红层泥岩水岩作用特征研究

表 1 红层软岩岩矿鉴定成果汇总表 Table 1 Statistics of m ineral and chem ical
composition of red beds
取样 地点
岩样 名称
矿物成份 / ( % )
铁
方褐
石
绢云母 长
泥
解铁
英
绿泥石 石
质
石矿
含石英粉砂
K90 铁质泥岩
15
85 少
KY90 -1
J ou rna l of Eng ineering Geology 工程地质学报 1004 - 9665 /2008 /16 (01) 20022205
红层泥岩水岩作用特征研究 3
张永安 ①② 李 峰 ① 陈 军 ②
( ①昆明理工大学国土资源工程学院 昆明 650093) ( ②中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院勘察分院 昆明 650041)
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Jou rna l of Eng ineering Geology 工程地质学报 2008
16 (1) 张永安等 :红层泥岩水岩作用特征研究
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的水岩作用特征及对边坡稳定性的影响进行分析 。
2 红层工程地质特性
2. 1 地层岩性特征
滇中红层地区岩体多由薄 - 中厚层状的泥岩 、 泥质粉砂岩 、粉砂质泥岩 、粉砂岩 、砂岩等组成 ,一般 呈互层状产出 。红层岩性特征分述如下 : ( 1 )白垩 系 K1 - 2 :紫色 、灰紫色砂岩 、泥质粉砂岩夹泥岩 ,局 部呈软硬相间不等厚互层状 。 ( 2 )侏罗系上统 J3 : 紫色 、灰紫色泥岩 、泥质粉砂岩夹灰绿色泥灰岩 。 (3)侏罗系中统 J2 :紫红 、褐红 、灰紫色泥岩 、粉砂质 泥岩夹砂岩 、泥质粉砂岩 、灰绿色泥灰岩 。 ( 4)侏罗 系下 - 中统 J1 - 2 : 紫红色砂岩 、泥岩 、泥质粉砂岩互 层。
M nO 0. 02 0. 15
P2O5 烧失量 易溶盐 0. 08 5. 80 1. 10 0. 15 11. 05 1. 16
3 红层泥岩的水岩作用特征
3. 1 水化 (膨胀 )
由于红层泥岩中的高岭石 、伊利石 、蒙脱石 、伊 / 蒙混层等粘土矿物颗粒细小 ,亲水性强 ,当水渗入岩 石的孔隙中时 ,细小颗粒的吸附水膜便会增厚 ,引起 岩石体积的膨胀 。由于这种体胀是不均匀的 ,使得 岩石内产生不均匀应力 ,部分胶结物会被稀释 、软化 或溶解 ,于是导致岩石颗粒的碎裂解体 。如伊利石 遇水发生物理化学反应引起软岩体积膨胀 ,可使原 体积增加 50% ～60%。其化学反应过程为 : K0. 9 A l2. 9 Si3. 1 O10 (OH ) 2 + nH2 O →K0. 9 A l2. 9 Si3. 1 O10 (OH ) ·nH2 O 伴随着水的作用 ,与岩石的孔隙 、裂隙有关的物 理力学参数及微结构也相应地发生了变化 。有关泥 岩遇水前后孔隙方面的数据变化情况 (表 4) ,这些 微孔隙的出现破坏了天然岩样的内部结构体系 ,使 得岩石出现泥化现象 ,原来的一些大孔隙被泥化物 所充填 ,反而减少了孔隙体积 ,增加了小孔径孔隙所 占的比例 。
3 收稿日期 : 2006 - 09 - 04;收到修改稿日期 : 2006 - 12 - 05. 第一作者简介 :张永安 ,主要从事工程地质与岩土工程研究. Email: z1y2a3@126. com
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表 4 孔隙测试结果一览表 Table 4 The results of porosity measurement
岩石 密度 / 容重 / 孔隙度 / 孔隙体积 / 孔隙表面积 /
状态 g·cm - 3 g·cm - 3 ( % )
cm3 ·g - 1
m2 ·g - 1
天然 2. 6559 2. 5213 5. 1 崩解 2. 6710 2. 5494 4. 6
0. 0204 0. 0179
2. 8559 3. 4236
3. 2 失水崩解
红层为沉积岩 ,强度明显各向异性 ,特别是胀缩 各向异性 ,其结构松软 ,基本上是非分子间作用力相 互联系 ,强度低 ,水化能力强 。失水后体积收缩使原 有裂隙扩大 ,并形成新的裂隙 ,纵横交错形成裂隙 网 ,联系脆弱 。在外力稍大变化或重新渗水 ,即碎裂 成岩块 ,丧失强度 。在失水情况下 ,发生不均匀收
ANALY S IS O F THE INTERACT IO N BETW EEN M UD STO NE AND W ATER
ZHANG Yong′an①② L I Feng① CHEN Jun②
( ①College of L and R esou rce Eng ineering, Kunm ing U n iversity of S cience and Technoledge, Kunm ing 650093) ( ②Kunm ing Hyd ropow er Investiga tion, D esign and R esea rch Institu te, CHECC, Kunm ing 650041)
表 2 软岩粘土矿物成分 X射线衍射法分析成果表 Table 2 X - ray deriation analystical results of the soft rock
编号
岩石样品 名称
伊利石 蒙脱. 41 K90 - 1 黄褐色粉砂质泥岩 69. 8 K90 - 2 紫褐色粉砂质泥岩 80. 2 匝 A - 6 红褐色粉砂质泥岩 81. 55
creep deform ation and disintegration ect. Key words Red beds, M udstone, Engineering geology, W ater, Slope, H ighway
1 引 言
红层是一种外观以红色为主色调的陆相碎屑沉 积地层 ,在中国红层形成于三叠系晚期至第三系早 期 ,由一套砂岩 、粉砂岩 、泥岩组成 。红层通常为岩 性比较软弱的泥岩 、泥质粉砂岩等岩层 ,该类岩层具 有透水性弱 、亲水性强 ,遇水易软化 、塑变 ,抗风化能
and hard rock, in existence by alternating layers, the layer combines weak. had influenced by the regional struc2
ture, the layer has great torsion , fold and high angle fault. The m ud stone in the red bed has the character of weak
缩 ,产生偏应力 。其结果是局部应力先后超过岩石 的抗拉强度 ,岩体就崩解为碎裂块体 。
在勘探过程中钻孔取出的泥岩 、粉砂岩岩芯 ,晴 天 3～5h就会出现裂纹 , 2 ～3d就会崩解成碎块或 岩屑 。边坡开挖的泥岩 、粉砂岩及钻孔岩芯样品 ,室 内做泥岩 、粉砂岩耐崩解性试验 。从试验过程和试 验结果 (表 5)看 ,红层样品都属于崩解性岩石 ,这个 特性与粉砂岩的胶结物质成分和泥岩的矿物成分有 关 。粉砂岩的胶结物质和泥岩的矿物成分均为铁泥 质 ,而铁泥质的粘土矿物主要为伊利石 /绢云母混 层 ,含量 51. 41% ～100%。伊利石是较强亲水矿 物 ,它是工程区内的泥岩 、粉砂岩亲水性强 ,遇水易 软化 、塑变 ,强度低 ,在水的作用下易膨胀 ,失水易崩 解等特性的内在因素 。
岩样 编号
90H - 1 93H - 1
取样深度 /m
8. 20～11. 70 13. 30～13. 70
表 3 岩石化学成份试验成果汇总表 Table 3 Statistics chem istry component date of red beds
化学成份 / ( % ) SiO2 A l2O3 Fe2O3 FeO CaO M gO TiO2 K2O Na2O 59. 36 18. 74 6. 92 1. 18 0. 69 1. 98 0. 88 3. 76 0. 32 49. 38 17. 30 5. 82 2. 38 6. 46 3. 17 0. 77 3. 37 0. 32
2. 2 红层的微观结构
采用扫描电镜对粒径 < 0. 002mm 的红层泥岩 粘土矿物进行微观结构分析 ,样品均属不规则粒状 和不规则片状叠聚体 (图 1) 。
2. 3 红层岩体矿物成分
红层的矿物成份包括碎屑矿物和粘土矿物 ,而 影响红层工程性质的主要是粘土矿物 ,通过对样品 进行岩矿鉴定 ,泥质类岩石主要成份为粒经 < 0. 004 mm 的铁泥质 ,占 60%以上 ,还含有一定量的石英碎 屑及少量长石 、方解石 (表 1) 。
摘 要 红层是红色陆相沉积为主的碎屑沉积岩层 ,岩性以砂岩 、泥岩 、粉砂岩和页岩为主 。该类岩层多为软岩与硬岩相间 , 呈互层状产出 ,层间结合力弱 。受区域构造影响 ,岩层扭曲褶皱强烈 ,多中高倾角 ,结构面发育 ,有泥化现象 。红层中的泥岩具 有透水性弱 、亲水性强 ,遇水易软化 、塑变 ,抗风化能力弱 ,易崩解等特性 。特别是遇水后岩体及结构面抗剪强度大幅度降低 , 并且具有遇水膨胀 、失水收缩的工程特性 。水岩作用对边坡的影响主要有 ,结构面遇水泥化导致楔形体失稳 ,泥岩塑性变形 引起边坡蠕变 ,同时红层还具有很强的崩解性 ,边坡开挖后发生崩解等现象 。 关键词 红层 泥岩 工程地质特征 水岩作用 边坡 稳定性 中图分类号 : P642. 4 文献标识码 : A
Abstract The red bed is a clastic sedimentary rock m ainly deposit by red continental sedim entation,
the rock
p roperty is mainly composed by sandstone, mudstone, siltstone and arenaceous shale. It is alternate for the soft rock
力弱 ,易崩解等特性 。云南安楚高速公路有三分之 二以上的路段通过滇中红层地区 ,由于红层所具有 的特殊工程地质特性 ,特别是遇水后岩体及结构面 抗剪强度大幅度降低 ,并且具有遇水膨胀 、失水收缩 的工程特性 ,对高速公路已经开挖的路堑边坡稳定 性影响较大 ,常常在水的作用下发生失稳 。本文通 过对安楚公路互层路堑边坡进行调查 ,对滇中红层
石英粉砂 质泥岩
30～35 60～70
22
KY90 -2
含石英粉 砂质泥岩
10～15 80～85
1
3 ～4
K101 含石英粉砂 - 1 泥质碎裂岩
5～10 85～90
少
5
通过 X射线衍射法对粒经 < 0. 002mm 的粘土 矿物进行分析 ,泥质粉砂岩和泥岩的粘土矿物主要 为伊利石 /绢云母 ,有少量高岭石 、绿泥石 ,一个样品 有蒙脱石 (表 2) 。
10. 54
34. 5 7
3. 3
3. 51 23. 2 16. 5 18. 5
图 1 红层泥岩内部结构及孔隙图 Fig. 1 The inner structure and porosity of
muddy siltstone in red beds
采用原子吸收法对红层软岩岩石样品进行化学 成份分析 (表 3 ) , 其主要化学成份为 SiO2 、A l2 O3 、 Fe2O3 ,三项之和达 73%以上 ,有 6% ～11%的烧失 量 ,易溶盐小于 2%。
water permeability, stick up to airslake is weak, has obvious differential airslake and the speed of disaggregation is
quickly. the red beds slope influenced by the interaction between rock w ith water w ill lead wedge instability, slope