謝小帥 陳華松 肖欣宏 王 靜 周家文

( ①四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室 成都 610065)

( ②云南省水利水電勘測設(shè)計研究院 昆明 650021)

( ③四川大學(xué)水利水電學(xué)院 成都 610065)

0 引 言

紅層軟巖指的是以陸相沉積為主，巖性以砂巖、泥巖、頁巖為主，巖性組合以“互層”為特征，外觀以紅色為主色調(diào)的中、新生代的碎屑狀的沉積巖層( 張永安等，2008; 魏瑞等，2010) 。紅層軟巖是典型的大變形，難支護巖體，具有強度低、親水能力強、遇水易軟化、失水易崩解等特殊工程特性，在水巖作用下對控制公路邊坡穩(wěn)定，影響壩基以及地下洞室的變形方面起著重要作用( 簡文星等，2005; 劉小偉，2008; 王運生等，2009) 。針對紅層軟巖的特殊工程特性，許多學(xué)者對其物理力學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論和試驗研究。郭志( 1996) 通過軟巖膨脹崩解耐久性、凍融作用、力學(xué)性質(zhì)試驗，得到了軟巖力學(xué)特性與賦存環(huán)境和時間的關(guān)系，并對軟巖的力學(xué)性質(zhì)變化特征進(jìn)行了歸納。劉長武等( 2000)充分詳盡地研究了泥巖軟化前后的物質(zhì)組成以及微觀結(jié)構(gòu)變化過程與規(guī)律，并針對泥巖崩解軟化的機理進(jìn)行了深入分析; 周翠英等( 2005) 以華南地區(qū)分布廣泛的紅色砂巖及黑色炭質(zhì)泥巖等幾種不同類型的典型軟巖為研究對象，進(jìn)行了不同含水條件下的軟巖力學(xué)性質(zhì)測試，最終發(fā)現(xiàn)了軟巖遇水軟化的力學(xué)規(guī)律性; 黃宏偉等( 2007) 采用掃描電鏡與X 射線衍射儀的方式，分析了華北中生代不含蒙脫石的煤系地層泥巖的微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成，得到了該泥巖微觀結(jié)構(gòu)在遇水逐漸軟化的過程中隨時間變化的動態(tài)規(guī)律; 王振等( 2015) 對白堊系鈣質(zhì)泥巖進(jìn)行了礦物成分分析和物理力學(xué)性質(zhì)試驗，分析了鈣質(zhì)泥巖水巖作用特征，探討了不同黏土礦物含量鈣質(zhì)泥巖遇水后強度和變形參數(shù)的變化規(guī)律和軟化機理;張麗敏等( 2016) 基于對紅層軟巖的力學(xué)試驗和實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)紅層軟巖三軸壓縮破壞形態(tài)以壓裂片狀剝落和剪切破壞為主; 鄧華鋒等( 2017) 考慮干燥、自然和飽水3 種狀態(tài)，對紅層軟巖抗壓和抗拉強度特性、變形破壞特征及微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了比較系統(tǒng)的試驗和檢測分析。

通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們在對軟巖的力學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)的研究方面已經(jīng)取得一定的成果，但針對水巖耦合下軟巖基本特征和軟化機制的研究還相對較少。水巖長期作用下水對巖石產(chǎn)生物理化學(xué)及力學(xué)作用，軟巖的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)發(fā)生巨大變化。本文以滇中紅層軟巖地區(qū)所取泥巖試樣為研究對象，針對自然和飽水狀態(tài)下開展單軸、三軸壓縮試驗，同時采用掃描電鏡、能譜分析其物質(zhì)組成及礦物成分，并用X 射線衍射技術(shù)研究了不同含水狀態(tài)下巖石微觀結(jié)構(gòu)的變化。基于試驗結(jié)果，對滇中地區(qū)紅層軟巖遇水軟化微觀機制進(jìn)行了總結(jié)分析。研究成果可為長時間處于水環(huán)境下的軟巖工程設(shè)計與施工提供理論參考。

1 水巖作用下紅層軟巖基本力學(xué)特性

滇中地區(qū)紅層軟巖主要形成于白堊紀(jì)、侏羅紀(jì)，部分形成于三疊紀(jì)，主要巖石類型為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，顏色主要為棕黃、褐綠、紫紅、褐紅、灰紫等偏紅色調(diào)，巖體結(jié)構(gòu)包括泥質(zhì)軟巖和厚層硬巖層狀結(jié)構(gòu)以及軟硬相間的多巖性互層結(jié)構(gòu)。以滇中地區(qū)鉆孔所取泥巖巖芯為研究對象，標(biāo)準(zhǔn)試件在實驗室內(nèi)精細(xì)加工而成，根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會規(guī)定，采用直徑50 mm，高度100 mm 的圓柱形試件。本次試驗在四川大學(xué)巖土工程省重點實驗室MTS815 程控伺服巖石剛性試驗系統(tǒng)上進(jìn)行，分別研究自然和飽和狀態(tài)下泥巖的單、三軸壓縮強度及變形特征。

1.1 軟巖單軸壓縮力學(xué)特性

巖石的單軸壓縮試驗是研究巖石瞬時力學(xué)性質(zhì)的重要試驗方法，通過對巖石單軸壓縮試驗結(jié)果的觀察以及應(yīng)力－應(yīng)變曲線的分析，可以掌握軟巖的強度特性、變形特性，確定軟巖變形破壞最基本的力學(xué)參數(shù)。圖1 為試樣自然和飽和狀態(tài)下泥巖破壞示意圖。

圖1 軟巖試樣單軸壓縮試驗Fig. 1 Uniaxial compression test for soft rocks

從圖1 可以看到，軟巖試樣在單軸壓縮應(yīng)力作用下均表現(xiàn)為劈裂破壞。自然狀態(tài)下巖樣呈片狀剝落，在初期應(yīng)力較小的階段就開始出現(xiàn)零星的片狀脫落，隨著壓力的增大，主裂紋形成并逐步擴展，最終沿巖石中部貫穿直至發(fā)生破壞，試樣中部出現(xiàn)大量的片狀破碎巖石; 飽和巖樣發(fā)生劈裂破壞時，巖體破壞程度更高，試樣沿軸向主裂紋破壞，呈現(xiàn)出較大且完整的塊狀巖石。

軟巖試樣自然和飽和狀態(tài)下單軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線見圖2。對比自然和飽和狀態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，自然狀態(tài)下應(yīng)力持續(xù)增加達(dá)到峰值強度后立即發(fā)生破壞，巖石的破壞形式為脆性破壞; 而飽和狀態(tài)下，應(yīng)力不斷增加，應(yīng)力與應(yīng)變近似呈正比關(guān)系，到達(dá)峰值強度后曲線呈現(xiàn)波動鋸齒狀并保持一段時間，巖石產(chǎn)生了不可逆的塑性變形，繼續(xù)增加應(yīng)力試樣發(fā)生破壞。

巖石飽水狀態(tài)試件的抗壓強度和自然狀態(tài)試件的抗壓強度是不同的，通常稱它們的比值為軟化系數(shù)。由巖石自然和飽和單軸壓縮試驗結(jié)果可知，自然狀態(tài)下軟巖單軸抗壓強度為29.5 MPa，飽和狀態(tài)下其單軸抗壓強度為16.6 MPa，經(jīng)計算可得該泥巖軟化系數(shù)為0.56。通常認(rèn)為軟化系數(shù)小于0.75 的巖石為軟化巖石，其軟化性較強，工程地質(zhì)特性較差。

1.2 軟巖三軸壓縮力學(xué)特性

圖2 軟巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線( 單軸壓縮)Fig. 2 Stress-strain curves of soft rocks( uniaxial compressive)

在實際巖體工程中，巖石一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)，因此，針對軟巖試樣采用三軸壓縮試驗所獲得的強度與變形特征更符合工程實際。試驗所取巖樣為8 組，分別施加3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa 圍壓，在保持圍壓不變的情況下，以0.05 mm·min－1的變形加載速度施加軸向荷載，直至試件破壞。圖3 為試樣在7 MPa 圍壓下自然和飽和狀態(tài)下的泥巖破壞示意圖。

從圖3 可以看到，軟巖三軸壓縮破壞形式為斜截面剪切破壞。自然狀態(tài)下，巖樣只出現(xiàn)一條斜切貫穿裂縫，巖樣整體比較完整; 飽和試樣在三軸壓縮下，巖體破壞程度提高，出現(xiàn)多條破壞裂隙和斜切貫穿裂縫。相較于單軸壓縮，破壞巖樣未出現(xiàn)大量塊狀脫落，表面出現(xiàn)明顯斜切貫穿裂縫。

圖3 三軸壓縮狀態(tài)下軟巖試樣破壞形式Fig. 3 Failure mode of soft rock samples under triaxial compression

圖4 軟巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線( 三軸壓縮)Fig. 4 Stress-strain curves of soft rocks( triaxial compressive)

根據(jù)軟巖巖樣三軸壓縮試驗結(jié)果，得到8 組試樣三軸壓縮狀態(tài)下應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如圖4 所示，在應(yīng)力值較小的時候，應(yīng)力－應(yīng)變曲線略向上凹，隨著應(yīng)力的持續(xù)增加，在達(dá)到一定數(shù)值后，應(yīng)力－應(yīng)變曲線近似呈直線，直到試樣強度達(dá)到峰值。與單軸壓縮試驗不同的是，軟巖試樣達(dá)到峰值強度后，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力下降，巖石發(fā)生應(yīng)變軟化，隨著塑性變形的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)力降低到一定數(shù)值后不再隨應(yīng)變的增加而繼續(xù)減小，該點應(yīng)力值稱為殘余強度。紅層軟巖因為殘余強度的存在表明巖石破壞以后，并不是完全失去承載能力，這對于圍巖支護的設(shè)計具有重大意義。由圖中軟巖三軸應(yīng)力－應(yīng)變曲線可知，在相同圍壓下，飽和狀態(tài)下軟巖峰值強度與殘余強度較自然狀態(tài)有顯著降低，如自然狀態(tài)下，5 MPa圍壓下軟巖的峰值強度為48.5 MPa，殘余強度為23.6 MPa; 飽和狀態(tài)下，5 MPa 圍壓下軟巖的峰值強度為31.6 MPa，殘余強度為13.5 MPa。

2 紅層軟巖微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成分析

2.1 元素組成分析

由于巖土體材料礦物顆粒細(xì)微，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡很難準(zhǔn)確識別其礦物組成，但是能譜－掃描電鏡的組合不僅可以觀察到其微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)特征，還能對其化學(xué)成分進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的分析，本節(jié)借助電鏡掃描試驗的EDS 附件對滇中地區(qū)軟巖試樣進(jìn)行能譜分析試驗，以測定其化學(xué)元素組成，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，軟巖試樣元素組成主要包括O、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe 等元素，其中O 元素占比含量最高，達(dá)到52.37%，其次為Si 和Al，含量分別為27.58%和9.34%。從元素組成可以推斷，軟巖化學(xué)成分應(yīng)以氧化物為主，主要包括SiO2、Al2O3等。在巖土體化學(xué)元素組成中，Si 元素構(gòu)成的二氧化硅( SiO2) 往往以復(fù)雜黏土礦物、原生硅酸鹽和游離氧化硅等形式存在; Al 元素構(gòu)成的氧化鋁( Al2O3) 是黏土礦物復(fù)雜體的基本組成部分; Fe 元素組成的氧化鐵( Fe2O3) 主要是影響巖體的外觀顏色; 其余K、Ca 等元素分別以相應(yīng)的氧化物形式存在，如Ca主要是以碳酸鹽形式存在，K 是以鉀離子形態(tài)為黏土礦物所吸附。

圖5 軟巖化學(xué)元素含量圖Fig. 5 The chemical elements content of soft rocks

2.2 礦物組成分析

晶體的X 射線衍射圖像的本質(zhì)在于每種晶體的結(jié)構(gòu)都有唯一的X 射線衍射圖與之對應(yīng)，它與異種物質(zhì)混合在一起，其特征X 射線衍射圖譜也不會發(fā)生改變。因此利用X 射線衍射圖譜，結(jié)合粉末衍射卡片就可以對巖石礦物進(jìn)行定性分析。鑒定出各個相后，根據(jù)各相衍射花樣的強度正比于該組分存在的量，就可以對各組分進(jìn)行定量或半定量分析。本次研究利用四川大學(xué)分析測試中心的X 射線衍射儀( XRD) 分析滇中引水地區(qū)紅層軟巖礦物成分。表1 為軟巖巖樣礦物組成及含量表。

表1 軟巖試樣礦物組成及含量Table 1 Mineral formation and content of soft rocks

由表1中數(shù)據(jù)可知，該組軟巖試樣主要礦物包含石英、氧化鐵、碳酸鈣、綠泥石、伊利石，其中伊利石含量最高，達(dá)到48%，其次為石英及綠泥石，含量占比分別為42%和5%，最后為少量的氧化鐵和碳酸鈣。通常認(rèn)為泥巖礦物成分復(fù)雜，主要由黏土礦物、碎屑礦物以及其他鐵錳質(zhì)和有機質(zhì)組成，由該泥巖試樣礦物成分分析結(jié)果可知，泥巖黏土礦物含量占比較高，其中伊利石親水性較強，當(dāng)?shù)叵滤疂B入巖石空隙后，黏土礦物將發(fā)生分子膨脹作用和膠體膨脹作用，在宏觀上則表現(xiàn)為軟巖的體積膨脹，而這種膨脹作用所產(chǎn)生的應(yīng)力分布非常不均勻，可能導(dǎo)致軟巖崩裂，部分膠結(jié)物會溶解、軟化，進(jìn)而使得巖石破碎解體。

2.3 水巖作用下微觀結(jié)構(gòu)分析

軟巖微觀結(jié)構(gòu)的分析主要采用掃描電鏡的手段，電鏡掃描技術(shù)( SEM) 對于分析巖土體材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而揭示巖石的力學(xué)機理有著重要的作用。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對滇中紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，掃描電子顯微鏡可以采用不同放大倍數(shù)對試樣進(jìn)行掃描拍照，其中低倍觀測的可視范圍較大，便于從整體上了解巖樣的結(jié)構(gòu)，高倍觀測可以更好的了解局部區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)及接觸形態(tài)，本次研究紅層軟巖在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的情況下，分別采用500、1000 和2000 的典型放大倍數(shù)對試樣進(jìn)行掃描拍照，結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知，在自然狀態(tài)下，從500 倍放大倍數(shù)條件下可以初步看出該組泥巖結(jié)構(gòu)比較致密，粉粒含量較高，孔隙分布較為均勻，總體上呈現(xiàn)出的是團粒狀結(jié)構(gòu); 從1000 倍的SEM 可以看出泥巖中團狀結(jié)構(gòu)增多且顆粒變大，推測這可能因為黏土顆粒含量較高，這些較大的顆粒由細(xì)小的黏土顆粒構(gòu)成并相互交織在一起，這樣的結(jié)構(gòu)充分反映出泥巖由黏土礦物組成的特性; 繼續(xù)放大至2000 倍SEM 可以看到泥巖的微觀結(jié)構(gòu)呈塊狀及片狀、鱗片狀分布，仍有較多絮凝狀顆粒雜亂無章的排列著，總體看來其結(jié)構(gòu)松散且孔隙較多。在飽和狀態(tài)下，從500 倍SEM 可以看出該組泥巖結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)為團狀和絮凝狀結(jié)構(gòu)，顆粒吸水后變得粗大蓬松，泥巖的細(xì)小絮凝狀和粒狀黏土礦物的量有所減少。繼續(xù)觀察1000 倍SEM 可以發(fā)現(xiàn)，泥巖隨著水作用時間的推移，其內(nèi)部細(xì)小的黏土礦物顆粒吸水膨脹導(dǎo)致其自身體積增大，并且更多的膠結(jié)在一起形成較大的集粒，遇水后呈片狀和鱗片狀分布。從2000 倍SEM可以觀察到泥巖內(nèi)部片狀、鱗片狀及塊狀結(jié)構(gòu)增多，結(jié)構(gòu)松散，同時由于泥巖巖樣中的孔隙被水填充，導(dǎo)致孔隙擴張，孔洞越發(fā)的發(fā)育，分布雜亂無序，微結(jié)構(gòu)單元間呈面－面接觸、點一面接觸形態(tài)。

3 紅層軟巖軟化機制研究

隨著西南地區(qū)交通和地下空間進(jìn)一步的發(fā)展，軟巖工程的安全控制問題將越來越突出，而掌握軟巖的軟化機理是控制軟巖工程穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。通常情況下，受實際工程復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，軟巖軟化變形的原因較為復(fù)雜，其軟化的機制可能是一種或多種因素綜合影響的結(jié)果。

圖6 自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下軟巖電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)比較圖Fig. 6 Comparison of scanning microstructure of soft rocks in the natural state and saturated state

由表1 軟巖礦物成分可以知道，黏土礦物含量高，伊利石和綠泥石的含量占比達(dá)到53%。伊利石也稱水云母，其親水性較強，晶體結(jié)構(gòu)由3 層結(jié)構(gòu)晶胞組成，包括兩層硅片和一層鋁片，晶胞之間含有一些反離子，當(dāng)?shù)叵滤疂B入巖石孔隙后，反離子逸出，水分子與黏土礦物作用在其內(nèi)部形成礦物層間水層，致使晶層間連接變?nèi)?，黏土礦物顆粒發(fā)生膨脹，伊利石與水的反應(yīng)過程如下:

已有研究表明伊利石與水反應(yīng)會使其體積發(fā)生膨脹，大約增加50%～60%( 朱效嘉，1996) 。巖樣內(nèi)部的差異膨脹在宏觀上表現(xiàn)為軟巖的體積膨脹，這種膨脹作用所產(chǎn)生的應(yīng)力分布非常不均勻，巖石內(nèi)部出現(xiàn)了大量微孔隙，使得巖樣的結(jié)構(gòu)體系發(fā)生破壞，導(dǎo)致巖石顆粒崩裂。另外，由于軟巖礦物的溶蝕和次生作用，水溶液滲入孔隙中與巖石顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得顆粒粒間接觸面由鋸齒狀或不規(guī)則狀向圓滑狀轉(zhuǎn)變，巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角也因這一變化而減小，巖石力學(xué)強度顯著降低。

在水巖作用下，巖石的微觀機構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。由圖6 軟巖SEM 圖像可以看出，自然狀態(tài)下，泥巖微觀結(jié)構(gòu)以細(xì)小顆粒為主夾雜少量團狀結(jié)構(gòu)，它們互相膠結(jié)連結(jié)，孔隙空間分布均勻，結(jié)構(gòu)較為致密; 軟巖遇水后黏土顆粒吸水膨脹并聚集成團，團粒間連結(jié)松散，孔隙被水充填之后迅速擴張，使得原來并未完全連通的孔隙之間相通，并產(chǎn)生許多小孔隙，孔隙率增加，從而增大了泥巖的水解作用效果，結(jié)構(gòu)變得越發(fā)疏松，同時泥巖結(jié)構(gòu)由團粒狀結(jié)構(gòu)向塊狀和鱗片狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，顆粒間的膠結(jié)連結(jié)被破壞，塊狀和鱗片狀結(jié)構(gòu)的增多顯示著軟巖遇水膨脹變形的特征，從而引起軟巖在宏觀上軟化及崩解。

在力學(xué)性質(zhì)方面，軟巖泡水后巖體破壞程度也大大提高，由天然狀態(tài)下的大量片狀破碎巖石脫落到飽和狀態(tài)下的沿主裂紋破壞，并出現(xiàn)較大且完整的塊狀巖石。單軸抗壓強度從29.5 MPa 下降到16.6 MPa，軟化系數(shù)達(dá)到0.53，這說明軟巖在水巖作用下宏觀力學(xué)性質(zhì)的劣化與其微觀結(jié)構(gòu)的變化是密切相關(guān)的。

總結(jié)來說，由于軟巖的黏土礦物成分含量高，顆粒親水能力強，土顆粒間聚集了許多自由水和結(jié)合水，巖石礦物晶胞吸水膨脹，巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化; 同時，黏土礦物還會與水發(fā)生反應(yīng)，巖體體積進(jìn)一步膨脹，巖體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，出現(xiàn)大量微孔隙，巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞; 另外，軟巖礦物的次生和溶蝕作用，削弱了顆粒間膠結(jié)能力，使得顆粒之間發(fā)生錯動，引起了巖體內(nèi)摩擦角和黏聚力等參數(shù)不斷減小，在上述多方面的綜合影響下最終導(dǎo)致紅層軟巖的軟化。

4 結(jié) 論

(1) 水巖作用下軟巖力學(xué)性質(zhì)劣化明顯，單、三軸力學(xué)實驗表明巖石峰值抗壓強度顯著降低，軟巖試樣破壞程度提高，軟化系數(shù)為0.53。

(2) 在滇中地區(qū)紅層軟巖主要化學(xué)元素中，O元素含量占比最高，達(dá)到52.37%，其次為Si 和Al，化學(xué)成分以氧化物為主; 主要礦物成分為石英和伊利石，其中以伊利石和綠泥石為主的黏土礦物含量達(dá)到53%。

(3) 在水的作用下，黏土礦物吸水膨脹，軟巖微觀結(jié)構(gòu)由致密的團粒狀結(jié)構(gòu)向結(jié)構(gòu)疏松的塊狀及鱗片狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從宏觀上表現(xiàn)為泥巖遇水軟化后力學(xué)性質(zhì)劣化。

(4) 紅層軟巖在水巖作用下，伊利石等黏土礦物遇水反應(yīng)，軟巖發(fā)生不均勻體積膨脹，膨脹作用所產(chǎn)生的應(yīng)力分布并不均勻，巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量微孔隙，破壞了巖樣的結(jié)構(gòu)體系，從而引起軟巖軟化。

(5) 紅層軟巖的軟化機制包括軟巖礦物的溶蝕和次生作用、黏土礦物的吸水膨脹與崩解、軟巖與水作用導(dǎo)致顆粒間膠結(jié)連結(jié)破壞等。