桂東南花崗巖風(fēng)化土與殘余節(jié)理的微觀結(jié)構(gòu)及演化

王志兵，鄒永勝，李 斌，譚 波，韓 雪

(1. 桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004； 2. 桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004； 3. 中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222)

0 引 言

節(jié)理作為花崗巖巖體主要的結(jié)構(gòu)面類型之一，在風(fēng)化過(guò)程中常常被風(fēng)化產(chǎn)物沉淀和充填而形成鐵錳氧化物富集區(qū)，使巖土體呈非均質(zhì)性，在高度風(fēng)化巖體內(nèi)可用殘余節(jié)理[1-3]來(lái)區(qū)分低風(fēng)化程度巖體內(nèi)的節(jié)理(圖1)。與地表某些土體內(nèi)的鐵錳氧化物呈深色結(jié)核體[4]形態(tài)和巖體表面的鐵錳氧化物呈黑色礦物膜[5]形態(tài)不同的是，在花崗巖高度風(fēng)化土體內(nèi)，鐵錳氧化物充填殘余節(jié)理在宏觀上為薄夾層形態(tài);但相同的是，不論巖土體內(nèi)鐵錳氧化物呈何種形態(tài)，都是反映地表地質(zhì)環(huán)境演化過(guò)程的重要指示標(biāo)志。

花崗巖殘余節(jié)理不僅在外觀和物質(zhì)組成上與周圍基質(zhì)土體有明顯不同，而且在水力-力學(xué)等工程性質(zhì)方面也有較大的區(qū)別?；◢弾r節(jié)理常按工程巖體的相關(guān)方法測(cè)試其工程性質(zhì)，而殘余節(jié)理則可按土體的相關(guān)方法來(lái)測(cè)試，這是因?yàn)闅堄喙?jié)理兩側(cè)巖石結(jié)構(gòu)體已風(fēng)化成土體。廣西東南部氣候炎熱潮濕，花崗巖風(fēng)化殼的厚度可達(dá)數(shù)十米，風(fēng)化花崗巖的滑坡體厚度僅數(shù)米，滑動(dòng)面主要位于全風(fēng)化帶內(nèi)，滑坡體主要由花崗巖殘積土、全風(fēng)化土及分布于全風(fēng)化土內(nèi)的殘余節(jié)理組成?；◢弾r全風(fēng)化帶內(nèi)分布有大量的殘余節(jié)理，但花崗巖殘積土帶卻不含殘余節(jié)理，其消失機(jī)理仍需進(jìn)一步研究，本文主要研究花崗巖全風(fēng)化帶內(nèi)的殘余節(jié)理。

底圖引自文獻(xiàn)[8]，有所修改圖1 風(fēng)化花崗巖的典型剖面Fig.1 Typical Profile of Weathered Granite

鐵錳氧化物是Fe和Mn的氧化物、氫氧化物和羥基氧化物等多種形態(tài)的統(tǒng)稱，它們沉積或充填在花崗巖節(jié)理內(nèi)的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。根據(jù)鐵錳氧化物沉積在節(jié)理內(nèi)的特征可將其分成“染色”型、“膠膜”型和“膠結(jié)”型3種類型[6]。這3種類型的出現(xiàn)與巖體風(fēng)化次序相關(guān)，“染色”型常出現(xiàn)在微風(fēng)化帶內(nèi)，“膠膜”型常出現(xiàn)在中風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)，“膠結(jié)”型常出現(xiàn)在中風(fēng)化帶至全風(fēng)化帶內(nèi)；尤其是在高度風(fēng)化土體中，鐵錳氧化物等完全充填節(jié)理，最終形成鐵錳氧化物富集帶，與周圍風(fēng)化土體相比，鐵錳氧化物富集帶具有不同的工程地質(zhì)特性。例如，一些有光滑擦痕面殘余節(jié)理的抗剪強(qiáng)度較低，可能與其經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)歷史有關(guān)[7]。這種鐵錳氧化物富集性及其強(qiáng)度劣化規(guī)律在其他類型的巖體節(jié)理中也有體現(xiàn)。例如，Koo在多個(gè)火成巖和變質(zhì)巖高度風(fēng)化的土體內(nèi)觀察到了鐵錳氧化物和有機(jī)化合物組成的黑色薄夾層，其中光滑夾層的抗剪強(qiáng)度不到周圍基質(zhì)土體的一半[9]。

土體內(nèi)鐵錳氧化物膠體的類型與黏土礦物的膠結(jié)方式及其賦存狀態(tài)等能很好地解釋土體工程性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化特征[10-13]，特別是氧化鐵膠體與黏土礦物間的相互作用影響著土體的宏觀工程性質(zhì)[14-15]。由于鐵錳氧化物在土體中含量較低，且一般是分散分布于土體內(nèi)的，所以以往的研究多集中于氧化鐵膠體與黏土礦物(如高嶺石)間的膠結(jié)作用與方式等。與之不同的是，花崗巖殘余節(jié)理內(nèi)充填的物質(zhì)幾乎全部為鐵錳氧化物膠體，顆粒間的相互作用為鐵錳氧化物膠體間的相互作用，且鐵錳氧化物膠體的析出、遷移、沉淀及老化是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此，開(kāi)展風(fēng)化花崗巖殘余節(jié)理的微觀結(jié)構(gòu)及其演化過(guò)程的研究有助于進(jìn)一步全面了解花崗巖全風(fēng)化土的工程地質(zhì)特性。

本文以廣西東南部容縣陳村風(fēng)化花崗巖滑坡為研究對(duì)象，分別對(duì)花崗巖殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土取樣，對(duì)比研究組成滑坡體的3種土體在物質(zhì)組成與微觀結(jié)構(gòu)方面的差異，探討殘余節(jié)理非均質(zhì)性的演化過(guò)程，并初步分析殘余節(jié)理演化過(guò)程對(duì)其邊坡穩(wěn)定性的潛在影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)土樣及其物理性質(zhì)

研究區(qū)位于廣西東南部容縣和岑溪市交界處，區(qū)內(nèi)歷經(jīng)加里東期、華力西期、印支期和燕山期多期巖漿侵入活動(dòng)，分布有大面積的各時(shí)期花崗巖巖體，巖體以燕山期黑云母二長(zhǎng)花崗巖為主，受博白—岑溪大斷裂帶控制，形成了NE、NNE、NEE向3組斷裂，研究區(qū)恰好位于3組斷裂的交匯處。特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境與所處的濕熱氣候十分有利于花崗巖的風(fēng)化作用，形成了可達(dá)數(shù)十米厚的花崗巖風(fēng)化殼，且風(fēng)化剖面完整，各風(fēng)化帶界限較明顯，呈層狀結(jié)構(gòu)。

對(duì)廣西東南部容縣陳村滑坡剖面調(diào)查取樣，滑坡體由黑云母二長(zhǎng)花崗巖風(fēng)化而成的殘積土和全風(fēng)化土組成，滑動(dòng)帶位于全風(fēng)化帶內(nèi)，滑坡剖面出露了殘積土層和全風(fēng)化土層。其中，殘積土層厚度為2～4 m，呈黃褐色、磚紅色、棕紅色，對(duì)應(yīng)門塞爾(Munsell)土壤比色卡為2.5YR5/4～2.5YR8/6；全風(fēng)化土層厚度為4～25 m，主要為淺紅色到棕紅色(5YR4/6～7.5YR6/6)，偶見(jiàn)灰白色，部分呈土黃色，結(jié)構(gòu)較疏松，手捏即成松散狀粉末，石英基本上已從礦物中析離出來(lái)分布于土體內(nèi)，呈砂粒狀。在全風(fēng)化土層內(nèi)普遍可以見(jiàn)到大量被黑色或黑褐色(7.5YR2.5/1～7.5YR4/3)鐵錳氧化物填充的殘余節(jié)理[圖2(a)、(b)]，殘余節(jié)理源于花崗巖的原生節(jié)理，其分布具有繼承性，一般分布在幾米至十幾米，斷面平直，厚度較薄，約為1 cm，充填的鐵錳氧化物呈塵埃級(jí)土狀，遇水較濕滑，在外觀上與周圍全風(fēng)化土呈現(xiàn)明顯不同(圖2)。錳氧化物顏色常為黑色系，鐵氧化物顏色為紅色系，錳氧化物在殘余節(jié)理內(nèi)的含量高，具有很強(qiáng)的著色能力，掩蓋了紅色系的鐵氧化物[16]，從而使兩者混合呈深色系，如黑色[圖2(c)]或黑褐色[圖2(d)]。

試驗(yàn)所用的原狀土樣使用環(huán)刀(直徑為61.8 mm，高為40.0 mm)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，其中環(huán)刀以垂直殘余節(jié)理方向壓入土體內(nèi)，使殘余節(jié)理土在環(huán)刀內(nèi)呈層狀分布，并立即用保鮮膜包裹送入實(shí)驗(yàn)室。掃描電鏡測(cè)試和壓汞試驗(yàn)所用土樣為原狀土樣，在試驗(yàn)前采用液氮冷凍干燥處理。土樣的物理性質(zhì)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[17]進(jìn)行測(cè)試，3種土樣的物理性質(zhì)如表1所示。殘余節(jié)理土的飽和滲透系數(shù)由原狀土樣的室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)得到，滲透方向垂直節(jié)理走向，按層狀土采用換算方法得到滲透系數(shù)。由表1可知，殘余節(jié)理土的飽和滲透系數(shù)比全風(fēng)化土和殘積土分別低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)和一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3種土樣的化學(xué)分析方法為：總比表面積用乙二醇乙醚(EGME)吸附法測(cè)定；外比表面積和顆粒孔徑分布特征用美國(guó)康塔公司NOVA1200e比表面和孔徑分析儀測(cè)定；pH值(水土比為2.5∶1.0)用pH計(jì)法測(cè)定；陽(yáng)離子交換量(CEC)采用醋酸銨法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀法；游離Fe2O3測(cè)定采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉(DCB)提取法。其中，后3種測(cè)試在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

3種土樣都呈現(xiàn)弱酸性，是因?yàn)榛◢弾r在亞熱帶濕熱氣候及良好的排水條件作用下，巖體中堿性鹽基離子大量淋失，土體偏酸性。但殘余節(jié)理土的滲透系數(shù)較殘積土和全風(fēng)化土低，土體內(nèi)部排水不良，因而其pH值相對(duì)較高。殘余節(jié)理土的陽(yáng)離子交換量為13.5～22.3 cmol·kg-1，比全風(fēng)化土和殘積土高，表明殘余節(jié)理土具有更強(qiáng)吸附性。殘余節(jié)理土的有機(jī)質(zhì)含量比周圍基質(zhì)土體(全風(fēng)化土)和殘積土高。殘余節(jié)理土的總比表面積和外比表面積比全風(fēng)化土和殘積土高，這與其顆粒形成特征及物質(zhì)組成密切相關(guān)，即組成殘余節(jié)理土的顆粒為鐵錳氧化物，呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)[圖3(b)]。殘余節(jié)理土內(nèi)Fe2O3活化度要比全風(fēng)化土和殘積土高得多，表明殘余節(jié)理土的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)與特性對(duì)環(huán)境變化更為敏感。

2 物質(zhì)成分分析

2.1 能譜分析

對(duì)殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土3種土樣進(jìn)行了能譜分析，探討了它們之間主要化學(xué)成分的區(qū)別(圖4和表3)。3種土樣的主要化學(xué)成分為Fe、Mn、O、Al，并含有少量Si和C，殘積土和全風(fēng)化土還含有少量Mg。殘余節(jié)理土Fe、Mn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)高于其余兩種土樣，而Si含量要低。Fe、Mn是殘余節(jié)理土內(nèi)含量第二、三高的元素(僅次于O)，F(xiàn)e、Mn含量之比約為1∶2。殘余節(jié)理土內(nèi)Mn含量是殘積土的130.6倍，是全風(fēng)化土的4.3倍；Fe含量分別是殘積土和全風(fēng)化土的1.2倍和2.6倍。Fe、Mn在土樣中分布的差異是因?yàn)樵谄嵝缘叵滤到y(tǒng)內(nèi)，F(xiàn)e2+比Mn2+更早且更易被氧化成高價(jià)態(tài)而被水解、成核、沉淀析出，Mn2+遷移能力大于Fe2+，但Mn2+形成錳氧化物后具有自催化作用(Autocatalysis)，能夠加速M(fèi)n沉淀[18]，并更容易在殘余節(jié)理等大空隙內(nèi)積聚。

表1 殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土的物理性質(zhì)

表2 殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土的化學(xué)成分分析結(jié)果

圖3 殘余節(jié)理土的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM Photos of Relict Joint Soils

殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土的滿量程均為50 066 cts圖4 殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土的能譜分析Fig.4 Energy Dispersive X-ray (EDX) Analyses of Residual, Completely Weathered and Relict Joint Soils

表3 殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土的能譜分析結(jié)果

Kln為高嶺石；Ill為伊利石；Qtz為石英；Kfs為鉀長(zhǎng)石圖5 殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土的X射線衍射圖譜Fig.5 XRD Spectra of Residual, Completely Weathered and Relict Joint Solis

2.2 X射線衍射分析

分別對(duì)殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土進(jìn)行了X射線衍射(XRD)分析，結(jié)果如圖5所示。殘積土的主要礦物為高嶺石、伊利石和石英；全風(fēng)化土的主要礦物為伊利石、高嶺石、石英，并可見(jiàn)鉀長(zhǎng)石等原生礦物；殘余節(jié)理土的X射線衍射圖譜中除石英外并無(wú)其他明顯的衍射峰，表明殘余節(jié)理土內(nèi)礦物結(jié)晶不良。需要說(shuō)明的是，石英衍射峰的存在可能受黑褐色鐵錳氧化物取樣過(guò)程中混入少量周圍土體的影響。

天然土體內(nèi)鐵錳氧化物結(jié)晶度差、晶粒小，化學(xué)成分相對(duì)復(fù)雜，含量相對(duì)較低，因此，難以采用X射線衍射法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分析。目前已知土體內(nèi)常見(jiàn)的鐵氧化物類型主要有水鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦、纖鐵礦和磁赤鐵礦等，錳氧化物類型主要有軟錳礦、水鈉錳礦、鋰硬錳礦、水錳礦等[19-20]。根據(jù)土體內(nèi)常見(jiàn)鐵錳氧化物的特征衍射峰，仔細(xì)對(duì)比檢查殘余節(jié)理土的X射線衍射圖譜(圖5)可發(fā)現(xiàn)：殘余節(jié)理土在衍射角2θ為33.14°(對(duì)應(yīng)衍射峰高度為2.7 ?)和24.16°(3.68 ?)處有較強(qiáng)的特征衍射峰，與赤鐵礦的特征衍射峰吻合；在衍射角為12.26°(對(duì)應(yīng)衍射峰高度為7.21 ?)、36.48°(2.46 ?)和38.59°(2.33 ?)處有較強(qiáng)的特征衍射峰，與水鈉錳礦的特征衍射峰吻合。這表明殘余節(jié)理土內(nèi)鐵錳氧化物的類型可能為赤鐵礦和水鈉錳礦。

3 微觀結(jié)構(gòu)特征

3.1 掃描電鏡

使用掃描電鏡(SEM)分別對(duì)殘積土、全風(fēng)化土和殘余節(jié)理土等3種土樣進(jìn)行微觀觀測(cè)。殘積土的原巖結(jié)構(gòu)基本被完全破壞，但偶見(jiàn)書本狀高嶺石殘留[圖6(a)]。整體而言，高嶺石礦物聚合體漸碎片化，變?yōu)榧?xì)小黏土礦物顆粒，且分布雜亂無(wú)章，偶見(jiàn)大的晶體片(孔徑超過(guò)50 μm)殘留，以粒間孔隙為主，孔徑較小，僅為數(shù)微米。全風(fēng)化土的掃描電鏡照片[圖6(b)]顯示高嶺石單晶呈六方薄片狀、書本狀構(gòu)造，尺寸在數(shù)微米至數(shù)十微米；書本狀晶體團(tuán)粒體之間的粒間孔隙孔徑約為數(shù)微米，其中有尺寸相對(duì)小的團(tuán)粒體內(nèi)孔隙，孔徑約為零點(diǎn)幾微米，團(tuán)粒體內(nèi)孔隙的累積體積要遠(yuǎn)小于團(tuán)粒體間孔隙，與3.2節(jié)壓汞試驗(yàn)得到的累積孔隙體積-孔徑曲線相吻合。

圖6 殘積土和全風(fēng)化土的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM Photos of Residual and Completely Weathered Soils

掃描電鏡觀測(cè)到殘余節(jié)理土的微觀形態(tài)如圖3所示。殘余節(jié)理土微觀形態(tài)與殘積土和全風(fēng)化土有較大區(qū)別。根據(jù)殘余節(jié)理土內(nèi)鐵錳氧化物顆粒的不同微觀形態(tài)，可歸納為3類形態(tài)特征。第1類，鐵錳氧化物顆粒呈球狀、粒狀分布，孔徑主要為數(shù)微米至數(shù)十微米；顆粒表面呈多孔蜂窩狀，具有較大的比表面積，與表2所測(cè)得比表面積吻合；有極少數(shù)顆粒的表面出現(xiàn)如Tazaki等所描述的環(huán)狀附著物(Doughnut-shaped Holdfast)[21-22]，表明可能是受到了細(xì)菌等生物風(fēng)化作用的影響[圖3(a)、(b)]。第2類，鐵錳氧化物顆粒形態(tài)以橢球狀、米粒狀為主，顯示顆粒有被拉長(zhǎng)(或變長(zhǎng))的趨勢(shì)，其中部分顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則狀；膠體顆粒逐漸老化，顆粒表面仍呈多孔蜂窩狀，但較圖3(b)所示的顆粒已呈下降趨勢(shì)，且顆粒表面出現(xiàn)與被拉長(zhǎng)方向一致的半圓弧管狀凹陷，可能與地下水的長(zhǎng)期滲流作用有關(guān)[圖3(c)、(d)]。第3類，鐵錳氧化物顆粒被進(jìn)一步拉長(zhǎng)呈板狀，膠體顆粒的蜂窩狀結(jié)構(gòu)逐漸消失，呈現(xiàn)沿節(jié)理走向的片狀定向排列形態(tài)，且此階段顆粒間的孔隙以層間孔隙為主，面孔隙率最低[圖3(e)、(f)]。

為較好地衡量鐵錳氧化物顆粒的形態(tài)，采用顆粒形狀與圓的相似程度(即圓度D)來(lái)反映。圓度定義為面積(S)的圓周長(zhǎng)與該圓等面積的二維形體周長(zhǎng)(C)的比值。其計(jì)算公式為

(1)

圓度的取值范圍為(0，1]。圓度越大，顆粒形狀越接近于圓形。當(dāng)顆粒形狀為圓形時(shí)，圓度為1；反之，則表明顆粒越扁平。同時(shí)，圓度也能反映顆粒的緊湊程度。

對(duì)圖3所示的顆粒進(jìn)行圓度分析得知，第1類形態(tài)顆粒[圖3(b)]的圓度趨近于1，表明其顆粒形狀接近于圓形；第2類形態(tài)顆粒[圖3(d)]的圓度為0.5～0.9；第3類形態(tài)顆粒[圖3(f)]的圓度接近于0，已呈明顯的扁平狀。

鐵錳氧化物顆粒的不同微觀形態(tài)類型反映了殘余節(jié)理土微觀結(jié)構(gòu)會(huì)隨著風(fēng)化進(jìn)程而演化。殘余節(jié)理土內(nèi)鐵錳氧化物顆粒由風(fēng)化初期的近似球狀緊密堆積形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球狀擠密排列形態(tài)，并向定向片狀排列形態(tài)轉(zhuǎn)變，顆粒之間由點(diǎn)接觸、線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|；同時(shí)，伴隨有顆粒蜂窩狀結(jié)構(gòu)逐漸消失的趨勢(shì)，顆粒的膠體活性與比表面積逐漸降低，顆粒圓度降低，殘余節(jié)理土的宏觀工程地質(zhì)性質(zhì)也將會(huì)隨之發(fā)生變化。

3.2 壓汞試驗(yàn)

采用Pore Master 33G全自動(dòng)壓汞儀獲得了殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土的累積孔隙體積-孔徑曲線(圖7)。殘余節(jié)理土的累積孔隙體積最小，為0.085 6 cm3·g-1，全風(fēng)化土的累積孔隙體積最大，達(dá)到了0.253 0 cm3·g-1，后者約是前者的3倍，這說(shuō)明殘余節(jié)理土的可連通孔隙較全風(fēng)化土少。在孔隙體積分布方面，殘積土和全風(fēng)化土的孔隙體積分布都呈現(xiàn)出單峰孔隙的特征，殘積土的孔徑分布范圍主要為0.1～3.0 μm，全風(fēng)化土為0.1～8.0 μm，全風(fēng)化土的孔徑分布范圍稍微寬于殘積土；此外，全風(fēng)化土孔徑低于0.1 μm的孔隙(主要為團(tuán)粒內(nèi)孔隙)也有一定分布。殘余節(jié)理土的孔隙體積分布為雙峰型，孔徑主要分布范圍為0.02～6.00 μm和大于100 μm，前者累積孔隙體積占多數(shù)，后者累積孔隙體積相對(duì)較少，反映的可能是沿節(jié)理走向的層間孔隙，表明地下水沿殘余節(jié)理走向?yàn)閮?yōu)勢(shì)(殘余)滲流通道，但并不能與表1所示的垂直節(jié)理走向滲透系數(shù)顯著降低的特點(diǎn)相一致，說(shuō)明殘余節(jié)理土呈各向異性。

圖7 殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土的累積孔隙體積-孔徑曲線Fig.7 Cumulative Pore Volume-pore Size Curves of Residual, Completely Weathered and Relict Joint Soils

由壓汞試驗(yàn)獲得的殘積土、全風(fēng)化土及殘余節(jié)理土孔隙率分別為27.69%、40.39%、19.86%，低于土工試驗(yàn)得到的孔隙率(表1)，可能是土樣中有部分未連通的孔隙在壓汞試驗(yàn)中沒(méi)有被測(cè)量。

4 殘余節(jié)理演化過(guò)程及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

4.1 演化過(guò)程

花崗巖的風(fēng)化作用開(kāi)始于結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖壁礦物，并向內(nèi)法線方向擴(kuò)展。巖體內(nèi)廣泛存在的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)是地下水進(jìn)入巖體內(nèi)部深處的優(yōu)先滲流通道，不僅為風(fēng)化溶解液(H2O、O2、CO2及有機(jī)酸等)的滲入、貯存、運(yùn)移及巖石礦物化學(xué)風(fēng)化的發(fā)生提供了空間條件[23]，也為風(fēng)化產(chǎn)物的遷移提供通道，能維持較長(zhǎng)時(shí)間的快速風(fēng)化作用。然而，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的風(fēng)化作用后，節(jié)理終將成為難溶風(fēng)化產(chǎn)物的沉積、堆積場(chǎng)所，水-巖接觸面面積也隨之減少而使風(fēng)化作用減緩。沉積在殘余節(jié)理內(nèi)次生礦物的結(jié)構(gòu)形態(tài)與物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)因環(huán)境因素和地下水滲流條件的改變而發(fā)生變化，因此，殘余節(jié)理處于一個(gè)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程中，與花崗巖巖體的風(fēng)化進(jìn)程密切相關(guān)。

花崗巖的主要原生礦物為石英、長(zhǎng)石、黑云母和角閃石等，其中黑云母和角閃石等深色礦物為主要的含鐵錳礦物，抗風(fēng)化能力相對(duì)較差。在風(fēng)化初期，F(xiàn)e、Mn等的化學(xué)成分與含量變化較明顯，是巖石化學(xué)風(fēng)化的敏感元素[24-25]，常常在風(fēng)化程度很低的巖體節(jié)理面上被染色。在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中，花崗巖原生礦物晶格結(jié)構(gòu)最先被破壞，金屬元素以離子態(tài)被釋放。根據(jù)化學(xué)相似性，被釋放或析出的金屬元素可以分成兩類：一類是Na、K、Ca、Mg等堿和堿土元素，被釋放出來(lái)常能穩(wěn)定地以離子形式溶于地下水并隨地下水遷移；另一類是Fe、Mn等變價(jià)元素(如Fe2+以“—Si—O—Fe2+—O—Si—”形式存在于花崗巖礦物分子結(jié)構(gòu)中)，被釋放出來(lái)后，F(xiàn)e2+、Mn2+溶解度較高，能進(jìn)入地下水中遷移，但容易被氧化成高價(jià)態(tài)離子， Fe、Mn高價(jià)態(tài)離子的溶解度較低，常產(chǎn)生水解反應(yīng)形成無(wú)定形的水合氧化鐵(錳)膠體。

鐵錳氧化物形成后，環(huán)境因素(如地下水溶液的酸堿度、腐殖酸和排水條件等)的變化會(huì)影響膠體的物理化學(xué)性質(zhì)以及膠體形式的轉(zhuǎn)化過(guò)程。在pH值為4～6的溶液體系內(nèi)，錳氧化物能促進(jìn)鐵氧化物的沉淀[26]。廣西東南部花崗巖的地下水pH值為5～6，在此酸堿度下，鐵錳氧化物常常伴生作為一個(gè)結(jié)核或整體析出、沉淀和生長(zhǎng)，膠體電荷性質(zhì)一般為正電荷，風(fēng)化土的主要黏土礦物高嶺石膠體帶負(fù)電荷，兩種膠體顆粒會(huì)形成電荷吸引的相互作用。

圖8 風(fēng)化花崗巖殘余節(jié)理的演化過(guò)程Fig.8 Evolution Process of Relict Joints of Weathered Granite

廣西東南部花崗巖殘余節(jié)理的形成演化過(guò)程可大致概括為4個(gè)階段(圖8)。第1階段，鐵錳氧化物顆粒沉淀吸附在節(jié)理表面，節(jié)理表面局部或全部被鐵錳氧化物染色而呈現(xiàn)褐色或黑褐色，顆粒疏松，孔隙較大，微觀形態(tài)呈球狀;鐵錳氧化物顆粒以凝膠態(tài)被包在節(jié)理表面，鐵錳氧化物膠體以遷移擴(kuò)散作用為主，節(jié)理滲流基本不受膠體沉淀的影響，節(jié)理仍是巖體地下水滲流的優(yōu)先通道。第2階段，鐵錳氧化物顆粒呈近似球狀，在節(jié)理內(nèi)緊密堆積；隨著節(jié)理兩側(cè)結(jié)構(gòu)體的風(fēng)化程度加劇，向節(jié)理內(nèi)充填的鐵錳氧化物顆粒逐漸增多；此階段的鐵錳氧化物仍為非晶質(zhì)，呈凝膠態(tài)，在X射線衍射分析中不能產(chǎn)生衍射峰，具有很大的比表面積和很高的膠體活性，顆粒間以相互吸引為主，膠體顆粒體系的穩(wěn)定性較好。第3階段，鐵錳氧化物顆粒沿節(jié)理走向被拉長(zhǎng)呈橢球狀、米粒狀，可能是沉積在節(jié)理內(nèi)顆粒增多并相互擠壓而成，或是巖石結(jié)構(gòu)體風(fēng)化過(guò)程中體積膨脹擠壓(殘余)節(jié)理而成，亦或是地下水長(zhǎng)期滲流作用而成，其具體成因需要進(jìn)一步研究；該階段鐵錳氧化物顆粒的蜂窩狀結(jié)構(gòu)逐漸消失，膠體開(kāi)始逐漸失去活性而老化，可能是充填節(jié)理內(nèi)的膠體顆粒受地下水滲流作用的改變、地下水干濕交替循環(huán)作用、土體內(nèi)pH值升高等影響了膠體的活性。第4階段，鐵錳氧化物顆粒的蜂窩狀結(jié)構(gòu)基本消失，鐵錳氧化物顆粒繼續(xù)沿節(jié)理走向被拉長(zhǎng)呈薄板狀定向分層排列，粒間孔隙和總孔隙變小，沿節(jié)理走向的優(yōu)勢(shì)滲流通道仍有殘留，但在垂直節(jié)理走向的滲透性已顯著降低。

在第1、2階段，節(jié)理內(nèi)的鐵錳氧化物膠體以無(wú)定形的非晶態(tài)為主，鐵錳氧化物顆粒以膠體吸附作用為主，膠體聚集類似膠結(jié)的力學(xué)效應(yīng)，具有較好的穩(wěn)定性；膠體吸附作用受表面電荷、pH值和離子強(qiáng)度影響，由于此效應(yīng)一般是可逆的，所以殘余節(jié)理鐵錳氧化物顆粒處于動(dòng)態(tài)平衡階段。在第3、4階段，無(wú)定形的非晶態(tài)鐵錳氧化物逐漸脫水或老化結(jié)晶后形成赤鐵礦和水鈉錳礦等結(jié)晶較好的礦物，膠體活性降低，良好的結(jié)晶狀態(tài)仍能使殘余節(jié)理保持較高的強(qiáng)度和較好的穩(wěn)定性。

4.2 邊坡穩(wěn)定性

當(dāng)殘余節(jié)理出現(xiàn)在邊坡、基坑或地下洞室等巖土體結(jié)構(gòu)中，常常成為控制其穩(wěn)定性的重要邊界條件[27]。特別是風(fēng)化花崗巖殘余節(jié)理傾向與其邊坡的坡角成不利組合時(shí)，殘余節(jié)理對(duì)風(fēng)化花崗巖邊坡的破壞與失穩(wěn)有重要影響。2010年6月1日至2日，在廣西東南部岑溪市與容縣交界處約300 km2區(qū)域范圍內(nèi)暴發(fā)的風(fēng)化花崗巖滑坡和泥石流多達(dá)上百處，其中10余處有人員傷亡，共造成43人死亡[28]。事后調(diào)查顯示，滑坡的滑動(dòng)帶大部分位于全風(fēng)化帶，破壞形式主要為平移滑動(dòng)和楔形滑動(dòng)。Ho等報(bào)道香港許多滑坡滑動(dòng)面部分與土體內(nèi)殘余結(jié)構(gòu)面重合，破壞形式類似巖體的平面、楔形或復(fù)合滑動(dòng)破壞[29]。

在風(fēng)化程度較低的花崗巖巖體中，(殘余)節(jié)理的滲透系數(shù)要高于兩側(cè)巖(土)墻，易形成地下水優(yōu)先滲流路徑[23,29]；而風(fēng)化程度高的巖土體中被鐵錳氧化物填充的殘余節(jié)理滲透性要低于周圍土體。廣西東南部花崗巖殘余節(jié)理土滲透系數(shù)要比全風(fēng)化土約低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。降雨期具有殘余節(jié)理的邊坡滲流過(guò)程是復(fù)雜的，甚至出現(xiàn)異常的地下水滲流模式，主要是因?yàn)榈蜐B透性殘余節(jié)理在土體內(nèi)形成了相對(duì)不透水的底板。如在低滲透殘余節(jié)理的頂部土體內(nèi)可能會(huì)形成臨時(shí)的上層滯水，或多組相交的殘余節(jié)理在土體內(nèi)常形成“筑壩效應(yīng)”，從而導(dǎo)致邊坡局部區(qū)域土體內(nèi)孔隙水壓力在降雨期突然增加，在停雨后難以(或延遲)消散。Aydin將這種現(xiàn)象稱為地下水不對(duì)稱的飽和-消散響應(yīng)[1]。低滲透殘余節(jié)理會(huì)使邊坡土體處于一個(gè)更長(zhǎng)時(shí)間的飽水狀態(tài)，進(jìn)而降低土體的抗剪強(qiáng)度。具有相對(duì)低滲透性的殘余節(jié)理會(huì)引起邊坡地下水滲流過(guò)程異常，并伴隨引起邊坡土體力學(xué)強(qiáng)度降低，因此，殘余節(jié)理常成為滑坡滑動(dòng)面(帶)形成與發(fā)展的理想地帶[29]。

雖然花崗巖殘余節(jié)理引起的非均質(zhì)性對(duì)其邊坡等巖土體的穩(wěn)定性至關(guān)重要，但殘余節(jié)理厚度較薄(僅為1 cm左右)，在地質(zhì)勘察取芯過(guò)程中常常被忽略或未被識(shí)別，殘余節(jié)理抗剪強(qiáng)度取值還具有不確定性。因此，Aydin等建議在邊坡勘察過(guò)程中建立一種有效的工程地質(zhì)模型來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和表征殘余節(jié)理[1]，以便提高巖土體強(qiáng)度指標(biāo)取值及其邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確度與可靠性，而根據(jù)殘余節(jié)理的繼承性及其形成演化機(jī)理入手將是最有效的途徑之一。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)廣西東南部容縣陳村花崗巖殘積土和全風(fēng)化土是原生礦物風(fēng)化后形成的次生礦物殘積，兩者主要次生黏土礦物為高嶺石和伊利石等。全風(fēng)化土的高嶺石晶體呈六方薄片狀、書本狀構(gòu)造，單晶尺寸在數(shù)微米至數(shù)十微米，以團(tuán)粒體間孔隙為主，其次還有團(tuán)粒體內(nèi)孔隙；殘積土的高嶺石礦物漸碎片化，分布雜亂無(wú)章，單晶尺寸小于全風(fēng)化土，以粒間孔隙為主。殘余節(jié)理土是兩側(cè)巖石結(jié)構(gòu)體風(fēng)化后被鐵錳氧化物顆粒沉淀、充填和堆積而成，由于錳氧化物含量高而使其外觀呈黑色或黑褐色；顆?？讖街饕植荚跀?shù)微米至數(shù)十微米，表面呈多孔蜂窩狀，具有較大的比表面積；殘余節(jié)理土內(nèi)鐵錳氧化物由于礦物結(jié)晶度差而導(dǎo)致其X射線衍射分析中的衍射峰不明顯，但主要礦物類型為赤鐵礦和水鈉錳礦。

(2)殘余節(jié)理內(nèi)充填的鐵錳氧化物隨著風(fēng)化作用和地下水滲流作用而演化，其微觀結(jié)構(gòu)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程之中。其大致可分為4個(gè)階段：鐵錳氧化物顆粒沉淀在節(jié)理表面，呈球狀；緊密堆積填充節(jié)理，呈近似球狀；沿節(jié)理走向被拉長(zhǎng)呈橢球狀、米粒狀；繼續(xù)沿節(jié)理走向被拉長(zhǎng)呈薄板狀定向分層排列。

(3)殘余節(jié)理土的滲透系數(shù)比其兩側(cè)巖土體(全風(fēng)化土)約低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比殘積土約低一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明花崗巖節(jié)理由風(fēng)化早期的滲流優(yōu)先通道逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)化后期的隔水夾層，在降雨期會(huì)引起邊坡內(nèi)復(fù)雜或異常的地下水滲流過(guò)程，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起不利作用。