紅層巖石結(jié)構(gòu)面特征及工程特性

紅層巖石結(jié)構(gòu)面特征及工程特性

1巖、泥質(zhì)粉砂巖等儲層紅色層是一個具有主要紅色顏色的陸相碎屑層。它形成于三疊紀末至第三系初期，由砂巖、粉砂巖和粘土巖組成。紅層通常為巖性比較軟弱的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等巖層,該類巖層具有透水性弱、親水性強,遇水易軟化、塑變,抗風(fēng)化能力弱,易崩解等特性。云南安楚高速公路有三分之二以上的路段通過滇中紅層地區(qū),由于紅層所具有的特殊工程地質(zhì)特性,特別是遇水后巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪強度大幅度降低,并且具有遇水膨脹、失水收縮的工程特性,對高速公路已經(jīng)開挖的路塹邊坡穩(wěn)定性影響較大,常常在水的作用下發(fā)生失穩(wěn)。本文通過對安楚公路互層路塹邊坡進行調(diào)查,對滇中紅層的水巖作用特征及對邊坡穩(wěn)定性的影響進行分析。2紅層工程的地方特征2.1巖性特征及組成滇中紅層地區(qū)巖體多由薄-中厚層狀的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖等組成,一般呈互層狀產(chǎn)出。紅層巖性特征分述如下:(1)白堊系K1-2:紫色、灰紫色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖,局部呈軟硬相間不等厚互層狀。(2)侏羅系上統(tǒng)J3:紫色、灰紫色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾灰綠色泥灰?guī)r。(3)侏羅系中統(tǒng)J2:紫紅、褐紅、灰紫色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰綠色泥灰?guī)r。(4)侏羅系下-中統(tǒng)J1-2:紫紅色砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖互層。2.2層的微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡對粒徑<0.002mm的紅層泥巖粘土礦物進行微觀結(jié)構(gòu)分析,樣品均屬不規(guī)則粒狀和不規(guī)則片狀疊聚體(圖1)。2.3粘土礦物分析紅層的礦物成份包括碎屑礦物和粘土礦物,而影響紅層工程性質(zhì)的主要是粘土礦物,通過對樣品進行巖礦鑒定,泥質(zhì)類巖石主要成份為粒經(jīng)<0.004mm的鐵泥質(zhì),占60%以上,還含有一定量的石英碎屑及少量長石、方解石(表1)。通過X射線衍射法對粒經(jīng)<0.002mm的粘土礦物進行分析,泥質(zhì)粉砂巖和泥巖的粘土礦物主要為伊利石/絹云母,有少量高嶺石、綠泥石,一個樣品有蒙脫石(表2)。采用原子吸收法對紅層軟巖巖石樣品進行化學(xué)成份分析(表3),其主要化學(xué)成份為SiO2、Al2O3、Fe2O3,三項之和達73%以上,有6%～11%的燒失量,易溶鹽小于2%。3紅砂巖水巖的作用特征3.1膠結(jié)物發(fā)生裂解由于紅層泥巖中的高嶺石、伊利石、蒙脫石、伊/蒙混層等粘土礦物顆粒細小,親水性強,當(dāng)水滲入巖石的孔隙中時,細小顆粒的吸附水膜便會增厚,引起巖石體積的膨脹。由于這種體脹是不均勻的,使得巖石內(nèi)產(chǎn)生不均勻應(yīng)力,部分膠結(jié)物會被稀釋、軟化或溶解,于是導(dǎo)致巖石顆粒的碎裂解體。如伊利石遇水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)引起軟巖體積膨脹,可使原體積增加50%～60%。其化學(xué)反應(yīng)過程為:K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)2+nH2O→K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)·nH2O伴隨著水的作用,與巖石的孔隙、裂隙有關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)及微結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地發(fā)生了變化。有關(guān)泥巖遇水前后孔隙方面的數(shù)據(jù)變化情況(表4),這些微孔隙的出現(xiàn)破壞了天然巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系,使得巖石出現(xiàn)泥化現(xiàn)象,原來的一些大孔隙被泥化物所充填,反而減少了孔隙體積,增加了小孔徑孔隙所占的比例。3.2泥巖、粉砂巖耐崩解性試驗紅層為沉積巖,強度明顯各向異性,特別是脹縮各向異性,其結(jié)構(gòu)松軟,基本上是非分子間作用力相互聯(lián)系,強度低,水化能力強。失水后體積收縮使原有裂隙擴大,并形成新的裂隙,縱橫交錯形成裂隙網(wǎng),聯(lián)系脆弱。在外力稍大變化或重新滲水,即碎裂成巖塊,喪失強度。在失水情況下,發(fā)生不均勻收縮,產(chǎn)生偏應(yīng)力。其結(jié)果是局部應(yīng)力先后超過巖石的抗拉強度,巖體就崩解為碎裂塊體。在勘探過程中鉆孔取出的泥巖、粉砂巖巖芯,晴天3～5h就會出現(xiàn)裂紋,2～3d就會崩解成碎塊或巖屑。邊坡開挖的泥巖、粉砂巖及鉆孔巖芯樣品,室內(nèi)做泥巖、粉砂巖耐崩解性試驗。從試驗過程和試驗結(jié)果(表5)看,紅層樣品都屬于崩解性巖石,這個特性與粉砂巖的膠結(jié)物質(zhì)成分和泥巖的礦物成分有關(guān)。粉砂巖的膠結(jié)物質(zhì)和泥巖的礦物成分均為鐵泥質(zhì),而鐵泥質(zhì)的粘土礦物主要為伊利石/絹云母混層,含量51.41%～100%。伊利石是較強親水礦物,它是工程區(qū)內(nèi)的泥巖、粉砂巖親水性強,遇水易軟化、塑變,強度低,在水的作用下易膨脹,失水易崩解等特性的內(nèi)在因素。紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖開挖暴露后風(fēng)化速度很快,碎落臺及坡面均有風(fēng)化碎屑物堆積,經(jīng)取樣對紅層軟巖風(fēng)化物顆粒進行分析,其粒徑均<60mm,以2～5mm為主,占45.0%(表6)。3.3水文地質(zhì)條件改變由于紅層形成于干早半干早氣候條件下,其中有些層位蘊藏有可溶鹽,在氧化環(huán)境下與水作用,被溶蝕成溶孔、溶隙等。如果人類活動進一步改變既有的水文地質(zhì)條件,就會加速可溶性鹽的溶蝕作用,地下水化學(xué)成分復(fù)雜化,溶蝕空間逐漸擴大,巖層物理力學(xué)性質(zhì)隨之降低,提高了含水層的富水性和滲透性,從而引起水文地質(zhì)條件改變,給工程設(shè)施帶來危害。紅層巖溶的形成發(fā)育生要是因化學(xué)侵蝕而形成的,特別是在水文地質(zhì)條件比較有利的情況下,紅層巖溶會進一步發(fā)育擴大。形成大小不等的溶孔,改變了該層的水文地質(zhì)條件,使該層位成為相對富水層。其化學(xué)反應(yīng)機理如下:CaCO3+2H+→Ca2++H2O+CO23.4如果你對水進行軟化3.4.1夾層結(jié)構(gòu)面為復(fù)合纖維,比一般在淺表部合作發(fā)育出一種明顯的力學(xué)強度由于滇中紅層軟弱夾層的結(jié)構(gòu)面發(fā)育,紅層軟巖軟弱夾層的粒度成分以細粒組為主,粘粒含量較高,多數(shù)在30%以上。由于軟弱夾層的結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,其含水量較高,在淺表部處于硬塑-軟塑狀態(tài),因此其力學(xué)強度相當(dāng)?shù)?。軟弱夾層中還普遍含有粘土礦物,在水的作用下產(chǎn)生泥化、軟化,形成泥化夾層,使夾層強度進一步降低,從而對坡體的穩(wěn)定性起控制作用(表7)。3.4.1剪切破壞特征由于紅層泥巖粘土礦物含量高,粘土礦物具有比表面大、親水性強、離子交換容量大等特性,因此粘粒含量越高,巖石遇水后強度大幅度降低,其剪切破壞具有塑性破壞的特點,剪切位移大,彈性變化范圍小,剪切破壞過程中具有明顯的屈服階段和塑流破壞過程(表8)。4坡面流作用下基層變形特征滇中紅層地區(qū)由于安楚公路紅層受區(qū)域性構(gòu)造體系控制和影響,小斷層、節(jié)理、裂隙十分發(fā)育,節(jié)理多為陡傾角,間距變化較大,巖體構(gòu)造節(jié)理密布,工程區(qū)紅層軟巖巖體構(gòu)造節(jié)理都在3組以上,結(jié)構(gòu)面組合形成楔形體的概率極高,在水的作用下,結(jié)構(gòu)面遇水泥化、強度降低,導(dǎo)致楔形體破壞失穩(wěn)。紅層通常呈砂泥巖互層狀產(chǎn)出,紅層中泥巖屬于軟巖,強度低,在壓剪應(yīng)力作用下變形大,變形呈現(xiàn)出明顯的塑性變形特征,且遇水后軟化。而砂巖則相反,強度高,屬硬巖,在坡體應(yīng)力作用下變形小,呈明顯的脆性變形特征。在坡體應(yīng)力的作用下,砂泥巖產(chǎn)生差異變形,促進上部砂巖陡傾節(jié)理的發(fā)展擴大,其陡傾節(jié)理更易于地表水的下滲,從而軟化泥巖,促使砂泥巖差異變形的進一步發(fā)展和砂巖陡傾節(jié)理的進一步擴大,直至產(chǎn)生巖體拉裂變形,或小規(guī)模的傾倒變形破壞。在暴雨或持續(xù)降雨條件下地表水大量下滲,下滲的地表水沿不透水的泥巖層面匯集、運動,從而軟化砂泥巖層面,大大減低層面強度,增加巖體自重,產(chǎn)生滲透水壓力,同時在砂巖裂隙中充水形成裂隙水壓力,巖體在上述各種因素作用下,邊坡發(fā)生失穩(wěn)。同時紅層還具有很強的崩解性,邊坡開挖后發(fā)生崩解,降雨及其形成的坡面流作用下破壞流失的現(xiàn)象。當(dāng)邊坡坡度較緩時,水力坡度較小,不足以切割成深溝,以片蝕為主,包括雨滴濺蝕和坡面上薄層水流作用引起的面蝕;隨著邊坡坡度增大,水的淘蝕能力加強,溝蝕作用越發(fā)顯著,逐漸由最初的細溝侵蝕,發(fā)展成具有一定深度和寬度的淺溝侵蝕和切溝侵蝕,最終形成高強度的沖溝侵蝕,而且常在局部緩坡位置形成落水洞;溝蝕越強烈,被淘空的土體厚度越大,于是邊坡就會在重力作用下發(fā)生坍塌現(xiàn)象。5邊坡失穩(wěn)及防護滇中紅層為一套砂巖、粉砂巖、泥巖組成,通常為巖性比較軟弱的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等,特別是紅層泥巖富含的高嶺石、伊利石、蒙脫石、伊/蒙混層等粘土礦物顆粒細小,親水性強,在地下水入滲的情況下結(jié)構(gòu)面泥化,巖體發(fā)生軟化,強度降低。在失水情況下,發(fā)生不均勻收縮,巖體就崩解為碎裂塊體。同時在地下水的作用下發(fā)生溶蝕,溶解。紅層還具有很強的崩解性,邊坡開挖后發(fā)生崩解,降雨及其形成的坡面流作用下破壞流失的現(xiàn)象。由于滇中紅層所特有的地質(zhì)構(gòu)造,受區(qū)域性構(gòu)造體系控制和影響,小斷層、節(jié)理、裂隙十分發(fā)育,節(jié)理多為陡傾角,在水的作用下,結(jié)構(gòu)面遇水泥化、邊坡常呈楔形體破壞失穩(wěn)。紅層通常呈砂泥巖互層狀產(chǎn)出,在水的作用下發(fā)生差異變形,促進上部砂巖陡傾節(jié)理的發(fā)展擴大,在降雨條件下地表水大量下滲,軟化砂泥巖層面,減低層面強度,增加巖體自重,產(chǎn)生滲透水壓力,在這些因素作用下,使邊坡發(fā)生失穩(wěn)。針對紅層所特有的水巖作用特征,在工程實踐中應(yīng)注意:減少邊坡的暴露面,縮短邊坡暴露時間,對紅層邊坡坡面應(yīng)及時采用全封閉式防護方法