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。     

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。     

红层软岩软化的界面过程及其动力学模型

红层软岩灾变和界面上的水-岩相互作用密切相关,研究界面过程对于揭示其灾变机制具有重要的意义。目前针对红层软岩软化的研究主要是宏观唯象特征的研究,红层软岩软化界面过程的研究处于探索和起步阶段,仍需要进一步地完善。针对这一问题,通过分析红层软岩软化界面过程的特征,水-岩界面上的软岩颗粒不断溶解,水在软岩中扩散,形成新的水-岩界面,基于此建立软岩系统标准熵对软岩软化进行表征,发现软岩系统标准熵值随着时间的变化规律与软岩软化崩解具有一致性;同时,利用菲克扩散定律构建软岩软化界面过程的动力学模型,很好地描述水-岩界面的生成规律;最后在红层软岩的DEM-CFD（离散元-计算流体力学耦合）模型中,软岩软化过程颗粒连接断裂代表水-岩界面的生成,对比界面过程动力学模型,取得较好的拟合结果。该研究结果对软岩软化界面过程的探索具有一定的意义。     

红层软岩崩解性路用控制方法研究

采用灰色关联度分析法对红层软岩的矿物成分、化学成分、崩解试验等数据进行了分析。分析表明, 水理特性不稳定的粘土矿物始终是影响软岩崩解的主要因素之一, 而不同的化学成分对红层软岩崩解性的影响程度不同。通过以纯水、MgCl2, FeCl3, NaCl, CaCl2盐溶液作为红层软岩岩块浸泡液的崩解试验, 说明纯水浸泡下软岩的崩解性最强, 而所选3种盐溶液对所选红层软岩样品的崩解性均有抑制作用, 其中又以CaCl2抑制作用最强。在此基础上提出公路施工中填筑前以浇水作为加快红层软岩崩解, 填筑压实中以掺入石灰作为抑制软岩崩解路用控制方法。     

绢云母片岩路基填料最大填筑粒径确定方法

绢云母片岩是一种易崩解的片岩填料,在大气的长期干湿循环作用下,性能极易发生衰减、弱化。通过开展干湿循环前后不同初始最大粒径绢云母片岩的加州承载比试验和回弹模量试验,探讨其强度变化规律,并结合颗粒分析试验,从崩解的角度解释上述强度变化原因。结果表明,绢云母片岩在经历10次干湿循环作用后颗粒再无明显崩解,粒径为10 mm的颗粒可作为其崩解强弱的分界点,粒径大于10 mm的颗粒崩解较快,粒径小于10 mm的颗粒崩解较慢。绢云母片岩的回弹模量在初始最大粒径为5～10 mm时较大;而其承载比在初始最大粒径为10～20 mm时较大。结合崩解特性,选取初始最大粒径10 mm作为绢云母片岩路基填筑的控制粒径。     

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。     

深部煤系软岩遇水崩解的宏观特征及微观机理研究

      随着煤层开采层位的加深,对煤系软岩水稳性的研究越来越重要。巨野3号煤顶底板岩层以泥质岩为主,赋存深度900～1200 m,为典型的深部煤系软岩。通过水理性试验、X射线衍射试验及电镜扫描试验,对巨野煤田深部煤系软岩遇水崩解的宏观特征及微观机理进行分析研究。研究发现软岩水稳性较差,浸水后在30 min内开始崩解;岩样粘土矿物以高岭石及蒙伊混层为主,结构上表现为明显的疏松性及定向排列性。通过分析认为深部煤系软岩崩解是粘土矿物内外膨胀联合作用的结果,其中软岩结构特征是导致该类岩石遇水崩解的主要因素。     

沪昆客专姚家隧道板岩宏观崩解特性及微观机理研究

针对板岩遇水软化、崩解的特点,以沪昆客运专线长昆湖南段CKTJ-IX标段姚家隧道DK384+080附近的板岩岩样为研究对象,进行成分、微观结构测试和浸水崩解试验,分析板岩的宏观崩解特性和微观机理。试验结果表明:随着干湿循环次数的增加,粒径大于2 mm的崩解物颗粒逐步向小于2 mm粒径区间过渡;对于不同风化程度的板岩,粒径大于2 mm的崩解物向其它粒径区间过渡的程度不同;风化程度越高,板岩的耐崩解性指数越低,其抵挡软化、崩解的能力越差;板岩的矿物成分、结构构造和充填胶结特征等内部因素对其崩解性起着控制作用,地理气候条件等外部因素是引起板岩崩解的诱发条件,各因素的作用效力和作用时间的不同使板岩的崩解强弱程度不尽相同。     

华南红层风化土崩解特性及其改性研究

红层风化土具有遇水崩解特性,水稳性较差,在华南湿热多雨的气候条件下,极易发生崩解破坏,故研究其崩解特性及其控制机理成为实际工程中关注的热点问题之一。针对当前对红层风化土崩解特性研究的不足,自行设计了一套崩解试验装置,开展了不同含水率及密实度条件下华南典型红层风化土的崩解试验,并从组分及组构的角度分析了红层风化土的崩解破坏机理,然后在此基础上,通过掺入高性能酯类材料进行土壤改性试验,探索了提高红层风化土抗崩解性的改性控制方法。结果表明:土体初始含水率愈低、密实度愈小,红层风化土的崩解性愈强,崩解速率愈快,破坏现象愈显著;崩解控制因素主要为土体矿物成分、化学成分、孔隙裂隙及胶结物特征等;高性能酯类材料可以增强土体颗粒间的胶结作用及团聚程度,从而提高土体的水稳定性,进而控制红层风化土的崩解特性。研究对揭示红层风化土遇水崩解特性及其崩解机理,并从土壤改性角度提高其抗崩解性具有一定参考意义。     

我国红层分布特征及主要工程地质问题

我国中新生代红层分布总面积约826 389km2,是工程建设中不可避免的岩土体。南方地区红层约占红层总面积的60%,以西南、中南地区红层分布较广,多为裸露型红层,受降雨等因素影响滑坡、风化等问题突出;北方地区红层约占40%,以甘肃以及蒙宁晋陕交界红层分布相对较多,多为埋藏型红层,工程地质问题具有隐蔽性。红层分布受控于分布区的区域断裂带,岩体结构破碎,水文网络发育,渗流、软化等问题突出。由于砂岩、泥岩、页岩、蒸发岩、杂色岩等多种软硬岩层互层结构和工程活动等因素的影响,沿着软弱结构面易发生滑坡、差异风化等工程地质问题。由于时代较新,岩土体的胶结性差,物理力学性能相对较差,岩石多属于软岩类别。稳定性差,易崩解软化。蒸发岩和红层岩土体中可溶成份在水作用下,容易发生岩溶、腐蚀、渗流等物理化学问题。建议在工程建设中将红层作为特殊岩体对待。     

巴东组紫红色泥岩干湿循环崩解特征试验研究

红层泥岩受水的影响易诱发多种工程地质灾害,开展红层泥岩干湿循环崩解性质的研究具有重要意义。选取三叠系巴东组(T2b4)紫红色泥岩开展室内干湿循环崩解试验,每次干湿循环后筛分试样,通过称量获得各组分质量,并用图像处理技术提取每次筛分后岩石块体的形态特征参数。以此为基础用分形几何、灰色关联理论研究红层泥岩崩解过程中颗粒的分形与形态特征,从而建立评价红层泥岩稳定程度的模型。研究结果表明:巴东组紫红色泥岩室内干湿循环崩解试验中,粒径大于10 mm的块体崩解剧烈,且崩解过程主要集中在前8次循环,经历12次循环后停止;崩解过程中红层泥岩的分布分形维数在前8次循环中增加迅速,与红层泥岩崩解程度的变化规律相对应,随红层泥岩停止崩解而稳定在2.20;各粒组颗粒圆形度与覆盖盒维数的变化特征与红层泥岩崩解程度的变化规律也具有对应关系,随其崩解的停止而逐渐趋于稳定;灰色关联结果表明:崩解过程中红层泥岩圆形度的变化特征能更好地反映其崩解的状态,对工程建设中红层泥岩稳定程度的评价具有一定的指导意义。     

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。     

水-应力作用下软岩细观结构摩擦接触分析

针对我国南方地区红层软岩变形破坏特点,在典型软岩细观结构显微观察试验基础上,概化出其细观结构模型,据此探讨软岩骨架颗粒摩擦接触关系,包括直接和间接摩擦接触两种关系:(1)直接摩擦接触分为静摩擦接触和动摩擦接触两个过程考虑,静摩擦接触中的最大静摩擦系数会随着实际接触面积、法向荷载、停留时间增大而增大;动摩擦接触中的动摩擦系数则随着速度突然增大而增大。(2)间接摩擦接触作用主要体现在黏土矿物的抗剪强度上,其主要由充填其间的黏土矿物颗粒间的摩擦系数和黏结强度决定。在此基础上,研究水对软岩骨架颗粒摩擦的弱化作用:水的弱化作用主要体现在对骨架颗粒接触应力的改变和黏土矿物本身的弱化效应,具体表现为水作用下骨架颗粒与黏土矿物间的接触应力降低、黏土矿物的黏聚力和内摩擦角减小。这一弱化效应将有效降低软岩骨架颗粒间的摩擦力,从而造成软岩结构强度降低,使得破坏过程更容易发生。以上分析可以在一定程度上反映软岩三轴压缩试验过程。     

成都地区含膏红层软岩溶蚀特性研究

针对成都地区红层软岩溶蚀空洞现象,以成都半岛城邦项目场地的红层软岩为例,选取不同深度的岩样进行室内浸水试验、淋滤试验和溶蚀试验,观察岩样在不同类型环境水下的作用性状和溶蚀特征,分析经历不同作用的含膏红层软岩 可溶成分的流失程度及其对环境水的影响。结果表明,红层软岩中的石膏含量随着深度的增加而增加,含膏红层及其环境水的腐蚀性显著增强;遇水后,红层软岩中的可溶成分逐渐溶解、流失,随着时间的积累;红层软岩孔隙增大,渗透性增强,红层的完整性丧失,强度衰减;在酸性环境水的作用下红层软岩中的钙质胶结物流失加剧,结构连接破坏严重,对红层的结构强度影响较大。对浸泡、淋滤和溶蚀作用后的试样,重点测试了抗压强度、波速等参数。试验结果表明,红层软岩经硫 酸溶液腐蚀后岩样的结构被破坏,单轴抗压强度从8.5 MPa降低到2 MPa,降低了76%;波速明显减小,从2 204 m/s减小至1 355 m/s,减小了40%;红层试样的pH与电导率变化也比较显著,pH值从8.77减小至7.29;电导率从55 ?s/cm增加到1 100 ?s/cm。     

广西红层分布及其泥岩工程特性分析

随着我国西部大开发战略的实施,近年来广西红层地区工程建设逐渐增加,本文以红层岩组为基础,对广西地区红层分布进行分析,认为十万大山地区和桂东-桂东南区域分布较为密集。通过物理化学试验及力学试验对红层泥岩进行工程特性统计分析,得出上述区域泥岩膨胀性和崩解性特征,并通过击实特性、CBR承载比、软化系数等指标得知两区域泥岩填料级别主要为C3和C2,从而为相关红层区域工程建设提供一定的理论依据。     

基于分形理论的粉砂质泥岩酸雨崩解特征研究

黏土岩的崩解过程易受环境条件(如崩解液特征)影响,酸雨作用对其影响显著,但其酸雨崩解特征有待研究。目前对黏土岩崩解特征的评价多采用耐崩解性指数,仅考虑崩解后大于2mm的残留颗粒质量,未反映崩解后的整体粒径分布特征。本文以典型酸雨区攀枝花机场滑坡为依托,选取滑带粉砂质泥岩,开展不同pH值条件下的岩石崩解试验;引入分形理论,建立分形维数与酸雨历时、降雨酸度间的相关关系,定量刻画粉砂质泥岩酸雨崩解特征及影响因素;采用电感耦合等离子体发射光谱法分析不同酸度崩解溶液的离子成分差异,以探索降雨酸度造成岩石崩解特征差异的本质原因。结果表明:采用分形理论可以较好地反映粉砂质泥岩酸雨崩解特征,分形维数越大,粉砂质泥岩崩解程度越大;分形维数与酸雨历时、降雨酸度之间皆存在明显对数正相关关系;不同降雨酸度粉砂质泥岩崩解特征存在差异的原因在于白云石、方解石溶蚀程度不同。研究成果可为酸雨地区黏土岩的工程性质评价提供参考。     

软岩崩解分形机制的数学模拟

膨胀性软岩是工程中常见的岩体,其特点之一是吸水膨胀崩解。通过研究软岩崩解物的粒度及其分形特征变化规 律,根据分形概念建立了模拟红层软岩崩解的数学模型,模拟与实测结果的发展趋势基本相同,表明软岩的崩解过程是一个分形。根据该成果,工程中可通过少量的崩解试验数据确定数学模拟模型的参数,从而计算得到软岩崩解物的分数维不再变化的临界值,并可对更长时间后软岩的崩解分数维进行预测。     

软岩力学特性研究

本文讨论了软岩的基本特性。根据软岩的膨胀崩解耐久性、冻融作用、力学性质试验结果、, 分析软岩力学特性与赋存环境(含水量、地应力、温度)和时间的关系。总结了软岩的力学性质变化特征。并提出软岩强度取值原则。     

水化作用下白垩系砂岩崩解特性及耗散能分析

白垩系砂岩沉积时间短,胶结程度差,在水化作用下极易发生崩解。选用湖北宜昌地区白垩系五龙组砂岩开展室内静态与动态崩解试验,分析了静动态崩解方式下白垩系砂岩的耐崩解指数的变化规律。通过测定崩解循环后不同粒径范围内崩解物颗粒质量百分含量的变化分析白垩系砂岩的崩解过程,采用电镜扫描试验观察崩解前后白垩系砂岩的镜下微观特征,根据崩解后崩解残留物的形态特征分析白垩系砂岩的崩解破坏模式,研究白垩系砂岩的崩解机理;从能量耗散的角度入手,引用表面能增量定量描述白垩系砂岩崩解过程中的破碎程度。结果表明:静态崩解下白垩系砂岩的耐崩解指数整体上低于动态崩解,随着崩解次数变大,小粒径颗粒(0.25~0.075 mm)的质量百分含量逐渐增加,最终趋于稳定;白垩系砂岩的崩解破坏主要是沿着节理裂隙面、颗粒胶结面以及微裂隙逐渐展开,随着崩解物粒径由大变小,与水的接触机会增多,且相应的裂隙扩展路径变短,崩解物破碎程度加大。采用表面能累计增量可以较好地反映白垩系砂岩在崩解过程中的破碎程度,表面能累计增量越大,崩解残留物越破碎,崩解程度越高。研究成果可为易崩解软岩地区岩土体工程性质评价提供理论参考。