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发育于巴东县巴东组第三段(T2b3)泥灰岩中的软弱带对当地隧道施工、边坡工程产生了显著的不良影响。软弱带形态多样,成因复杂,具有遇水敏感、强度较低、粘土矿物含量较多等不良性质。探究泥灰岩由原岩到软弱带的演变,以及软弱带形成后性质的改变,对弄清软弱带的性质具有重要意义。针对软弱带具有很强的泥化特性这一内容,本文采用多种途径和方法,揭示出软弱带不同干湿循环条件下的颗粒粒度、强度变化规律,以期为当地生产建设提供参考。
巴东组第三段(T2b3)泥灰岩由于沉积环境的多变,在固结成岩的过程中形成了很多原生软弱带,此类原生软弱带往往粘土矿物较为富集,成为岩体中薄弱的一环。巴东县地质历史时期多次剧烈、频繁的构造运动使巴东组第三段(T2b3)泥灰岩严重破碎,导致断层、褶皱大量发育,劈理化严重,形成了节理错动型和层间错动型碎屑夹泥型软弱带。此类软弱带以破碎的大颗粒为主,含部分磨细的细粒物质,受上覆压力作用,原生结构较好。在后期地下水和风化营力的作用下,碎屑夹泥型软弱带发生溶解、蚀变,继而转变成节理错动型和层间错动型泥夹碎屑型软弱带。此时软弱带主要由细粒的粘土矿物组成,不含方解石,由于石英的富集导致石英含量较高。
通过泥灰岩原样单轴抗压强度实验(MTS),得知泥灰岩属脆性岩石,岩石单轴抗压强度为101.0-110.8MPa,内摩擦角为30°。岩样饱水后,单轴抗压强度软化系数为0.76-0.78,弹性模量软化系数为0.77。分析产生这一现象的原因,是由于泥灰岩中含有10%-20%的绿泥石和10%的伊利石,这两种矿物均有吸水不均匀膨胀的特性,不均匀膨胀增大了岩石的空隙。同时,水分在岩石空隙中起到润滑作用,破坏了粘土矿物与粗颗粒之间的胶结连接。这些综合因素导致了泥灰岩遇水后发生软化。
泥灰岩原生软弱带和泥灰岩在后期构造运动作用下形成的微节理、微裂隙对泥灰岩岩体的单轴抗压强度和破坏形态具有决定性的影响因素。剪切面在原生软弱带发育部位会发生转折,使破坏面呈台阶式形状。此时原生软弱带也发生脱落。这一现象表明胶结较好的原生软弱带在构造应力作用下会率先发生破坏,优先成为层间错动型软弱带。当泥灰岩中存在微节理、微裂隙时,岩体会沿微节理、微裂隙发生剪切错动,此时则成为节理错动型软弱带。
本文实验表明,干湿循环次数越多、原生软弱带张开度越大,泥灰岩性质将会越差。干湿循环过程中,泥灰岩会产生内部微裂隙,且此种微裂隙是不贯通的、小尺度的,水分子很难进入其内。经历多次干湿循环以后,微裂隙开始逐渐贯通,部分延伸至岩石表面,使岩石大量吸水。吸水后的泥灰岩由脆性破坏逐步转为塑性破坏,并具有少量残余强度。原生软弱带张开度越大,其吸水性也越强,泥灰岩抗压强度的降低也就越明显。
取自隧道内的碎屑夹泥型软弱带原生结构较强,形态致密,但遇水极易发生泥化,3至5分钟即可崩解完毕,形成粗细颗粒混杂的堆积体。产生这一现象的原因在于碎屑夹泥型软弱带相对于泥灰岩原岩而言,结构破碎,细粒物质增多,伊利石含量增加,出现新的粘土矿物高岭石。这为碎屑夹泥型软弱带吸水膨胀提供了良好的物质条件。吸水后,细粒物质与粗颗粒物质原有胶结消失,彼此脱离,散成一堆。巴东野外大型试验场隧道施工过程中发生的两次塌方均是由同样原因引起的。
为详细研究泥化过程中颗粒大小变化的规律,将碎屑夹泥型软弱带浸水不同天数,通过筛分法和虹吸比重瓶法测其各粒径组的含量变化。结果发现,碎屑夹泥型软弱带泥化现象明显,粗颗粒表面物质发生了大量的剥落,导致细粒含量明显增加。这种泥化现象在浸水初期表现得非常明显,随浸水天数的增加,趋于稳定。并且粗颗粒表面剥落下来的细粒物质,在随后的浸水过程中,会进一步崩解,变成更细的细粒物质。
在本文最后,笔者做了两种泥夹碎屑型软弱带不同含水量下抗剪强度的实验,结果表明,泥夹碎屑型软弱带主要由粘粒构成,粘土矿物含量多,导致其泥化效果显著,抗剪强度随含水量增加而急剧下降。同时,泥夹碎屑型软弱带抗剪强度也随干湿循环次数的增加而降低。
本文结果还表明,在近乎同样的风化条件下,节理错动型泥夹碎屑型软弱带比层间错动型性质差,同等实验条件下抗剪强度低。原因在于前者含有较多的粘土矿物蒙脱石,蒙脱石吸水降低了颗粒间的粘结,在粗颗粒间起到润滑作用,导致强度降低。
巴东组第三段(T2b3)泥灰岩中的软弱带由于以上独特的性质,使其在巴东当地建设中越发引起人们重视。本文所进行的研究只是其中很小的一个方面,深入和丰富这一课题的研究,需要更多学者和专家的努力,只有如此,才能探清软弱带的全部真相。