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。     

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。     

滇中红层膏盐溶蚀特征及其对水质的影响

滇中红层多含有石膏、岩盐等可溶盐矿物,在可溶盐富集地段,地下水往往表现为咸水或微咸水而不适宜饮用。文章以楚雄市谢家河河谷为例,基于钻探、物探、测井、水质分析等综合勘察资料,研究红层膏盐在地下水循环中的溶蚀特征并分析膏盐溶蚀对水质的影响。结果表明:膏盐溶蚀形式主要为散点状膏盐的溶蚀孔洞和裂隙状石膏的溶蚀裂隙,溶蚀强度主要受控于含水介质孔隙发育程度和地下水循环速度;浅层地下水循环速度快,虽可溶盐溶蚀强烈,但对地下水水质影响较弱,水质超标面较小;深层地下水循环速度慢,可溶盐溶蚀后富集于深层承压含水层中,导致地下水水质超标面大;断裂及其影响带导水造成深层承压水向浅层地下水越流,导致浅层地下水水质变差。      

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。     

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。     

水-岩作用下粉砂质泥岩含水损伤本构模型

软岩遇水具有显著的劣化效应,以往研究主要集中于软岩的流变特性,对水-岩作用下软岩的含水损伤研究较少,但水-岩作用下软岩的含水损伤效应对工程建设的指导至关重要。因此,以滇中地区粉砂质泥岩为研究对象,对干燥状态、天然含水率和饱水条件下的粉砂质泥岩试样进行三轴压缩蠕变试验。试验结果表明:（1）不同含水率试样在初始加载阶段产生的应变量均远大于后期逐级加载阶段的应变增加量,且随着含水率的增加初始加载蠕变量逐渐增大;（2）随着含水率的提升,最终蠕变量逐渐增加,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值逐渐降低,长期强度也显著降低。根据试验结果,基于损伤理论,引入一个非线性黏塑性体考虑含水情况对蠕变的影响,提出基于经典Burgers模型并具有水-岩作用劣化特征的含水损伤蠕变本构模型。通过1stopt软件辨识参数,并验证了模型的准确性和可适性。研究结果对于滇中红层软岩的含水损伤特性研究提供了一定的参考。     

石灰改良红层无侧限抗压强度试验研究

红层是一种特殊岩土,作为路基材料时,常会导致不均匀沉陷、翻浆冒泥等病害。为改善其力学性质,工程上通常掺入一定剂量的石灰（Ca（OH）₂）进行改良。由于降水-蒸发的周期性变化,运营期间反复干湿循环作用对路基土的工程性质造成较大影响。基于此,结合室内无侧限抗压强度试验,研究了干湿循环作用对不同掺量的石灰改良红层无侧限抗压强度的影响。结果表明：在最佳含水率下,石灰改良红层的无侧限抗压强度随石灰掺量的增加而增大;干湿循环作用对改良红层无侧限抗压强度的影响与石灰掺量有关,石灰掺量较低时,改良红层的抗压强度随干湿循环次数的增加而减小,石灰掺量较高时,改良红层的无侧限抗压强度随干湿循环次数的增加而显著增大;未改良红层塑性较大,试样均为塑性鼓胀破坏,掺入石灰后,红层强度增大,脆性增强,呈脆性剪切破坏,经历干湿循环作用后,石灰改良红层试样呈多缝锥形破坏。     

超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

深部煤层CO₂地质封存与CH₄强化开采(CO₂–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO₂(ScCO₂)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO₂泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展“ScCO₂–水–岩”地球化学反应模拟实验,探讨CO₂煤层封存条件下ScCO₂–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO₂–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的“溶蚀坑”和“溶蚀缝”;增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO₂–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO₂–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO₂泄漏,但在评价煤层CO₂封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。      

蒸发岩溶蚀特征实验模拟及其油气封盖意义

油气的封盖性是油气成藏研究的一个重要内容,以蒸发岩为最优质的盖层。研究表明,影响蒸发岩封盖性的一个最重要因素是溶蚀破坏,因此,分析蒸发岩的溶蚀特征对评价其封盖性至关重要。然而,根据传统观点,蒸发岩因矿物组成单一且致密,所以对其封盖性不需要研究,只需关注分布特征即可;故而相关研究比较薄弱。本文应用自主设计开发的溶蚀模拟实验装置,展开了溶蚀模拟实验,以讨论查明蒸发岩的溶蚀特征以及其对油气封盖性评价的启示。实验通过在不同温压条件(30℃,0.3 MPa;60℃,13 MPa;100℃,27 MPa;150℃,43 MPa)下,让膏岩、灰岩和白云岩分别在纯水、海水、CO2水溶液(0.3%)和乙酸溶液(0.2%)中反应,得到溶蚀率,并比较反应前后岩石表面的特征,从而在一定程度上了解膏岩水化和溶蚀作用的特征,了解膏岩和碳酸盐岩溶蚀特征的差别;再对实验前后的流体样、固体样系统进行同位素、元素等地球化学分析,以了解溶蚀作用的动力过程与机理。初步研究发现:蒸发岩遇水先水化再溶蚀,这是导致其发生破坏的重要因素;蒸发岩的溶蚀特征与碳酸盐岩不同,这取决于各自的岩石矿物组成与流体—岩石相互作用物理化学过程;蒸发岩的溶蚀具有"溶蚀峰",随介质和温压变化而变化,且深层/超深层膏盐岩受溶蚀作用影响较小,保存较好,因此若深层/超深层发育膏盐岩,则有利于油气封盖及其成藏。     

波速-旁压联合测试法在红层软岩中的应用研究

将波速测试及高压旁压试验运用于长沙地区的白垩纪红层软岩勘察中,获取了大量红层的声波测试结果及旁压试验特征参数,经过多参数的综合分析,为红层软岩的风化程度与岩体强度变化分析提供了有效参数。并在大量试验资料的基础上,建立了红层的动、静参数之间的相关方程。实践证明,波速-旁压联合测试方法是一种快速、经济、有效的工程勘察手段。     

某工程蚀变岩孔隙特征及其软弱程度研究

孔隙作为岩体的初始损伤,对岩体的强度及变形特性的影响尤为明显,而孔隙发育是研究区内一类力学性质较软弱岩石的显著特征。对蚀变岩孔隙特征的研究是了解蚀变岩的软弱程度及孔隙度对其软弱程度的影响的有效方法。针对此蚀变岩进行岩矿及铸体薄片分析得出蚀变岩孔隙有原生、浅表生及构造3种成因,其中以原生为主。从饱水蚀变岩的常规单轴压缩试验应力-应变全过程曲线上求取蚀变岩的饱和单轴抗压强度及割线模量,再与相应试样的孔隙度进行相关性分析,结果显示出蚀变岩的饱和单轴抗压强度及割线模量均随孔隙度的增加而减小,且呈幂函数关系。由于蚀变岩的饱和单轴抗压强度(R c)及割线模量(E s)作为软硬岩评判标准具有一致性,且两者与孔隙度(n)存在较好的相关性,以此将3者共同作为蚀变岩软弱程度的划分标准,并得出软硬岩分界处n为12%、R c为30 M Pa、E s为5 GPa。     

川东北深井剖面碳酸盐岩力学参数分布特征研究

研究深部碳酸盐岩力学特性参数分布规律,对于预防碳酸盐岩地层钻井事故的发生具有十分重要的意义。采集对应地层埋深从3 568～5 983 m的20组不同层系的碳酸盐岩露头岩芯,借助MTS815.03和RMT150C岩石力学试验系统、RSM-SYS5非金属声波测试仪等,完成显微电镜分析、单轴压缩、三轴压缩和围压声波测试等试验。试验结果表明,（1）南方海相碳酸盐岩主要以生物碎屑白云岩、泥晶灰岩为主,粒径范围在0.01～0.20 mm之间,孔隙类型以粒内溶蚀孔隙、粒间孔隙、晶间溶孔为主,孔隙率范围为2%～12%;（2）单轴抗压强度在空间分布上有一定的规律性,三轴抗压强度在空间上为无序分布,表现出某种混沌的特征;（3）碳酸盐岩纵波速度随围压的增加而增大,在低围压下纵波速度增加明显;高围压下纵波速度变化相对较小,围压下纵波速度增幅,白云岩大于灰岩,获得白云岩、灰岩的抗压强度与其纵波波速不同的相关关系。其结论可为深部碳酸盐岩地层安全钻进提供技术参数。     

红层泥岩三轴膨胀力的试验研究

针对现有规范中红层泥岩膨胀力测试结果偏小问题,自主研制了膨胀性岩石三轴膨胀力测试装置。采用先放试样后加约束的方式克服了岩石与容器壁有释放变形空隙的局限性,解决了膨胀力测试结果偏小的问题。通过膨胀土和红层泥岩三轴膨胀力的测试研究,检验了三轴膨胀力测试装置的合理性和有效性,初步总结了红层泥岩三轴膨胀力的变化规律。研究结果表明:三轴膨胀力测试装置及其测试方法能够克服传统固结仪试验方法的局限性,具有较好的实用性,可以适用于膨胀土和膨胀岩三轴膨胀力的测试;红层泥岩三轴膨胀力多数是在MPa的量级,传统固结仪测试的膨胀力多数是kPa量级,更新了现有红层泥岩膨胀力较小的认识;通过对试验结果的分析和膨胀后试样的观察,发现红层泥岩的膨胀机制与膨胀土的膨胀机制是不同的;红层泥岩主要是新鲜岩石表层吸水膨胀、泥化崩解,泥化层剥蚀后,新鲜面再次吸水膨胀、泥化崩解,这是一个逐层循环膨胀的过程。     

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。     

基于软硬石模板库的土石混合体细观损伤与力学特性分析

为了探究含软、硬两种岩性碎块石土石混合体的变形破坏过程与力学性质,发展了一种基于软硬石模板库的土石混合体建模方法。通过在PFC2D中建立符合原位结构特征的软硬石模板库,利用此模板库生成了不同含石量土石混合体颗粒流模型,对土石混合体进行了单轴压缩颗粒流模拟。结果表明：土石混合体破坏始于土-石接触面,土石介质分离大多因剪切破坏导致,加载前期微裂纹迅速增长,中、后期微裂纹增长速率减缓,但宏观变形渐趋显著;随着含石量的增加,土石混合体单轴抗压强度逐渐降低,块石的转动与侧向移动会加剧土石混合体的整体破坏;相同含石量下,随着软石比例的增加,单轴抗压强度呈下降趋势,试验后试样破裂率与单个软石颗粒的破裂程度均保持在较高水平,软石颗粒破裂是引起土石混合体单轴抗压强度降低的重要原因。     

红层工程性质指标相关性研究

红层是我国南方分布广泛的白垩纪沉积软岩，大量试验数据分析表明，反映红层工程性质的一些重要物理力学指标间存在着较好的相关性，由于岩石结构的差异，不同地区红层的相关方程差异较大。通过对试验数据进行回归分析。建立了抚州市区红层的饱和重度与饱和单轴抗压强度、饱和单轴抗压强度与割性模量、三轴抗压强度与围压之间的相关方程，分析了现有点荷载试验强度与饱和单轴抗压强度相关方程对抚州红层的不适用性，并建立了相应的相关性明显的相关方程。     

红层软岩模型试验相似材料的配比试验研究

相似模型试验是研究红层软岩工程性质的重要手段之一,其试验结果的可靠性依赖于相似材料的正确选择与合理配比。针对红层软岩遇水极易软化的特性,在传统相似材料配比基础上添加生石灰,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,以骨料中铁粉与钡粉质量比例、铁粉与钡粉总质量中铁粉的质量比例、石膏质量、生石灰质量为4个因素,每个因素设置了5个取值水平,共制作25组、610个试样。每组试样均测试了其软化系数、密度、无侧限单轴抗压强度、抗拉强度及黏聚力与内摩擦角等物理力学参数,并研究了这些参数随上述4个因素取值水平的不同而变化的规律。最后,基于上述结果,配制了3种典型的软岩相似材料,并分别开展了真实软岩材料的饱水软化平行对比试验。研究结果表明：（1）根据配比方案所配相似材料物理力学参数可基本满足软岩相似模型试验的要求;（2）相似材料物理力学参数变化规律明显,便于通过调节其配比模拟不同软岩材料;（3）三组对比试验中相似材料饱水软化系数与真实软岩具有较高吻合度。