劉春剛

(1.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710043; 2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 西安 710043)

泥巖是由黏土礦物(如蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等)、非黏土礦物(如石英、長石、方解石等)、有機(jī)質(zhì)等組成的多相復(fù)合材料,在水的作用下,體積發(fā)生變化,具有一定的膨脹特性。泥巖是由黏土礦物(如蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等)、非黏土礦物(如石英、長石、方解石等)、有機(jī)質(zhì)等組成的多相復(fù)合材料,在水的作用下,體積發(fā)生變化,具有一定的膨脹特性。近幾年,中國鐵路由于泥巖的膨脹產(chǎn)生損害的現(xiàn)象越來越多,而微觀結(jié)構(gòu)特征是泥巖膨脹的一個重要因素,因此,開展對泥巖宏觀膨脹與微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)性研究,從本質(zhì)上理解泥巖膨脹特性。

目前,眾多學(xué)者對巖(土)的膨脹性進(jìn)行大量的研究,主要是針對微觀結(jié)構(gòu)的探索。黃如玉等[1]、關(guān)歡[2]通過研究膨脹泥巖的物理性質(zhì)和礦物成分,得出影響西寧盆地膨脹泥巖膨脹率的因素。徐日慶等[3-4]采用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)對軟黏土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,建立三維空間計(jì)算模型,利用圖形分析軟件計(jì)算軟土三維孔隙率,通過計(jì)算步距、放大倍數(shù)、閾值大小、區(qū)域大小等分析對三維孔隙率的影響。盧運(yùn)虎等[5]根據(jù)龍馬溪組深層頁巖組構(gòu)特征, 建立深層頁巖典型黏土礦物水巖作用的分子動力學(xué)模型, 分析含水量、溫度和礦物特征變化對晶胞層間距和水分子擴(kuò)散系數(shù)的影響。馬麗娜等[6]、胡云鵬等[7]、盧遠(yuǎn)航等[8]、易靖松等[9]采用試驗(yàn)與理論或數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究在工程應(yīng)用中低黏土礦物泥巖的變形特征和膨脹機(jī)理。易遠(yuǎn)[10]通過微觀結(jié)構(gòu)分析模型和分形模型對試驗(yàn)進(jìn)行定量研究,利用掃描電鏡圖像對膨脹土表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析。楊銳[11]利用分形理論對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論,分析巖石孔隙結(jié)構(gòu)的主控因素,研究頁巖的孔隙連通性與示蹤元素的運(yùn)移。在宏觀層面,Gibbs和 Holtz首次對膨脹巖土試驗(yàn),研究側(cè)向約束膨脹率和無任何約束條件下的自由膨脹率[12]。付志華等[13]以泥巖為研究對象,通過自由膨脹率、側(cè)向膨脹率、膨脹力的室內(nèi)試驗(yàn)判斷膨脹巖的膨脹特性。嚴(yán)榮富等[14]基于水理性試驗(yàn),了解膨脹巖的膨脹是先快速增加后逐漸穩(wěn)定的過程,并探索了膨脹巖多次吸失水過程后其膨脹勢能的變化情況?？傊?巖(土)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀膨脹性質(zhì)影響的研究還有待進(jìn)一步探索。

綜上所述,對青海省東北部泥巖進(jìn)行一系列宏觀實(shí)驗(yàn)與微觀結(jié)構(gòu)分析,通過對研究不同單元體泥巖孔隙、孔徑分布的情況,探究該區(qū)泥巖孔隙分形維數(shù)與膨脹性的關(guān)系,并且聯(lián)立宏觀膨脹與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián),為宏-微觀之間泥巖關(guān)聯(lián)性的認(rèn)識提供參考。

1 材料與方法

1.1 試樣與選擇

研究使用的泥巖取自青海省東北部,該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,沉積了大量的新近系泥巖和部分白堊系泥巖。研究區(qū)內(nèi)的巖塊多以棕紅、土黃、灰綠、青灰等顏色呈現(xiàn),以互層狀與厚層狀分布。如圖1所示,分別在海東南山隧道T1SZ-25#深度212.2 m、T1SZ-26#深度240.0 m、T1SZ-17#深度160.9 m處鉆取樣本N-1、N-2、N-3,在海東南山隧道T1SZ-17#深度110.2 m、T1SZ-18-1#深200.0 m,同仁2號隧道T1SZ-41#深215.8 m處鉆取樣本M-1、M-2、M-3。

圖1 研究地區(qū)的樣貌及取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the appearance and sampling location of the study area scale map

1.2 泥巖特征

通過掃描電鏡獲取SEM圖像,經(jīng)過分析試樣的基本單元體如圖2所示,試樣N-1、N-2、N-3是以含粒狀單元體(碎屑顆粒、凝聚體、外包顆粒)為主的泥巖(記為N型泥巖),該類巖石孔隙眾多,內(nèi)部細(xì)散的顆粒常用于結(jié)構(gòu)骨架的支撐,由于顆粒的脹縮性不強(qiáng),從而巖石的膨脹潛勢較弱[15]。試樣M-1、M-2、M-3是以含片狀單元體(疊聚體、絮凝體)為主的泥巖(記為M型泥巖),該類巖石結(jié)構(gòu)緊密且孔隙少,巖石內(nèi)含有大量的黏土基質(zhì),單元體多以面-面結(jié)合的方式疊聚,當(dāng)水分子填充時,表面水化膜變厚,面-面間距離增大從而導(dǎo)致疊聚體膨脹,因此具有較大的膨脹潛勢,是引起宏觀膨脹的主要因素。其中,泥巖試樣N-1、M-1內(nèi)部顆粒呈密集排列,而泥巖試樣N-2、N-3、M-2、M-3內(nèi)部顆粒呈開放式排列。通過對試樣的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析,由圖3可以看出,在研究區(qū)泥巖的非黏土礦物中石英含量最多,在試樣N-2中發(fā)現(xiàn)了白云石,在試樣N-3中發(fā)現(xiàn)了菱鐵礦,試樣M-3同時含有白云石、菱鐵礦。整體上,泥巖試樣中的黏土礦物均含有伊利石,且試樣M-2含有微量蒙脫石。

圖3 泥巖主要礦物成分Fig.3 Main mineral composition of mudstone

由于該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜,泥巖在形成過程中的孔隙結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。通過對圖像進(jìn)行分析處理,由圖4可知不同單元體的泥巖,微觀結(jié)構(gòu)存在較大差異。其中試樣M-3的平均孔徑較高,試樣M-1的圓度較大,表明了該區(qū)巖石地質(zhì)環(huán)境差別較大,地層中孔隙形態(tài)不規(guī)則。N-3與M-1為取自同一地層的不同深度的泥巖試樣,然而埋置深度較大的試樣N-3,其面孔率、平均孔徑均較大。這可能與該處泥巖受到較大強(qiáng)度的地應(yīng)力導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變化的因素有關(guān)。

圖4 泥巖微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Microstructure parameters of mudstone

1.3 試驗(yàn)過程

依據(jù)《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》TB 10115—2014,把巖石切割成高度和直徑均為50 mm和高度20 mm、直徑50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣用于膨脹試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)。調(diào)節(jié)烘箱溫度為105 ℃,試樣放入烘箱內(nèi)烘干24 h至完全干燥后取出冷卻至室溫。將試樣放入儀器浸水測試,先消除誤差。自由膨脹率試驗(yàn)前3～5 h每5 min記錄1次讀數(shù),之后每1 h記錄1次直到3次讀數(shù)之差≤0.001 mm;側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)前3～5 h每10 min記錄1次,之后每 1 h 記錄1次,直至3次讀數(shù)之差≤0.001 mm;膨脹力試驗(yàn)每10 min記錄1次,3次記錄誤差≤0.001 mm后每1 h記錄1次,直至3次讀數(shù)之差≤0.001 mm。三組試驗(yàn)的浸水時間均不小于48 h。

2 宏觀膨脹結(jié)果及分析

2.1 自由膨脹率變化

自由膨脹率是作為衡量巖石膨脹變形的指標(biāo)之一,圖5為試驗(yàn)裝置,自由膨脹率-時間曲線如圖6所示。由圖6(a)可知試樣N-2、M-2、M-3為“拋物線”型膨脹曲線,在膨脹前期,軸向自由膨脹率隨著時間的增長而快速增加;進(jìn)入中期,試樣的膨脹率達(dá)到最高值,在此期間試樣M-3的持續(xù)時間達(dá)到最長;到了后期,試樣的軸向自由膨脹率均在不斷減小,直到最后無法測量。而試樣N-1、N-3、M-1為“對數(shù)”型膨脹曲線,在膨脹前期,軸向自由膨脹率同樣是快速增加;進(jìn)入中期,泥巖試樣膨脹率的增長量均在變小;到了膨脹后期,試樣趨于穩(wěn)定狀態(tài)。圖6(b)為試樣徑向自由膨脹率的變化曲線。在 0～180 min內(nèi),N型泥巖試樣徑向自由膨脹率快速增加,其增長量變化與軸向自由膨脹率的趨勢相同,而M型泥巖試樣M-1呈上升趨勢,試樣M-2、M-3 不斷下降,直到最后無法測量;在180～3 000 min 內(nèi),該階段的試樣N-1、N-3、M-1膨脹增長量減弱,最后均趨于穩(wěn)定。試樣N-2膨脹率達(dá)到最大后開始呈下降趨勢,直到最后無法測量。

圖5 自由膨脹率試驗(yàn)Fig.5 Free expansion rate test

圖6 自由膨脹率曲線Fig.6 Free expansion rate curve

對比軸向與徑向自由膨脹率的曲線圖,可知每種試樣的軸向自由膨脹都要大于徑向自由膨脹,根據(jù)分析可知該地區(qū)泥巖中黏土礦物的結(jié)構(gòu)多以面-面形式連接,因而巖石孔隙間的水平距離較大,垂直距離較小,水分子進(jìn)入泥巖內(nèi)部,對軸向的膨脹表現(xiàn)的更明顯。

2.2 側(cè)向約束膨脹率變化

根據(jù)試驗(yàn)過程描述記錄如圖7所示,側(cè)向約束膨脹率是在有側(cè)向約束的條件下,試樣不承受軸向荷載,浸水后其軸向變形量與原始高度的比值。圖8 為側(cè)向約束膨脹率曲線,N與M型泥巖試樣在 0～180 min時的膨脹變形較快。這是由于水分子從孔隙進(jìn)入泥巖內(nèi)部,表面黏土顆粒迅速與水分子接觸,使得黏土顆粒體積膨脹,膨脹曲線表現(xiàn)為近似直線增長;在180～1 000 min時,水分子逐漸把孔隙填滿,內(nèi)部顆粒的膨脹使得泥巖黏結(jié)力降低,巖石表面出現(xiàn)裂紋,宏觀膨脹雖然持續(xù)增長,但側(cè)向約束膨脹率增長量逐漸減少;在1 000～3 000 min時,孔隙內(nèi)的水接近飽和,膨脹作用消失,側(cè)向約束膨脹率基本趨于穩(wěn)定。

現(xiàn)階段，臨床診斷婦科盆腔腫瘤通常以MRI或CT為主。CT通過橫斷面圖像，并連接多個連續(xù)層面圖像形成一個完整的組織，還能夠通過矢狀面、冠狀面的層面圖像重建，對器官組織與病變的關(guān)系進(jìn)行多角度查看[2]。MRI通過多個切面圖形成一個全身各系統(tǒng)的圖像，進(jìn)而對其實(shí)施定量或定性分析，MRI具有較高的分辨率，除了多方位觀察病變形態(tài)之外，還有助于臨床明確病灶與四周組織的關(guān)系，相較于X線成像技術(shù)更優(yōu)。

圖7 側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)Fig.7 Lateral constrained expansion rate test

圖8 側(cè)向約束膨脹率曲線Fig.8 Curve of lateral constrained expansion rate

2.3 膨脹力變化

圖9為膨脹力試驗(yàn),試樣浸入水后,在體積不變的情況下,膨脹所產(chǎn)生的壓力。如圖10膨脹力曲線所示,N與M型泥巖試樣在0～180 min時的膨脹變形均很快。當(dāng)水分子進(jìn)入試樣內(nèi)部,會產(chǎn)生明顯的膨脹。其中含片狀單元體試樣M-1膨脹力的增長量要大于同單元體試樣M-1、M-3和含粒狀單元體試樣N-1、N-2、N-3,這是因?yàn)樵嚇覯-1的結(jié)構(gòu)密集,面孔率、平均孔徑較小,圓度較大,致使水分子進(jìn)入試樣后,表現(xiàn)出較強(qiáng)的膨脹性。然而同單元體試樣M-2、M-3內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈開放排列,面孔率、平均孔徑比試樣M-1大,圓度比試樣M-1小,導(dǎo)致膨脹力增長量較弱。由于N型泥巖試樣孔隙較多,水分子進(jìn)入巖石先用于內(nèi)部空間的填充再向外擴(kuò)張,致使膨脹性沒有很強(qiáng)烈,膨脹力的增長量要弱于試樣M-1。在180～700 min時,孔隙漸漸被水填滿,試樣的吸

圖9 膨脹力試驗(yàn)Fig.9 Expansion force test

圖10 膨脹力曲線Fig.10 Expansion force curve

水性減弱,增長速度變慢,但試樣N-3膨脹力出現(xiàn)突然躍升的現(xiàn)象,從宏觀角度看,水的涌入使巖石產(chǎn)生膨脹的力,從微觀角度講,膨脹產(chǎn)生的裂縫促進(jìn)了巖石內(nèi)部與水分子的接觸面,由于在黏土礦物顆粒周圍形成一層水化膜,水膜的加厚,使顆粒間距加大從而加劇巖體膨脹;在700～3 000 min時,試樣內(nèi)孔隙中的水達(dá)到飽和,直到最后趨于穩(wěn)定。其中,試樣M-1膨脹力一直呈現(xiàn)上升狀態(tài)。這是由于M-1泥巖試樣,單元體呈片狀,結(jié)構(gòu)密集排列,內(nèi)部面-面連結(jié),面孔率較小、圓度較大、平均直徑較小,從而最終膨脹力為最大。

3 孔隙分形維數(shù)與膨脹特性的關(guān)系

巖石內(nèi)的孔隙會對巖石性質(zhì)產(chǎn)生較大影響,水分子沿著孔隙進(jìn)入巖石內(nèi)部,由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,試樣的膨脹特性也大不相同,為探究孔隙對巖石性質(zhì)的影響,從分形維數(shù)角度出發(fā)對孔隙與膨脹的關(guān)系進(jìn)行了定量分析。分形維數(shù)是復(fù)雜形體不規(guī)則性的度量,計(jì)算方法主要有盒維數(shù)法、信息維數(shù)法、關(guān)聯(lián)維數(shù)法、廣義維數(shù)法等。其中關(guān)聯(lián)分維數(shù)法一般采用分維數(shù)D進(jìn)行描述,即

(1)

式(1)中:ε為量標(biāo)度;N(ε)為該標(biāo)度下的量度值。通過統(tǒng)計(jì)泥巖的孔隙、孔徑分布,探究該區(qū)泥巖孔隙分形維數(shù)與膨脹性的關(guān)系。假設(shè)ε為某級孔徑,C(ε)為小于該孔徑的孔隙數(shù)量,如表1所示為不同ε范圍的C(ε)數(shù)量。通過圖形分析軟件對該區(qū)泥巖進(jìn)行孔隙分布的量化分析,可知試樣泥巖孔隙大致可分為粒間孔和粒內(nèi)孔,孔隙分布范圍在0.883～155.460 μm之間,以微米級孔隙為主。如圖11所示為對C(ε)與ε進(jìn)行擬合,擬合直線的斜率值即為分形維數(shù),可知N型泥巖試樣的分形維數(shù)值分別為1.107 5、1.126 6、1.115 3,M型泥巖試樣的分形維數(shù)值分別為1.100 5、1.118 6、1.171 7。可知M-1泥巖試樣的分形維數(shù)值最小,M-3泥巖試樣分形維數(shù)值最大。

表1 泥巖試樣C(ε)與ε的關(guān)系

圖11 泥巖試樣孔隙特征曲線Fig.11 Pore characteristic curve of mudstone sample

根據(jù)不同單元體泥巖的膨脹率(力)與對應(yīng)的分形維數(shù)進(jìn)行了線性擬合,其結(jié)果如圖12所示?？芍紫斗中尉S數(shù)增大時,膨脹率(力)不斷減小。這是因?yàn)榭紫斗中尉S數(shù)較低時,孔隙表面更加規(guī)則,水分子進(jìn)入孔隙后用于充填孔隙時所消耗的能量較少,大部分能量都用來進(jìn)行膨脹,從而導(dǎo)致膨脹率(力)越大。而分形維數(shù)較大時,孔隙表面越不規(guī)則,巖石孔隙越復(fù)雜,水分子主要用于充填孔隙,導(dǎo)致膨脹率(力)較小。整體而言,M型泥巖試樣的分形維數(shù)在膨脹率(力)的擬合度要高于N型泥巖試樣。

圖12 分形維數(shù)與膨脹特性的關(guān)系Fig.12 Relationship between fractal dimension and expansion characteristics

4 微觀參數(shù)與宏觀膨脹的灰色關(guān)聯(lián)分析

上述宏觀試驗(yàn)分析了M與N型泥巖的膨脹率和膨脹力變化,根據(jù)掃描電鏡圖像處理分析泥巖孔隙分形的膨脹特性。為進(jìn)一步探索不同單元體泥巖宏觀膨脹與微觀結(jié)構(gòu)之間的問題。選用灰色關(guān)聯(lián)法分析在多個因素之間產(chǎn)生不確定性的關(guān)聯(lián),通過確定序列曲線幾何形狀的相似性來表示兩者之間的相關(guān)程度,一般而言,相似度越高,兩者之間的關(guān)聯(lián)程度就越大,這是灰色理論中最基本的方法之一[16]。確定泥巖的膨脹特性為參考序列,將參考序列與微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,通過得到的關(guān)聯(lián)度來計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

關(guān)聯(lián)式(1),得

ξi(k)=minimink|Xi(k)-X0(k)|+

|Xi(k)-X0(k)|+ρmaximaxk

|Xi(k)-X0(k)|

(2)

式(2)中:ξi(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù),ρ∈(0,+∞)為分辨系數(shù),且ρ越大,分辨率就越小,通常情況取值為0.5。|Xi(k)-X0(k)|為比較序列與參考序列之差的絕對值minimink|Xi(k)-X0(k)|為在曲線Xi(k)上[i∈(1,2,…,n)],各點(diǎn)與X0(k)點(diǎn)所相差距離最小差中的最小差絕對值manimank|Xi(k)-X0(k)|為在曲線Xi(k)上[i∈(1,2,…,n)],各點(diǎn)與X0(k)點(diǎn)所相差距離最大差中的最大差絕對值。

關(guān)聯(lián)度ri的計(jì)算公式為

(3)

式(3)中:ri為參考序列和比較序列的相似程度,當(dāng)ri越大時,序列的關(guān)聯(lián)程度就越高,值越低時,兩者的關(guān)聯(lián)程度就越低或是無關(guān)聯(lián)。

選擇膨脹力、軸向自由膨脹率為參考序列,平均孔徑、圓度、分形維數(shù)、面孔率為對比序列。如表2、表3所示,試樣軸向自由膨脹率與微觀參數(shù)的關(guān)聯(lián)度在0.5～1之間,說明不同單元體泥巖試樣的軸向自由膨脹率、膨脹力與平均孔徑、圓度、分形維數(shù)、面孔率因素均有關(guān)聯(lián)。從分析結(jié)果可看出泥巖的微觀結(jié)構(gòu)因素與膨脹特性關(guān)聯(lián)性中,孔隙的圓度和分形維數(shù)關(guān)聯(lián)度最大。

表2 試樣軸向自由膨脹率與微觀參數(shù)的關(guān)聯(lián)度

表3 試樣膨脹力與微觀參數(shù)的關(guān)聯(lián)度

泥巖的膨脹宏觀上主要是泥巖在水化應(yīng)力的作用下,黏土顆粒的體積以及顆粒間的間距增大。從微觀層面講,泥巖發(fā)生膨脹是巖石內(nèi)部水的含量變化,首先由于內(nèi)外的水頭差引起外部水分子的滲入,水分子在毛細(xì)作用下進(jìn)行遷移,逐步填充巖石孔隙,同時開始接近黏土顆粒外圍的薄膜水層,由于孔隙水層與薄膜水層之間存在濃度差,從而導(dǎo)致孔隙水向薄膜水轉(zhuǎn)變。在膨脹前,泥巖試樣的圓度與分形維數(shù)相差較大。膨脹后如圖13所示,尺寸較大大的顆粒在膨脹過程中發(fā)生破碎,粒徑小的顆粒的數(shù)量增加。經(jīng)過膨脹時間的增加,孔隙數(shù)量與孔徑產(chǎn)生變化,巖石內(nèi)水分子的“沖刷”過程導(dǎo)致顆粒邊緣棱角不斷磨圓。因而圓度與分形維數(shù)在膨脹特性的關(guān)聯(lián)為最大。

圖13 顆粒膨脹示意圖Fig.13 Schematic diagram of particle expansion

5 結(jié)論

(1)N型泥巖試樣孔隙較多,礦物成分較少,由于碎屑礦物在搬運(yùn)堆積過程中不斷破碎,以規(guī)則或不規(guī)則形態(tài)零散分布,對巖體骨架起到支撐的作用,因而膨脹潛勢不強(qiáng)。M型泥巖試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密且孔隙少,礦物成分較多,由于單元體常以面-面結(jié)合的方式疊聚而成,當(dāng)水分子填充時,表面的水化膜變厚,面-面間距離增大從而導(dǎo)致疊聚體膨脹,所以膨脹潛勢相對較強(qiáng)。

(2)通過泥巖膨脹特性試驗(yàn)結(jié)果基本可以分為3個階段:前期N與M型泥巖試樣的膨脹率(力)處于快速增長階段,巖石浸水后迅速膨脹,此時膨脹率曲線的斜率比較大;中期N與M型泥巖試樣的膨脹率(力)處于緩慢增長階段,是最終膨脹穩(wěn)定的過渡段;后期N與M型泥巖試樣處于穩(wěn)定狀態(tài)或者下降至消失。

(3)不同單元體泥巖試樣隨著孔隙分形維數(shù)的增大膨脹率(力)逐漸減小,且M型泥巖試樣分形維數(shù)與側(cè)向約束膨脹率、膨脹力擬合度要高于N型泥巖試樣。

(4)針對宏觀膨脹與微觀結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)青海省東北部泥巖的軸向自由膨脹率、膨脹力與面孔率、分形維數(shù)、平均孔徑、圓度均相關(guān)聯(lián),隨著膨脹時間的增加,孔隙數(shù)量與孔徑產(chǎn)生較大變化導(dǎo)致孔隙的圓度和分形維數(shù)的關(guān)聯(lián)度為最大。