滇中红层软岩微观结构及水理特性试验研究

王 飞，曹晨飞，陈吉文

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714099；2.张家口职业技术学院，河北张家口 075000； 3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

滇中红层软岩微观结构及水理特性试验研究

王 飞1，曹晨飞2，陈吉文3

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714099；2.张家口职业技术学院，河北张家口 075000； 3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

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。

公路工程 红层软岩 微观结构 水理特性 试验研究

Wang Fei, Cao Chen-fei, Chen Ji-wen. Experimental study on microscopic structure and hydraulic features of red-bed soft rock in central Yunnan Province[J]. Geology and Exploration, 2016, 52(6):1152-1158.

1 前言

我国红层分布广泛，出露面积高达460000km2，其中具有代表性的是云南省(卢予北，2011)，在云南省建设的一些国家重大工程项目，如“七出省、四出境”大通道高速公路建设项目、滇中引水工程、中缅油气管道工程、泛亚铁路国际大通道，都不可避免地要穿越红层地区。“七出省、四出境”大通道高速公路建设项目是云南省最新“十三五”规划的重要公路工程建设项目，受云南省广泛分布红层软岩复杂地质的影响，公路工程线路遇到了诸多重大工程地质问题，对工程的顺利推进造成严重制约。大通道高速公路建设项目中的“楚大高速”楚雄段，穿越红层软岩的线路占线路总长高达70%，由于红层软岩具有成岩作用差、富含泥质、易产生大变形、遇水易软化、崩解等特殊工程特性(李保雄等，2003；孙乔宝等，2005；胡厚田等，2006)，对公路工程的路基、边坡稳定性造成十分不利影响。因此，研究红层软岩的工程地质特性具有重要意义，也是公路工程建设迫切需要解决的地质问题。本文立足于此，开展红层软岩微观结构及水理特性试验研究，以便对红层地区公路工程建设中存在的工程地质问题提供参考。

关于红层软岩的工程地质问题，国内外学者进行了一系列富有成效的研究。在基本物理力学性质及工程特性方面，国外学者通过室内试验，掌握了红层的形态特征和微观结构(Bekar，2012；Narayanasamy，2012)；国内研究机构对云南中部红层和四川盆地红层进行了研究，初步揭示了这些地区红层岩的地质特性及分布规律(中国科学院南京地质古生物研究所等，1975)；国内学者开展了红层软岩的物理力学性质、化学成分试验，对红层软岩路用材料的工程特性进行了研究(胡文华等，1983；赵明华等，2005；左文贵等，2005；邱恩喜等，2007)；此外，通过对湖南某高速公路的典型红层泥质粉砂岩进行现场路勘和显微镜下薄片鉴定，获得了红层泥质粉砂岩的宏观和微观特性，并分析了其主要矿物组成(黄生文等，2011)。毫无疑问，这些研究成果一定程度上揭示了红层的物理性质和工程地质特性，但对红层水理特性的研究，还有待加强。事实上，对于红层软岩，如未充分认识到其水岩相互作用规律，将导致在工程实践中出现被动的局面。

2 红层软岩微观结构试验

红层软岩的水理性质与其微观结构是有密切关系的，掌握了红层软岩的微观结构，能够为分析崩解性、膨胀性、软化性等水理性质提供结构组成的微观依据。此外，红层软岩的力学性质以及工程宏观断裂形态与其微观结构亦密切相关，通过微观结构的研究可以追溯其破裂机理。

2.1 试验仪器及原理

通过环境扫描电镜试验来观察和分析红层软岩的微观结构，仪器采用Hitachi(日立)公司生产的S-3000N型Scanning Electron Microscope(SEM)S-3000N型环境扫描电镜，其工作原理基于电子二次成像，将成像所得图片按照一定的空间和时间排序后显示在镜外显像管上。

2.2 试验过程

通过对采集自“楚大高速”楚雄段的14组红层软岩进行扫描电子显微镜试验，样品由钻孔岩心的新鲜断口磨片制成，以便观察其颗粒、矿物组成以及断口形态。将岩心制作为1cm2大小、3mm厚度的薄片(图1a)，将薄片置于观察平台(图1b)，再放入高真空样品室进行扫描电镜观测。

图1 扫描电镜磨片制样Fig.1 Preparation of scanning electron microscopy samples a-样品薄片；b-样品置于观察平台a-sample sheet; b-sample on observational platform

由于样品为绝缘体，需在其表面镀上一层薄的导电物质(金)，如图2a所示，扫描电镜正式观测见图2b。

图2 扫描电镜观测过程Fig.2 Observation process using scanning electron microscopy (SEM) a-薄片镀金；b-扫描电镜观测a-gold plating on sheet; b-SEM observation

3 微观结构试验结果

3.1 红层软岩微观结构特征

红层软岩微观结构扫描电镜结果如图3所示。

图3 扫描电镜观测结果Fig.3 Observational results of scanning electron microsco-py (SEM)a-妥甸组J3t2-晶体上粘伊利石；b-普昌河组K1p-粒间片状伊利石；c-妥甸组下段J3t1-晶内剪断口；d-K2j1-条纹状拉断口；e-张河组J2z1-伊利石少量高岭石混层；f-冯家河组J1f-聚晶石膏a-Tuodian Formation, J3t2-crystal stick illite；b-Puchanghe Formation, K1p-intergranular flaky illite； c-Tuodian Formation hypomere, J3t1-shear fracture；d-K2j1-striped fracture；e-Zhanghe Formation, J2z1-illite with little kaolinite；f-Fengjiahe Formation, J1f-polycrys-talline plaster

由红层软岩断口扫描电镜观测结果可知，岩样中的粘土矿物多数为混层结构，因沉积搬运以及溶蚀等作用，导致其结晶程度相对较差，环境的酸碱性也对其形态产生了影响，多数岩样有蚀变的痕迹(见图3a)。矿物颗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，粘土矿物分布排列无序致密的特点(见图3b)，致使红层软岩的饱水率并不高。多数岩样扫描观测过程中发现很多细小碎颗粒物(见图3c)，这类红层软岩通常是粉砂质泥岩。晶粒集中部位的断口形态为脆性断口，呈现极为不规则的贝壳状或台阶状，破裂面较平滑(见图3d)，在高应力下呈现破裂特征。多数晶粒和粘土矿物混合的断口形态表现为不规则拉断口以及粘性滑移断口(见图3e)。在冯家河组断口中观测到长条板状微晶聚集的石膏聚晶(见图3f)，晶间隙发育，破裂口为沿晶间隙的剪切滑移断口，从聚晶的形态可判断石膏聚晶受到挤压呈弯曲状。

3.2 红层软岩微观结构分析

在获得14组滇中红层软岩的扫描电镜微观结构特征后，对其结构展开进一步分析可知：①从红层软岩的物质组成来看，含有大量粘土矿物，粘土矿物的含量决定了红层软岩的水理性质和力学性质：粘土矿物含量越高，对水的敏感性越大，力学性质则相对较差，反之则相对较好；②滇中红层软岩的整体胶结程度较好，成岩碎屑矿物以石英、长石以及云母为主，三者含量越高的地层其相对强度也越高；③红层软岩的结构构成有三类：软质泥岩为主的层状结构、软硬相间的砂泥岩互层结构、厚层硬岩为主的层状结构，不同结构构成类型中，软岩和硬岩所占比例虽不相同，但软岩在岩体变形中所起作用却很大，对岩体的变形破坏起控制作用。

4 红层软岩水理特性试验

从滇中红层软岩的微观结构电镜试验可知，红层软岩富含泥质粘土矿物，遇水后将发生复杂的水-岩相互作用，其水理特性体现在崩解、膨胀、软化和钙质成分溶解等方面。现分别从“崩解性、膨胀性、软化性”三个方面对滇中红层软岩的水理特性展开试验研究。

4.1 崩解性试验

4.1.1 试验意义

红层软岩在吸水和失水循环时，伴随着体积的膨胀、收缩以及裂隙的收缩、扩张，内部应力发生偏转，进而抗拉强度降低，最终发生崩解。“楚大高速”楚雄段穿越红层软岩地层，公路挖方路基、边坡、隧道在开挖暴露后受到干湿循环作用，表现出极强的崩解特征，存在着岩体变形过大甚至发生破坏的较大风险。因此对滇中红层软岩开展崩解性试验，对评价红层地区的工程地质问题有着重要意义。

4.1.2 崩解试验

选取崩解试验岩样的原则是，岩样要能涵盖红层软岩的不同特点，经过比选，选取“泥岩、泥灰岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩”6类共计10组岩样，开展崩解试验。首先将岩样在恒温箱中烘干，烘干温度设定为98℃；然后对试样进行浸泡，浸泡时间为24h。浸泡后的岩样呈现出三类形态(图4)：①Ⅰ类岩：崩解性较强，从块体状演变为泥状、碎渣状和颗粒状；②Ⅱ类岩：崩解性中等，浸泡后仍呈块体状，但块体体积减小，块体数量增多；③Ⅲ类岩：崩解性弱，几乎未发生形态上的变化。

图4 红层软岩耐崩解性试验Fig.4 Disintegration-resistance test on red-bed weak rock

崩解实验结果如图5所示，从图中可知，发生崩解的岩样，在浸水后10分钟即开始崩解(Ⅰ类岩)。在1小时后还未发生崩解的岩样，则在浸水试验中几乎不会崩解(Ⅲ类岩)。崩解后碎裂成块状的是Ⅱ类岩。此外，由图可知泥岩、泥灰岩和钙质泥岩为Ⅰ类岩，崩解性极好；其它为Ⅲ类岩和Ⅱ类岩，会发生崩解，但崩解性不大。

4.1.3 耐崩解指数试验

现设定干湿循环试验以获取红层软岩的耐崩解指数。设置5组试验，每组选取5个试样，试验步骤按照《工程岩体试验规程》(GBT 50266-2013)进行。每次烘干后及时称重，记录试样块体质量，通过试样质量变化来确定崩解性大小。崩解性试验结果见表1(限于篇幅，每组试验仅列出一个试样的结果)。

图5 崩解性试验结果直方图Fig.5 Histogram of disintegration test results1-泥岩；2-泥灰岩；3-钙质泥岩；4-粉砂质泥岩；5-泥质粉砂岩；6-粉砂岩1-mudstone; 2-marl; 3-calcareous mudstone; 4-silty mud-stone; 5-argillaceous siltstone; 6-siltstone

崩解性指数计算式为：

(1)

式中：Idi表示耐崩解性指数，mi、mi-1分别表示第i次、第i-1次干湿循环时岩块的干重量。

通过耐崩解指数试验结果可知：第三组岩样最快发生崩解，其次是第一组，而第二、四、五组未发生崩解。经分析，第三组岩样具有微小裂隙，在1～2次充分饱水烘干后，出现少量碎块，崩解性最早显现。对干湿循环后的岩样进行揉搓，未出现硬块碎裂，表明红层软岩的胶结程度较好。表明红层软岩的崩解性指数受控于岩体的原生裂隙和胶结程度。

滇中红层软岩随干湿循环次数增加的崩解性指数变化关系如图6所示，结合表1和图6可得崩解性指数的变化趋势是：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。

图6 循环次数与耐崩解性指数关系Fig.6 Cycle times versus disintegration resistance index

此外，现场调研发现，滇中地区的红层软岩在季节温度变化时，反映出不同的崩解变化规律。当日温度保持不变，或昼夜温差较小时，红层软岩在干燥或湿透状态下的崩解效应很缓慢；当气温发生起伏变化，无论是短时间内的昼夜温差变化还是长时间的温度变化，都会导致红层软岩内部裂隙发生扩展、增加。

4.2 膨胀性试验

矿物成分分析显示，滇中红层软岩含有大量伊利石、高岭石为主的粘土矿物，以及云母、石英为主的碎屑矿物。粘土矿物与云母使红层软岩的崩解性增强。粘土矿物具有颗粒小的特点，粘土颗粒周围聚集了大量结合水和自由水，当自由水进入粘土颗粒孔隙时，红层软岩三相性发生变化，岩体力学性质也随自由水的增加而产生变化，具体表现在：自由水含量增高，岩体发生不均匀膨胀，粘土体结合性变差，进而导致岩体力学强度降低。砂岩和泥岩在水的作用下，部分成分已水解并发生溶解迁移，进而加剧土颗粒的粘结性，导致岩体发生破裂、膨胀解体。红层软岩粘土矿物中的伊利石亲水性极强(陈绍求，1998；王志俭等，2007)，在富水环境下按下式发生化学变化：

K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)2+nH2O→K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)·nH2O

(2)

滇中红层软岩由于风化作用影响程度和自然含水率差异，岩体内部崩解张力具有明显不均匀性。与中风化岩体相比，全风化岩体裂隙发育明显，受水的张力影响显著，膨胀力较大。红层软岩富含粘土矿物，膨胀性显著，在富水环境中具有很强的吸附水能力，吸水后红层软岩体积发生膨胀，进一步加剧岩土体内部水压力升高(张峰等，2010)。粘土矿物和风化程度在一定程度上决定了滇中红层软岩的膨胀性状态。研究表明(陈从新等，2010；吴道祥等，2010)：全风化的红层软岩与中等风化粘土岩体相比，前者膨胀力是后者2～5倍，中等风化粘土岩体由于裂隙发育程度低，结构面胶结情况较好，膨胀性并不高。此外，红层软岩含水量的进一步增加会一定程度上限制膨胀力的增大。

4.3 软化性试验

4.3.1 软化系数

滇中红层软岩粘土矿物含量高，且含有可溶性物质，而粘土矿物又具有表面积大、亲水性强、离子交换容量大等特点(程强等，2004)，因此水对红层软岩的强度弱化作用十分明显。此外，沿线红层结构面软弱夹层发育，粘粒含量大，含水率高，部分软弱夹层中还含有大量粘土矿物，遇水软化成泥质夹层，使其力学强度进一步降低，严重影响工程稳定性。

4.3.2 软化性试验

对取自7个地层的14组红层软岩，共计40个试样进行了室内软化试验(如图7、图8)。其中7组开展干抗压强度试验，另外7组在水中浸泡48小时后开展饱和抗压强度试验。烘干的试样见图7，干燥及饱和试样抗压强度测试见图8。

图7 烘干的单轴抗压强度试验试样Fig.7 Dried sample for uniaxial compressive strength test

图8 抗压强度测试Fig.8 Compressive strength testsa-饱和抗压强度测试；b-干抗压强度测试a-saturated compressive strength test; b-dry compressive strength test

4.3.3 试验结果分析

软化性试验结果如表2所示(表中仅列湿抗压试样一组、干抗压试样一组，但均值取自所有试样)：

由试验结果可知，滇中红层软岩在经过自由浸水48h后，单轴抗压强度的均值大大降低，其中妥甸组上段J3t1单轴抗压强度降低51.83%，妥甸组下段J3t2降低53.97%，赵家店组K2z1降低58.47%，降低均超过了50%，其它4个地层的单轴抗压强度也降低了近30%。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，分析原因，主要是红层软岩中粘土矿物含量高，试样中的微裂隙在水的作用下产生了明显的强度削弱效应。

5 结论

本文对滇中红层软岩的微观结构及水理特性开展了相关研究，得到以下结论：

(1)红层软岩中矿物粒间空隙被粘土矿物填充，粘土矿物分布排列无序致密的特点，致使红层软岩的饱水率并不高。粘土矿物多数为混层结构，因沉积搬运以及溶蚀等作用，导致其结晶程度相对较差，环境的酸碱性也对其形态产生了影响，多数岩样有蚀变的痕迹。粘土矿物的含量决定了红层软岩的水理性质和力学性质，粘土矿物含量越高，对水的敏感性越大，力学性质则相对较差，反之则相对较好。

(2)红层软岩具有微小裂隙时，在1～2次充分饱和水烘干后，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。季节温度变化时，红层软岩反映出不同的崩解变化规律，当温度保持不变或温差较小时，干燥或湿透状态下的崩解效应很缓慢；当气温发生起伏变化时，红层软岩内部裂隙发生扩展、增加。

表2 滇中红层软岩软化性试验结果表

(3)红层软岩由于风化作用影响程度和自然含水率差异，岩体内部崩解张力具有明显不均匀性。红层软岩富含粘土矿物，膨胀性显著，在富水环境中具有很强的吸附水能力，吸水后红层软岩体积发生膨胀，进一步加剧岩土体内部水压力升高。粘土矿物和风化程度在一定程度上决定了滇中红层软岩的膨胀性状态。

(4)滇中红层软岩粘土矿物含量高，且含有可溶性物质，而粘土矿物又具有表面积大、亲水性强、离子交换容量大等特点，因此水对红层软岩的强度弱化作用十分明显。在经过自由浸水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，试样中的微裂隙在水的作用下产生了明显的强度削弱效应。

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Experimental Study on Microscopic Structure and Hydraulic Features of Red-Bed Soft Rock in Central Yunnan Province

WANG Fei1,CAO Chen-fei2,CHEN Ji-wen3

(1.ShaanxiRailwayInstitute,Weinan,Shaanxi714099； 2.ZhangjiakouVocationalandTechnicalCollege,Zhangjiakou,Hebei075000； 3.CollegeofGeoscienceandSurveingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083)

The red-bed weak rock in central Yunnan is characterized by poor diagenesis, easy to produce large deformation, and easy to soften and disintegrate in water. This paper presents comprehensive research results of experimental study on microscopic structure and hydraulic features of this rock. The experiments show that the inter-granular space of minerals of this rock is mostly filled with clay minerals, mainly illite and montmorillonite. These clay minerals have dominant mixed layer structure, with relatively poor crystallization degree, most of which have alteration traces. The red-bed weak rock with tiny cracks begins to show disintegrating after 1～2 times fully water-saturation drying. With increasing times of dry-wet circulation, the quality of the rock change has a trend to become smaller. As this increase continues, its disintegration index tends to be gentle. Because of the differences of weathering degrees and natural moisture content, the internal tension of rock disintegration is obviously inhomogenous. After 48h of free-water soaking, the uniaxial compressive strength of the red-bed soft rock is decreased by 29.83% to 58.47%, and the softening coefficients are between 0.4～0.7, indicative of a significant softening effect by water. These results can provide some reference for the research of engineering geology in highway engineering construction in areas with red-bed soft rock.

highway engineering, red-bed soft rock, microscopic structure, hydraulic features, experimental study

2016-05-17；[修改日期]2016-10-12；[责任编辑]陈伟军。

国家自然科学基金项目(编号: 10872207)资助。

王 飞(1982年-)，男，讲师，主要从事建筑结构、岩土工程方面的研究。E-mail：wfei82@163.com。

TU45

A

0495-5331(2016)06-1152-07