張 駿, 黃 凱, 蘇晶文, 李云峰, 康 博, 查甫生

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.中國(guó)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(yè)巖及砂巖、泥巖、頁(yè)巖互層等軟硬相間的層狀巖體,從外表來(lái)看顏色主要為紅色[1]。我國(guó)紅層軟巖分布廣泛,出露面積占國(guó)土面積的5%,全國(guó)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(qiáng)度低、透水性弱、親水性強(qiáng)、遇水易軟化崩解的特點(diǎn)[4-5]。針對(duì)紅層軟巖特性的相關(guān)研究成果較豐富。文獻(xiàn)[6]采用剪切試驗(yàn)、X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析試驗(yàn)等對(duì)邊坡的紅層泥巖試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)剪切強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度受礦物成分的影響;文獻(xiàn)[7]將“紅層”泥巖重塑后,進(jìn)行固結(jié)壓縮、浸漬與直剪試驗(yàn),分析表明,浸漬使“紅層”泥巖的剪切強(qiáng)度峰值降低;文獻(xiàn)[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(xiàn)[13-15]利用物理、化學(xué)等研究方法對(duì)紅砂巖進(jìn)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(duì)紅層軟巖的相關(guān)研究主要集中在紅層的成因機(jī)理、致災(zāi)機(jī)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(duì)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(guó)城市化進(jìn)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(kāi)展對(duì)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(jì)與施工提供參考。本文對(duì)皖南紅層軟巖基本性質(zhì)進(jìn)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(yàn)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(duì)象,并對(duì)不同埋藏深度下2組樣品進(jìn)行編號(hào),每個(gè)編號(hào)設(shè)置3個(gè)平行試樣。2組粉砂巖樣品編號(hào)及取樣深度見(jiàn)表1所列。依據(jù)文獻(xiàn)[16],對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)研究。其中,物理性質(zhì)試驗(yàn)包括天然密度、天然含水率及孔隙率等試驗(yàn)。利用X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行XRD分析,研究礦物組分變化規(guī)律。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡進(jìn)行SEM試驗(yàn),并通過(guò)Image-Pro Plus(PPP)軟件對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理,計(jì)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(hào)及埋藏深度

2 試驗(yàn)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(qiáng)度高低,通過(guò)分析不同埋藏深度下密度的變化趨勢(shì),可揭示不同埋藏深度處巖石的強(qiáng)度高低及變化趨勢(shì),試驗(yàn)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(shì)。齊云山組粉砂巖在強(qiáng)風(fēng)化階段,密度增大趨勢(shì)較快;在中風(fēng)化階段密度增大趨勢(shì)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(shì)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(shì)分別如圖2、圖3所示。

天然含水率的大小可以預(yù)示紅層的脹縮趨勢(shì),孔隙率越大的巖石,其提供的水與礦物接觸反應(yīng)的場(chǎng)所就越大。對(duì)紅層軟巖天然含水率及孔隙率隨埋藏深度的變化進(jìn)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(shì)。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(shì),且2組試樣在強(qiáng)風(fēng)化階段天然含水率和孔隙率下降速率較大,在中風(fēng)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(qiáng)風(fēng)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(fēng)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(shì) 圖2 2組試樣天然含水率變化趨勢(shì) 圖3 2組試樣孔隙率變化趨勢(shì)

2.2 礦物含量變化規(guī)律

通過(guò)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(zhǎng)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(qiáng)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(duì)巖石的礦物成分進(jìn)行半定量分析,可得出各礦物成分的占比。通過(guò)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(shì)。2組試樣石英、赤鐵礦、石膏的占比隨埋藏深度變化趨勢(shì)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(shì)

圖5 徽州組泥質(zhì)粉砂巖3種礦物占比變化趨勢(shì)

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(wú)明顯變化。

2組試樣長(zhǎng)石類和黏土類礦物占比隨埋藏深度的變化趨勢(shì)分別如圖6、圖7所示。

圖6 齊云山組長(zhǎng)石類、黏土類礦物占比變化趨勢(shì)

圖7 徽州組長(zhǎng)石類、黏土類礦物占比變化趨勢(shì)

由圖6、圖7可知:齊云山組粉砂巖的長(zhǎng)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(zhǎng)石類礦物占比均明顯呈增加趨勢(shì),而黏土類礦物占比均呈減少趨勢(shì),2類礦物總占比均無(wú)明顯變化。黏土類礦物是不穩(wěn)定的長(zhǎng)石類礦物風(fēng)化形成的產(chǎn)物,隨著埋藏深度增加,風(fēng)化程度減弱,長(zhǎng)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(zhǎng)的關(guān)系。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

通過(guò)SEM試驗(yàn)及IPP軟件分析孔隙疏密及大小隨埋藏深度的變化,進(jìn)一步研究不同埋藏深度下巖體的穩(wěn)定性及變化趨勢(shì)。采用IPP軟件對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理時(shí),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(guò)對(duì)比原圖像,進(jìn)行目視分割、微調(diào),并測(cè)量過(guò)濾,濾除多余的雜質(zhì)點(diǎn),多次試驗(yàn)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(duì)2組試樣進(jìn)行二維可視孔隙率計(jì)算,二維可視孔隙率變化趨勢(shì)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(shì);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(qiáng)風(fēng)化階段下降速率較大,在中風(fēng)化階段下降速率逐漸降低,最后趨于平緩,與孔隙率試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖10 2組試樣二維可視孔隙率變化趨勢(shì)

分析其原因如下:強(qiáng)風(fēng)化階段巖石受風(fēng)化作用的影響大于受地質(zhì)應(yīng)力的影響,即風(fēng)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(fēng)化程度較高,孔隙較多,風(fēng)化作用對(duì)孔隙的影響較大;中風(fēng)化階段巖石受風(fēng)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(lái)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(shì);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(qiáng)風(fēng)化階段差異明顯,在中風(fēng)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(wú)明顯變化;長(zhǎng)石類礦物占比隨著埋藏深度增加呈明顯增加趨勢(shì),黏土類礦物占比隨著埋藏深度增加呈明顯減小趨勢(shì),2類礦物的總占比無(wú)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(shì)均可分為2段,在強(qiáng)風(fēng)化階段下降速率較大,在中風(fēng)化階段下降速率逐漸降低,最后趨于平緩。