水巖耦合下的紅層軟巖微觀結構特征與軟化機制研究*

謝小帥 陳華松 肖欣宏 王 靜 周家文

( ①四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室 成都 610065)

( ②云南省水利水電勘測設計研究院 昆明 650021)

( ③四川大學水利水電學院 成都 610065)

0 引 言

紅層軟巖指的是以陸相沉積為主，巖性以砂巖、泥巖、頁巖為主，巖性組合以“互層”為特征，外觀以紅色為主色調的中、新生代的碎屑狀的沉積巖層( 張永安等，2008; 魏瑞等，2010) 。紅層軟巖是典型的大變形，難支護巖體，具有強度低、親水能力強、遇水易軟化、失水易崩解等特殊工程特性，在水巖作用下對控制公路邊坡穩定，影響壩基以及地下洞室的變形方面起著重要作用( 簡文星等，2005; 劉小偉，2008; 王運生等，2009) 。針對紅層軟巖的特殊工程特性，許多學者對其物理力學性質及微觀結構進行了理論和試驗研究。郭志( 1996) 通過軟巖膨脹崩解耐久性、凍融作用、力學性質試驗，得到了軟巖力學特性與賦存環境和時間的關系，并對軟巖的力學性質變化特征進行了歸納。劉長武等( 2000)充分詳盡地研究了泥巖軟化前后的物質組成以及微觀結構變化過程與規律，并針對泥巖崩解軟化的機理進行了深入分析; 周翠英等( 2005) 以華南地區分布廣泛的紅色砂巖及黑色炭質泥巖等幾種不同類型的典型軟巖為研究對象，進行了不同含水條件下的軟巖力學性質測試，最終發現了軟巖遇水軟化的力學規律性; 黃宏偉等( 2007) 采用掃描電鏡與X 射線衍射儀的方式，分析了華北中生代不含蒙脫石的煤系地層泥巖的微觀結構與物質組成，得到了該泥巖微觀結構在遇水逐漸軟化的過程中隨時間變化的動態規律; 王振等( 2015) 對白堊系鈣質泥巖進行了礦物成分分析和物理力學性質試驗，分析了鈣質泥巖水巖作用特征，探討了不同黏土礦物含量鈣質泥巖遇水后強度和變形參數的變化規律和軟化機理;張麗敏等( 2016) 基于對紅層軟巖的力學試驗和實地調查，發現紅層軟巖三軸壓縮破壞形態以壓裂片狀剝落和剪切破壞為主; 鄧華鋒等( 2017) 考慮干燥、自然和飽水3 種狀態，對紅層軟巖抗壓和抗拉強度特性、變形破壞特征及微觀結構特征進行了比較系統的試驗和檢測分析。

通過上述研究可以發現，學者們在對軟巖的力學性質及微觀結構的研究方面已經取得一定的成果，但針對水巖耦合下軟巖基本特征和軟化機制的研究還相對較少。水巖長期作用下水對巖石產生物理化學及力學作用，軟巖的微觀結構及力學性質發生巨大變化。本文以滇中紅層軟巖地區所取泥巖試樣為研究對象，針對自然和飽水狀態下開展單軸、三軸壓縮試驗，同時采用掃描電鏡、能譜分析其物質組成及礦物成分，并用X 射線衍射技術研究了不同含水狀態下巖石微觀結構的變化。基于試驗結果，對滇中地區紅層軟巖遇水軟化微觀機制進行了總結分析。研究成果可為長時間處于水環境下的軟巖工程設計與施工提供理論參考。

1 水巖作用下紅層軟巖基本力學特性

滇中地區紅層軟巖主要形成于白堊紀、侏羅紀，部分形成于三疊紀，主要巖石類型為泥巖、粉砂巖、細砂巖，顏色主要為棕黃、褐綠、紫紅、褐紅、灰紫等偏紅色調，巖體結構包括泥質軟巖和厚層硬巖層狀結構以及軟硬相間的多巖性互層結構。以滇中地區鉆孔所取泥巖巖芯為研究對象，標準試件在實驗室內精細加工而成，根據國際巖石力學學會規定，采用直徑50 mm，高度100 mm 的圓柱形試件。本次試驗在四川大學巖土工程省重點實驗室MTS815 程控伺服巖石剛性試驗系統上進行，分別研究自然和飽和狀態下泥巖的單、三軸壓縮強度及變形特征。

1.1 軟巖單軸壓縮力學特性

巖石的單軸壓縮試驗是研究巖石瞬時力學性質的重要試驗方法，通過對巖石單軸壓縮試驗結果的觀察以及應力－應變曲線的分析，可以掌握軟巖的強度特性、變形特性，確定軟巖變形破壞最基本的力學參數。圖1 為試樣自然和飽和狀態下泥巖破壞示意圖。

圖1 軟巖試樣單軸壓縮試驗Fig. 1 Uniaxial compression test for soft rocks

從圖1 可以看到，軟巖試樣在單軸壓縮應力作用下均表現為劈裂破壞。自然狀態下巖樣呈片狀剝落，在初期應力較小的階段就開始出現零星的片狀脫落，隨著壓力的增大，主裂紋形成并逐步擴展，最終沿巖石中部貫穿直至發生破壞，試樣中部出現大量的片狀破碎巖石; 飽和巖樣發生劈裂破壞時，巖體破壞程度更高，試樣沿軸向主裂紋破壞，呈現出較大且完整的塊狀巖石。

軟巖試樣自然和飽和狀態下單軸壓縮應力－應變全過程曲線見圖2。對比自然和飽和狀態應力－應變曲線可以發現，自然狀態下應力持續增加達到峰值強度后立即發生破壞，巖石的破壞形式為脆性破壞; 而飽和狀態下，應力不斷增加，應力與應變近似呈正比關系，到達峰值強度后曲線呈現波動鋸齒狀并保持一段時間，巖石產生了不可逆的塑性變形，繼續增加應力試樣發生破壞。

巖石飽水狀態試件的抗壓強度和自然狀態試件的抗壓強度是不同的，通常稱它們的比值為軟化系數。由巖石自然和飽和單軸壓縮試驗結果可知，自然狀態下軟巖單軸抗壓強度為29.5 MPa，飽和狀態下其單軸抗壓強度為16.6 MPa，經計算可得該泥巖軟化系數為0.56。通常認為軟化系數小于0.75 的巖石為軟化巖石，其軟化性較強，工程地質特性較差。

1.2 軟巖三軸壓縮力學特性

圖2 軟巖應力－應變曲線( 單軸壓縮)Fig. 2 Stress-strain curves of soft rocks( uniaxial compressive)

在實際巖體工程中，巖石一般處于三向應力狀態，因此，針對軟巖試樣采用三軸壓縮試驗所獲得的強度與變形特征更符合工程實際。試驗所取巖樣為8 組，分別施加3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa 圍壓，在保持圍壓不變的情況下，以0.05 mm·min－1的變形加載速度施加軸向荷載，直至試件破壞。圖3 為試樣在7 MPa 圍壓下自然和飽和狀態下的泥巖破壞示意圖。

從圖3 可以看到，軟巖三軸壓縮破壞形式為斜截面剪切破壞。自然狀態下，巖樣只出現一條斜切貫穿裂縫，巖樣整體比較完整; 飽和試樣在三軸壓縮下，巖體破壞程度提高，出現多條破壞裂隙和斜切貫穿裂縫。相較于單軸壓縮，破壞巖樣未出現大量塊狀脫落，表面出現明顯斜切貫穿裂縫。

圖3 三軸壓縮狀態下軟巖試樣破壞形式Fig. 3 Failure mode of soft rock samples under triaxial compression

圖4 軟巖應力－應變曲線( 三軸壓縮)Fig. 4 Stress-strain curves of soft rocks( triaxial compressive)

根據軟巖巖樣三軸壓縮試驗結果，得到8 組試樣三軸壓縮狀態下應力－應變曲線，如圖4 所示，在應力值較小的時候，應力－應變曲線略向上凹，隨著應力的持續增加，在達到一定數值后，應力－應變曲線近似呈直線，直到試樣強度達到峰值。與單軸壓縮試驗不同的是，軟巖試樣達到峰值強度后，隨著應變的增加，應力下降，巖石發生應變軟化，隨著塑性變形的持續發展，應力降低到一定數值后不再隨應變的增加而繼續減小，該點應力值稱為殘余強度。紅層軟巖因為殘余強度的存在表明巖石破壞以后，并不是完全失去承載能力，這對于圍巖支護的設計具有重大意義。由圖中軟巖三軸應力－應變曲線可知，在相同圍壓下，飽和狀態下軟巖峰值強度與殘余強度較自然狀態有顯著降低，如自然狀態下，5 MPa圍壓下軟巖的峰值強度為48.5 MPa，殘余強度為23.6 MPa; 飽和狀態下，5 MPa 圍壓下軟巖的峰值強度為31.6 MPa，殘余強度為13.5 MPa。

2 紅層軟巖微觀結構及物質組成分析

2.1 元素組成分析

由于巖土體材料礦物顆粒細微，傳統的光學顯微鏡很難準確識別其礦物組成，但是能譜－掃描電鏡的組合不僅可以觀察到其微觀結構形態特征，還能對其化學成分進行快速而準確的分析，本節借助電鏡掃描試驗的EDS 附件對滇中地區軟巖試樣進行能譜分析試驗，以測定其化學元素組成，結果如圖5 所示。

由圖5 可知，軟巖試樣元素組成主要包括O、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe 等元素，其中O 元素占比含量最高，達到52.37%，其次為Si 和Al，含量分別為27.58%和9.34%。從元素組成可以推斷，軟巖化學成分應以氧化物為主，主要包括SiO2、Al2O3等。在巖土體化學元素組成中，Si 元素構成的二氧化硅( SiO2) 往往以復雜黏土礦物、原生硅酸鹽和游離氧化硅等形式存在; Al 元素構成的氧化鋁( Al2O3) 是黏土礦物復雜體的基本組成部分; Fe 元素組成的氧化鐵( Fe2O3) 主要是影響巖體的外觀顏色; 其余K、Ca 等元素分別以相應的氧化物形式存在，如Ca主要是以碳酸鹽形式存在，K 是以鉀離子形態為黏土礦物所吸附。

圖5 軟巖化學元素含量圖Fig. 5 The chemical elements content of soft rocks

2.2 礦物組成分析

晶體的X 射線衍射圖像的本質在于每種晶體的結構都有唯一的X 射線衍射圖與之對應，它與異種物質混合在一起，其特征X 射線衍射圖譜也不會發生改變。因此利用X 射線衍射圖譜，結合粉末衍射卡片就可以對巖石礦物進行定性分析。鑒定出各個相后，根據各相衍射花樣的強度正比于該組分存在的量，就可以對各組分進行定量或半定量分析。本次研究利用四川大學分析測試中心的X 射線衍射儀( XRD) 分析滇中引水地區紅層軟巖礦物成分。表1 為軟巖巖樣礦物組成及含量表。

表1 軟巖試樣礦物組成及含量Table 1 Mineral formation and content of soft rocks

由表1中數據可知，該組軟巖試樣主要礦物包含石英、氧化鐵、碳酸鈣、綠泥石、伊利石，其中伊利石含量最高，達到48%，其次為石英及綠泥石，含量占比分別為42%和5%，最后為少量的氧化鐵和碳酸鈣。通常認為泥巖礦物成分復雜，主要由黏土礦物、碎屑礦物以及其他鐵錳質和有機質組成，由該泥巖試樣礦物成分分析結果可知，泥巖黏土礦物含量占比較高，其中伊利石親水性較強，當地下水滲入巖石空隙后，黏土礦物將發生分子膨脹作用和膠體膨脹作用，在宏觀上則表現為軟巖的體積膨脹，而這種膨脹作用所產生的應力分布非常不均勻，可能導致軟巖崩裂，部分膠結物會溶解、軟化，進而使得巖石破碎解體。

2.3 水巖作用下微觀結構分析

軟巖微觀結構的分析主要采用掃描電鏡的手段，電鏡掃描技術( SEM) 對于分析巖土體材料的微細觀結構，進而揭示巖石的力學機理有著重要的作用。采用場發射掃描電子顯微鏡對滇中紅層軟巖的微觀結構進行深入研究，掃描電子顯微鏡可以采用不同放大倍數對試樣進行掃描拍照，其中低倍觀測的可視范圍較大，便于從整體上了解巖樣的結構，高倍觀測可以更好的了解局部區域微觀結構及接觸形態，本次研究紅層軟巖在天然狀態和飽和狀態的情況下，分別采用500、1000 和2000 的典型放大倍數對試樣進行掃描拍照，結果如圖6 所示。

由圖6 可知，在自然狀態下，從500 倍放大倍數條件下可以初步看出該組泥巖結構比較致密，粉粒含量較高，孔隙分布較為均勻，總體上呈現出的是團粒狀結構; 從1000 倍的SEM 可以看出泥巖中團狀結構增多且顆粒變大，推測這可能因為黏土顆粒含量較高，這些較大的顆粒由細小的黏土顆粒構成并相互交織在一起，這樣的結構充分反映出泥巖由黏土礦物組成的特性; 繼續放大至2000 倍SEM 可以看到泥巖的微觀結構呈塊狀及片狀、鱗片狀分布，仍有較多絮凝狀顆粒雜亂無章的排列著，總體看來其結構松散且孔隙較多。在飽和狀態下，從500 倍SEM 可以看出該組泥巖結構整體呈現為團狀和絮凝狀結構，顆粒吸水后變得粗大蓬松，泥巖的細小絮凝狀和粒狀黏土礦物的量有所減少。繼續觀察1000 倍SEM 可以發現，泥巖隨著水作用時間的推移，其內部細小的黏土礦物顆粒吸水膨脹導致其自身體積增大，并且更多的膠結在一起形成較大的集粒，遇水后呈片狀和鱗片狀分布。從2000 倍SEM可以觀察到泥巖內部片狀、鱗片狀及塊狀結構增多，結構松散，同時由于泥巖巖樣中的孔隙被水填充，導致孔隙擴張，孔洞越發的發育，分布雜亂無序，微結構單元間呈面－面接觸、點一面接觸形態。

3 紅層軟巖軟化機制研究

隨著西南地區交通和地下空間進一步的發展，軟巖工程的安全控制問題將越來越突出，而掌握軟巖的軟化機理是控制軟巖工程穩定性的基礎。通常情況下，受實際工程復雜地質條件的影響，軟巖軟化變形的原因較為復雜，其軟化的機制可能是一種或多種因素綜合影響的結果。

圖6 自然狀態和飽和狀態下軟巖電鏡掃描微觀結構比較圖Fig. 6 Comparison of scanning microstructure of soft rocks in the natural state and saturated state

由表1 軟巖礦物成分可以知道，黏土礦物含量高，伊利石和綠泥石的含量占比達到53%。伊利石也稱水云母，其親水性較強，晶體結構由3 層結構晶胞組成，包括兩層硅片和一層鋁片，晶胞之間含有一些反離子，當地下水滲入巖石孔隙后，反離子逸出，水分子與黏土礦物作用在其內部形成礦物層間水層，致使晶層間連接變弱，黏土礦物顆粒發生膨脹，伊利石與水的反應過程如下:

已有研究表明伊利石與水反應會使其體積發生膨脹，大約增加50%～60%( 朱效嘉，1996) 。巖樣內部的差異膨脹在宏觀上表現為軟巖的體積膨脹，這種膨脹作用所產生的應力分布非常不均勻，巖石內部出現了大量微孔隙，使得巖樣的結構體系發生破壞，導致巖石顆粒崩裂。另外，由于軟巖礦物的溶蝕和次生作用，水溶液滲入孔隙中與巖石顆粒發生化學反應，使得顆粒粒間接觸面由鋸齒狀或不規則狀向圓滑狀轉變，巖石的黏聚力和內摩擦角也因這一變化而減小，巖石力學強度顯著降低。

在水巖作用下，巖石的微觀機構也發生了較大的變化。由圖6 軟巖SEM 圖像可以看出，自然狀態下，泥巖微觀結構以細小顆粒為主夾雜少量團狀結構，它們互相膠結連結，孔隙空間分布均勻，結構較為致密; 軟巖遇水后黏土顆粒吸水膨脹并聚集成團，團粒間連結松散，孔隙被水充填之后迅速擴張，使得原來并未完全連通的孔隙之間相通，并產生許多小孔隙，孔隙率增加，從而增大了泥巖的水解作用效果，結構變得越發疏松，同時泥巖結構由團粒狀結構向塊狀和鱗片狀結構轉變，顆粒間的膠結連結被破壞，塊狀和鱗片狀結構的增多顯示著軟巖遇水膨脹變形的特征，從而引起軟巖在宏觀上軟化及崩解。

在力學性質方面，軟巖泡水后巖體破壞程度也大大提高，由天然狀態下的大量片狀破碎巖石脫落到飽和狀態下的沿主裂紋破壞，并出現較大且完整的塊狀巖石。單軸抗壓強度從29.5 MPa 下降到16.6 MPa，軟化系數達到0.53，這說明軟巖在水巖作用下宏觀力學性質的劣化與其微觀結構的變化是密切相關的。

總結來說，由于軟巖的黏土礦物成分含量高，顆粒親水能力強，土顆粒間聚集了許多自由水和結合水，巖石礦物晶胞吸水膨脹，巖石力學性質發生變化; 同時，黏土礦物還會與水發生反應，巖體體積進一步膨脹，巖體內部產生不均勻應力，出現大量微孔隙，巖體結構發生破壞; 另外，軟巖礦物的次生和溶蝕作用，削弱了顆粒間膠結能力，使得顆粒之間發生錯動，引起了巖體內摩擦角和黏聚力等參數不斷減小，在上述多方面的綜合影響下最終導致紅層軟巖的軟化。

4 結 論

(1) 水巖作用下軟巖力學性質劣化明顯，單、三軸力學實驗表明巖石峰值抗壓強度顯著降低，軟巖試樣破壞程度提高，軟化系數為0.53。

(2) 在滇中地區紅層軟巖主要化學元素中，O元素含量占比最高，達到52.37%，其次為Si 和Al，化學成分以氧化物為主; 主要礦物成分為石英和伊利石，其中以伊利石和綠泥石為主的黏土礦物含量達到53%。

(3) 在水的作用下，黏土礦物吸水膨脹，軟巖微觀結構由致密的團粒狀結構向結構疏松的塊狀及鱗片狀結構轉變，從宏觀上表現為泥巖遇水軟化后力學性質劣化。

(4) 紅層軟巖在水巖作用下，伊利石等黏土礦物遇水反應，軟巖發生不均勻體積膨脹，膨脹作用所產生的應力分布并不均勻，巖石內部出現大量微孔隙，破壞了巖樣的結構體系，從而引起軟巖軟化。

(5) 紅層軟巖的軟化機制包括軟巖礦物的溶蝕和次生作用、黏土礦物的吸水膨脹與崩解、軟巖與水作用導致顆粒間膠結連結破壞等。