紅層軟巖基本性質(zhì)隨埋藏深度的演變規(guī)律

張 駿, 黃 凱, 蘇晶文, 李云峰, 康 博, 查甫生

(1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009;2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016)

紅層軟巖是指侏羅系、白堊系及第三系砂巖、泥巖、頁巖及砂巖、泥巖、頁巖互層等軟硬相間的層狀巖體,從外表來看顏色主要為紅色[1]。我國紅層軟巖分布廣泛,出露面積占國土面積的5%,全國多地均有不同程度的出露[2],而皖南地區(qū)就有典型紅層出露[3]。紅層軟巖工程性質(zhì)較差,具有強度低、透水性弱、親水性強、遇水易軟化崩解的特點[4-5]。針對紅層軟巖特性的相關(guān)研究成果較豐富。文獻[6]采用剪切試驗、X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析試驗等對邊坡的紅層泥巖試樣進行對比試驗,發(fā)現(xiàn)剪切強度與殘余強度受礦物成分的影響;文獻[7]將“紅層”泥巖重塑后,進行固結(jié)壓縮、浸漬與直剪試驗,分析表明,浸漬使“紅層”泥巖的剪切強度峰值降低;文獻[8-12]采用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)等手段分析紅層軟巖崩解的主要影響因素,即親水黏土礦物的含量、膠結(jié)物、膠結(jié)類型和微孔隙的含量等;文獻[13-15]利用物理、化學等研究方法對紅砂巖進行一系列研究,結(jié)果表明,紅砂巖的工程特性主要和礦物成分的組合特征與遇水活性等相關(guān)。

目前,針對紅層軟巖的相關(guān)研究主要集中在紅層的成因機理、致災機理上,且主要是關(guān)于某一區(qū)域范圍內(nèi)典型紅層軟巖的研究,在三維空間上屬于橫向研究;而對于某一層組的巖石隨埋藏深度變化的縱向研究很少。隨著我國城市化進程的加快,深基礎(chǔ)工程日益增多,為了保證建筑工程安全,深部圍巖的穩(wěn)定性受到工程技術(shù)人員重視。因此,需開展對不同埋藏深度下紅層軟巖的研究,為深基礎(chǔ)重大工程建設(shè)的設(shè)計與施工提供參考。本文對皖南紅層軟巖基本性質(zhì)進行研究,分析其物理性質(zhì)、礦物組成及微觀特征隨埋藏深度的變化規(guī)律。

1 試驗方法

選取皖南地區(qū)齊云山組粉砂巖與徽州組泥質(zhì)粉砂巖2種典型紅層軟巖作為研究對象,并對不同埋藏深度下2組樣品進行編號,每個編號設(shè)置3個平行試樣。2組粉砂巖樣品編號及取樣深度見表1所列。依據(jù)文獻[16],對不同埋藏深度下巖樣的基本物理性質(zhì)、礦物組分及微觀結(jié)構(gòu)的變化進行試驗研究。其中,物理性質(zhì)試驗包括天然密度、天然含水率及孔隙率等試驗。利用X射線衍射儀對試樣進行XRD分析,研究礦物組分變化規(guī)律。通過場發(fā)射電子顯微鏡進行SEM試驗,并通過Image-Pro Plus(PPP)軟件對圖像進行二值化處理,計算二維可視孔隙率,研究微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

表1 2組粉砂巖樣品編號及埋藏深度

2 試驗結(jié)果分析

2.1 物理性質(zhì)變化規(guī)律

天然密度能間接反映研究區(qū)內(nèi)紅層軟巖的壓縮性和強度高低,通過分析不同埋藏深度下密度的變化趨勢,可揭示不同埋藏深度處巖石的強度高低及變化趨勢,試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知,齊云山組粉砂巖的天然密度較徽州組泥質(zhì)粉砂巖大,且隨著埋藏深度增加,2組試樣的天然密度均呈增大趨勢。齊云山組粉砂巖在強風化階段,密度增大趨勢較快;在中風化階段密度增大趨勢顯著減弱,且逐漸趨于平緩?；罩萁M泥質(zhì)粉砂巖的密度整體增大趨勢較緩,且逐漸趨于平穩(wěn)。

2組試樣的天然含水率及孔隙率隨埋藏深度變化趨勢分別如圖2、圖3所示。

天然含水率的大小可以預示紅層的脹縮趨勢,孔隙率越大的巖石,其提供的水與礦物接觸反應(yīng)的場所就越大。對紅層軟巖天然含水率及孔隙率隨埋藏深度的變化進行研究,可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)不同埋藏深度下巖體的穩(wěn)定性及變化趨勢。由圖2、圖3可知:齊云山組粉砂巖含水率較徽州組小,孔隙率較徽州組大;2組試樣整體孔隙率均偏高,含水率偏低;隨著埋藏深度增加,2組試樣的天然含水率及孔隙率均呈減小趨勢,且2組試樣在強風化階段天然含水率和孔隙率下降速率較大,在中風化階段,含水率及孔隙率下降速率減小,并逐漸趨于平緩。

綜上所述,2組試樣在強風化階段,隨著埋藏深度增加,物理性質(zhì)的差異較明顯;在中風化階段,物理性質(zhì)變化逐漸趨于平穩(wěn)。

圖1 2組試樣天然密度變化趨勢 圖2 2組試樣天然含水率變化趨勢 圖3 2組試樣孔隙率變化趨勢

2.2 礦物含量變化規(guī)律

通過XRD研究發(fā)現(xiàn),2組試樣礦物成分主要由石英、赤鐵礦、石膏及長石類、黏土類(伊利石、蒙脫石、高嶺石)礦物組成。其中黏土類礦物,特別是親水性較強的蒙脫石和伊利石,是紅層軟巖遇水軟化、崩解的物質(zhì)基礎(chǔ)。采用Jade軟件對巖石的礦物成分進行半定量分析,可得出各礦物成分的占比。通過分析各礦物占比隨埋藏深度的變化,可以發(fā)現(xiàn)不同埋藏深度下巖體的穩(wěn)定性及其變化趨勢。2組試樣石英、赤鐵礦、石膏的占比隨埋藏深度變化趨勢分別如圖4、圖5所示。

圖4 齊云山組粉砂巖3種礦物占比變化趨勢

圖5 徽州組泥質(zhì)粉砂巖3種礦物占比變化趨勢

齊云山組粉砂巖的石英占比較徽州組泥質(zhì)粉砂巖的石英占比大,2組試樣的赤鐵礦和石膏占比相差不大;隨著埋藏深度增加,2組試樣的石英、赤鐵礦、石膏占比均無明顯變化。

2組試樣長石類和黏土類礦物占比隨埋藏深度的變化趨勢分別如圖6、圖7所示。

圖6 齊云山組長石類、黏土類礦物占比變化趨勢

圖7 徽州組長石類、黏土類礦物占比變化趨勢

由圖6、圖7可知:齊云山組粉砂巖的長石類礦物與黏土類礦物較徽州組少;隨著埋藏深度增加,2組試樣中的長石類礦物占比均明顯呈增加趨勢,而黏土類礦物占比均呈減少趨勢,2類礦物總占比均無明顯變化。黏土類礦物是不穩(wěn)定的長石類礦物風化形成的產(chǎn)物,隨著埋藏深度增加,風化程度減弱,長石類礦物占比增加,黏土類礦物占比降低,兩類礦物占比是一種此消彼長的關(guān)系。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

通過SEM試驗及IPP軟件分析孔隙疏密及大小隨埋藏深度的變化,進一步研究不同埋藏深度下巖體的穩(wěn)定性及變化趨勢。采用IPP軟件對圖像進行二值化處理時,需要設(shè)置灰度閾值,本文采用自適應(yīng)灰度閾值,在此基礎(chǔ)上,通過對比原圖像,進行目視分割、微調(diào),并測量過濾,濾除多余的雜質(zhì)點,多次試驗后求出二維可視孔隙率平均值。2組試樣1 000倍下微觀結(jié)構(gòu)圖、經(jīng)IPP軟件處理后的二值化圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 齊云山組粉砂巖SEM圖片與二值化圖

圖9 徽州組泥質(zhì)粉砂巖SEM圖片與二值化圖

由圖8、圖9可知,齊云山組粉砂巖的孔隙明顯比徽州組泥質(zhì)粉砂巖的孔隙多,且孔隙較大,其中齊云山組粉砂巖孔隙大小為2.0～10.0 μm,徽州組泥質(zhì)粉砂巖孔隙大小為0.5～4.0 μm。采用IPP軟件對2組試樣進行二維可視孔隙率計算,二維可視孔隙率變化趨勢如圖10所示。

由圖10可知:隨埋藏深度增加,2組試樣的二維可視孔隙率均呈明顯降低趨勢;2組試樣的二維可視孔隙率變化曲線均可分為2段,即下降幅度較大段與下降幅度較小段;2組試樣二維可視孔隙率均在強風化階段下降速率較大,在中風化階段下降速率逐漸降低,最后趨于平緩,與孔隙率試驗結(jié)果基本一致。

圖10 2組試樣二維可視孔隙率變化趨勢

分析其原因如下:強風化階段巖石受風化作用的影響大于受地質(zhì)應(yīng)力的影響,即風化作用是影響巖石孔隙率的主要原因,此階段由于埋深較淺,巖石風化程度較高,孔隙較多,風化作用對孔隙的影響較大;中風化階段巖石受風化作用的影響小于受地質(zhì)應(yīng)力的影響,此階段隨著埋藏深度增加,地質(zhì)應(yīng)力增大,使得巖石越來越致密,孔隙率變化逐漸趨于平緩。

3 結(jié) 論

(1) 齊云山組粉砂巖和徽州組泥質(zhì)粉砂巖的密度隨埋藏深度增加呈增大趨勢;天然含水率和孔隙率隨埋藏深度增加逐漸減小。隨埋藏深度增加,2組試樣各自的物理性質(zhì)在強風化階段差異明顯,在中風化階段差異減小,物理性質(zhì)變化趨于平緩。

(2) 齊云山組粉砂巖和徽州組泥質(zhì)粉砂巖中石英、赤鐵礦、石膏3種礦物的占比,隨著埋藏深度增加均無明顯變化;長石類礦物占比隨著埋藏深度增加呈明顯增加趨勢,黏土類礦物占比隨著埋藏深度增加呈明顯減小趨勢,2類礦物的總占比無明顯變化。

(3) 隨著埋藏深度增加,齊云山組粉砂巖和徽州組泥質(zhì)粉砂巖的微觀結(jié)構(gòu)逐漸致密,孔隙也逐漸減少;2組試樣的二維視孔隙率下降趨勢均可分為2段,在強風化階段下降速率較大,在中風化階段下降速率逐漸降低,最后趨于平緩。