宣城地區紅層軟巖微觀結構及水理特性試驗研究*

董長春 吳世雄 邱 宇

（1.中國地質調查局南京地質調查中心；2.安徽省地質礦產勘查局322地質隊；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

紅層是指中生代、新生代沉積形成的因富含鐵質氧化物而呈紅、深紅或褐色的地層，廣泛分布于我國的西南、中南及華東各省區［1］。紅層軟巖多為泥質膠結，單軸抗壓強度低，抗水及抗風化能力差，軟化系數低，遇水發生軟化和崩解，甚至泥化喪失整體性而形成松散細小顆粒物質，工程地質性質較差，是造成崩塌、地陷、滑坡的關鍵原因之一［2-3］。隨著中國經濟的高速發展和基礎建設的需要，紅層地區工程建設增多，紅層軟巖水理特性的研究逐漸成為巖土工程領域的熱點問題之一。

國內外學者曾對紅層軟巖的工程性質進行了一系列富有成效的研究，主要集中在試驗研究、微觀結構、理論研究3 個方面。Bekar 和Narayanasamy［4-5］通過室內試驗，對紅層的形態特征和微觀結構進行了研究；周翠英等［6］通過軟巖飽水試驗對軟巖在飽水狀態下的微觀結構進行分析，研究了水—巖相互作用中，軟巖物質成分、化學成分、微觀結構及物理力學性質的變化規律；Risnes 等［7］從水的弱化作用及水的活動性方面，研究其對白堊巖微觀結構的影響；楊春和等［8］通過分析板巖飽水試驗中吸水率、濕潤角、礦物顆粒微觀結構和孔隙度等參數的變化過程，解釋了板巖軟化的機理和過程；岳全慶等［9］通過進行軟巖浸水崩解試驗、單軸抗壓強度試驗對巴東組紅層軟巖在不同含水率情況下的崩解性和軟化性進行分析；蘇航等［10］對滇中紅層軟巖的崩解、膨脹、軟化等水理性質進行室內試驗研究，詳述了紅層軟巖與水理性質相關的微觀結構。朱效嘉［11-12］提出了晶格擴張膨脹理論和擴散雙電層膨脹理論解釋水在軟巖中的賦存狀態，對軟巖固態、塑性、泥化、軟化、液化、滲流、崩解、飽水膨脹等水理性質進行詳細論述；Marcel［13］根據泥巖的礦物成分以及微觀結構，提出引起泥巖崩解的不連續網絡理論。水巖相互作用是一種復雜的物理化學作用，也是巖石力學性質大幅度下降的主要原因，其規律研究對工程實踐有重要的意義。

上述研究在一定程度上揭示了紅層軟巖的理化性質、工程特性，但對于紅層軟巖遇水軟化的水理性質及水巖作用規律研究仍有待加強。鑒于此，本研究選取宣城紅層軟巖，從微觀結構、礦物成分及崩解特性3個方面對其特性進行研究，并對試驗結果進行討論，揭示紅層軟巖軟化機理，為宣城紅層軟巖地區的工程建設提供參考。

1 微觀結構試驗

紅層軟巖的微觀結構是解釋其水理性質和力學性質的重要基礎［14］，通過對紅層軟巖的微觀結構進行分析，可為紅層軟巖膨脹性、軟化性和崩解性提供微觀解釋。試驗所用的巖石樣本取自宣城某施工現場，所取樣本共分為2 類，分別為雙塔寺組泥質粉砂巖和赤山組粉砂巖。采取2種巖石樣本并制作薄片，在顯微鏡下進行觀察，雙塔寺組泥質粉砂巖和赤山組鈣質粉砂巖的鏡下特征如圖1、圖2所示。

雙塔寺組巖石樣本的巖性為泥質粉砂巖，結構為細粒—極細粒結構，構造為條紋狀構造。主要礦物為石英，含少量褐鐵礦、絹云母等礦物；石英呈尖錐狀、透鏡狀、不規則狀等，粒徑為0.05～0.2 mm，個別可達1 mm。部分膠結物發生褐鐵礦化蝕變，碎屑含量約占50%，呈過渡式支撐。

赤山組巖石樣本的巖性為鈣質粉砂巖，結構為粉砂狀結構，構造為塊狀構造。其主要礦物成分為石英，石英呈棱角狀、三角錐狀、透鏡狀、橢圓狀等，粒徑多為0.01～0.08 mm，少量可達0.25 mm，含量約占20%。膠結物為微晶方解石，粒徑小于0.01 mm，部分重結晶增生至0.02 mm，可見嵌晶結構。巖石呈基底式膠結。巖石中發育方解石脈，脈寬0.2～0.6 mm，呈彎曲狀。

2 軟巖崩解特性試驗

2.1 浸水崩解試驗

將巖石樣品加工形成5 cm×5 cm（直徑×高）的圓柱狀，采用自然飽水法使試樣逐步浸水飽和。首先浸沒試樣高度的1/4，然后每隔2 h分別升高水面至試樣的1/3和1/2處，6 h后全部浸沒試樣，試樣在水下自由吸水24 h，在試驗過程中觀察巖樣變化情況。

當試驗進行到1 h 時，容器中水被吸干，重新加水后，泥質粉砂巖樣本的表面開始脫落，巖樣開始發生崩解，內部產生較多氣孔。當試驗進行到12 h 時，泥質粉砂巖全部崩解，喪失巖石的基本結構。隨浸水時間的增長，泥質粉砂巖表面和內部的黏粒逐漸流失，顆粒之間的接觸狀態從面—面接觸轉變為面—邊、邊—邊接觸，巖石中孔隙的數量和尺寸隨之增加，直至最后巖石喪失基本結構，完全崩解。鈣質粉砂巖在試驗過程中表面會發生部分崩解，但崩解程度較小，不會喪失基本結構。

2.2 軟化系數測定

將試驗所用巖石樣本加工成5 cm×5 cm（直徑×高）的圓柱狀，從制備的巖樣中選取外觀沒有損傷，無節理裂隙的巖石以備試驗。試驗儀器采用混凝土壓力機，如圖3所示。

將巖石樣品進行干燥處理，干燥后在巖石與混凝土壓力機上試驗，得到其單軸抗壓強度。軟巖的飽和方式采用自然飽水法，首先淹沒試樣高度的1/4，然后每隔2 h分別升高水面至試樣的1/3和1/2處，6 h后全部浸沒試樣，試樣在水下自由吸水24 h。對未崩解的鈣質粉砂巖樣本進行試驗，得其單軸抗壓強度。

通過試驗得到干燥試樣及飽水試樣的單軸抗壓強度，結果如圖4 所示。由試驗結果可知，飽水試樣的單軸抗壓強度較干燥試樣大幅度下降，軟化系數為0.067～0.143，表現出極強的軟化性。當水滲入巖體的孔隙中時，礦物顆粒表面形成的水化膜導致體積膨脹，形成楔劈效應，巖石變得疏松，微觀結構被破壞；顆粒間膠結物的軟化溶解會導致巖石形成新的溶蝕孔隙，顆粒間聯結被削弱，產生崩解破壞；加之水化膜擴散層降低顆粒間摩擦，三方面原因共同作用使巖石表現出極強的軟化性［10，15］。

對比干燥與飽水巖石單軸抗壓強度，利用式（1）可計算軟化系數，計算結果見表1。

式中，η為軟化系數，Rs為飽水時單軸抗壓強度，MPa，Rd為干燥時單軸抗壓強度，MPa。

3 物質成分測定

紅層軟巖的宏觀性質不僅受微觀結構影響，還與其物質組成密切相關。為探究雙塔寺組泥質粉砂巖與赤山組鈣質粉砂巖所表現的不同水理特性，采用X射線衍射的方法對巖石樣本的物質成分進行測定。

3.1 試驗設計

試驗采用DX-2700 型X 射線衍射儀（圖5），通過激發樣本中不同晶體產生不同的衍射效應，得出樣本衍射圖譜，測定巖石的礦物組成。

首先，將各個烘干后的塊狀巖土樣碾磨至粉末狀并過0.075 mm 篩，取過篩后的巖樣粉末填入凹槽，用玻璃板將其壓緊，保證表面平整。其次，刮去槽外或高出樣品板面的多余粉末，重新用玻璃板壓緊，使樣品表面與樣品板面保持一致。最后，設置一定的試驗參數，進行衍射試驗，采集并儲存數據。

3.2 試驗結果

XRD 試驗結果如圖6、圖7 所示。赤山組鈣質粉砂巖中的主要礦物成分為石英和方解石，雙塔寺組泥質粉砂巖中的主要礦物成分為石英、赤銅礦、伊利石。

4 試驗結果及討論

根據崩解巖性試驗及XRD 試驗，赤山組鈣質粉砂巖的主要成分為石英和方解石，遇水后軟化效應明顯，飽水后軟巖單軸抗壓強度約為干燥時的6.7%～14.3%。雙塔寺組泥質粉砂巖的主要成分為石英、赤銅礦、伊利石。伊利石顆粒直徑小，具有極強的親水性，當與水發生作用時，水分子分別進入粒間孔隙和層狀的黏土礦物顆粒間，造成黏土礦物的膨脹。特別是進入層狀黏土礦物顆粒間的水分子形成極化水分子層，極化水分子層會持續吸水引起持續膨脹［16］。伊利石與水發生物理化學反應引起紅層軟巖體積膨脹可達50%～60%，其反應過程為［12］

黏土礦物接觸水后會吸收大量的水分，增加擴散層厚度，降低顆粒間聯結力，從而在中立作用下發生崩解；黏土礦物在膨脹中產生的不均勻吸水會使得巖石內部應力分布不均勻，產生大量微孔隙，最終導致軟巖顆粒的崩解［17］。

紅層軟巖的礦物成分、膠結物類型等內在因素是其遇水軟化、崩解特性的決定性條件，而自然氣候、地理條件、沉積構造等外部因素是影響其特性的間接性條件，內部條件和外部條件共同作用使紅層軟巖具有其特有的崩解特性。紅層軟巖遇水崩解是其結構逐漸失效，強度逐漸喪失，由完整巖石還原為松散堆積物的漸進過程［1］。紅層軟巖因其特有的軟化性，出露部分易風化、遇水崩解，軟化前后力學性質差別較大，巖體易發生碎裂性滑坡。在工程實踐中，宜根據工程實際，選取合適參數，對最不利工況進行分析，尤其注意水對紅層軟巖力學性質的影響。

5 結論

（1）宣城地區雙塔寺組泥質粉砂巖結構以細粒—極細粒為主，構造為條紋狀構造，泥質膠結，部分膠結物發生褐鐵礦化蝕變，碎屑含量約占50%，呈過渡式支撐；赤山組鈣質粉砂巖結構為粉砂狀結構，構造為塊狀構造，膠結物為微晶方解石，可見嵌晶結構，呈基底式膠結。

（2）在進行軟巖崩解試驗時，泥質粉砂巖隨著浸水時間的增加，泥質粉砂巖中的黏性礦物顆粒逐漸流失，顆粒之間的接觸狀態從面—面接觸逐漸轉變為面—邊、邊—邊接觸，孔隙數量和大小隨之增加，導致巖石基本結構喪失，巖石完全崩解。而鈣質粉砂巖在試驗過程中崩解主要發生在表面，不會喪失其基本結構，因此崩解程度較小。

（3）鈣質粉砂巖浸水發生軟化，飽水單軸抗壓強度出現較大幅度下降，軟化系數為0.067～0.143。

（4）赤山組鈣質粉砂巖中的主要礦物成分為石英和方解石，雙塔寺組泥質粉砂巖中的主要礦物成分為石英、赤銅礦、伊利石。黏土礦物吸水膨脹機制與不均勻吸水導致不均勻應力，共同作用導致軟巖崩解，力學性質降低。