红层软岩基本性质随埋藏深度的演变规律

2022-11-30苏晶文李云峰查甫生

合肥工业大学学报（自然科学版） 2022年11期

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。