張 駿, 黃 凱, 蘇晶文, 李云峰, 康 博, 查甫生

(1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009;2.中國地質調(diào)查局南京地質調(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、頁巖及砂巖、泥巖、頁巖互層等軟硬相間的層狀巖體,從外表來看顏色主要為紅色[1]。我國紅層軟巖分布廣泛,出露面積占國土面積的5%,全國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]。紅層軟巖工程性質較差,具有強度低、透水性弱、親水性強、遇水易軟化崩解的特點[4-5]。針對紅層軟巖特性的相關研究成果較豐富。文獻[6]采用剪切試驗、X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析試驗等對邊坡的紅層泥巖試樣進行對比試驗,發(fā)現(xiàn)剪切強度與殘余強度受礦物成分的影響;文獻[7]將“紅層”泥巖重塑后,進行固結壓縮、浸漬與直剪試驗,分析表明,浸漬使“紅層”泥巖的剪切強度峰值降低;文獻[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、膠結物、膠結類型和微孔隙的含量等;文獻[13-15]利用物理、化學等研究方法對紅砂巖進行一系列研究,結果表明,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。

目前,針對紅層軟巖的相關研究主要集中在紅層的成因機理、致災機理上,且主要是關于某一區(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。隨著我國城市化進程的加快,深基礎工程日益增多,為了保證建筑工程安全,深部圍巖的穩(wěn)定性受到工程技術人員重視。因此,需開展對不同埋藏深度下紅層軟巖的研究,為深基礎重大工程建設的設計與施工提供參考。本文對皖南紅層軟巖基本性質進行研究,分析其物理性質、礦物組成及微觀特征隨埋藏深度的變化規(guī)律。

1 試驗方法

選取皖南地區(qū)齊云山組粉砂巖與徽州組泥質粉砂巖2種典型紅層軟巖作為研究對象,并對不同埋藏深度下2組樣品進行編號,每個編號設置3個平行試樣。2組粉砂巖樣品編號及取樣深度見表1所列。依據(jù)文獻[16],對不同埋藏深度下巖樣的基本物理性質、礦物組分及微觀結構的變化進行試驗研究。其中,物理性質試驗包括天然密度、天然含水率及孔隙率等試驗。利用X射線衍射儀對試樣進行XRD分析,研究礦物組分變化規(guī)律。通過場發(fā)射電子顯微鏡進行SEM試驗,并通過Image-Pro Plus(PPP)軟件對圖像進行二值化處理,計算二維可視孔隙率,研究微觀結構變化規(guī)律。

表1 2組粉砂巖樣品編號及埋藏深度

2 試驗結果分析

2.1 物理性質變化規(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度高低,通過分析不同埋藏深度下密度的變化趨勢,可揭示不同埋藏深度處巖石的強度高低及變化趨勢,試驗結果如圖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。齊云山組粉砂巖在強風化階段,密度增大趨勢較快;在中風化階段密度增大趨勢顯著減弱,且逐漸趨于平緩。徽州組泥質粉砂巖的密度整體增大趨勢較緩,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分別如圖2、圖3所示。

天然含水率的大小可以預示紅層的脹縮趨勢,孔隙率越大的巖石,其提供的水與礦物接觸反應的場所就越大。對紅層軟巖天然含水率及孔隙率隨埋藏深度的變化進行研究,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。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,且2組試樣在強風化階段天然含水率和孔隙率下降速率較大,在中風化階段,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組試樣在強風化階段,隨著埋藏深度增加,物理性質的差異較明顯;在中風化階段,物理性質變化逐漸趨于平穩(wěn)。

圖1 2組試樣天然密度變化趨勢 圖2 2組試樣天然含水率變化趨勢 圖3 2組試樣孔隙率變化趨勢

2.2 礦物含量變化規(guī)律

通過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,特別是親水性較強的蒙脫石和伊利石,是紅層軟巖遇水軟化、崩解的物質基礎。采用Jade軟件對巖石的礦物成分進行半定量分析,可得出各礦物成分的占比。通過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。2組試樣石英、赤鐵礦、石膏的占比隨埋藏深度變化趨勢分別如圖4、圖5所示。

圖4 齊云山組粉砂巖3種礦物占比變化趨勢

圖5 徽州組泥質粉砂巖3種礦物占比變化趨勢

齊云山組粉砂巖的石英占比較徽州組泥質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、石膏占比均無明顯變化。

2組試樣長石類和黏土類礦物占比隨埋藏深度的變化趨勢分別如圖6、圖7所示。

圖6 齊云山組長石類、黏土類礦物占比變化趨勢

圖7 徽州組長石類、黏土類礦物占比變化趨勢

由圖6、圖7可知:齊云山組粉砂巖的長石類礦物與黏土類礦物較徽州組少;隨著埋藏深度增加,2組試樣中的長石類礦物占比均明顯呈增加趨勢,而黏土類礦物占比均呈減少趨勢,2類礦物總占比均無明顯變化。黏土類礦物是不穩(wěn)定的長石類礦物風化形成的產(chǎn)物,隨著埋藏深度增加,風化程度減弱,長石類礦物占比增加,黏土類礦物占比降低,兩類礦物占比是一種此消彼長的關系。

2.3 微觀結構變化規(guī)律

通過SEM試驗及IPP軟件分析孔隙疏密及大小隨埋藏深度的變化,進一步研究不同埋藏深度下巖體的穩(wěn)定性及變化趨勢。采用IPP軟件對圖像進行二值化處理時,需要設置灰度閾值,本文采用自適應灰度閾值,在此基礎上,通過對比原圖像,進行目視分割、微調(diào),并測量過濾,濾除多余的雜質點,多次試驗后求出二維可視孔隙率平均值。2組試樣1 000倍下微觀結構圖、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,徽州組泥質粉砂巖孔隙大小為0.5～4.0 μm。采用IPP軟件對2組試樣進行二維可視孔隙率計算,二維可視孔隙率變化趨勢如圖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;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風化階段下降速率較大,在中風化階段下降速率逐漸降低,最后趨于平緩,與孔隙率試驗結果基本一致。

圖10 2組試樣二維可視孔隙率變化趨勢

分析其原因如下:強風化階段巖石受風化作用的影響大于受地質應力的影響,即風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,巖石風化程度較高,孔隙較多,風化作用對孔隙的影響較大;中風化階段巖石受風化作用的影響小于受地質應力的影響,此階段隨著埋藏深度增加,地質應力增大,使得巖石越來越致密,孔隙率變化逐漸趨于平緩。

3 結 論

(1) 齊云山組粉砂巖和徽州組泥質粉砂巖的密度隨埋藏深度增加呈增大趨勢;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在強風化階段差異明顯,在中風化階段差異減小,物理性質變化趨于平緩。

(2) 齊云山組粉砂巖和徽州組泥質粉砂巖中石英、赤鐵礦、石膏3種礦物的占比,隨著埋藏深度增加均無明顯變化;長石類礦物占比隨著埋藏深度增加呈明顯增加趨勢,黏土類礦物占比隨著埋藏深度增加呈明顯減小趨勢,2類礦物的總占比無明顯變化。

(3) 隨著埋藏深度增加,齊云山組粉砂巖和徽州組泥質粉砂巖的微觀結構逐漸致密,孔隙也逐漸減少;2組試樣的二維視孔隙率下降趨勢均可分為2段,在強風化階段下降速率較大,在中風化階段下降速率逐漸降低,最后趨于平緩。