伍 艷,蔡懷森,劉 慧,楊忠芳

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院,北京 100083; 2.黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003)

砒砂巖是一種特殊的地質(zhì)體,主要分布于我國的鄂爾多斯高原,其總面積為1.67萬km2[1]。砒砂巖成巖程度低,無水如石,遇水如泥,加之砒砂巖區(qū)屬于我國北方由半干旱向干旱、由黃土高原向沙漠的過渡區(qū),風蝕、水蝕、凍融侵蝕等交替發(fā)生,土壤侵蝕劇烈,區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)可高達3萬t/(a·km2)以上,且產(chǎn)生的泥沙有80%左右的粒徑大于0.05 mm,該區(qū)成為黃河粗泥沙的核心來源區(qū)。砒砂巖是由砂巖、砂頁巖、泥質(zhì)砂巖所構(gòu)成的巖石互層,外觀呈現(xiàn)紅、白、黃等多顏色相間,以紅色、白色居多。砒砂巖區(qū)強烈的侵蝕與砒砂巖的力學性質(zhì)有著密切關(guān)系,其力學性質(zhì)是砒砂巖發(fā)生一系列地質(zhì)問題的內(nèi)在原因[2-4]。巖體力學性能與巖石組分、結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系,因此研究砒砂巖抗剪強度與其巖性結(jié)構(gòu)特征關(guān)系對于揭示砒砂巖侵蝕機理，深化對砒砂巖侵蝕規(guī)律的認識,研發(fā)砒砂巖侵蝕治理技術(shù),具有重大的現(xiàn)實意義與理論價值。

目前,一般取抗壓、抗剪、抗拉強度表征砒砂巖的力學性質(zhì)[4-5]。根據(jù)李曉麗等[6]研究,砒砂巖具有剪切應(yīng)力峰值現(xiàn)象,含水率增加到一定程度時,峰值強度降低,同時殘余強度變化也有相似規(guī)律,而且在反復(fù)剪切試驗過程中,會出現(xiàn)明顯的剪縮、剪脹規(guī)律。不少研究認為,組成砒砂巖的巖石礦物易被風化,加之礦物顆粒間為孔隙式膠結(jié)[7],砒砂巖的力學性質(zhì)與其礦物成分、化學成分、巖性組合、微結(jié)構(gòu)等特征密切相關(guān)[8]。例如,砒砂巖顆粒粒徑、顆粒平面分維和顆粒定向分維越小,其抗壓、抗拉強度越大[4];砒砂巖晶層間內(nèi)外溶液中電解質(zhì)粒子(離子、分子等) 濃度差引起的滲透壓力差,是導致蒙脫石晶體脹縮引發(fā)砒砂巖結(jié)構(gòu)破壞的主要動力之一[9];砒砂巖顆粒大小不均,抗風化能力弱,易于產(chǎn)生滲透破壞[7]。另外,含水率對砒砂巖的抗剪強度等力學性質(zhì)也有影響,尤其是對無側(cè)限抗壓強度影響較大[9]。由于砒砂巖區(qū)位的獨特性,未見國外學者相關(guān)成果的報道,僅對單一的砂巖孔隙結(jié)構(gòu)、礦物顆粒組成、微裂隙、凍融作用下力學性能變化等方面有一些研究[10-13]?？偲饋碚f,目前從微觀特征和宏觀現(xiàn)象相結(jié)合對砒砂巖抗剪強度方面的研究還是比較薄弱的,難以深化認識砒砂巖遇水潰散的機理。為此,本文利用水巖試驗、X射線衍射、電鏡分析的方法,從砒砂巖礦物成分、微觀形貌及結(jié)構(gòu)等宏觀、微觀特征相結(jié)合的角度,研究相同試樣區(qū)不同顏色砒砂巖的抗剪強度與其微觀結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系,以期為揭示砒砂巖無水堅如磐石、遇水潰散分解的侵蝕機理提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 取樣方法

圖1 二老虎溝地貌

以準格爾旗暖水鄉(xiāng)砒砂巖區(qū)黃河一級支流皇甫川流域的二老虎溝小流域作為研究區(qū)域(圖1),研究對象是紅色、白色砒砂巖。取樣部位主要在二老虎溝坡面,取樣方法為機械挖掘。首先將坡面開挖至1～2 m深,該深度基本上可以保證取到紅、白砒砂巖試樣,然后人工水平分層取樣。在圖1中所示4個采樣位置分別采集紅色、白色砒砂巖樣品各4件,試樣取出后利用保鮮膜進行封裝。試樣的干密度為1.39～1.60 g/cm3,含水率為17.6%～18.5%。

1.2 直剪試驗方法

利用南京電力自動化設(shè)備廠生產(chǎn)的直剪儀進行抗剪強度試驗。首先將紅色、白色砒砂巖的原狀樣品自然風干,再通過機械碾碎,過2 mm篩并均勻噴水,置于密閉容器內(nèi)24 h以上。然后,分別按含水率為5%、8%、11%、14%,制備兩種顏色砒砂巖的試件各4份,共計8份。以紅色砒砂巖干密度ρd=1.59 g/cm3、白色砒砂巖干密度ρd=1.50 g/cm3作為密度控制指標,利用擊實方法將散狀砒砂巖擊入環(huán)刀內(nèi),制成高度為2 mm、截面積為30 cm2的試樣。將紅、白兩組砒砂巖各取4個試樣,分別施以垂直壓力100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa進行直剪試驗,剪切速率為0.8 mm/min。

1.3 礦物成分分析方法

利用日本理學D/max-2500PC型X射線衍射儀分析砒砂巖礦物成分。掃描范圍(2θ)為5°～80°,掃描速率為2°/min,掃描步長為0.02°。衍射圖的橫坐標為2θ,縱坐標設(shè)為X 射線衍射強度I與最強衍射峰強度I0的比值I/I0,由此生成用于礦物成分分析的X 射線衍射圖。

根據(jù)從X 射線衍射圖提取晶面間距d、強度、峰形等衍射特征參數(shù),以標準礦物成分的衍射特征作為基準,對兩者進行定性對比。在此基礎(chǔ)上,通過計算衍射峰強度、高度關(guān)系等各礦物成分的質(zhì)量分數(shù),進一步開展定量分析。

1.4 微觀形貌觀測方法

采用日本電子SM-6700F掃描電子顯微鏡分析砒砂巖試樣的微觀結(jié)構(gòu)。首先用鋸條將砒砂巖試樣小心地制成約為5 mm×3 mm×2 mm的長方體,使其自然風干脫水,用砂紙由粗到細依次對觀測面進行打磨,并避免留下劃痕,然后將打磨好的表面顆粒及碎屑用吹管清理干凈。為防止電荷積累和放電現(xiàn)象對拍攝圖像清晰度的影響,在觀測面鍍一層金膜。把處理好的樣品置于顯微鏡下,旋轉(zhuǎn)放大旋鈕到合適的放大倍數(shù),再通過比較不同放大倍數(shù)的圖片效果,最后確定放大倍數(shù)為1 000倍時,圖像達到最佳聚焦狀態(tài)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗剪強度特性

2.1.1抗剪形貌特征

紅色砒砂巖和白色砒砂巖分別在豎向壓力300 kPa作用下進行直剪試驗后的試樣形貌見圖2。隨著剪切的進行,在荷載的作用下砒砂巖顆粒被不斷擠壓,孔隙率變小,垂直方向的顆粒不斷傾斜壓密,當顆粒間接觸力不能抵抗水平推力時,發(fā)生剪切破壞。紅色砒砂巖剪切后基本上保持了原有形貌,沒有出現(xiàn)破碎或裂縫等現(xiàn)象,而白色砒砂巖試樣則出現(xiàn)了明顯的約2 cm的裂痕和缺損現(xiàn)象,產(chǎn)生的破碎顆粒較多,其重量是紅色砒砂巖試樣的2倍,說明紅色砒砂巖的抗剪強度較白色的大。

圖2 剪切試驗后砒砂巖形貌

2.1.2黏聚力及內(nèi)摩擦角特性

黏聚力和內(nèi)摩擦角是構(gòu)成土體抗剪強度的重要指標[14-15]。莫爾應(yīng)力圓公式為

τf=c+σtgφ

(1)

式中:τf為抗剪強度,kPa;σ為滑動面上的法向應(yīng)力,kPa;c為黏聚力,kPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°)。

利用式(1)計算了紅色砒砂巖和白色砒砂巖分別在含水率為5%、8%、11%、14%條件下的黏聚力和內(nèi)摩擦角(圖3)。

圖3 含水率對砒砂巖黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

對于紅白兩種顏色的砒砂巖來說,黏聚力隨含水率的變化規(guī)律是完全不同的。紅色砒砂巖的黏聚力隨著含水率變化的曲線呈現(xiàn)為上凸型,即先增大后減小;而白色砒砂巖的則呈下凹型,即低含水率和高含水率時黏聚力大而中等含水率時小。例如,對于紅色砒砂巖試樣而言,含水率從5%增加到11%時,黏聚力從35.0 kPa增大到81.0 kPa;含水率為11%時,黏聚力達到最大,隨后黏聚力隨著含水率的進一步增大反而降低。試樣含水率較低時,砒砂巖顆粒間只存在連結(jié)力較大的強結(jié)合水,并隨著含水率的增大而增大。隨含水率進一步增加,砒砂巖顆粒間的弱結(jié)合水含量開始增大,連結(jié)力下降,黏聚力隨之減小,此時的試樣具有一定的可塑性。當含水率繼續(xù)增加,砒砂巖中薄膜水層越來越厚,甚至開始存在自由水時,砒砂巖顆粒間的連結(jié)力大幅降低,黏聚力也急劇降低。

白色砒砂巖的黏聚力隨著含水率的增大先減小而后增大。例如隨著含水率從5%增加到11%,黏聚力從37.5 kPa減小至21.1 kPa;含水率為11%時,黏聚力達到最小值,僅約為5%含水率的56%,隨后黏聚力隨著含水率的進一步增大而增大,在含水率為14%時,黏聚力增加到30 kPa以上。與紅色砒砂巖相比,由于白色砒砂巖黏粒較少、離散大,故含水率對其黏聚力影響相對較小。

整體來看,紅色砒砂巖黏聚力明顯高于白色砒砂巖的黏聚力,說明白色砒砂巖顆粒之間的連接牢固程度較低。不過,紅、白兩種顏色的砒砂巖的內(nèi)摩擦角隨含水率的變化規(guī)律基本一致,均隨含水率的增大整體呈減小趨勢,只是當含水率大于10%以后,紅色砒砂巖試樣的內(nèi)摩擦角遞減率較白色的大。隨含水率增加內(nèi)摩擦角減小的主要原因是由于隨著含水率的增加,砒砂巖顆粒間的水膜會增厚,潤滑作用增大,從而削弱了摩擦力和咬合力。

2.1.3抗剪強度特性

意象美術(shù)常常以象征寓意的手法、夸張奇特的形象、簡樸豪放的筆墨、孤傲雄奇的格調(diào)，形成一種光怪陸離、出人意表的藝術(shù)效果，達到言簡意賅、形神畢具的勝境。

圖4是在5%、8%、11%、14%含水率和100 kPa、200 kPa、300 kPa 、400 kPa豎向壓力下紅色、白色砒砂巖試樣的直剪試驗結(jié)果。含水率對紅色、白色砒砂巖抗剪強度的影響都是明顯的,隨含水率增加,兩種砒砂巖試樣抗剪強度均隨含水率增大呈整體減小趨勢,但是,兩者的變化過程有一定差別。紅色砒砂巖試樣的含水率從5%增加至8%時,其抗剪強度處于微增狀態(tài),其后隨含水率增加而不斷降低,且降低較為明顯;白色砒砂巖試樣的含水率從5%增加至8%時,抗剪強度明顯降低,其后趨于平穩(wěn)。不過,兩者的抗剪強度均在含水率為8%時發(fā)生了轉(zhuǎn)折,表明含水率8%可能是砒砂巖抗剪強度變化的臨界,這還有待更多的試驗加以驗證。

圖4 不同顏色砒砂巖抗剪強度與含水率關(guān)系

2.2 抗剪強度與結(jié)構(gòu)特征關(guān)系

2.2.1抗剪強度與礦物組成關(guān)系

礦物組成是巖體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。不少研究均表明[7-8,16-17],石英、長石(鉀長石和斜長石)、蒙脫石及方解石是砒砂巖的主要礦物成分,但不同顏色的砒砂巖所含礦物成分的質(zhì)量分數(shù)是不同的(表1),其中白色砒砂巖中石英的質(zhì)量分數(shù)較高,蒙脫石的質(zhì)量分數(shù)較低,分別為40%和15%,而紅色砒砂巖中石英的質(zhì)量分數(shù)相對較低,蒙脫石的質(zhì)量分數(shù)相對較高,分別為35%和20%,由此也就造成了紅色砒砂巖與白色砒砂巖的力學性質(zhì)的差異?？偲饋碚f,相對于自然界其他砂巖中石英的質(zhì)量分數(shù)而言,紅色、白色砒砂巖中石英的質(zhì)量分數(shù)均較低,而蒙脫石的質(zhì)量分數(shù)又相對較高。

表1 砒砂巖各礦物成分質(zhì)量分數(shù) %

白色、紅色砒砂巖中蒙脫石的質(zhì)量分數(shù)分別為15%、20%,從圖3可以看出紅白兩種砒砂巖中蒙脫石的質(zhì)量分數(shù)對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響。在各含水率(5%、8%、11%、14%)條件下,蒙脫石質(zhì)量分數(shù)的變化對黏聚力的影響相較于對內(nèi)摩擦角的影響大,除含水率為5%時黏聚力變化不明顯外,含水率為8%、11%、14%下的黏聚力均隨蒙脫石質(zhì)量分數(shù)的增大而增大,特別是含水率為11%時,增大最為明顯。由于蒙脫石是一種2∶1型的黏土礦物,其在形成過程中會發(fā)生陽離子置換,引起蒙脫石的晶格形變,使得蒙脫石晶胞帶負電荷,一些外部帶正電的金屬陽離子就被吸附到晶層表面。此時,外部水分子易滲入到蒙脫石晶層間,使得吸附在晶層間的金屬陽離子與水分子發(fā)生水合反應(yīng),形成水合力,加之其他外部因素的影響作用,蒙脫石隨之發(fā)生膨脹,膨脹嚴重時其體積可以達到原體積的40倍[9]。膨脹后,巖體中部分空隙關(guān)閉,氣壓增大,這是紅色砒砂巖隨著含水率增加,抗剪能力最終變差的主要原因之一。

白色、紅色砒砂巖中長石(鉀長石、斜長石)質(zhì)量分數(shù)差別不大,分別為35%和36%,長石作為一種不穩(wěn)定的礦物,解理和雙晶都很發(fā)育,極易風化形成高嶺石,導致巖石結(jié)構(gòu)被破壞,抵抗侵蝕能力減弱。白色、紅色砒砂巖中方解石的質(zhì)量分數(shù)較接近,分別為2%和3%,方解石化學性質(zhì)較為活潑,在長期的水蝕作用下,易與巖體裂縫及孔隙中的水和二氧化碳發(fā)生反應(yīng),生成易溶的碳酸氫鈣,并會溶解流失,在砒砂巖體內(nèi)形成新的孔隙,孔隙率將隨之增大,進而導致砒砂巖隨含水率增加而抗剪強度隨之降低。

2.2.2抗剪強度與顆粒組成關(guān)系

白色砒砂巖級配較紅色的粗(表2),白色砒砂巖的粒徑主要分布在0.25～0.1 mm,其質(zhì)量分數(shù)為57.6%,其次是0.25～0.5 mm和0.075～0.005 mm,其質(zhì)量分數(shù)分別為19.5%和13.6%。而紅色砒砂巖的粒徑則主要分布在0.075～0.005 mm,其質(zhì)量分數(shù)為54.6%,其次是0.25～0.1 mm,其質(zhì)量分數(shù)為31.1%。

表2 砒砂巖顆粒粒徑分布

根據(jù)粒徑分布曲線圖,紅色和白色砒砂巖的級配指標值如表3所示,表中d10、d30、d60分別為在粒徑分布曲線上小于該粒徑的顆粒含量占總質(zhì)量10%、30%和60%的粒徑;Cu為不均勻系數(shù);Cc為曲率系數(shù)。從表3中可以看出,紅色砒砂巖的Cu和Cc分別為9.865和1.251,白色砒砂巖的Cu值和Cc值則分別為5.500和2.457,紅色和白色砒砂巖的不均勻系數(shù)均大于5,且曲率系數(shù)均在1～3范圍內(nèi),說明兩種顏色砒砂巖均級配良好,但相比于白色砂巖,紅色砂巖的粒徑范圍更大,導致兩種砒砂巖抗剪強度隨含水率的增加變化規(guī)律不同,白色砒砂巖由于細顆粒含量少,級配相對較差,抗剪強度在含水率從5%增加到8%時發(fā)生驟降。

表3 砒砂巖級配指標

圖5 砒砂巖電鏡掃描圖片

2.2.3抗剪強度與微觀形貌關(guān)系

根據(jù)放大1 000倍的掃描電鏡圖片分析,紅色砒砂巖(圖5(a))顆粒表面凹凸不平,有層片狀板結(jié)顆粒,絮狀結(jié)構(gòu)中分布有細小的空洞,表明構(gòu)成砒砂巖顆粒的物質(zhì)是致密的,滲透性較差,雨水不易下滲。白色砒砂巖(圖5(b))有明顯突出的尖棱角,顆粒粒徑較大,相對單一且獨立,顆粒之間的孔隙連通性較好,黏結(jié)物質(zhì)較少,顆粒間具有較強的摩擦力和咬合力,且滲透性較好,雨水容易下滲,降低砒砂巖的抗剪強度,尤其是加之在重力作用下,容易造成崩塌、塌陷。另外,顆粒級配越粗,孔隙率往往越大,更利于水分滲入,發(fā)生水巖作用,溶解產(chǎn)生的礦物轉(zhuǎn)化量也就越大,進一步加大孔隙度,使砒砂巖力學性質(zhì)降低[18-19]。

3 結(jié) 論

a. 含水率對紅、白砒砂巖抗剪強度的影響不同,紅色砒砂巖抗剪強度隨含水率增大先增大后減小,黏聚力起主導作用,白色砒砂巖抗剪強度隨含水率增大而減小,顆粒間的摩擦力和咬合力起主導作用。紅色和白色砒砂巖力學性能的差異與礦物組成、顆粒組成及微觀形貌有著密切聯(lián)系。

b. 紅色和白色砒砂巖的主要礦物是石英、長石、蒙脫石和方解石。白色砒砂巖中這4種礦物組成的質(zhì)量分數(shù)分別為40%、35%、15%和2%,紅色砒砂巖中這4種礦物組成的質(zhì)量分數(shù)分別為35%、36%、20%和3%。在當?shù)靥厥獾淖匀粭l件下,長石的易風蝕,方解石的易水蝕,以及蒙脫石的遇水膨脹特性,使巖體完全失去抵抗風蝕和水蝕的能力,從而引起水土流失。

c. 紅色和白色砒砂巖均級配良好,但相比于白色砂巖,紅色砂巖的粒徑范圍更大,使得白色砒砂巖抗剪強度在含水率從5%增加到8%時發(fā)生驟降。白色砒砂巖的粒徑主要分布在0.25～0.1mm,其質(zhì)量分數(shù)為57.6%,其次是0.25～0.5 mm和0.075～0.005 mm,其質(zhì)量分數(shù)分別為19.5%和13.6%,白色砒砂巖以粗砂為主,含少量細砂,顆粒有明顯棱角,孔隙較大,顆粒間具有較強的摩擦力和咬合力,而黏聚力較弱;而紅色砒砂巖的粒徑主要分布在0.075～0.005 mm,其質(zhì)量分數(shù)為54.6%,其次是0.25～0.1 mm,質(zhì)量分數(shù)為31.1%,細砂含量較多,絮狀結(jié)構(gòu)連接較致密,導致滑動過程中以黏聚力為主導,咬合摩擦作用較弱。