川南地区沙溪庙组红层泥岩膨胀特性研究进展

川南地区沙溪庙组红层泥岩膨胀特性研
究进展
摘要：侏罗系沙溪庙组是四川盆地分布面积最广的一组红层，其主要分布于
川东南的泸州-重庆一带，岩性以工程性质较差的泥岩为主，具有透水性弱、亲
水性强、遇水易软化，具有抗风化能力弱、崩解性强、强度低，具有一定的膨胀性、容易产生滑坡等地质灾害。

随着成渝地区双城经济圈建设国家战略的实施，
各类机场、高铁、桥梁和城市新区等工程建设的推进，总结沙溪庙组红层泥岩的
膨胀特性，对于指导成渝地区双城经济圈工程建设有十分重要的意义。

关键词：川南地区沙溪庙组红层泥岩膨胀特性
红层是一种外观以红色为主色调的高温及氧化环境中沉积的陆相碎屑岩地层，主要形成于三叠纪、侏罗系、白垩系和古近系[1]。

我国红层分布总面积约
82.6×104km2 [2]，其中四川盆地分布总面积约16.5×104km2 [3]，占四川盆地总面积
的63%，以侏罗系和白垩系地层为主，主要分布于四川盆地及盆地边缘地区，盆
地内除成都平原和华蓥山等地区外，全部为红层出露区，是我国红层分布最广和
最有代表性的地区[4]。

红层以泥岩、砂质泥岩和砂岩为主，其中泥岩的工程性质
最差，具有亲水性强、抗风化能力弱[5]和一定的膨胀性、容易产生滑坡地质灾害[6-7]。

侏罗系沙溪庙组是四川盆地分布面积最广的一组红层，主要分布于川东南的
泸州-重庆一带，如重庆市区约70%面积都坐落于沙溪庙组[8]，该组泥岩有一定的
膨胀性[9]。

在干湿循环条件下，泥岩不均匀膨胀和收缩可能引发各种工程地质问题，如建筑物地基不均匀胀缩变形造成开裂[10]、高速铁路路基持续上供造成高铁
不能正常运营[11]、隧洞围岩塌落及底板隆起[12]和导致滑坡地质灾害等[13-14]。

随着
成渝地区双城经济圈建设国家战略的实施，各类机场、高铁、桥梁和城市新区等
工程建设的推进，总结沙溪庙组红层泥岩的膨胀特性，对于指导成渝地区双城经
济圈工程建设有十分重要的意义。

1、红层泥岩的矿物成分
川南地区沙溪庙组红层泥岩的矿物成份包括碎屑矿物和黏土矿物，而影响红
层工程性质的主要是亲水性黏土矿物，黏土矿物是红层泥岩吸水膨胀的物质基础。

沙溪庙组泥岩XRD矿物分析结果，膨胀性泥岩多以黏土矿物为主，占
46.1~48.9%[1]；其次为石英、长石和赤铁矿。

黏土矿物又多以伊利石和蒙脱石为主，其次为高岭石和绿泥石[1、12、14]。

2、红层泥岩膨胀变形阶段
在长期浸水环境中，红层泥岩吸水膨胀变形具有显著的时间效应，原状泥岩
试样内发育的微裂隙处于“吸水→膨胀→裂隙扩展→进一步吸水→进一步膨胀”
的过程，并可以划分为三个阶段（见图1）[1、12]。

图１沙溪庙组泥岩侧限无荷膨胀率试验[12]
2.1 急剧膨胀阶段（图1中的O-A段）
红层泥岩一旦浸入水中，在较短时间内，由于水分子的吸附和渗透作用，泥
岩含水率明显增加，结晶格架膨胀隆起，产生较剧烈的膨胀变形和膨胀压力。

此
阶段约在0.5~1h内完成，膨胀量达到总膨胀量的72％。

2.2 减速膨胀阶段（图1中的A-B段）
随着时间持续，泥岩试样膨胀变形和膨胀压力增加速率逐渐降低，趋于相对
稳定阶段，泥岩持续膨胀变形。

此阶段约在2.5h内完成，膨胀量约为总膨胀量
的23%，累计膨胀量可达总膨胀量的95%[12]，但钟志彬等[1]的泥岩膨胀试验得出的
该阶段时间较长，约为170h，可能与两者试验样品尺寸不一致、膨胀试验具有尺
寸效应有关。

2.3 稳定膨胀阶段（图1中的B-C段）
随着时间持续，试验开始约6h后，泥岩膨胀变形速率趋于0，膨胀趋于稳定，试样的竖向和径向基本不再发生膨胀变形。

3、膨胀变形影响因素
红层泥岩膨胀变形受岩石本身结构特征及外部环境因素的影响，包括受黏土
矿物含量、吸水率、岩石结构特征、约束条件等的因素的影响。

3.1黏土矿物含量
红层泥岩中一般含大量伊利石、绿泥石、蒙脱石和高岭石等黏土矿物，这些
黏土矿物亲水性较强，特别是蒙脱石亲水性最强。

当水渗入岩石裂隙，黏土矿物
吸附的水膜会增厚，引起岩石体积膨胀，如伊利石遇水膨胀可使原体积增加
50~60%，其化学反应过程为[15]：
K
0.9Al
2.9
Si
3.1
O
10
(OH)
2
+nH
2
O→K
0.9
Al
2.9
Si
3.1
O
10
(OH)·nH
2
O
所以泥岩中黏土矿物含量越高，蒙脱石和伊利石含量越高，泥岩的膨胀性也就越强。

3.2 吸水率
相同矿物成分的红层试样，一般初始含水率越小，膨胀性越大[12]。

但是相同初始含水率的岩样，也会表现出明显不同的膨胀变形特性，这可能与其吸水率不同有关，相同初始含水率的不同岩样内部裂隙发育特征不同，造成吸水量不同，膨胀变形量也就不同。

钟志彬等[1]认为采用岩石吸水率评价红层泥岩膨胀特性更准确，泥岩膨胀量与吸水率呈对数关系（见图2），但是岩石初始含水率越小，膨胀性确不一定越大。

图2沙溪庙组泥岩初始含水率和吸水率影响对比[1]
3.3 岩石结构特征
影响红层泥岩膨胀变形的结构特征即包括了岩石的隐微裂隙，也包括了岩体
的节理和层理等宏观裂缝。

（1）隐微裂隙
泥岩岩体中的隐微裂隙主要包括成岩裂隙和风化裂隙等，未风化和微风化泥
岩岩体隐微裂隙较不发育，完整性较好，完整的泥岩渗透系数极小，一般为
4Lu[16]，属于弱透水岩体；强风化和中风化泥岩岩体中发育了部分隐微裂隙，渗透系数较高，一般30~50 Lu，属于中等透水岩体。

泥岩浸水后水分主要通过岩体内
发育的隐微裂隙渗透，岩石隐微裂隙越发育，岩石吸水越充分，膨胀变形速率越快，引起总的膨胀变形也越大[1]。

（2）宏观裂缝
泥岩岩体中的宏观裂隙主要指构造裂隙和风化裂隙等，包括了各种构造节理、卸荷裂隙和层理层理等，裂隙规模较大，地下水可以发生渗流。

一般宏观裂隙越
发育，岩石吸水越充分，膨胀变形速率越快，引起总的膨胀变形也越大。

3.4 约束条件
影响红层泥岩膨胀变形的约束条件包括室内试验侧向约束和上覆荷载约束。

（1）侧向约束
室内试验侧向约束的存在，使岩样侧向膨胀受到限制，在一定程度上限制了泥岩侧向吸水，导致侧向裂隙扩展不充分，从而又进一步限制了其膨胀变形，导致泥岩试样膨胀变形显著减小[1]。

（2）上覆荷载
平衡加压法的膨胀试验结果显示，随着竖向荷载增大，泥岩试样的膨胀变形减小（见图3），当竖向压力等于100kPa时，红层泥岩膨胀率为0；当竖向压力大于100kPa时，红层泥岩被压缩。

可见，竖向荷载对泥岩膨胀变形的影响十分明显[12]。

对实际工程岩体，上覆土体的压力和岩体自重压力都对泥岩膨胀有较大的影响，红层泥岩岩粉的膨胀量随着上覆压力的增大而减小，随着压力的减小而增大[7]。

图３沙溪庙组泥岩侧限有荷膨胀时程变化曲线
4、膨胀变形等级划分
根据泥岩蒙脱石含量、饱和吸水率和自由膨胀变形量等指标，可将红层泥岩定量划分为弱膨胀、中膨胀和强膨胀等三个等级。

当红层泥岩中蒙脱石含量小于10%、岩体饱和吸水率小于10%、岩体自由膨胀变形量小于10%时为弱膨胀岩。

当红层泥岩中蒙脱石含量大于30%、岩体饱和吸水率大于50%、岩体自由膨胀变形量大于15%时为强膨胀岩（见表1）。

川南地区沙溪庙组泥岩膨胀等级一般为非膨胀岩[1]，但也有岩石遇水后膨胀变形率达到11.70%，为弱膨胀岩体[9]。

表1岩石膨胀特性分级表[9]
5、实际工程岩体的区别
实际工程岩体是以致密岩石块体及不同尺度结构面构成的复合地质体，其膨
胀特性与室内试验存在较大差异。

红层泥岩中黏土矿物含量普遍较低，同时其渗
透性极小，在上覆岩层压力及侧向约束作用下，实际工程岩体吸水膨胀速率较慢，实际工程中降雨下渗影响深度有限，泥岩吸水膨胀变形作用时长将会有所增长，
具有较强的时效性膨胀。

但是，在一些人类工程开挖较大的区域，如深挖路堑表
面的红层泥岩发育卸荷裂隙，成为有效的渗水通道，常发生吸水膨胀，造成深挖
路基持续上供[11]；如深基坑坑底表面的红层泥岩因开挖卸载，形成微裂隙，加之
开挖后的基坑成为地下水的渗流和排泄优势区域，基坑富水，造成坑底泥岩吸水
膨胀。

6、结语
川南地区沙溪庙组红层泥岩中亲水性黏土矿物吸水膨胀的物质基础，黏土矿
物含量越高，泥岩的膨胀性也就越强。

红层泥岩吸水膨胀变形具有显著的时间效应，并可以划分为三个阶段：急剧膨胀阶段、减速膨胀阶段和稳定膨胀阶段。

红
层泥岩膨胀变形受黏土矿物含量、吸水率、岩石结构特征、约束条件等的因素的综合影响。

川南地区沙溪庙组泥岩膨胀等级一般为非膨胀岩，但也有岩石遇水后膨胀变形率达到11.70%，为弱膨胀岩体。

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