陕北地区砂岩的技术指标特性

马庆伟，杨晨光

(西安公路研究院，陕西 西安 710065)

0 引 言

“十三五”期间，陕北地区高速公路建设任务日益繁重，进而对筑路材料的需求量增大且对其质量提出较高要求[1]。受到地域限制，陕北地区高速公路建设面临着优质石料严重匮乏、采用外运集料经济性较差的局面[2]；另一方面，陕北地区富含的大量砂岩矿藏尚未被开发，宜将其用于公路基础建设[3-4]。截至目前为止，陕西省内关于砂岩用于高速公路基层及底基层的实体应用工程较少，尤其是将砂岩用于基层尚无先例[5]。鉴于此，本文针对陕北地区的砂岩，系统分析其形成过程、矿物组成及力学性能，为今后陕北地区公路工程建设提供一定理论依据。

1 陕北地区砂岩的成岩过程及分布

陕北地区砂岩储层经历复杂的成岩作用，主要包括砂岩的压实作用、胶结作用、溶蚀作用、压溶作用、交代作用以及石英的次生加大作用等[6]，其中压实作用和溶蚀作用是砂岩最为重要的作用。基于砂岩成因作用的重要程度，将陕北地区砂岩成岩作用分为两大类[7]：一类如压实作用和胶结作用，是对孔渗性有破坏效果的成岩作用；另一类如溶蚀作用，可对孔渗性起改善效果。下面对延安组砂岩储层的主要成岩作用进行简述。

(1)压实作用。对于研究区延安组地层，由于不同地区的岩石类型及埋深不同，同一地层的压实强度存在较大差异[8]，其中长石砂岩类、岩屑砂岩类的压实作用更显著。

(2)胶结作用。研究区延安组储层胶结物主要以石英、高岭石和方解石为主，强烈的胶结作用是造成储层渗透率降低的重要因素之一[9]。

(3)溶蚀作用。研究区砂岩被溶解的碎屑组分主要是石英、长石岩屑，其中石英、长石被溶蚀现象普遍，石英压溶会形成颗粒间凹凸接触或缝合线接触[10]。

(4)次生加大作用。研究区石英次生加大不发育，石英含量高，相对较纯，硅质极易加大在石英碎屑颗粒上，加大边与颗粒表面相结合，构成再生胶结结构。

研究区陕北地区沿线砂岩的主要成分为石英、黏土等，如图1、2所示。砂岩颜色有的偏红，有的发灰[11]。

图1 砂岩样本一

图2 砂岩样本二

2 陕北地区砂岩的矿物组成

砂岩是一种位于陕北地区具有地域特色的沉积岩，绝大部分砂岩由0.05～2 mm的细微砂粒经胶结作用而形成[12-13]。砂岩成分复杂，石英成分占60%以上，黏土成分占11%左右，针铁矿成分占12%左右，其他物质占11%以上。

对陕北地区沿线的砂岩和石灰岩进行随机调查取样，共收集了3种产地的砂岩A(黄陵)、B(延安)、C(富县)以及一种石灰岩D(延长)。对不同类型的砂岩及石灰岩进行了粉晶X衍射试验，结果见表1。

表1 粉晶X衍射分析

从表1可知，陕北地区砂岩成分特征的项目主要有石英含量、长石含量等，而石英(长石和岩屑)的比例表示为岩矿成分成熟度。不同类型的岩石成分成熟度差异较大，石英的含量越高，成分成熟度越高，岩石的抗压性越好，物性也相对较好，反之，物性较差[14]。

试验结果表明，陕北地区的砂岩矿物组成基本相同，仅矿物含量存在一定差异。由于样品均为长石砂岩类[15]，不能仅凭借矿物元素及组成进行砂岩的差异性研究，需要结合砂岩的物理和力学指标一同进行适用性确定。

分析表1可知：该地区地层中砂岩石英含量最高，发育成熟度较好；该类砂岩由长石、石英、方解石及云母等碎屑矿物共同构成砂岩的骨架，而含量较低的伊利石、绿泥石、高岭石等黏土矿物主要起到胶结作用[16]。此外，砂岩中存在少量的铁、钙质胶结物或游离氧化物。由于砂岩中起到骨架作用的矿物成分、含量各不相同，导致砂岩岩样的力学参数(如黏聚力、内摩擦角、单轴抗压强度、弹性模量等)存在差异。以石英为主的砂岩颗粒易因颗粒界面的应力集中造成岩体的脆性破坏。研究表明，颗粒刚度比可在较大范围内影响砂岩岩样的宏观力学性能。颗粒间的切向刚度与颗粒接触刚度比成反比关系，胶结砂岩脆性受切向刚度影响较大；平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值越大，砂岩颗粒脆性越大，越容易发生黏结破坏及剪切破坏。

3 陕北地区砂岩物理及力学指标

3.1 物理特征

根据《公路工程岩石试验规程》(JTG E41—2005)中规定的方法，对陕北地区沿线A、B、C三处产地砂岩和石灰岩D进行岩石学简易鉴定，结果见表2。

3.2 吸水率和含水率

根据《公路工程岩石试验规程》(JTG E41—2005)中含水率和吸水性试验要求，对陕北地区不同种类的砂岩及石灰岩的含水率和吸水率进行测定，结果见表3。

表3 不同产地岩石的吸水率与含水率

由表3可以看出，砂岩吸水率基本在3%以上，远大于石灰岩，含水量也存在同一规律。

3.3 密度及孔隙率

根据《公路工程岩石试验规程》(JTG E41—2005)中的密度试验要求，对陕北地区不同产地的岩石进行密度和孔隙率测定，结果见表4。

表4 岩石密度及孔隙率

由表4可知，砂岩密度整体较石灰岩偏小，均在2.70 g·cm-3以下，孔隙率在10%左右，接近石灰岩碎石的10倍。

3.4 单轴抗压强度

根据《公路工程岩石试验规程》(JGT E41—2005)中的相关规定，分别对陕北地区不同产地的岩石进行单轴抗压强度测定。采用压力试验机分别测得天然、烘干、饱水3种状态下岩石的单轴极限抗压强度，试件尺寸为50 mm±2 mm。试验结果见表5，试验设备见图3。

表5 不同地区砂岩的单轴饱水抗压强度

图3 XRD试验实体

经调查分析可知，陕北地区砂岩的沉积、成岩时间短，试件的饱水抗压强度较低，工程力学性能不佳。因此，依照岩石的饱水抗压强度进行砂岩坚硬程度的划分。其中，采用30 MPa的岩石单轴饱水抗压强度作为硬质、软质岩石的划分界限，划分结果见表6。

表6 岩石坚硬程度的划分

由表6可知，上述各硬质砂岩和石灰岩均属于硬质岩，其中石灰岩属于坚硬岩，A、B、C三处产地砂岩属于较坚硬岩。

由表3～5可知，石灰岩的软化系数高于砂岩，表明砂岩的软化系数与孔隙率、吸水率相关。因此，砂岩的力学性质在一定程度上受到吸水率的影响，后续试验分析中要充分重视砂岩的这一性质。

4 结 语

(1)对项目所在地的砂岩成岩过程及分布进行综合分析，研究区砂岩储层经历的成岩作用类型较多，主要从压实作用、胶结作用、交代作用、溶蚀作用、压溶作用和石英的次生加大作用等方面阐述了砂岩的成岩过程。

(2)综合分析项目沿线砂岩性质，并与石灰岩相比较。从岩石的矿物组成、物理性质和力学指标等方面分析：该地区砂岩存在强度较低、孔隙率较大、吸水率较大以及抗冻性较差等工程力学特性；不同产地的砂岩性质相差不大。

(3)砂岩的软化系数在一定程度上受到孔隙率的影响，并与砂岩吸水率相关，因此砂岩吸水率的高低影响砂岩的力学性质。