯奈镌?，一方面取決于風化程度，另一方面取決于泥石流水動力條件的類型與強度。這需要在本文抗拉試驗的基礎(chǔ)上，專門設計大型模型試驗或者選擇相近的風化程度區(qū)域，開展不同水動力條件的原位試驗。

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The Study on Debris Flows Material Source Accumulation byRock Freezing and Thawing Weathering Test

Cheng Yuxiang1, 2, Duan Yugui3, Li Geye1,2,Zhang Jun1, 2and Wang Xia1, 2

(1.DepartmentofGeologicalEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China; 2.KeyLaboratory

ofWesternChina′sMineralResourcesandGeologicalEngineering,MinistryofEducationChang′anUniversity,

Xi′an710054,China; 3.JinchangCityPlanningandDesignInstitute,Jinchang737100,China)

Abstract:Weathering leads to broken of surface rocks, and is one of the main sources of the solid material of debris flow. The research on rocks weathering has important theoretical significance to the study on the solid material cumulative effects and the formation mechanism of debris flow. In cold areas, rocks weather mainly in physical style because of the changes in temperature and moisture. Argillaceous sandstone in Yushu in Qinghai Province is selected and divided into of six different water contents for freeze-thaw test. The freeze-thaw cycle time is designed to be 10 times, 20 times, 40 times, 60 times and 80 times. Longitudinal wave velocity measurement, CT scans and tensile strength measurements are then done on all freezing and thawing rock samples to compare the degree of weathering of rocks in different test condition. It is found that rock samples longitudinal wave velocity, CT number and tensile strength are decreasing with the increasing of freeze-thaw cycle times. Comprehensive analysis results show that the temperature difference and ice split effect are the main geological actions in the alpine region. Under dry conditions, temperature effects become more pronounced. Under aqueous conditions, temperature difference and ice split weathering effects exist and mutually reinforcing.

Key words:cold area; stone weathering; sandstone; freezing and thawing test; debris flow; material source

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2015.02.009

中圖分類號：TU452; X4

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2015)02-0046-05

作者簡介：成玉祥(1978-)，男，甘肅靈臺人，博士(后)，主要從事地質(zhì)災害形成機理與防治方面的教學與科研工作. E-mail：853660428@qq.com

基金項目：國家自然科學青年基金(41302250)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(2013G1261057)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災害詳細調(diào)查項目(12120113008800)

收稿日期：*2014-10-13修回日期：2014-11-20