水岩耦合下的红层软岩微观结构特征与软化机制研究*

2019-10-26谢小帅陈华松肖欣宏周家文

工程地质学报 2019年5期

关键词：红层软岩软化

谢小帅陈华松肖欣宏王静周家文

( ①四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都 610065)

( ②云南省水利水电勘测设计研究院昆明 650021)

( ③四川大学水利水电学院成都 610065)

0 引言

红层软岩指的是以陆相沉积为主，岩性以砂岩、泥岩、页岩为主，岩性组合以“互层”为特征，外观以红色为主色调的中、新生代的碎屑状的沉积岩层( 张永安等，2008; 魏瑞等，2010) 。红层软岩是典型的大变形，难支护岩体，具有强度低、亲水能力强、遇水易软化、失水易崩解等特殊工程特性，在水岩作用下对控制公路边坡稳定，影响坝基以及地下洞室的变形方面起着重要作用( 简文星等，2005; 刘小伟，2008; 王运生等，2009) 。针对红层软岩的特殊工程特性，许多学者对其物理力学性质及微观结构进行了理论和试验研究。郭志( 1996) 通过软岩膨胀崩解耐久性、冻融作用、力学性质试验，得到了软岩力学特性与赋存环境和时间的关系，并对软岩的力学性质变化特征进行了归纳。刘长武等( 2000)充分详尽地研究了泥岩软化前后的物质组成以及微观结构变化过程与规律，并针对泥岩崩解软化的机理进行了深入分析; 周翠英等( 2005) 以华南地区分布广泛的红色砂岩及黑色炭质泥岩等几种不同类型的典型软岩为研究对象，进行了不同含水条件下的软岩力学性质测试，最终发现了软岩遇水软化的力学规律性; 黄宏伟等( 2007) 采用扫描电镜与X 射线衍射仪的方式，分析了华北中生代不含蒙脱石的煤系地层泥岩的微观结构与物质组成，得到了该泥岩微观结构在遇水逐渐软化的过程中随时间变化的动态规律; 王振等( 2015) 对白垩系钙质泥岩进行了矿物成分分析和物理力学性质试验，分析了钙质泥岩水岩作用特征，探讨了不同黏土矿物含量钙质泥岩遇水后强度和变形参数的变化规律和软化机理;张丽敏等( 2016) 基于对红层软岩的力学试验和实地调查，发现红层软岩三轴压缩破坏形态以压裂片状剥落和剪切破坏为主; 邓华锋等( 2017) 考虑干燥、自然和饱水3 种状态，对红层软岩抗压和抗拉强度特性、变形破坏特征及微观结构特征进行了比较系统的试验和检测分析。

通过上述研究可以发现，学者们在对软岩的力学性质及微观结构的研究方面已经取得一定的成果，但针对水岩耦合下软岩基本特征和软化机制的研究还相对较少。水岩长期作用下水对岩石产生物理化学及力学作用，软岩的微观结构及力学性质发生巨大变化。本文以滇中红层软岩地区所取泥岩试样为研究对象，针对自然和饱水状态下开展单轴、三轴压缩试验，同时采用扫描电镜、能谱分析其物质组成及矿物成分，并用X 射线衍射技术研究了不同含水状态下岩石微观结构的变化。基于试验结果，对滇中地区红层软岩遇水软化微观机制进行了总结分析。研究成果可为长时间处于水环境下的软岩工程设计与施工提供理论参考。

1 水岩作用下红层软岩基本力学特性

滇中地区红层软岩主要形成于白垩纪、侏罗纪，部分形成于三叠纪，主要岩石类型为泥岩、粉砂岩、细砂岩，颜色主要为棕黄、褐绿、紫红、褐红、灰紫等偏红色调，岩体结构包括泥质软岩和厚层硬岩层状结构以及软硬相间的多岩性互层结构。以滇中地区钻孔所取泥岩岩芯为研究对象，标准试件在实验室内精细加工而成，根据国际岩石力学学会规定，采用直径50 mm，高度100 mm 的圆柱形试件。本次试验在四川大学岩土工程省重点实验室MTS815 程控伺服岩石刚性试验系统上进行，分别研究自然和饱和状态下泥岩的单、三轴压缩强度及变形特征。

1.1 软岩单轴压缩力学特性

岩石的单轴压缩试验是研究岩石瞬时力学性质的重要试验方法，通过对岩石单轴压缩试验结果的观察以及应力－应变曲线的分析，可以掌握软岩的强度特性、变形特性，确定软岩变形破坏最基本的力学参数。图1 为试样自然和饱和状态下泥岩破坏示意图。

图1 软岩试样单轴压缩试验Fig. 1 Uniaxial compression test for soft rocks

从图1 可以看到，软岩试样在单轴压缩应力作用下均表现为劈裂破坏。自然状态下岩样呈片状剥落，在初期应力较小的阶段就开始出现零星的片状脱落，随着压力的增大，主裂纹形成并逐步扩展，最终沿岩石中部贯穿直至发生破坏，试样中部出现大量的片状破碎岩石; 饱和岩样发生劈裂破坏时，岩体破坏程度更高，试样沿轴向主裂纹破坏，呈现出较大且完整的块状岩石。

软岩试样自然和饱和状态下单轴压缩应力－应变全过程曲线见图2。对比自然和饱和状态应力－应变曲线可以发现，自然状态下应力持续增加达到峰值强度后立即发生破坏，岩石的破坏形式为脆性破坏; 而饱和状态下，应力不断增加，应力与应变近似呈正比关系，到达峰值强度后曲线呈现波动锯齿状并保持一段时间，岩石产生了不可逆的塑性变形，继续增加应力试样发生破坏。

岩石饱水状态试件的抗压强度和自然状态试件的抗压强度是不同的，通常称它们的比值为软化系数。由岩石自然和饱和单轴压缩试验结果可知，自然状态下软岩单轴抗压强度为29.5 MPa，饱和状态下其单轴抗压强度为16.6 MPa，经计算可得该泥岩软化系数为0.56。通常认为软化系数小于0.75 的岩石为软化岩石，其软化性较强，工程地质特性较差。

1.2 软岩三轴压缩力学特性

图2 软岩应力－应变曲线( 单轴压缩)Fig. 2 Stress-strain curves of soft rocks( uniaxial compressive)

在实际岩体工程中，岩石一般处于三向应力状态，因此，针对软岩试样采用三轴压缩试验所获得的强度与变形特征更符合工程实际。试验所取岩样为8 组，分别施加3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa 围压，在保持围压不变的情况下，以0.05 mm·min－1的变形加载速度施加轴向荷载，直至试件破坏。图3 为试样在7 MPa 围压下自然和饱和状态下的泥岩破坏示意图。

从图3 可以看到，软岩三轴压缩破坏形式为斜截面剪切破坏。自然状态下，岩样只出现一条斜切贯穿裂缝，岩样整体比较完整; 饱和试样在三轴压缩下，岩体破坏程度提高，出现多条破坏裂隙和斜切贯穿裂缝。相较于单轴压缩，破坏岩样未出现大量块状脱落，表面出现明显斜切贯穿裂缝。

图3 三轴压缩状态下软岩试样破坏形式Fig. 3 Failure mode of soft rock samples under triaxial compression

图4 软岩应力－应变曲线( 三轴压缩)Fig. 4 Stress-strain curves of soft rocks( triaxial compressive)

根据软岩岩样三轴压缩试验结果，得到8 组试样三轴压缩状态下应力－应变曲线，如图4 所示，在应力值较小的时候，应力－应变曲线略向上凹，随着应力的持续增加，在达到一定数值后，应力－应变曲线近似呈直线，直到试样强度达到峰值。与单轴压缩试验不同的是，软岩试样达到峰值强度后，随着应变的增加，应力下降，岩石发生应变软化，随着塑性变形的持续发展，应力降低到一定数值后不再随应变的增加而继续减小，该点应力值称为残余强度。红层软岩因为残余强度的存在表明岩石破坏以后，并不是完全失去承载能力，这对于围岩支护的设计具有重大意义。由图中软岩三轴应力－应变曲线可知，在相同围压下，饱和状态下软岩峰值强度与残余强度较自然状态有显著降低，如自然状态下，5 MPa围压下软岩的峰值强度为48.5 MPa，残余强度为23.6 MPa; 饱和状态下，5 MPa 围压下软岩的峰值强度为31.6 MPa，残余强度为13.5 MPa。

2 红层软岩微观结构及物质组成分析

2.1 元素组成分析

由于岩土体材料矿物颗粒细微，传统的光学显微镜很难准确识别其矿物组成，但是能谱－扫描电镜的组合不仅可以观察到其微观结构形态特征，还能对其化学成分进行快速而准确的分析，本节借助电镜扫描试验的EDS 附件对滇中地区软岩试样进行能谱分析试验，以测定其化学元素组成，结果如图5 所示。

由图5 可知，软岩试样元素组成主要包括O、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe 等元素，其中O 元素占比含量最高，达到52.37%，其次为Si 和Al，含量分别为27.58%和9.34%。从元素组成可以推断，软岩化学成分应以氧化物为主，主要包括SiO2、Al2O3等。在岩土体化学元素组成中，Si 元素构成的二氧化硅( SiO2) 往往以复杂黏土矿物、原生硅酸盐和游离氧化硅等形式存在; Al 元素构成的氧化铝( Al2O3) 是黏土矿物复杂体的基本组成部分; Fe 元素组成的氧化铁( Fe2O3) 主要是影响岩体的外观颜色; 其余K、Ca 等元素分别以相应的氧化物形式存在，如Ca主要是以碳酸盐形式存在，K 是以钾离子形态为黏土矿物所吸附。

图5 软岩化学元素含量图Fig. 5 The chemical elements content of soft rocks

2.2 矿物组成分析

晶体的X 射线衍射图像的本质在于每种晶体的结构都有唯一的X 射线衍射图与之对应，它与异种物质混合在一起，其特征X 射线衍射图谱也不会发生改变。因此利用X 射线衍射图谱，结合粉末衍射卡片就可以对岩石矿物进行定性分析。鉴定出各个相后，根据各相衍射花样的强度正比于该组分存在的量，就可以对各组分进行定量或半定量分析。本次研究利用四川大学分析测试中心的X 射线衍射仪( XRD) 分析滇中引水地区红层软岩矿物成分。表1 为软岩岩样矿物组成及含量表。

表1 软岩试样矿物组成及含量Table 1 Mineral formation and content of soft rocks

由表1中数据可知，该组软岩试样主要矿物包含石英、氧化铁、碳酸钙、绿泥石、伊利石，其中伊利石含量最高，达到48%，其次为石英及绿泥石，含量占比分别为42%和5%，最后为少量的氧化铁和碳酸钙。通常认为泥岩矿物成分复杂，主要由黏土矿物、碎屑矿物以及其他铁锰质和有机质组成，由该泥岩试样矿物成分分析结果可知，泥岩黏土矿物含量占比较高，其中伊利石亲水性较强，当地下水渗入岩石空隙后，黏土矿物将发生分子膨胀作用和胶体膨胀作用，在宏观上则表现为软岩的体积膨胀，而这种膨胀作用所产生的应力分布非常不均匀，可能导致软岩崩裂，部分胶结物会溶解、软化，进而使得岩石破碎解体。

2.3 水岩作用下微观结构分析

软岩微观结构的分析主要采用扫描电镜的手段，电镜扫描技术( SEM) 对于分析岩土体材料的微细观结构，进而揭示岩石的力学机理有着重要的作用。采用场发射扫描电子显微镜对滇中红层软岩的微观结构进行深入研究，扫描电子显微镜可以采用不同放大倍数对试样进行扫描拍照，其中低倍观测的可视范围较大，便于从整体上了解岩样的结构，高倍观测可以更好的了解局部区域微观结构及接触形态，本次研究红层软岩在天然状态和饱和状态的情况下，分别采用500、1000 和2000 的典型放大倍数对试样进行扫描拍照，结果如图6 所示。

由图6 可知，在自然状态下，从500 倍放大倍数条件下可以初步看出该组泥岩结构比较致密，粉粒含量较高，孔隙分布较为均匀，总体上呈现出的是团粒状结构; 从1000 倍的SEM 可以看出泥岩中团状结构增多且颗粒变大，推测这可能因为黏土颗粒含量较高，这些较大的颗粒由细小的黏土颗粒构成并相互交织在一起，这样的结构充分反映出泥岩由黏土矿物组成的特性; 继续放大至2000 倍SEM 可以看到泥岩的微观结构呈块状及片状、鳞片状分布，仍有较多絮凝状颗粒杂乱无章的排列着，总体看来其结构松散且孔隙较多。在饱和状态下，从500 倍SEM 可以看出该组泥岩结构整体呈现为团状和絮凝状结构，颗粒吸水后变得粗大蓬松，泥岩的细小絮凝状和粒状黏土矿物的量有所减少。继续观察1000 倍SEM 可以发现，泥岩随着水作用时间的推移，其内部细小的黏土矿物颗粒吸水膨胀导致其自身体积增大，并且更多的胶结在一起形成较大的集粒，遇水后呈片状和鳞片状分布。从2000 倍SEM可以观察到泥岩内部片状、鳞片状及块状结构增多，结构松散，同时由于泥岩岩样中的孔隙被水填充，导致孔隙扩张，孔洞越发的发育，分布杂乱无序，微结构单元间呈面－面接触、点一面接触形态。

3 红层软岩软化机制研究

随着西南地区交通和地下空间进一步的发展，软岩工程的安全控制问题将越来越突出，而掌握软岩的软化机理是控制软岩工程稳定性的基础。通常情况下，受实际工程复杂地质条件的影响，软岩软化变形的原因较为复杂，其软化的机制可能是一种或多种因素综合影响的结果。

图6 自然状态和饱和状态下软岩电镜扫描微观结构比较图Fig. 6 Comparison of scanning microstructure of soft rocks in the natural state and saturated state

由表1 软岩矿物成分可以知道，黏土矿物含量高，伊利石和绿泥石的含量占比达到53%。伊利石也称水云母，其亲水性较强，晶体结构由3 层结构晶胞组成，包括两层硅片和一层铝片，晶胞之间含有一些反离子，当地下水渗入岩石孔隙后，反离子逸出，水分子与黏土矿物作用在其内部形成矿物层间水层，致使晶层间连接变弱，黏土矿物颗粒发生膨胀，伊利石与水的反应过程如下:

已有研究表明伊利石与水反应会使其体积发生膨胀，大约增加50%～60%( 朱效嘉，1996) 。岩样内部的差异膨胀在宏观上表现为软岩的体积膨胀，这种膨胀作用所产生的应力分布非常不均匀，岩石内部出现了大量微孔隙，使得岩样的结构体系发生破坏，导致岩石颗粒崩裂。另外，由于软岩矿物的溶蚀和次生作用，水溶液渗入孔隙中与岩石颗粒发生化学反应，使得颗粒粒间接触面由锯齿状或不规则状向圆滑状转变，岩石的黏聚力和内摩擦角也因这一变化而减小，岩石力学强度显著降低。

在水岩作用下，岩石的微观机构也发生了较大的变化。由图6 软岩SEM 图像可以看出，自然状态下，泥岩微观结构以细小颗粒为主夹杂少量团状结构，它们互相胶结连结，孔隙空间分布均匀，结构较为致密; 软岩遇水后黏土颗粒吸水膨胀并聚集成团，团粒间连结松散，孔隙被水充填之后迅速扩张，使得原来并未完全连通的孔隙之间相通，并产生许多小孔隙，孔隙率增加，从而增大了泥岩的水解作用效果，结构变得越发疏松，同时泥岩结构由团粒状结构向块状和鳞片状结构转变，颗粒间的胶结连结被破坏，块状和鳞片状结构的增多显示着软岩遇水膨胀变形的特征，从而引起软岩在宏观上软化及崩解。

在力学性质方面，软岩泡水后岩体破坏程度也大大提高，由天然状态下的大量片状破碎岩石脱落到饱和状态下的沿主裂纹破坏，并出现较大且完整的块状岩石。单轴抗压强度从29.5 MPa 下降到16.6 MPa，软化系数达到0.53，这说明软岩在水岩作用下宏观力学性质的劣化与其微观结构的变化是密切相关的。

总结来说，由于软岩的黏土矿物成分含量高，颗粒亲水能力强，土颗粒间聚集了许多自由水和结合水，岩石矿物晶胞吸水膨胀，岩石力学性质发生变化; 同时，黏土矿物还会与水发生反应，岩体体积进一步膨胀，岩体内部产生不均匀应力，出现大量微孔隙，岩体结构发生破坏; 另外，软岩矿物的次生和溶蚀作用，削弱了颗粒间胶结能力，使得颗粒之间发生错动，引起了岩体内摩擦角和黏聚力等参数不断减小，在上述多方面的综合影响下最终导致红层软岩的软化。