红层软岩基本性质随埋藏深度的演变规律

张 骏, 黄 凯, 苏晶文, 李云峰, 康 博, 查甫生

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009;2.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016)

红层软岩是指侏罗系、白垩系及第三系砂岩、泥岩、页岩及砂岩、泥岩、页岩互层等软硬相间的层状岩体,从外表来看颜色主要为红色[1]。我国红层软岩分布广泛,出露面积占国土面积的5%,全国多地均有不同程度的出露[2],而皖南地区就有典型红层出露[3]。红层软岩工程性质较差,具有强度低、透水性弱、亲水性强、遇水易软化崩解的特点[4-5]。针对红层软岩特性的相关研究成果较丰富。文献[6]采用剪切试验、X 射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析试验等对边坡的红层泥岩试样进行对比试验,发现剪切强度与残余强度受矿物成分的影响;文献[7]将“红层”泥岩重塑后,进行固结压缩、浸渍与直剪试验,分析表明,浸渍使“红层”泥岩的剪切强度峰值降低;文献[8-12]采用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)等手段分析红层软岩崩解的主要影响因素,即亲水黏土矿物的含量、胶结物、胶结类型和微孔隙的含量等;文献[13-15]利用物理、化学等研究方法对红砂岩进行一系列研究,结果表明,红砂岩的工程特性主要和矿物成分的组合特征与遇水活性等相关。

目前,针对红层软岩的相关研究主要集中在红层的成因机理、致灾机理上,且主要是关于某一区域范围内典型红层软岩的研究,在三维空间上属于横向研究;而对于某一层组的岩石随埋藏深度变化的纵向研究很少。随着我国城市化进程的加快,深基础工程日益增多,为了保证建筑工程安全,深部围岩的稳定性受到工程技术人员重视。因此,需开展对不同埋藏深度下红层软岩的研究,为深基础重大工程建设的设计与施工提供参考。本文对皖南红层软岩基本性质进行研究,分析其物理性质、矿物组成及微观特征随埋藏深度的变化规律。

1 试验方法

选取皖南地区齐云山组粉砂岩与徽州组泥质粉砂岩2种典型红层软岩作为研究对象,并对不同埋藏深度下2组样品进行编号,每个编号设置3个平行试样。2组粉砂岩样品编号及取样深度见表1所列。依据文献[16],对不同埋藏深度下岩样的基本物理性质、矿物组分及微观结构的变化进行试验研究。其中,物理性质试验包括天然密度、天然含水率及孔隙率等试验。利用X射线衍射仪对试样进行XRD分析,研究矿物组分变化规律。通过场发射电子显微镜进行SEM试验,并通过Image-Pro Plus(PPP)软件对图像进行二值化处理,计算二维可视孔隙率,研究微观结构变化规律。

表1 2组粉砂岩样品编号及埋藏深度

2 试验结果分析

2.1 物理性质变化规律

天然密度能间接反映研究区内红层软岩的压缩性和强度高低,通过分析不同埋藏深度下密度的变化趋势,可揭示不同埋藏深度处岩石的强度高低及变化趋势,试验结果如图1所示。

由图1可知,齐云山组粉砂岩的天然密度较徽州组泥质粉砂岩大,且随着埋藏深度增加,2组试样的天然密度均呈增大趋势。齐云山组粉砂岩在强风化阶段,密度增大趋势较快;在中风化阶段密度增大趋势显著减弱,且逐渐趋于平缓。徽州组泥质粉砂岩的密度整体增大趋势较缓,且逐渐趋于平稳。

2组试样的天然含水率及孔隙率随埋藏深度变化趋势分别如图2、图3所示。

天然含水率的大小可以预示红层的胀缩趋势,孔隙率越大的岩石,其提供的水与矿物接触反应的场所就越大。对红层软岩天然含水率及孔隙率随埋藏深度的变化进行研究,可以发现研究区内不同埋藏深度下岩体的稳定性及变化趋势。由图2、图3可知:齐云山组粉砂岩含水率较徽州组小,孔隙率较徽州组大;2组试样整体孔隙率均偏高,含水率偏低;随着埋藏深度增加,2组试样的天然含水率及孔隙率均呈减小趋势,且2组试样在强风化阶段天然含水率和孔隙率下降速率较大,在中风化阶段,含水率及孔隙率下降速率减小,并逐渐趋于平缓。

综上所述,2组试样在强风化阶段,随着埋藏深度增加,物理性质的差异较明显;在中风化阶段,物理性质变化逐渐趋于平稳。

图1 2组试样天然密度变化趋势 图2 2组试样天然含水率变化趋势 图3 2组试样孔隙率变化趋势

2.2 矿物含量变化规律

通过XRD研究发现,2组试样矿物成分主要由石英、赤铁矿、石膏及长石类、黏土类(伊利石、蒙脱石、高岭石)矿物组成。其中黏土类矿物,特别是亲水性较强的蒙脱石和伊利石,是红层软岩遇水软化、崩解的物质基础。采用Jade软件对岩石的矿物成分进行半定量分析,可得出各矿物成分的占比。通过分析各矿物占比随埋藏深度的变化,可以发现不同埋藏深度下岩体的稳定性及其变化趋势。2组试样石英、赤铁矿、石膏的占比随埋藏深度变化趋势分别如图4、图5所示。

图4 齐云山组粉砂岩3种矿物占比变化趋势

图5 徽州组泥质粉砂岩3种矿物占比变化趋势

齐云山组粉砂岩的石英占比较徽州组泥质粉砂岩的石英占比大,2组试样的赤铁矿和石膏占比相差不大;随着埋藏深度增加,2组试样的石英、赤铁矿、石膏占比均无明显变化。

2组试样长石类和黏土类矿物占比随埋藏深度的变化趋势分别如图6、图7所示。

图6 齐云山组长石类、黏土类矿物占比变化趋势

图7 徽州组长石类、黏土类矿物占比变化趋势

由图6、图7可知:齐云山组粉砂岩的长石类矿物与黏土类矿物较徽州组少;随着埋藏深度增加,2组试样中的长石类矿物占比均明显呈增加趋势,而黏土类矿物占比均呈减少趋势,2类矿物总占比均无明显变化。黏土类矿物是不稳定的长石类矿物风化形成的产物,随着埋藏深度增加,风化程度减弱,长石类矿物占比增加,黏土类矿物占比降低,两类矿物占比是一种此消彼长的关系。

2.3 微观结构变化规律

通过SEM试验及IPP软件分析孔隙疏密及大小随埋藏深度的变化,进一步研究不同埋藏深度下岩体的稳定性及变化趋势。采用IPP软件对图像进行二值化处理时,需要设置灰度阈值,本文采用自适应灰度阈值,在此基础上,通过对比原图像,进行目视分割、微调,并测量过滤,滤除多余的杂质点,多次试验后求出二维可视孔隙率平均值。2组试样1 000倍下微观结构图、经IPP软件处理后的二值化图分别如图8、图9所示。

图8 齐云山组粉砂岩SEM图片与二值化图

图9 徽州组泥质粉砂岩SEM图片与二值化图

由图8、图9可知,齐云山组粉砂岩的孔隙明显比徽州组泥质粉砂岩的孔隙多,且孔隙较大,其中齐云山组粉砂岩孔隙大小为2.0～10.0 μm,徽州组泥质粉砂岩孔隙大小为0.5～4.0 μm。采用IPP软件对2组试样进行二维可视孔隙率计算,二维可视孔隙率变化趋势如图10所示。

由图10可知:随埋藏深度增加,2组试样的二维可视孔隙率均呈明显降低趋势;2组试样的二维可视孔隙率变化曲线均可分为2段,即下降幅度较大段与下降幅度较小段;2组试样二维可视孔隙率均在强风化阶段下降速率较大,在中风化阶段下降速率逐渐降低,最后趋于平缓,与孔隙率试验结果基本一致。

图10 2组试样二维可视孔隙率变化趋势

分析其原因如下:强风化阶段岩石受风化作用的影响大于受地质应力的影响,即风化作用是影响岩石孔隙率的主要原因,此阶段由于埋深较浅,岩石风化程度较高,孔隙较多,风化作用对孔隙的影响较大;中风化阶段岩石受风化作用的影响小于受地质应力的影响,此阶段随着埋藏深度增加,地质应力增大,使得岩石越来越致密,孔隙率变化逐渐趋于平缓。

3 结 论

(1) 齐云山组粉砂岩和徽州组泥质粉砂岩的密度随埋藏深度增加呈增大趋势;天然含水率和孔隙率随埋藏深度增加逐渐减小。随埋藏深度增加,2组试样各自的物理性质在强风化阶段差异明显,在中风化阶段差异减小,物理性质变化趋于平缓。

(2) 齐云山组粉砂岩和徽州组泥质粉砂岩中石英、赤铁矿、石膏3种矿物的占比,随着埋藏深度增加均无明显变化;长石类矿物占比随着埋藏深度增加呈明显增加趋势,黏土类矿物占比随着埋藏深度增加呈明显减小趋势,2类矿物的总占比无明显变化。

(3) 随着埋藏深度增加,齐云山组粉砂岩和徽州组泥质粉砂岩的微观结构逐渐致密,孔隙也逐渐减少;2组试样的二维视孔隙率下降趋势均可分为2段,在强风化阶段下降速率较大,在中风化阶段下降速率逐渐降低,最后趋于平缓。