宣城地區(qū)紅層軟巖微觀結(jié)構(gòu)及水理特性試驗(yàn)研究*

董長春 吳世雄 邱 宇

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心；2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊(duì)；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

紅層是指中生代、新生代沉積形成的因富含鐵質(zhì)氧化物而呈紅、深紅或褐色的地層，廣泛分布于我國的西南、中南及華東各省區(qū)［1］。紅層軟巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，單軸抗壓強(qiáng)度低，抗水及抗風(fēng)化能力差，軟化系數(shù)低，遇水發(fā)生軟化和崩解，甚至泥化喪失整體性而形成松散細(xì)小顆粒物質(zhì)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，是造成崩塌、地陷、滑坡的關(guān)鍵原因之一［2-3］。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的需要，紅層地區(qū)工程建設(shè)增多，紅層軟巖水理特性的研究逐漸成為巖土工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。

國內(nèi)外學(xué)者曾對紅層軟巖的工程性質(zhì)進(jìn)行了一系列富有成效的研究，主要集中在試驗(yàn)研究、微觀結(jié)構(gòu)、理論研究3 個方面。Bekar 和Narayanasamy［4-5］通過室內(nèi)試驗(yàn)，對紅層的形態(tài)特征和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；周翠英等［6］通過軟巖飽水試驗(yàn)對軟巖在飽水狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究了水—巖相互作用中，軟巖物質(zhì)成分、化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律；Risnes 等［7］從水的弱化作用及水的活動性方面，研究其對白堊巖微觀結(jié)構(gòu)的影響；楊春和等［8］通過分析板巖飽水試驗(yàn)中吸水率、濕潤角、礦物顆粒微觀結(jié)構(gòu)和孔隙度等參數(shù)的變化過程，解釋了板巖軟化的機(jī)理和過程；岳全慶等［9］通過進(jìn)行軟巖浸水崩解試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對巴東組紅層軟巖在不同含水率情況下的崩解性和軟化性進(jìn)行分析；蘇航等［10］對滇中紅層軟巖的崩解、膨脹、軟化等水理性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，詳述了紅層軟巖與水理性質(zhì)相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)。朱效嘉［11-12］提出了晶格擴(kuò)張膨脹理論和擴(kuò)散雙電層膨脹理論解釋水在軟巖中的賦存狀態(tài)，對軟巖固態(tài)、塑性、泥化、軟化、液化、滲流、崩解、飽水膨脹等水理性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)論述；Marcel［13］根據(jù)泥巖的礦物成分以及微觀結(jié)構(gòu)，提出引起泥巖崩解的不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)理論。水巖相互作用是一種復(fù)雜的物理化學(xué)作用，也是巖石力學(xué)性質(zhì)大幅度下降的主要原因，其規(guī)律研究對工程實(shí)踐有重要的意義。

上述研究在一定程度上揭示了紅層軟巖的理化性質(zhì)、工程特性，但對于紅層軟巖遇水軟化的水理性質(zhì)及水巖作用規(guī)律研究仍有待加強(qiáng)。鑒于此，本研究選取宣城紅層軟巖，從微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分及崩解特性3個方面對其特性進(jìn)行研究，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，揭示紅層軟巖軟化機(jī)理，為宣城紅層軟巖地區(qū)的工程建設(shè)提供參考。

1 微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)是解釋其水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的重要基礎(chǔ)［14］，通過對紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可為紅層軟巖膨脹性、軟化性和崩解性提供微觀解釋。試驗(yàn)所用的巖石樣本取自宣城某施工現(xiàn)場，所取樣本共分為2 類，分別為雙塔寺組泥質(zhì)粉砂巖和赤山組粉砂巖。采取2種巖石樣本并制作薄片，在顯微鏡下進(jìn)行觀察，雙塔寺組泥質(zhì)粉砂巖和赤山組鈣質(zhì)粉砂巖的鏡下特征如圖1、圖2所示。

雙塔寺組巖石樣本的巖性為泥質(zhì)粉砂巖，結(jié)構(gòu)為細(xì)?！獦O細(xì)粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)造為條紋狀構(gòu)造。主要礦物為石英，含少量褐鐵礦、絹云母等礦物；石英呈尖錐狀、透鏡狀、不規(guī)則狀等，粒徑為0.05～0.2 mm，個別可達(dá)1 mm。部分膠結(jié)物發(fā)生褐鐵礦化蝕變，碎屑含量約占50%，呈過渡式支撐。

赤山組巖石樣本的巖性為鈣質(zhì)粉砂巖，結(jié)構(gòu)為粉砂狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)造為塊狀構(gòu)造。其主要礦物成分為石英，石英呈棱角狀、三角錐狀、透鏡狀、橢圓狀等，粒徑多為0.01～0.08 mm，少量可達(dá)0.25 mm，含量約占20%。膠結(jié)物為微晶方解石，粒徑小于0.01 mm，部分重結(jié)晶增生至0.02 mm，可見嵌晶結(jié)構(gòu)。巖石呈基底式膠結(jié)。巖石中發(fā)育方解石脈，脈寬0.2～0.6 mm，呈彎曲狀。

2 軟巖崩解特性試驗(yàn)

2.1 浸水崩解試驗(yàn)

將巖石樣品加工形成5 cm×5 cm（直徑×高）的圓柱狀，采用自然飽水法使試樣逐步浸水飽和。首先浸沒試樣高度的1/4，然后每隔2 h分別升高水面至試樣的1/3和1/2處，6 h后全部浸沒試樣，試樣在水下自由吸水24 h，在試驗(yàn)過程中觀察巖樣變化情況。

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到1 h 時(shí)，容器中水被吸干，重新加水后，泥質(zhì)粉砂巖樣本的表面開始脫落，巖樣開始發(fā)生崩解，內(nèi)部產(chǎn)生較多氣孔。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到12 h 時(shí)，泥質(zhì)粉砂巖全部崩解，喪失巖石的基本結(jié)構(gòu)。隨浸水時(shí)間的增長，泥質(zhì)粉砂巖表面和內(nèi)部的黏粒逐漸流失，顆粒之間的接觸狀態(tài)從面—面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊妗?、邊—邊接觸，巖石中孔隙的數(shù)量和尺寸隨之增加，直至最后巖石喪失基本結(jié)構(gòu)，完全崩解。鈣質(zhì)粉砂巖在試驗(yàn)過程中表面會發(fā)生部分崩解，但崩解程度較小，不會喪失基本結(jié)構(gòu)。

2.2 軟化系數(shù)測定

將試驗(yàn)所用巖石樣本加工成5 cm×5 cm（直徑×高）的圓柱狀，從制備的巖樣中選取外觀沒有損傷，無節(jié)理裂隙的巖石以備試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用混凝土壓力機(jī)，如圖3所示。

將巖石樣品進(jìn)行干燥處理，干燥后在巖石與混凝土壓力機(jī)上試驗(yàn)，得到其單軸抗壓強(qiáng)度。軟巖的飽和方式采用自然飽水法，首先淹沒試樣高度的1/4，然后每隔2 h分別升高水面至試樣的1/3和1/2處，6 h后全部浸沒試樣，試樣在水下自由吸水24 h。對未崩解的鈣質(zhì)粉砂巖樣本進(jìn)行試驗(yàn)，得其單軸抗壓強(qiáng)度。

通過試驗(yàn)得到干燥試樣及飽水試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖4 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，飽水試樣的單軸抗壓強(qiáng)度較干燥試樣大幅度下降，軟化系數(shù)為0.067～0.143，表現(xiàn)出極強(qiáng)的軟化性。當(dāng)水滲入巖體的孔隙中時(shí)，礦物顆粒表面形成的水化膜導(dǎo)致體積膨脹，形成楔劈效應(yīng)，巖石變得疏松，微觀結(jié)構(gòu)被破壞；顆粒間膠結(jié)物的軟化溶解會導(dǎo)致巖石形成新的溶蝕孔隙，顆粒間聯(lián)結(jié)被削弱，產(chǎn)生崩解破壞；加之水化膜擴(kuò)散層降低顆粒間摩擦，三方面原因共同作用使巖石表現(xiàn)出極強(qiáng)的軟化性［10，15］。

對比干燥與飽水巖石單軸抗壓強(qiáng)度，利用式（1）可計(jì)算軟化系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1。

式中，η為軟化系數(shù)，Rs為飽水時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度，MPa，Rd為干燥時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

3 物質(zhì)成分測定

紅層軟巖的宏觀性質(zhì)不僅受微觀結(jié)構(gòu)影響，還與其物質(zhì)組成密切相關(guān)。為探究雙塔寺組泥質(zhì)粉砂巖與赤山組鈣質(zhì)粉砂巖所表現(xiàn)的不同水理特性，采用X射線衍射的方法對巖石樣本的物質(zhì)成分進(jìn)行測定。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用DX-2700 型X 射線衍射儀（圖5），通過激發(fā)樣本中不同晶體產(chǎn)生不同的衍射效應(yīng)，得出樣本衍射圖譜，測定巖石的礦物組成。

首先，將各個烘干后的塊狀巖土樣碾磨至粉末狀并過0.075 mm 篩，取過篩后的巖樣粉末填入凹槽，用玻璃板將其壓緊，保證表面平整。其次，刮去槽外或高出樣品板面的多余粉末，重新用玻璃板壓緊，使樣品表面與樣品板面保持一致。最后，設(shè)置一定的試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行衍射試驗(yàn)，采集并儲存數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

XRD 試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7 所示。赤山組鈣質(zhì)粉砂巖中的主要礦物成分為石英和方解石，雙塔寺組泥質(zhì)粉砂巖中的主要礦物成分為石英、赤銅礦、伊利石。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)崩解巖性試驗(yàn)及XRD 試驗(yàn)，赤山組鈣質(zhì)粉砂巖的主要成分為石英和方解石，遇水后軟化效應(yīng)明顯，飽水后軟巖單軸抗壓強(qiáng)度約為干燥時(shí)的6.7%～14.3%。雙塔寺組泥質(zhì)粉砂巖的主要成分為石英、赤銅礦、伊利石。伊利石顆粒直徑小，具有極強(qiáng)的親水性，當(dāng)與水發(fā)生作用時(shí)，水分子分別進(jìn)入粒間孔隙和層狀的黏土礦物顆粒間，造成黏土礦物的膨脹。特別是進(jìn)入層狀黏土礦物顆粒間的水分子形成極化水分子層，極化水分子層會持續(xù)吸水引起持續(xù)膨脹［16］。伊利石與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)引起紅層軟巖體積膨脹可達(dá)50%～60%，其反應(yīng)過程為［12］

黏土礦物接觸水后會吸收大量的水分，增加擴(kuò)散層厚度，降低顆粒間聯(lián)結(jié)力，從而在中立作用下發(fā)生崩解；黏土礦物在膨脹中產(chǎn)生的不均勻吸水會使得巖石內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，產(chǎn)生大量微孔隙，最終導(dǎo)致軟巖顆粒的崩解［17］。

紅層軟巖的礦物成分、膠結(jié)物類型等內(nèi)在因素是其遇水軟化、崩解特性的決定性條件，而自然氣候、地理?xiàng)l件、沉積構(gòu)造等外部因素是影響其特性的間接性條件，內(nèi)部條件和外部條件共同作用使紅層軟巖具有其特有的崩解特性。紅層軟巖遇水崩解是其結(jié)構(gòu)逐漸失效，強(qiáng)度逐漸喪失，由完整巖石還原為松散堆積物的漸進(jìn)過程［1］。紅層軟巖因其特有的軟化性，出露部分易風(fēng)化、遇水崩解，軟化前后力學(xué)性質(zhì)差別較大，巖體易發(fā)生碎裂性滑坡。在工程實(shí)踐中，宜根據(jù)工程實(shí)際，選取合適參數(shù)，對最不利工況進(jìn)行分析，尤其注意水對紅層軟巖力學(xué)性質(zhì)的影響。

5 結(jié)論

（1）宣城地區(qū)雙塔寺組泥質(zhì)粉砂巖結(jié)構(gòu)以細(xì)?！獦O細(xì)粒為主，構(gòu)造為條紋狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，部分膠結(jié)物發(fā)生褐鐵礦化蝕變，碎屑含量約占50%，呈過渡式支撐；赤山組鈣質(zhì)粉砂巖結(jié)構(gòu)為粉砂狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)造為塊狀構(gòu)造，膠結(jié)物為微晶方解石，可見嵌晶結(jié)構(gòu)，呈基底式膠結(jié)。

（2）在進(jìn)行軟巖崩解試驗(yàn)時(shí)，泥質(zhì)粉砂巖隨著浸水時(shí)間的增加，泥質(zhì)粉砂巖中的黏性礦物顆粒逐漸流失，顆粒之間的接觸狀態(tài)從面—面接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊妗叀⑦叀吔佑|，孔隙數(shù)量和大小隨之增加，導(dǎo)致巖石基本結(jié)構(gòu)喪失，巖石完全崩解。而鈣質(zhì)粉砂巖在試驗(yàn)過程中崩解主要發(fā)生在表面，不會喪失其基本結(jié)構(gòu)，因此崩解程度較小。

（3）鈣質(zhì)粉砂巖浸水發(fā)生軟化，飽水單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大幅度下降，軟化系數(shù)為0.067～0.143。

（4）赤山組鈣質(zhì)粉砂巖中的主要礦物成分為石英和方解石，雙塔寺組泥質(zhì)粉砂巖中的主要礦物成分為石英、赤銅礦、伊利石。黏土礦物吸水膨脹機(jī)制與不均勻吸水導(dǎo)致不均勻應(yīng)力，共同作用導(dǎo)致軟巖崩解，力學(xué)性質(zhì)降低。