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(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610065)

( ②云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(yè)巖為主，巖性組合以“互層”為特征，外觀(guān)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(hù)巖體，具有強(qiáng)度低、親水能力強(qiáng)、遇水易軟化、失水易崩解等特殊工程特性，在水巖作用下對(duì)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(jiǎn)文星等，2005; 劉小偉，2008; 王運(yùn)生等，2009) 。針對(duì)紅層軟巖的特殊工程特性，許多學(xué)者對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)及微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。郭志( 1996) 通過(guò)軟巖膨脹崩解耐久性、凍融作用、力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，得到了軟巖力學(xué)特性與賦存環(huán)境和時(shí)間的關(guān)系，并對(duì)軟巖的力學(xué)性質(zhì)變化特征進(jìn)行了歸納。劉長(zhǎng)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(guān)結(jié)構(gòu)變化過(guò)程與規(guī)律，并針對(duì)泥巖崩解軟化的機(jī)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(lèi)型的典型軟巖為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同含水條件下的軟巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)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(xiàn)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(guān)結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成，得到了該泥巖微觀(guān)結(jié)構(gòu)在遇水逐漸軟化的過(guò)程中隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律; 王振等( 2015) 對(duì)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(yàn)，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(qiáng)度和變形參數(shù)的變化規(guī)律和軟化機(jī)理;張麗敏等( 2016) 基于對(duì)紅層軟巖的力學(xué)試驗(yàn)和實(shí)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(duì)紅層軟巖抗壓和抗拉強(qiáng)度特性、變形破壞特征及微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了比較系統(tǒng)的試驗(yàn)和檢測(cè)分析。

通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們?cè)趯?duì)軟巖的力學(xué)性質(zhì)及微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究方面已經(jīng)取得一定的成果，但針對(duì)水巖耦合下軟巖基本特征和軟化機(jī)制的研究還相對(duì)較少。水巖長(zhǎng)期作用下水對(duì)巖石產(chǎn)生物理化學(xué)及力學(xué)作用，軟巖的微觀(guān)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(duì)象，針對(duì)自然和飽水狀態(tài)下開(kāi)展單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，同時(shí)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(xiàn)衍射技術(shù)研究了不同含水狀態(tài)下巖石微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化?；谠囼?yàn)結(jié)果，對(duì)滇中地區(qū)紅層軟巖遇水軟化微觀(guān)機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)分析。研究成果可為長(zhǎng)時(shí)間處于水環(huán)境下的軟巖工程設(shè)計(jì)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(lèi)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(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)試件在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)精細(xì)加工而成，根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定，采用直徑50 mm，高度100 mm 的圓柱形試件。本次試驗(yàn)在四川大學(xué)巖土工程省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MTS815 程控伺服巖石剛性試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)是研究巖石瞬時(shí)力學(xué)性質(zhì)的重要試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)巖石單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果的觀(guān)察以及應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)的分析，可以掌握軟巖的強(qiáng)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(yàn)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(kāi)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(kuò)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(shí)，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)^(guò)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。對(duì)比自然和飽和狀態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)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(qiáng)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(qiáng)度后曲線(xiàn)呈現(xiàn)波動(dòng)鋸齒狀并保持一段時(shí)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(qiáng)度和自然狀態(tài)試件的抗壓強(qiáng)度是不同的，通常稱(chēng)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(yàn)結(jié)果可知，自然狀態(tài)下軟巖單軸抗壓強(qiáng)度為29.5 MPa，飽和狀態(tài)下其單軸抗壓強(qiáng)度為16.6 MPa，經(jīng)計(jì)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(qiáng)，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(xiàn)( 單軸壓縮)Fig. 2 Stress-strain curves of soft rocks( uniaxial compressive)

在實(shí)際巖體工程中，巖石一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)，因此，針對(duì)軟巖試樣采用三軸壓縮試驗(yàn)所獲得的強(qiáng)度與變形特征更符合工程實(shí)際。試驗(yàn)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(xiàn)( 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(yàn)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(xiàn)，如圖4 所示，在應(yīng)力值較小的時(shí)候，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)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(xiàn)近似呈直線(xiàn)，直到試樣強(qiáng)度達(dá)到峰值。與單軸壓縮試驗(yàn)不同的是，軟巖試樣達(dá)到峰值強(qiáng)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(diǎn)應(yīng)力值稱(chēng)為殘余強(qiáng)度。紅層軟巖因?yàn)闅堄鄰?qiáng)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(duì)于圍巖支護(hù)的設(shè)計(jì)具有重大意義。由圖中軟巖三軸應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)可知，在相同圍壓下，飽和狀態(tài)下軟巖峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)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(qiáng)度為48.5 MPa，殘余強(qiáng)度為23.6 MPa; 飽和狀態(tài)下，5 MPa 圍壓下軟巖的峰值強(qiáng)度為31.6 MPa，殘余強(qiáng)度為13.5 MPa。

2 紅層軟巖微觀(guān)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(shí)別其礦物組成，但是能譜－掃描電鏡的組合不僅可以觀(guān)察到其微觀(guān)結(jié)構(gòu)形態(tài)特征，還能對(duì)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(yàn)的EDS 附件對(duì)滇中地區(qū)軟巖試樣進(jìn)行能譜分析試驗(yàn)，以測(cè)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(guān)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(xiàn)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(xiàn)衍射圖與之對(duì)應(yīng)，它與異種物質(zhì)混合在一起，其特征X 射線(xiàn)衍射圖譜也不會(huì)發(fā)生改變。因此利用X 射線(xiàn)衍射圖譜，結(jié)合粉末衍射卡片就可以對(duì)巖石礦物進(jìn)行定性分析。鑒定出各個(gè)相后，根據(jù)各相衍射花樣的強(qiáng)度正比于該組分存在的量，就可以對(duì)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(cè)試中心的X 射線(xiàn)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(jī)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(qiáng)，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(guān)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(huì)溶解、軟化，進(jìn)而使得巖石破碎解體。

2.3 水巖作用下微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析

軟巖微觀(guān)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(duì)于分析巖土體材料的微細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而揭示巖石的力學(xué)機(jī)理有著重要的作用。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)滇中紅層軟巖的微觀(guān)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(duì)試樣進(jìn)行掃描拍照，其中低倍觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)可以更好的了解局部區(qū)域微觀(guān)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(duì)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(tuán)粒狀結(jié)構(gòu); 從1000 倍的SEM 可以看出泥巖中團(tuán)狀結(jié)構(gòu)增多且顆粒變大，推測(cè)這可能因?yàn)轲ね令w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(guān)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(wú)章的排列著，總體看來(lái)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(tuán)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(guān)察1000 倍SEM 可以發(fā)現(xiàn)，泥巖隨著水作用時(shí)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(guān)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(shí)由于泥巖巖樣中的孔隙被水填充，導(dǎo)致孔隙擴(kuò)張，孔洞越發(fā)的發(fā)育，分布雜亂無(wú)序，微結(jié)構(gòu)單元間呈面－面接觸、點(diǎn)一面接觸形態(tài)。

3 紅層軟巖軟化機(jī)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(wèn)題將越來(lái)越突出，而掌握軟巖的軟化機(jī)理是控制軟巖工程穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。通常情況下，受實(shí)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(jī)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(guān)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(chēng)水云母，其親水性較強(qiáng)，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)酰ね恋V物顆粒發(fā)生膨脹，伊利石與水的反應(yīng)過(guò)程如下:

已有研究表明伊利石與水反應(yīng)會(huì)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(guān)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(qiáng)度顯著降低。

在水巖作用下，巖石的微觀(guān)機(jī)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(guān)結(jié)構(gòu)以細(xì)小顆粒為主夾雜少量團(tuán)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(tuán)，團(tuán)粒間連結(jié)松散，孔隙被水充填之后迅速擴(kuò)張，使得原來(lái)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(shí)泥巖結(jié)構(gòu)由團(tuán)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(guān)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(qiáng)度從29.5 MPa 下降到16.6 MPa，軟化系數(shù)達(dá)到0.53，這說(shuō)明軟巖在水巖作用下宏觀(guān)力學(xué)性質(zhì)的劣化與其微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化是密切相關(guān)的。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，由于軟巖的黏土礦物成分含量高，顆粒親水能力強(qiáng)，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(shí)，黏土礦物還會(huì)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(cuò)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)表明巖石峰值抗壓強(qiáng)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(guān)結(jié)構(gòu)由致密的團(tuán)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(guān)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(jī)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。