滇中红层软岩微观结构及水理特性试验研究

滇中红层软岩具有成岩作用差、易产生较大变形、遇水易软化、易崩解等特征,本文采用环境扫描电镜试验和水理特性试验,对红层软岩的微观结构特征,崩解、膨胀、软化等水理特性进行了研究。试验结果表明,红层软岩矿物粒间空隙大多被粘土矿物填充,粘土矿物以伊利石和蒙脱石为主,为混层结构,结晶程度相对较差,多数有蚀变的痕迹。具有微小裂隙的红层软岩在1~2次充分饱水烘干后,崩解性开始显现;随着干湿循环次数增加,岩样的质量变化呈减小趋势;干湿循环次数继续增加,崩解性指数趋于平缓。红层软岩由于风化作用影响程度和自然含水率的差异,岩体内部崩解张力具有明显不均匀性。经过自由浸水48h后,红层软岩的单轴抗压强度降低29.83%~58.47%,各地层软化系数在0.4~0.7之间,遇水后呈现显著软化效应。这些结果为红层软岩地区公路工程建设的工程地质研究提供了一定参考。     

水岩耦合下的红层软岩微观结构特征与软化机制研究

水岩长期作用下红层软岩体现出成岩作用差、易风化、易软化崩解等特点,给软岩工程设计与施工带来挑战。以滇中红层软岩地区所取泥岩试样为研究对象,首先对自然和饱水状态下岩样进行单轴和三轴压缩试验,分析水岩作用下软岩的力学特性;然后采用X射线衍射技术对不同含水状态下软岩微观结构进行对比研究;最后基于试验结果对滇中地区红层软岩遇水软化机制进行了探讨。研究结果表明:水岩作用下软岩力学性质劣化明显,岩石峰值抗压强度显著降低,岩体破坏程度提高;软岩黏土矿物颗粒吸水膨胀,微观结构由致密的团粒状转变为疏松多孔的不规则片状和鳞片状结构;伊利石等黏土矿物与水反应,产生的不均匀应力和大量微孔隙导致软岩内部结构破坏;红层软岩的遇水软化机制包括软岩矿物的溶蚀和次生作用、黏土矿物的吸水膨胀与崩解、软岩与水作用导致颗粒间胶结连结破坏等。     

软岩饱水软化过程微观结构演化的临界判据

针对红层软岩遇水软化问题,在已开展的粉砂质泥岩饱水软化试验结果的基础上,从建立软岩微观结构模型出发,定量化研究软岩软化的力学机制。首先将描述粉砂质颗粒特性的结构元件引入到M. Tuller、D. Or提出的黏土矿物微结构模型中,提出了软岩微观结构组合元件;然后结合软岩饱水软化试验中微观结构测试结果,考虑天然状态软岩微观结构的基本类型特征,建立了描述粒状结构与致密条块状结构软岩的两类典型微观结构单元;在此基础上,采用重整化群方法,分别建立了两类软岩软化的重整化模型,并基于重整化原理,分析了软岩软化过程微观结构演化的临界判据,搭建了软岩微观结构与其力学特性之间的定量关系。通过对比软岩饱水软化过程力学性质试验结果,验证了所建立模型的合理性,为进一步开展软岩软化全过程定量化研究奠定基础。     

红层软岩遇水崩解特性试验及其界面模型

红层软岩遇水崩解是引发工程灾害的重要原因。红层软岩遇水崩解缘于水作用下软岩细观成分组构的变化,但目前软岩崩解特性定量表征研究多根据宏观现象,所得到的崩解模型难以对软岩崩解的细观过程进行研究。根据室内软岩静态崩解和软岩碎片浸水试验以及不同浸泡阶段的软岩的成分组构扫描电镜观察试验,揭示了水-软岩界面的细观演化规律:红层软岩的崩解机制缘于软岩碎片间泥质填充区中水-岩界面上的黏土颗粒在水作用下发生水化、扩散和流失致使泥质胶结带缩减,从而引起碎片间凝聚力下降;静水作用下软岩碎片间的凝聚力随时间呈幂函数衰减。在此基础上,利用界面与胶体化学、断裂力学理论,定量表征了软岩中水化黏土颗粒的流失以及软岩碎片间的模式Ⅱ型开裂,建立了软岩遇水崩解的界面模型,进而定量表征了软岩遇水崩解过程。通过对比计算,利用上述所建模型计算的软岩碎片剥落时间和试验观察的软岩碎片剥落时间相近,从而验证了模型的合理性。     

软岩饱水试验与软化临界现象研究

针对华南地区广为分布的“红层”软岩遇水软化问题,选择粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等典型软岩为研究对象,在软岩饱水软化试验的基础上,采用“自组织临界性”理论深入分析了软化试验中的临界现象,结合软岩物理力学性质、微观结构以及水溶液离子浓度变化的试验结果,得出：在饱水3个月和6个月时,对应于所研究软岩软化的临界时间点,其物理、力学性质与水溶液离子浓度的变化在前3个月内变化幅度较大,3个月后较为平缓,并可能出现波动,6个月后开始趋于稳定;而其微观结构变化满足1～3个月变化较小,3～6个月自行调整而趋于有序,6个月之后结构类型完全改变。在此基础上,分析了软岩系统自组织临界现象中最显著的两个特征：自组织性和临界特性,并从系统演化的角度探讨了饱水软岩系统中一种具有一定稳定性的非平衡自组织有序结构的产生过程,给出了水作用下软岩工程特性变异达到稳定的临界时刻。     

天然与饱水状态下石膏岩蠕变试验研究

石膏岩的饱水软化蠕变特性是影响石膏矿采空区安全评价的重要因素。以荆门石膏矿岩为研究对象,开展天然与饱水状态下的单试样逐级增量加载试验,分析了饱水软化作用下石膏岩的蠕变特性,选取西原模型描述石膏岩的本构关系。分析结果可得,饱水试样总蠕变量大于天然试样;饱水试样蠕变破坏强度(11 MPa)是天然试样蠕变破坏强度(21.5 MPa)的0.54倍,长期强度(10 MPa)是天然试样长期强度(19.5 MPa)的0.49倍。利用西原模型对蠕变曲线进行拟合并分析拟合参数可知,饱水试样参数E_1是天然试样的0.1~0.5倍,η_1是天然试样的0.2~0.7倍,E_2是天然试样的2~10倍。以上结论均表明饱水试样的蠕变特性更加明显。分析讨论饱水软化作用对石膏岩蠕变特性影响机制可知,荆门石膏岩软化作用主要由物理软化作用及化学软化作用耦合而成,物理软化作用主要为静水作用下的孔压效应,化学软化作用主要为石膏岩的重结晶作用。试验分析结果可为石膏矿采空区安全评价提供依据,具有重要的工程实际意义。     

鄂西北页岩饱水软化微观机制与力学特性研究

针对鄂西北页岩隧道施工中存在的地下水加剧软岩隧道大变形问题,进行页岩饱水软化的微观机制与力学特性研究。通过开展X射线衍射、自然吸水试验和SEM电镜扫描,探索不同饱水时间条件下页岩吸水率和微观结构的变化;进而通过开展单轴压缩试验,分析页岩强度和变形参数随其饱水时间的演化规律。试验结果显示,页岩吸水率随着饱水时间的增加呈对数规律增长,页岩饱水后峰值抗压强度和弹性模量均随着饱水时间的增加呈负对数规律降低;页岩力学性质在饱水20 d内变化迅速,50 d后趋于稳定。同时,随着饱水时间的增加,页岩中绿泥石和白云母矿物遇水产生膨胀,使片层状结构分散剥离出细小矿物颗粒,并产生大量松散多孔的絮状物;由于水化作用的影响,页岩原有的致密层状结构变得松散破碎,矿物颗粒之间的胶结逐步破坏,孔隙、裂隙增多,宏观上表现为页岩强度降低,抵抗变形能力减弱,破裂面更为密集,且贯通性增强。     

不同埋深珊瑚礁灰岩物理力学特性宏细观研究

文章针对中国南海不同深度珊瑚礁灰岩物理力学特性，利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线断层扫描（CT）技术，表征浅层和深层礁灰岩微细观形貌和内孔隙结构特征，建立纵波波速与孔隙率、密度的定量关系，开展干燥和饱水礁灰岩单轴压缩试验，探讨礁灰岩基本物理力学特性。试验结果表明，浅层礁灰岩疏松多孔，孔隙连通性较好，主要矿物成分为文石，属生物沉积岩；深层礁灰岩较为致密，孔隙连通性差，主要矿物成分为方解石，属变质岩。深层礁灰岩孔隙率约为浅层礁灰岩孔隙率的1/10，平均峰值抗压强度约为4.8倍，平均弹性模量约为4.5倍。礁灰岩属于极软岩或软岩，具有脆性破坏的特征，典型破坏模式为沿原生孔隙、生长线和弱胶结面等缺陷的多破裂面破坏，峰后残余强度较高。礁灰岩水岩作用效应显著，浅层礁灰岩软化性强于深层礁灰岩。浅层与深层礁灰岩物理力学性质存在较大差异，主要源于不同埋深下成岩胶结作用程度不同所导致的矿物组分、孔隙结构与岩性的差异。     

川西红层软岩崩解演变特征与微观响应机理试验研究

红层软岩透水性弱、亲水性强,受含水量和水热(温度和降雨)变化影响极易发生软化崩解,给红层软岩地区工程建设和地质环境带来挑战。为研究不同含水量和多种水热试验工况下红层软岩的崩解特征和微观机理,以川西金堂县和中江县两处开挖红层软岩边坡工程为依托,利用自制降雨装置和温控设备,开展不同梯度初始含水量红层软岩在多种水热试验工况下的循环崩解试验。从红层软岩宏观形貌演变、微观结构及矿物组成、崩解系数、R值(崩解质量损失率)和崩解后颗粒分析5个方面对红层软岩崩解情况进行了研究,试验结果表明:红层软岩宏观形貌演变特征与微观结构变化及矿物差异存在一定的对应关系;黏土矿物的含量是红层软岩发生崩解的主要内因且与崩解呈正相关关系;崩解程度与初始含水量及水热效应联系密切;两处红层软岩R最小/大值差距明显,分别为0.22%、0.05%和1.63%、2.17%;粒径分布对红层软岩的崩解程度具有较好的评价作用,崩解越强烈,大颗粒越少,小颗粒越多,小颗粒更集中于0.075~0.5 mm之间。崩解系数、R值和最终粒径分布曲线可以很好地结合起来对红层软岩的崩解进行量化分析,并与微观结构及矿物差异相联系解释红层软岩的崩解演变特征。研究成果可为金堂、中江及其他红层软岩地区的工程建设和地质评价提供一定参考。     

软岩遇水软化的耗散结构形成机制

针对华南“红层”软岩遇水软化的复杂系统演化问题, 从其软化过程中是否形成耗散结构的思路出发, 研究了软岩系统非线性软化特征.结果表明: 软岩与水相互作用系统是一个开放的复杂系统, 在内部非线性作用下逐渐演化至非平衡状态, 其软化过程中可以形成有序的耗散结构.在此基础上, 采用耗散结构理论系统分析了软岩软化过程中耗散结构的形成机制: 软岩软化的过程经历了近平衡态、远离平衡自组织态与远离平衡临界态3个阶段, 并最终通过非平衡相变形成了具有一定稳定性的耗散结构.最后基于软岩软化过程中结构分维值演化规律, 初步建立了软岩耗散结构形成的分岔演化模型, 并将模型应用于软岩饱水软化试验的临界分岔现象分析中.分析表明软岩耗散结构是在系统经历多次倍周期分岔, 通过不断地从稳定到失稳再到稳定的过程后形成的.其中3个月与6个月这两个时间点具有显著的临界特征, 这是深入研究软岩软化耗散动力学过程的切入点.      

红层软岩微观结构与抗剪强度关系实验分析

红层软岩属于滑坡、崩塌灾害的易发地层,岩石的微观结构特性对其宏观力学强度有着重要影响。对四川省屏山县和云南省绥江县采集的侏罗系红层砂岩、粉砂岩和泥岩样品进行了扫描电镜观察及变角模抗剪强度实验。基于MATLAB数字图像处理技术,提取了红层砂岩、粉砂岩和泥岩的微观结构参量,即孔隙率、颗粒磨圆度、颗粒定向度及欧拉数的量化值,进一步分析了上述各参量和抗剪强度的定量关系。研究结果表明：红层软岩的抗剪强度和孔隙率呈负指数关系,和颗粒磨圆度、定向度呈负相关线性关系,和欧拉数呈正相关线性关系。     

外加剂对桂林含有机质水泥红黏土力学性质影响的试验研究

红黏土是碳酸盐岩在湿热环境下经过风化作用形成的一种特殊性土,孔隙大、含水量高,而其结构性强且存在上硬下软的成层分布特征,上部为坚硬、硬塑状态,下部为软塑、流塑状态。水泥搅拌法因其有加固效果好、造价低、工期短、污染小等特点被广泛应用在处理软弱红黏土。近年来环境和工程地质条件不断恶化,造成大面积红黏土被有机质污染,严重影响地基的强度,但是研究表明合理使用外加剂可以改善被有机质污染红黏土的物理力学性质。本文从外加剂掺量和类型对抗剪强度、压缩系数、无侧限抗压强度等方面进行室内试验研究,得出外掺剂种类和掺量与它们之间的关系。结果表明:其间的相关性较好。     

水泥搅拌法改良桂林红黏土力学性质试验研究

桂林地区分布的由碳酸盐系出露区的石灰岩经过红土化作用而成的高塑限的红黏土,孔隙比较大、含水量高,而其结构性强且存在上硬下软的成层分布特征,上部红黏土为坚硬-硬塑状态,承载力高,下部红黏土为软塑、流塑状态,为地基软弱下卧层,需进行处理。采用水泥搅拌法对桂林软弱红黏土无侧限抗压强度、抗剪强度、抗拉强度与水泥掺入比、龄期的关系等主要力学性质进行室内试验研究,得出外掺剂对无侧限抗压强度的影响以及无侧限抗压强度、抗拉强度与抗剪强度的关系。结果表明:运用水泥搅拌法对桂林地区软弱红黏土层主要力学性能的无侧限抗压强度与水泥掺入比、龄期之间以及含外掺剂和无外掺剂水泥红黏土无侧限抗压强度之间存在较好的相关性; 黏聚力、抗拉强度随水泥掺入比、龄期增大而增大; 无侧限抗压强度、抗拉强度与黏聚力存在相关性。     

红层泥岩水岩作用特征研究

红层是红色陆相沉积为主的碎屑沉积岩层,岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩和页岩为主。该类岩层多为软岩与硬岩相间,呈互层状产出,层间结合力弱。受区域构造影响,岩层扭曲褶皱强烈,多中高倾角,结构面发育,有泥化现象。红层中的泥岩具有透水性弱、亲水性强,遇水易软化、塑变,抗风化能力弱,易崩解等特性。特别是遇水后岩体及结构面抗剪强度大幅度降低,并且具有遇水膨胀、失水收缩的工程特性。水岩作用对边坡的影响主要有,结构面遇水泥化导致楔形体失稳,泥岩塑性变形引起边坡蠕变,同时红层还具有很强的崩解性,边坡开挖后发生崩解等现象。     

昔格达组半成岩微观结构与力学性质研究

以金沙江寨子村昔格达组半成岩为研究对象,通过X射线衍射、电镜扫描,测定了矿物成分、天然与饱和状态矿物颗粒微观结构;通过三轴压缩试验,研究了昔格达组半成岩受水和围压影响的强度及变形变化规律,并探讨了微观机制;通过对昔格达组半成岩、土、软岩强度指标与含水率的关系进行统计,分析了昔格达组半成岩不同于土和软岩的强度特性,并给出了针对此类岩土体的工程分级建议。研究表明：（1）微观结构显示昔格达组半成岩有明显不同于土和岩石的弱胶结结构特征,在饱和后胶结结构易遭破坏;（2）昔格达组半成岩黏聚力、摩擦角均随含水率增加而减小,平均模量在高含水率下随围压增加而增大,围压一定时随含水率增加而减小;（3）昔格达组半成岩、土、软岩的黏聚力大小为软岩>昔格达组半成岩>土,黏聚力对含水率的敏感性为软岩>昔格达组半成岩>土,摩擦角对含水率的敏感性为土>昔格达组半成岩>软岩;（4）将Φ50 mm×100 mm标准试件的单轴抗压强度在0.2～3 MPa,黏聚力在30～200 kPa的岩土体归类为硬土?软岩,建议在工程实际应用中将其与岩石和土进行区分。     

红粘土地区水泥土强度的试验研究

红粘土是亚热带气候条件下形成的一种特殊土质。含有红粘土的地基多具有上硬下软的特点,下部红粘土为天然地基软弱下卧层。采用深层搅拌法处理,可充分发挥上部硬塑红粘土的作用,形成复合地基。通过试验得到了水泥红粘土的基本力学参数。在对试验结果进行回归分析后,给出了水泥土强度的影响因素及其与强度的关系,以及不同水泥掺量、龄期水泥土之间的强度推算公式。     

鄂尔多斯盆地东胜砂岩型高岭土矿特征及成因机制

东胜砂岩型高岭土矿床位于鄂尔多斯盆地东北部,含矿层为延安组。经薄片鉴定、扫描电镜、X-衍射、全岩主要元素分析（XRF）以及稀土元素地球化学分析,对矿层白色砂岩与红色原岩的岩石地球化学特征进行了对比。结果表明,原岩为基质被铁质浸染的以碎屑片状高岭石和伊利石为主的红色砂岩,而矿层则为褪色的以粒度粗细不一的高岭石胶结为主的白色砂岩。矿层砂岩的分布与盆地北部油苗位置具有很好的对应关系。综合区域地质特征、岩石学、岩石化学以及天然气运散的信息,认为砂岩型高岭土矿层的形成是由于研究区以南气田中的上古生界天然气向北运移散失过程中,将红色原岩中的氧化铁胶结物还原成易于运移的Fe²⁺,从而使其褪色变白;同时酸性流体使长石溶蚀形成高岭石,后期的风化淋滤作用使砂岩中的高岭石含量进一步提高,进而形成目前较大规模的高岭土矿床。     

陕北靖边丹霞地貌区红色砂岩地球化学沉积特征与古环境研究

陕北靖边波浪谷丹霞地貌区是近年来国内外地学界的新发现和持续关注点.论文通过野外地质调查、粒度分析,岩石地球化学分析等研究,探讨红色砂岩地球化学特征、沉积环境、物源性质等相关问题.研究表明:红色砂岩以中—细砂为主,SiO2和Al2 O3含量之和在85％以上,沉积环境为河湖相,为水动力中等,水面较浅的河流入湖三角洲河口区地...     

干湿循环条件下红砂岩软弱夹层微结构与剪切强度的关联性

极旱极涝频繁交替的极端气候事件会加剧岩土风化,降低强度,影响岩土工程结构稳定。采用直剪试验和扫描电镜技术,研究了对顺层红砂岩边坡稳定性起控制作用的软弱夹层在常温状态、干湿循环条件下（60℃风干）的力学特性及微观结构变化规律,通过相关分析、逐步回归方法得到了影响强度的微结构显著变量,构建了反映二者关联性的回归方程。研究表明：红砂岩软弱夹层剪切强度及黏聚力在1～5次循环过程中急剧降低,5次后变化趋缓,循环次数对内摩擦角变化影响微小;干湿循环次数增加,平均面积、平均直径、平均周长、定向概率熵等4个微结构参数减小,并与黏聚力呈现正相关关系;颗粒个数、平均形状系数、形态分布分形维数3个微观参数与黏聚力呈现负相关关系;分析认为,干湿循环过程中宏观力学特性蜕化及微观结构参数变化之间显著相关,干湿循环造成的岩土颗粒胀缩、碎裂、结构破坏是导致红砂岩软弱夹层剪切强度蜕化的主要原因。     

陕北靖边丹霞地貌区红色砂岩地球化学沉积特征与古环境研究

靖边波浪谷丹霞地貌区是近年来国内外地学界的新发现和持续关注点。论文通过野外地质调查、粒度分析,岩石地球化学分析等研究,探讨红色砂岩地球化学特征、沉积环境、物源性质等相关问题。研究表明：红色砂岩以中—细砂为主,SiO2和Al2O3含量之和在85%以上,沉积环境为河湖相,为水动力中等,水面较浅的河流入湖三角洲河口区地带,而不具有目前一些学者通过宏观观察提出的该砂岩为沙漠相沉积特征。沉积阶段气温较高,存在暖干与暖湿的多次变化。地球化学分析表明红色砂岩地球化学类型为长石砂岩和亚长石砂岩,物源可能来自于盆地内部隆起或再旋回造山带所提供的富石英质沉积岩。