西部弱膠結軟巖細觀結構及水理特性試驗

張嘉凡，程樹范，王 煥，高 壯，周飛文，周洪文

西部弱膠結軟巖細觀結構及水理特性試驗

張嘉凡1，程樹范1，王 煥1，高 壯1，周飛文1，周洪文2

(1. 西安科技大學 力學系，陜西 西安 710054；2. 上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院，上海 201418)

為準確掌握西部弱膠結軟巖的水理特性，對采自陜北礦區的紅砂巖進行水理及力學特性試驗，并基于電鏡(SEM)掃描圖像分析細觀結構特性，建立巖石細觀結構與其宏觀水理特性間的聯系。試驗表明：紅砂巖具有明顯的飽水軟化和吸水膨脹特性，其軟化系數為0.64；無壓力水侵蝕和干濕循環作用下飽水紅砂巖性能將進一步劣化，宏觀上表現為強度和彈性模量的減小和質量損失率的增大；細觀上，紅砂巖顆粒間的聯系比較松散，具有明顯的弱膠結結構特征。總體來說，親水礦物溶解與弱膠結結構破壞的耦合作用，導致紅砂巖特殊的宏觀水理特性。研究結果可為類似地區軟巖夾層工程治理提供借鑒。

弱膠結軟巖；水理特性；細觀結構；性能劣化；掃描電鏡(SEM)；陜北礦區

西部地區賦存的煤炭等地質礦產資源，是中國經濟高速發展的有力支撐。隨著西部大開發戰略的深入，以及“一帶一路”倡議的提出，西部煤炭資源的戰略價值愈發受到重視，亟待開發[1-2]。在巷道掘進過程中，西部地區廣泛分布的富水軟巖夾層難以有效處理，很大程度上制約了深部礦產資源的高效開發[3]。

富水軟巖夾層透水性強，軟化效應明顯，在巷道施工過程中易出現局部失穩和潰塌等安全事故。吳學明等[4]、方騰蛟等[5]在煤礦斜井及巷道支護過程中就注意到富水軟巖夾層某些特殊的工程性質，認為常規處理方法并不適用富水軟巖夾層的施工。明確軟巖水理性質是解決軟巖夾層開挖問題的關鍵，Guo Hongyun等[6-7]采用自行研制的深部軟巖吸水測試系統，對鈣質頁巖的親水性和吸水性進行了分析，認為親水礦物引起的溶蝕是決定巖石水理的重要原因；鄧華鋒等[8]則認為巖石內順層理軟弱面的存在是影響巖石水理特性的關鍵。目前的研究成果主要集中于巖石的巖性及礦物成分對其水理特性的影響[6-9]，對巖石的結構特性缺乏關注[10-11]，關于巖石細觀結構對其水理及力學特性影響的機理機制尚不清晰，亟待補充。

筆者對采自陜北礦區的弱膠結紅砂巖進行軟化試驗、無壓力水侵蝕試驗和干濕交替試驗；并結合掃描電鏡(SEM)技術，在微細觀層面分析紅砂巖細觀結構與其宏觀水理特性的聯系。研究結果對于礦區軟巖夾層治理和安全施工具有理論指導作用。

1 宏觀水理特性試驗

西部礦井建設過程中，常遇到軟巖夾層，本文依托陜北地區某煤礦項目，采集一批白堊系紅砂巖軟巖樣品，進行水理及力學特性試驗。大塊樣品經取心、切割、打磨，制成50 mm×50 mm試樣，為減小試驗結果的離散性，制備完成后剔除表面有明顯缺陷及剪切波速異常的試樣，得到試樣17塊，編號為A1—A17。

1.1 基礎物理參數測定

選取試樣A1—A3，通過排水法對紅砂巖的密度、孔隙率等基礎物理參數進行測定，得到試樣干燥及強制飽水條件下的質量分別為0和1，并按式(1)、式(2)計算得到試樣飽和含水率和孔隙率，見表1。

式中：w為水的密度，取0.997 g/cm3；1為試樣的體積，取98.172 cm3；sat和分別為計算出的試樣飽和含水率和孔隙率，%。

表1 紅砂巖基礎物理參數

計算得到的試樣干密度和飽和密度均值分別為1.60 g/cm3和1.71 g/cm3。

1.2 軟化特性試驗

采用DDL-600型單軸壓力機分別對干燥(試樣A4—A6)和強制飽水處理(試樣A7—A9)的紅砂巖試樣進行單軸壓縮試驗，得到應力–應變曲線如圖1所示，對應的力學參數見表2。

圖1 干燥及飽水試樣的應力–應變曲線

表2 干燥及飽水試樣基礎力學參數

1.3 無壓力水侵蝕及干濕交替試驗

研究表明，隨著水侵蝕時間的增加和環境干濕條件的變化，飽和紅砂巖的力學性能可能出現進一步劣化[12-14]。對編號A10—A17的試樣進行強制飽水處理后，分別進行持續無壓力侵蝕和干濕循環試驗，本次試驗中對飽水試樣持續無壓力水浸泡24 h，再置于自然環境中脫水24 h為一個干濕循環(試驗過程中不更換浸泡液，對于損失部分也不予補充)。測得浸泡3、7、15、30 d和干濕循環2、5、10、15次試樣的單軸抗壓強度、彈性模量和質量損失率，見表3。

表3 不同條件下試樣的物理力學特性

試驗結束后，對無壓力水侵蝕及干濕交替試驗剩余的浸泡液進行了pH值和可溶性固體質量(TDS)測定，結果見表4。

表4 浸泡液化學特性

2 宏觀水理特性分析

2.1 軟化特性

一般而言，軟巖內部孔隙發育較好，吸水軟化現象較為明顯。據表2可知，紅砂巖抗壓強度及彈性模量均值分別由干燥時的16.62 MPa和5.41 GPa，下降為飽水后的10.66 MPa和1.76 GPa，軟化系數為0.64，彈性模量衰減幅度達到67%，期間試樣體積出現小幅膨脹，膨脹率為7.97%(?51.36 mm×51.67 mm)。分析認為，紅砂巖除表現出顯著的軟化特性外，還具有較強的吸水膨脹特性。據統計，多數雨后軟巖邊坡及巷道發生的地質災害均與巖石軟化相關[11]，如果不能準確把握巖石的軟化特性，過高估計巖石強度，將導致工程安全系數降低，為施工帶來安全隱患。因此，在軟巖夾層處理時一方面要預防巖體強度破壞，另一方面也需對變形加以監控。

隨著浸泡時間的增加，紅砂巖試樣強度及彈性模量較飽水完成時出現了較大幅度的下降，浸泡30 d的試樣強度和彈性模量分別減小為飽水完成時的79%和67%，同時觀察到試樣體積出現進一步的增加(由于試樣松散，其具體數值無法精確定量)，體積的膨脹，在一定程度上增加了試樣的變形，彈性模量的下降實際是由巖石吸水后顆粒間距增加所致。對比表3及表4數據可知，相同的試驗時間，干濕交替對于強度和彈性模量的影響更為顯著，尤其是對強度的影響，15次循環后，強度衰減為飽水時的42%，這說明吸水和脫水過程對材料內部結構造成不可逆的破壞，從而使得巖石的受荷能力顯著下降，干濕交替5次、10次和15次后的試樣如圖2所示。

圖2 不同干濕交替次數后的試樣

2.2 質量損失

一般認為，巖石的抗水性受其礦物成分親水性的影響較大[15-16]。相同試驗天數條件下，干濕交替試樣的質量損失更大，圖2c中甚至出現了大塊的角部脫落，表面還附著少量泥質沉積物。這說明干濕交替對于紅砂巖的物理力學特性影響更大，即飽水過程的損傷效果較浸泡過程更為明顯。

由表4可知，隨著浸泡時間以及干濕循環次數的增加，浸泡液的pH和TDS值最初經歷了較快上升的過程，其后基本穩定，說明親水礦物由大量溶解轉化為離子平衡狀態。可見除去親水礦物的化學溶解，巖石的水理特性還受到其他因素影響。為驗證這一觀點，采用X射線衍射儀對紅砂巖礦物組成進行測定，其主要礦物成分包括48.9%石英、22.9%斜長石、10.7%鉀長石、6.0%方解石和6.0%蒙脫石以及微量的白云石、綠泥石、赤鐵礦等；紅砂巖中可溶解礦物含量較低，可見親水礦物溶解對于質量損失的影響十分有限。分析認為，紅砂巖特殊的水理特性還應與其細觀結構有關。

3 細觀孔結構特征對宏觀水理特性的影響

3.1 細觀孔結構特征

對試樣噴金后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行表面細觀結構掃描，掃描結果如圖3所示，為避免電子束照射不均勻引起的閾值誤差，選取圖3中右側低亮區進行分析。

典型區域1的灰度分布(圖4)具有明顯的雙峰值特征，采用K-means算法[17]進行閾值分割，得到孔隙灰度閾值為136，孔隙率為10.4%。圖5為典型區域1和區域2閾值分割后的圖像，由左到右依次為原圖、孔隙區域識別和孔隙二值化圖像。

圖5中，巖石顆粒表觀形態相似，邊緣較光滑，且有明顯的顆粒邊界，具有典型的膠結結構特征，同時，由于細觀孔隙分布較多，膠結結構不緊密，顆粒間咬合程度不高。咬合力的缺失，使巖石受到荷載作用時，顆粒間只能通過摩擦來傳遞應力，當巖石達到飽和狀態，孔隙水的潤滑作用將使其承載能力下降，軟化特性明顯。

圖3 紅砂巖試樣及SEM圖像

圖4 典型區域1的灰度分布

圖5 掃描電鏡典型區域圖像的閾值分割

3.2 宏觀水理特性的細觀機制

根據紅砂巖礦物成分和礦物溶解度數據分析可知，親水礦物的溶解和吸水膨脹對紅砂巖水理特性的影響有限；其特殊的水理特性主要取決于水對膠結結構的弱化和破壞作用。膠結結構弱化直接導致試樣的孔隙率增大，密實度減小，孔隙水的潤滑又在一定程度上減小了膠結強度。兩者的共同作用具體表現在以下3個方面。

a.水楔的形成

當巖石顆粒連接緊密時，在顆粒表面易形成薄且均勻的水膜，顆粒間的黏聚力小幅度增加，宏觀上表現為強度的小幅上升。但由于弱膠結結構其顆粒連接本身并不緊密，空隙較多，受到水侵蝕后，表面水膜較厚，且易與孔隙水連同形成水楔體，在水楔和毛細水壓力作用下，原有的弱膠結結構極易出現圖6所示的張拉變形，從而導致膠結顆粒間距增大，膠結強度下降，宏觀上試樣的體積也將有所增加，這與紅砂巖的飽水膨脹特性一致。除水楔作用外，礦物吸水膨脹也會產生相似的結果，但組成紅砂巖的礦物成分多為憎水礦物，這部分影響較水楔作用而言較弱。

圖6 弱膠結的張拉破壞

b. 孔隙水壓力

當有荷載與水共同作用時，由于孔隙水壓力的存在，增加了側向應力水平，泊松效應得以加強，加速了膠結結構的破壞，宏觀上表現為巖石的吸水軟化。另一方面，飽水后巖石顆粒間距出現一定幅度增加，結構弱化，表現為試樣的宏觀體積膨脹和彈性模量下降。紅砂巖的弱膠結結構特征可以很好地解釋紅砂巖飽水后受荷及抗變形能力的下降。

c.表面脫落

根據浸泡液的化學特性試驗結果分析，親水礦物溶解耗時一般在7~15 d，時效性比較明顯，且溶液內親水礦物的溶解量十分有限，因此，親水礦物的溶解并不是弱膠結結構在飽水后質量持續損失的根本原因。分析認為，對于試樣邊緣處的巖石顆粒，當其弱膠結結構出現破壞以后，顆粒將與試樣母體出現分離，產生如圖5b的較大空隙，空隙周邊的膠結將進一步弱化，最終出現較大塊體的脫落。由于礦物中可溶解成分較少，進入溶液的礦物顆粒并不能夠溶解，最終將以松散顆粒的形式出現沉積，如圖7所示。

圖7 紅砂巖礦物沉積現象

隨著浸泡時間和干濕循環次數的增加，紅砂巖表面顆粒不斷脫離，在宏觀上表現為質量損失，這與試驗現象相一致。脫水過程中，無外界壓力作用，顆粒間孔隙無法實現有效的二次密實，因此，脫水過程中顆粒結構不可能完全恢復到最初狀態，再次飽水又將發生不可逆的性能劣化，宏觀上表現為干濕交替對紅砂巖強度的不利影響。

4 結論

a.紅砂巖具有較強的軟化吸水膨脹特性，其軟化系數為0.64，彈性模量衰減幅度達67%，飽水后體積增加了7.97%。

b.紅砂巖親水礦物含量低，其抗水性受其細觀結構影響較大，且干濕交替對其力學性能的影響較無壓力水侵蝕更大，即飽水過程的損傷作用較浸泡過程更顯著。

c. SEM掃描得到的巖石細觀圖像直觀地反映了紅砂巖顆粒間的弱膠結結構，該結構可以很好地解釋如下現象：飽水后強度和彈性模量的減小以及體積的膨脹；浸水后力學性質的持續劣化和質量的持續損失；干濕交替對巖石強度的削弱等宏觀水理特性。

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Experiment of mesostructure and hydrologic characteristics of weakly cemented soft rocks in western China

ZHANG Jiafan1, CHENG Shufan1, WANG Huan1, GAO Zhuang1, ZHOU Feiwen1, ZHOU Hongwen2

(1. Department of Mechanics, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. College of Urban Construction and Safety Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China)

In order to accurately grasp the hydrologic characteristics of weakly cemented soft rocks in western China, the hydraulic and mechanical properties of red sandstone collected from northern Shaanxi mining area were tested. Based on the scanning image of scanning electron microscope(SEM), the mesostructural characteristics of the rocks were analyzed, and the relationship between the mesostructure of rocks and its macroscopic hydrologic characteristics was established. The results show that red sandstone has obvious characteristics of water saturation and water absorption and expansion, and its softening coefficient is 0.64. Under the action of pressure water erosion and dry and wet cycle, the properties of saturated red sandstone will be further degraded, which will be characterized by the decrease of strength and elastic modulus and the increase of mass loss rate. On the microscale, the relationship between red sandstone particles is relatively loose and has obvious weak cementitious structure characteristics. Generally speaking, the coupling effect of hydrophilic mineral dissolution and weak cementitious structure failure leads to the special macroscopic hydrologic characteristics of red sandstone. The results of this paper can provide certain theoretical support for the treatment and safe construction in weak cemented soft rock.

weakly cemented soft rock; hydraulic property; mesostructure; property degradation; SEM; coalfield of northern Shaanxi

TU45

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.017

1001-1986(2020)03-0116-06

2019-09-21；

2020-01-06

國家自然科學基金項目(11172232, 51774231, 11872299)

National Natural Science Foundation of China(11172232, 51774231, 11872299)

張嘉凡，1967年生，男，遼寧朝陽人，博士，教授，從事礦業工程相關的教學與研究. E-mail：zhangjiafan_339@163.com

周洪文，1968年生，男，河南漯河人，博士，教授，從事道路工程相關的教學與研究. E-mail：1125268810@qq.com

張嘉凡，程樹范，王煥，等. 西部弱膠結軟巖細觀結構及水理特性試驗[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：116–121.

ZHANG Jiafan，CHENG Shufan，WANG Huan，et al. Experiment of microstructure and hydrologic characteristics of weakly cemented soft rocks in western China[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：116–121.

(責任編輯 周建軍)