基于天然红层材料的软岩成型模拟研究

岩石模拟是岩土工程模型试验、地质岩芯模拟试验等研究的核心。但目前基于人工材料的模拟制备受限于现有相似理论与技术手段,成岩结果与实际岩性差异较大,特别是软岩的成型模拟问题尤为突出。以天然红层材料为原料,改进传统的成岩模拟系统,考虑成岩过程中温度、孔隙流体压力及上覆压力的分阶段影响,模拟红层软岩从松散岩土颗粒到岩石的形成过程,得到工程标准尺寸软岩岩芯。通过与天然红层软岩进行成岩过程、物理性质、化学性质及力学性质的对比研究表明,以天然红层为原料的软岩岩芯与天然红层软岩性质相似。该研究突破了人工材料配制、3D打印等方法一般只能满足某一方面性质的局限,为大量不同功能需求的软岩岩芯研究提供了新的制作思路与方法。     

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。     

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。     

红层软岩结构特征与工程评价初探

通过研究红层软岩风化程度、完整性、饱和单轴抗压强度、结构灵敏性、分散性、胶结系数、崩解性、不同尺度结构类型等工程参数与岩土体结构的关系,提出了岩土"结构稳定性"的工程概念与分析思路,初步建立了由结构类型、风化系数、完整性系数、坚硬程度、崩解模式、结构灵敏度、分散度、胶结系数等工程参数组成的红层岩土结构稳定性综合判别标准,将红层岩土分为结构稳定性强、结构稳定性中等、结构稳定性差三类,为理解红层岩土工程性能、工程安全设计等提供了参考。     

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。     

中国煤矿膨胀型软岩工程地球化学研究

膨胀型软岩由于其性质的复杂和工程的严重危害性而成为当前岩石力学和工程地质学领域中最复杂的理论和工程问题之一。膨胀型软岩系指那些能与水发生物理化学反应使含水量或体积发生变化的软岩。由于不同煤矿工程的膨胀型软告形成的地质时代不同，成岩胶结程度不同，成因类型和发育规律的差异，而导致其力学化学行为也有明显差异。因此所选择的支护方式也不一样。软岩工程地球化学行为的研究，既要注意环境应力对岩石性质的影响，更要重视岩石在环境应力作用下所发生的一系列物物理化学变化对岩石自身性质影响的研究。     

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。     

深部复合地层力学性质研究

为了研究深部复合地层在不同围压、不同软硬层厚度比条件下的力学性质,以水泥和纯白高岭土为原料,人工制作复合地层物理模拟样品进行单轴及三轴压缩力学试验,同时结合FLAC~(3D)数值模拟,研究不同围压、软硬层厚度比对复合地层力学性质的影响。研究表明,人工制作的复合地层可以满足强度差异要求;随着围压升高,复合地层会出现应变硬化,之后由于软硬岩不协调变形,应变硬化消失,软岩中的不规则裂纹增多;若不考虑结构面等因素,深部复合地层力学性质由占比多的岩性决定;数值模拟与试验得出的应力–应变曲线具有相似的趋势,都表明深部复合地层的变形主要发生在软岩部分。     

南京地区软岩的岩土工程勘察

软岩在南京地区的分布相当广泛,软岩地基的岩土工程勘察在南京地区显得尤为重要。根据南京地区的工作经验,总结出了南京地区软岩岩土工程勘察的方法以及南京地区软岩的分布特点。     

南水北调中线工程第三系软岩工程地质性质研究

描述了南水北调中线工程中第三系软岩的典型地层剖面,论述了第三系软岩的沉积韵律建造和沉积旋回特征;运用颗粒分析、X射线衍射分析和差热分析,论述了软岩的粒度成分、主要矿物成分;通过物理力学实验,获得了软岩水理性、膨胀性和主要力学性质指标,证实第三系软岩具有与第四系松散土体相似的工程地质性质,属于极低强度的岩石.第三系软岩工程地质性质的研究是进行软岩工程设计的基础,具有重要的工程意义.     

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。     

软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低,流变性强,不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质,也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定,调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w,开展了一系列梯度配比试验。研究表明：（1）该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响;（2）松香酒精溶液浓度越大,试样强度越大,流变性越小;（3）液压油含量越大,试样强度越小,流变性越明显;（4）相比松香酒精溶液浓度m,液压油含量w对西原模型各参数的影响更大,起主控作用。最终,将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中,试验结果表明：该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供了材料保证。     

基于重整化群方法的红层软岩损伤破坏逾渗阈值研究

逾渗现象广泛存在于大自然中,当物体中起决定性作用的关键变量变化至某一阈值时,其状态发生突变,此时关键变量的临界值称为逾渗阈值。岩石在水的作用下的损伤破坏过程中存在着逾渗现象,可通过重整化群的方法来研究。本文针对华南地区广泛分布的红层软岩,探讨了其在损伤过程中的逾渗现象与破坏的本质关联。通过对典型红层软岩的微观结构分析,概化出红层软岩的骨架构件和胶结物构件,建立红层软岩的重整化群模型的基本单元,将基本单元进行组合,建立出红层软岩的重整化群模型。根据重整化变换规则,推导计算出其逾渗阈值。研究表明:当红层软岩在荷载条件下的破坏临近逾渗阈值时,其内部结构发生大量破坏,软岩内部从无序损伤突变为有序损伤,继之损伤破坏加剧,由稳定破坏向非稳定破坏突变,最终导致其失稳破坏。研究对揭示红层软岩损伤破坏机理具有重要意义。     

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。     

红层岩土水理性质工程判别准则试验研究

为评价红层岩土与水相互作用程度,通过对红层岩土崩解性、膨胀性、胶结性、软化性、承载比等工程性质试验研究,提出了岩土水稳定性的工程分析思路,建立了崩解指标、软化系数、胶结系数、自由膨胀率、承载比软化系数等指标组成的红层岩土水稳定性综合判别标准,将红层岩土分为水稳定性强、水稳定性中等、水稳定性差三类。     

测定一块岩石成岩压力的可能性

用一种超低弹性模量(约为0.01MPa)且具有光弹性的软材料铸模的自重卸荷实验证明了固体材料对它的固化压力具有“记忆”的属性。根据成岩地质体在开挖条件下实测位移场特征和用具有“记忆”性能的相似材料所做的开挖模拟实验结果分析,岩石很可能也具有这种属性。这就为测定岩石成岩压力的可能性提供了重要的理论依据。     

西北内陆盆地的红层类型与砂岩型铀矿

本文在调研我国西北内陆盆地中的红层与砂岩型铀矿关系的基础上,提出了一个以沉积相和红化成因为基础的红层分类:把内陆盆地中的红层分为陆解阶段形成的冲积平原红层和浅湖红层;成岩后生阶段形成的河流冲积红层、三角洲红层和沙漠红层;以及表生风化阶段形成的溅泼红(次生红层)等6类红层。并依据这6类红层的特征、产出构造环境,以及含矿主岩到各类红层的Eh、pH、Th/U、Fc~(3+)/Fc~(2+)、Sr/Ba等地化特征值的变化,确定了它们与砂岩型铀矿的关系,即陆解阶段岩石红化时为开放环境,活性铀易于流失,对成矿不利;而成岩后生阶段,岩石红化时的环境为封闭系统,对成矿有利,能形成铀矿床。     

基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验

采用软岩相似材料进行了2种不同流变加载方式下的单轴流变损伤破坏试验,并通过超声检测技术获得了软岩在各级流变阶段的超声信号。试验结果表明:软岩相似材料具有强烈的黏、弹、塑性变形特征,选用西原模型对软岩各级流变过程进行模拟较为合适;当应力达到或超过软岩试件单轴抗压强度的80%时,纵波波速曲线才会在流变过程中持续下降,出现可检测损伤迹象,而首波振幅曲线波动大,检测结果不准确;以波速定义损伤变量,得到了软岩流变过程损伤演化曲线。试验结果能为软岩工程长期流变下的结构稳定性提供依据。      

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。     

盆地红层嵌岩桩荷载传递性状试验研究

湘浏盆地内广泛分布着内陆湖相沉积的白垩系至第三系红层软岩,具有成岩差、易风化崩解等特性,其嵌岩桩的实际工作性状与《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）规定不尽相同。为研究红层嵌岩桩的承载性能、桩身轴力传递规律、桩侧阻力和端阻力的发挥性状,对４根人工挖孔灌注桩进行了单桩静力载荷试验,分别采用滑动测微计和应变计来测试桩身轴力的变化。结果表明,红层嵌岩桩表现为端承摩擦桩特性,Q-s曲线呈缓变型;桩身轴力传递规律和桩侧阻力的发挥与覆盖层厚度、桩长、桩周土性质密切相关;由于红层具有较强的结构性,发挥极限侧阻所需位移仅为2~6mm,测试得到的极限侧阻力远高于规范值,表现出强化效应,使得红层嵌岩桩具有相当大的承载能力,但端阻力和侧阻力并非同步发挥。设计时应采用承载力和变形控制,参数取值应符合桩的荷载传递规律。