伍 艷,蔡懷森,劉 慧,楊忠芳

(1.中國地質大學(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)域土壤侵蝕模數可高達3萬t/(a·km2)以上,且產生的泥沙有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、泥質砂巖所構成的巖石互層,外觀呈現紅、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有著密切關系,其力學性質是砒砂巖發(fā)生一系列地質問題的內在原因[2-4]。巖體力學性能與巖石組分、結構有直接關系,因此研究砒砂巖抗剪強度與其巖性結構特征關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,具有重大的現實意義與理論價值。

目前,一般取抗壓、抗剪、抗拉強度表征砒砂巖的力學性質[4-5]。根據李曉麗等[6]研究,砒砂巖具有剪切應力峰值現象,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,而且在反復剪切試驗過程中,會出現明顯的剪縮、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[7],砒砂巖的力學性質與其礦物成分、化學成分、巖性組合、微結構等特征密切相關[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];砒砂巖晶層間內外溶液中電解質粒子(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)砒砂巖結構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也有影響,尤其是對無側限抗壓強度影響較大[9]。由于砒砂巖區(qū)位的獨特性,未見國外學者相關成果的報道,僅對單一的砂巖孔隙結構、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象相結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、微觀形貌及結構等宏觀、微觀特征相結合的角度,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構特征的關系,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備廠生產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,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,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。在此基礎上,通過計算衍射峰強度、高度關系等各礦物成分的質量分數,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構。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,旋轉放大旋鈕到合適的放大倍數,再通過比較不同放大倍數的圖片效果,最后確定放大倍數為1 000倍時,圖像達到最佳聚焦狀態(tài)。

2 試驗結果及分析

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,沒有出現破碎或裂縫等現象,而白色砒砂巖試樣則出現了明顯的約2 cm的裂痕和缺損現象,產生的破碎顆粒較多,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黏聚力及內摩擦角特性

黏聚力和內摩擦角是構成土體抗剪強度的重要指標[14-15]。莫爾應力圓公式為

τf=c+σtgφ

(1)

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

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摩擦角(圖3)。

圖3 含水率對砒砂巖黏聚力和內摩擦角的影響

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力較大的強結合水,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合水含量開始增大,連結力下降,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摩擦角遞減率較白色的大。隨含水率增加內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，形成一種光怪陸離、出人意表的藝術效果，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系

2.2 抗剪強度與結構特征關系

2.2.1抗剪強度與礦物組成關系

礦物組成是巖體結構的主要參數。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量分數是不同的(表1),其中白色砒砂巖中石英的質量分數較高,蒙脫石的質量分數較低,分別為40%和15%,而紅色砒砂巖中石英的質量分數相對較低,蒙脫石的質量分數相對較高,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的差異。總起來說,相對于自然界其他砂巖中石英的質量分數而言,紅色、白色砒砂巖中石英的質量分數均較低,而蒙脫石的質量分數又相對較高。

表1 砒砂巖各礦物成分質量分數 %

白色、紅色砒砂巖中蒙脫石的質量分數分別為15%、20%,從圖3可以看出紅白兩種砒砂巖中蒙脫石的質量分數對黏聚力和內摩擦角的影響。在各含水率(5%、8%、11%、14%)條件下,蒙脫石質量分數的變化對黏聚力的影響相較于對內摩擦角的影響大,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量分數的增大而增大,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,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)質量分數差別不大,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,導致巖石結構被破壞,抵抗侵蝕能力減弱。白色、紅色砒砂巖中方解石的質量分數較接近,分別為2%和3%,方解石化學性質較為活潑,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,生成易溶的碳酸氫鈣,并會溶解流失,在砒砂巖體內形成新的孔隙,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,其質量分數為57.6%,其次是0.25～0.5 mm和0.075～0.005 mm,其質量分數分別為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,其質量分數為54.6%,其次是0.25～0.1 mm,其質量分數為31.1%。

表2 砒砂巖顆粒粒徑分布

根據粒徑分布曲線圖,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量10%、30%和60%的粒徑;Cu為不均勻系數;Cc為曲率系數。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均大于5,且曲率系數均在1～3范圍內,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系

根據放大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,有層片狀板結顆粒,絮狀結構中分布有細小的空洞,表明構成砒砂巖顆粒的物質是致密的,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,黏結物質較少,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,溶解產生的礦物轉化量也就越大,進一步加大孔隙度,使砒砂巖力學性質降低[18-19]。

3 結 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種礦物組成的質量分數分別為40%、35%、15%和2%,紅色砒砂巖中這4種礦物組成的質量分數分別為35%、36%、20%和3%。在當地特殊的自然條件下,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,其質量分數為57.6%,其次是0.25～0.5 mm和0.075～0.005 mm,其質量分數分別為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,其質量分數為54.6%,其次是0.25～0.1 mm,質量分數為31.1%,細砂含量較多,絮狀結構連接較致密,導致滑動過程中以黏聚力為主導,咬合摩擦作用較弱。