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侏罗系遂宁组红层软岩是一种湖泊、河流相、河湖交替相或是山麓洪积相等陆相碎屑岩,其岩性主要是砾岩、砂岩、粉砂岩、粘土质粉砂岩、粘土岩或者泥质页岩等,是一种不良的地质载体。因地基而失稳的13座重力坝中有9座是发生在红层地区,红层不仅总体强度低,并且沉积环境复杂、相变大,导致其具有较强的各向异性。红层软岩对表层及内部水分的运移较为敏感,在干湿循环过程中吸水样品会产生膨胀裂缝,失水产生收缩裂缝,如此反复导致样品破坏。
本文以“重庆市区南部侏罗系遂宁组红层软岩风化破坏机理研究”为主题,针对在重庆市区南部红层软岩中出现的干湿循环崩解风化破坏的现象进行研究,首先讨论了研究区的地质环境特征,以了解查明软岩所经受过的地质构造作用(第二章);利用薄片鉴定和静水沉降的方法得到软岩的粒度分度,采取X衍射、化学全量及电镜扫描分析研究软岩各矿物成分含量和微结构(第三章);进行失水崩解试验和浸水崩解试验模拟研究软岩在不同模式水分运移过程下的崩解特性,使用MTS815试验机对干燥、饱和、干湿一次的岩石样品进行单轴压缩试验,通过对比实验结果研究软岩吸水软化变形机理(第四章);软岩样品内部裂缝的产生与扩展在表面是较难观察到,本文中采用西门子Sensation40医用CT机对不同干湿循环次数后的样品进行扫描,这样可更加细致地观察分析样品中裂缝的发育与扩展,并对比分析各样品CT扫描图像的横截面、纵截面及立体图像,得到不同阶段干湿循环对软岩裂缝发展定性的影响,其后采用Matlab对图像灰度处理、Arcgis勾绘图斑统计裂缝面积,对比不同阶段裂缝相对面积大小定量分析软岩风化崩解机理(第五章)。
总结研究得到以下结论和创新性成果:
1、对研究区进行调查及查阅相关资料,发现研究区内出露的主要地层为侏罗系遂宁组,此岩层中岩石为紫红色、暗红色泥岩类和粘土岩类,局部分布有灰绿色砂岩透镜体。在泥岩、粘土岩和砂岩互层处常发育有层间剪切带,初步查明泥岩、粘土岩类具有在昼夜温度变化及水分迁移变化下迅速风化的特性。
2、对研究区软岩进行粒度统计、矿物成分含量测定和微结构观测,发现砂岩类的粒径主要分布于0.03~0.07mm,粘土岩类分布于0.001~0.03mm;软岩中SiO2成分的含量占主要部分并且具有较高含量的粘土矿物一般为5%~50%,以亲水性矿物蒙脱石、伊利石为主;粘土岩类中部分位置有泥化面擦痕,面上粘土矿物高度定向排列,说明粘土岩曾经受到过地质构造作用。
3、查阅相关资料及野外现场观察,发现软岩具有崩解风化的特性,因此对软岩进行干湿循环崩解、失水崩解试验结合各样品粘粒含量、粘土矿物含量和原生结构来研究其崩解机理,得到粘粒含量较高,其粘土矿物比表面积大,亲水性强,离子交换容量大等特性,因此粘粒含量越高,岩石遇水后崩解速度越快,强度降低幅度越大;试样表面的裂缝产生缓慢,但是在36小时后样品中的裂缝发展基本停止,说明红层软岩的崩解主要是发生浸水饱和的过程中。
4、软岩由干燥状态下吸水后会产生明显的软化,本文中以软化度R为指标来描述样品随水分变化强度的变化情况,发现总软化度Rj随着样品含水量的增加逐渐增大,说明水分对软岩造成的损伤是渐进进行的;样品在第一次浸水后阶段软化度明显降低,其强度损伤约为风干后的8倍,弹性模量损伤约为风干后的28倍,说明软岩强度丧失一般发生在其第一次浸水;对比CT扫描数据得知样品中不存在原生大型裂缝,仅局部出现小型的纵向裂缝,在轴向应力的作用下,横向裂缝被逐渐压密。
5、软岩崩解风化破坏就是其内部裂缝产生与发展的过程,但由于样品中裂缝的发展在表层无法观测,因此使用CT扫描技术对样品进行检测,将图像用Matlab二值化,之后利用Arcgis统计灰度图像中裂缝的面积及分布情况,并结合样品内粘粒含量与亲水性矿物含量分析,发现样品内是否存在原生裂缝对其崩解性及崩解特征的影响最为显著;在第一次浸水时蒙脱石等矿物与水作用膨胀,风干时脱水收缩形成裂缝;第二次干湿循环后裂缝表面的蒙脱石依旧与水作用膨胀,但是由于样品在第一次干湿循环后裂缝宽度较大,因此后续软岩吸水膨胀已无法影响到部分大型裂缝,裂缝宽度逐渐减小;第一次浸水后试样中裂缝都会有较明显发育,不同样品有具体不同的情况;第二次干湿循环是样品中裂缝发育最为明显的时期,样品中所出现的大、小型裂缝基本都是在此过程中出现;第三次干湿循环过程中大型裂缝的发育基本停止。
6、将样品内Arcgis统计得到的裂缝相对面积对比分析,发现样品中原生裂缝较发育时,干湿循环对岩石的影响主要体现在原生裂缝迅速增大发展,次生裂缝发育较慢、数量较少;对比Matlab灰度处理后的灰度直方图发现随着干湿循环次数的增加CT图像的灰度直方图出现了相应的有规律的变化,表明样品中裂缝的发展情况,由于人得视觉对灰度变化的分辨能力有限,因此灰度直方图主要是验证本文中所得到的部分结论。
论文研究以实际工程中遇到的问题为基础,采用综合技术手段,系统地研究侏罗系遂宁组红层软岩在不同环境下崩解风化破坏的过程及机理,其研究思路和方法可推广到其它相类似的红层软岩研究中,具有较强的工程借鉴意义。同时对研究区水电站开挖过程中预留风化保护层的厚度提供一定的参考价值。