宣城地区红层软岩微观结构及水理特性试验研究*

董长春 吴世雄 邱 宇

（1.中国地质调查局南京地质调查中心；2.安徽省地质矿产勘查局322地质队；3.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

红层是指中生代、新生代沉积形成的因富含铁质氧化物而呈红、深红或褐色的地层，广泛分布于我国的西南、中南及华东各省区［1］。红层软岩多为泥质胶结，单轴抗压强度低，抗水及抗风化能力差，软化系数低，遇水发生软化和崩解，甚至泥化丧失整体性而形成松散细小颗粒物质，工程地质性质较差，是造成崩塌、地陷、滑坡的关键原因之一［2-3］。随着中国经济的高速发展和基础建设的需要，红层地区工程建设增多，红层软岩水理特性的研究逐渐成为岩土工程领域的热点问题之一。

国内外学者曾对红层软岩的工程性质进行了一系列富有成效的研究，主要集中在试验研究、微观结构、理论研究3 个方面。Bekar 和Narayanasamy［4-5］通过室内试验，对红层的形态特征和微观结构进行了研究；周翠英等［6］通过软岩饱水试验对软岩在饱水状态下的微观结构进行分析，研究了水—岩相互作用中，软岩物质成分、化学成分、微观结构及物理力学性质的变化规律；Risnes 等［7］从水的弱化作用及水的活动性方面，研究其对白垩岩微观结构的影响；杨春和等［8］通过分析板岩饱水试验中吸水率、湿润角、矿物颗粒微观结构和孔隙度等参数的变化过程，解释了板岩软化的机理和过程；岳全庆等［9］通过进行软岩浸水崩解试验、单轴抗压强度试验对巴东组红层软岩在不同含水率情况下的崩解性和软化性进行分析；苏航等［10］对滇中红层软岩的崩解、膨胀、软化等水理性质进行室内试验研究，详述了红层软岩与水理性质相关的微观结构。朱效嘉［11-12］提出了晶格扩张膨胀理论和扩散双电层膨胀理论解释水在软岩中的赋存状态，对软岩固态、塑性、泥化、软化、液化、渗流、崩解、饱水膨胀等水理性质进行详细论述；Marcel［13］根据泥岩的矿物成分以及微观结构，提出引起泥岩崩解的不连续网络理论。水岩相互作用是一种复杂的物理化学作用，也是岩石力学性质大幅度下降的主要原因，其规律研究对工程实践有重要的意义。

上述研究在一定程度上揭示了红层软岩的理化性质、工程特性，但对于红层软岩遇水软化的水理性质及水岩作用规律研究仍有待加强。鉴于此，本研究选取宣城红层软岩，从微观结构、矿物成分及崩解特性3个方面对其特性进行研究，并对试验结果进行讨论，揭示红层软岩软化机理，为宣城红层软岩地区的工程建设提供参考。

1 微观结构试验

红层软岩的微观结构是解释其水理性质和力学性质的重要基础［14］，通过对红层软岩的微观结构进行分析，可为红层软岩膨胀性、软化性和崩解性提供微观解释。试验所用的岩石样本取自宣城某施工现场，所取样本共分为2 类，分别为双塔寺组泥质粉砂岩和赤山组粉砂岩。采取2种岩石样本并制作薄片，在显微镜下进行观察，双塔寺组泥质粉砂岩和赤山组钙质粉砂岩的镜下特征如图1、图2所示。

双塔寺组岩石样本的岩性为泥质粉砂岩，结构为细粒—极细粒结构，构造为条纹状构造。主要矿物为石英，含少量褐铁矿、绢云母等矿物；石英呈尖锥状、透镜状、不规则状等，粒径为0.05～0.2 mm，个别可达1 mm。部分胶结物发生褐铁矿化蚀变，碎屑含量约占50%，呈过渡式支撑。

赤山组岩石样本的岩性为钙质粉砂岩，结构为粉砂状结构，构造为块状构造。其主要矿物成分为石英，石英呈棱角状、三角锥状、透镜状、椭圆状等，粒径多为0.01～0.08 mm，少量可达0.25 mm，含量约占20%。胶结物为微晶方解石，粒径小于0.01 mm，部分重结晶增生至0.02 mm，可见嵌晶结构。岩石呈基底式胶结。岩石中发育方解石脉，脉宽0.2～0.6 mm，呈弯曲状。

2 软岩崩解特性试验

2.1 浸水崩解试验

将岩石样品加工形成5 cm×5 cm（直径×高）的圆柱状，采用自然饱水法使试样逐步浸水饱和。首先浸没试样高度的1/4，然后每隔2 h分别升高水面至试样的1/3和1/2处，6 h后全部浸没试样，试样在水下自由吸水24 h，在试验过程中观察岩样变化情况。

当试验进行到1 h 时，容器中水被吸干，重新加水后，泥质粉砂岩样本的表面开始脱落，岩样开始发生崩解，内部产生较多气孔。当试验进行到12 h 时，泥质粉砂岩全部崩解，丧失岩石的基本结构。随浸水时间的增长，泥质粉砂岩表面和内部的黏粒逐渐流失，颗粒之间的接触状态从面—面接触转变为面—边、边—边接触，岩石中孔隙的数量和尺寸随之增加，直至最后岩石丧失基本结构，完全崩解。钙质粉砂岩在试验过程中表面会发生部分崩解，但崩解程度较小，不会丧失基本结构。

2.2 软化系数测定

将试验所用岩石样本加工成5 cm×5 cm（直径×高）的圆柱状，从制备的岩样中选取外观没有损伤，无节理裂隙的岩石以备试验。试验仪器采用混凝土压力机，如图3所示。

将岩石样品进行干燥处理，干燥后在岩石与混凝土压力机上试验，得到其单轴抗压强度。软岩的饱和方式采用自然饱水法，首先淹没试样高度的1/4，然后每隔2 h分别升高水面至试样的1/3和1/2处，6 h后全部浸没试样，试样在水下自由吸水24 h。对未崩解的钙质粉砂岩样本进行试验，得其单轴抗压强度。

通过试验得到干燥试样及饱水试样的单轴抗压强度，结果如图4 所示。由试验结果可知，饱水试样的单轴抗压强度较干燥试样大幅度下降，软化系数为0.067～0.143，表现出极强的软化性。当水渗入岩体的孔隙中时，矿物颗粒表面形成的水化膜导致体积膨胀，形成楔劈效应，岩石变得疏松，微观结构被破坏；颗粒间胶结物的软化溶解会导致岩石形成新的溶蚀孔隙，颗粒间联结被削弱，产生崩解破坏；加之水化膜扩散层降低颗粒间摩擦，三方面原因共同作用使岩石表现出极强的软化性［10，15］。

对比干燥与饱水岩石单轴抗压强度，利用式（1）可计算软化系数，计算结果见表1。

式中，η为软化系数，Rs为饱水时单轴抗压强度，MPa，Rd为干燥时单轴抗压强度，MPa。

3 物质成分测定

红层软岩的宏观性质不仅受微观结构影响，还与其物质组成密切相关。为探究双塔寺组泥质粉砂岩与赤山组钙质粉砂岩所表现的不同水理特性，采用X射线衍射的方法对岩石样本的物质成分进行测定。

3.1 试验设计

试验采用DX-2700 型X 射线衍射仪（图5），通过激发样本中不同晶体产生不同的衍射效应，得出样本衍射图谱，测定岩石的矿物组成。

首先，将各个烘干后的块状岩土样碾磨至粉末状并过0.075 mm 筛，取过筛后的岩样粉末填入凹槽，用玻璃板将其压紧，保证表面平整。其次，刮去槽外或高出样品板面的多余粉末，重新用玻璃板压紧，使样品表面与样品板面保持一致。最后，设置一定的试验参数，进行衍射试验，采集并储存数据。

3.2 试验结果

XRD 试验结果如图6、图7 所示。赤山组钙质粉砂岩中的主要矿物成分为石英和方解石，双塔寺组泥质粉砂岩中的主要矿物成分为石英、赤铜矿、伊利石。

4 试验结果及讨论

根据崩解岩性试验及XRD 试验，赤山组钙质粉砂岩的主要成分为石英和方解石，遇水后软化效应明显，饱水后软岩单轴抗压强度约为干燥时的6.7%～14.3%。双塔寺组泥质粉砂岩的主要成分为石英、赤铜矿、伊利石。伊利石颗粒直径小，具有极强的亲水性，当与水发生作用时，水分子分别进入粒间孔隙和层状的黏土矿物颗粒间，造成黏土矿物的膨胀。特别是进入层状黏土矿物颗粒间的水分子形成极化水分子层，极化水分子层会持续吸水引起持续膨胀［16］。伊利石与水发生物理化学反应引起红层软岩体积膨胀可达50%～60%，其反应过程为［12］

黏土矿物接触水后会吸收大量的水分，增加扩散层厚度，降低颗粒间联结力，从而在中立作用下发生崩解；黏土矿物在膨胀中产生的不均匀吸水会使得岩石内部应力分布不均匀，产生大量微孔隙，最终导致软岩颗粒的崩解［17］。

红层软岩的矿物成分、胶结物类型等内在因素是其遇水软化、崩解特性的决定性条件，而自然气候、地理条件、沉积构造等外部因素是影响其特性的间接性条件，内部条件和外部条件共同作用使红层软岩具有其特有的崩解特性。红层软岩遇水崩解是其结构逐渐失效，强度逐渐丧失，由完整岩石还原为松散堆积物的渐进过程［1］。红层软岩因其特有的软化性，出露部分易风化、遇水崩解，软化前后力学性质差别较大，岩体易发生碎裂性滑坡。在工程实践中，宜根据工程实际，选取合适参数，对最不利工况进行分析，尤其注意水对红层软岩力学性质的影响。

5 结论

（1）宣城地区双塔寺组泥质粉砂岩结构以细粒—极细粒为主，构造为条纹状构造，泥质胶结，部分胶结物发生褐铁矿化蚀变，碎屑含量约占50%，呈过渡式支撑；赤山组钙质粉砂岩结构为粉砂状结构，构造为块状构造，胶结物为微晶方解石，可见嵌晶结构，呈基底式胶结。

（2）在进行软岩崩解试验时，泥质粉砂岩随着浸水时间的增加，泥质粉砂岩中的黏性矿物颗粒逐渐流失，颗粒之间的接触状态从面—面接触逐渐转变为面—边、边—边接触，孔隙数量和大小随之增加，导致岩石基本结构丧失，岩石完全崩解。而钙质粉砂岩在试验过程中崩解主要发生在表面，不会丧失其基本结构，因此崩解程度较小。

（3）钙质粉砂岩浸水发生软化，饱水单轴抗压强度出现较大幅度下降，软化系数为0.067～0.143。

（4）赤山组钙质粉砂岩中的主要矿物成分为石英和方解石，双塔寺组泥质粉砂岩中的主要矿物成分为石英、赤铜矿、伊利石。黏土矿物吸水膨胀机制与不均匀吸水导致不均匀应力，共同作用导致软岩崩解，力学性质降低。