四川攀西地区红层泥岩强度特性试验研究

上官力，马显春，谷明成

(1．中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081;2．中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

四川攀西地区红层泥岩强度特性试验研究

上官力1，马显春2，谷明成2

(1．中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081;2．中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

以白垩系下统小坝组粉砂质红层泥岩为研究对象，通过试验测定其天然含水率、单轴抗压强度、直接剪切强度、矿物成分含量，并分析了岩石物理力学参数之间的相关性。试验结果表明:随着粉砂质泥岩天然含水率增大，天然和饱和单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角均呈幂指数减小;随着岩石中石英含量的升高，岩石单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角升高;随着岩石中黏土矿物含量的升高，岩石单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角降低。

攀西地区 红层 含水率 矿物成分 强度

红层是一种外观以红色为主的中、新生代陆相碎屑岩沉积地层，主要出现在侏罗系、白垩系以及第三系。我国的红层主要分布于西北、西南及华南地区，尤以四川分布最为广泛，也最为连续和典型［1］。随着西部大开发战略的推进，西南地区铁路、公路、水利水电等基础设施工程建设方兴未艾，这些工程的兴建都不可避免地穿越红层岩体［2］，因此研究四川红层岩体的物理力学性质及其与工程建设的关系十分必要。

本文通过大量试验，总结出了攀西地区红层泥岩天然含水率和岩石强度的关系，以期更直接地了解岩石的强度，为后续工程兴建提供依据。

1 工程概况

攀西地区包括攀枝花市和凉山彝族自治州，北接川西高原，南跨云南高原北缘，东抵四川盆地，西靠横断山系。区内地貌多样，以低中山、中山为主，山地占全区总面积的70%以上，山脉在一系列南北向深大断裂及褶皱的控制下呈南北向展布。

攀西地区在大地构造上属于扬子准地台和松潘—甘孜地槽系，大致以金矿—木里深大断裂为界，以西属于活动的松潘—甘孜地槽系，以东属于扬子准地台［3］。攀西地区地层以沉积地层分布面积最广，出露有震旦系、三叠系、侏罗系、白垩系和第四系地层，缺失寒武系、志留系、泥盆系地层，火山地层、变质地层零星出露于境内西部。

2 试样制备及试验方法

本文以白垩系下统小坝组(K1x)粉砂质红层泥岩为研究对象，通过室内试验研究其物理力学性质，取样地点为喜德县依洛乡依洛村，现场共采集粉砂质泥岩试样14组。根据《工程岩体试验方法标准》将现场采集的14组岩样分别加工成直径50 mm、高度100 mm的圆柱体试件42块(每组3块)和50 mm×50 mm×50 mm立方体试件60块(每组5块)，对不同天然含水率的试样进行分组试验。

岩石的强度特性试验，主要是通过天然及饱和状态下的单轴抗压与剪切试验研究岩石的抗压强度和抗剪强度，并通过比较岩石的强度获得岩石软化性能指标。单轴抗压强度利用RMT-150B型岩石机进行试验，采用电液伺服控制加载，加载速率为0.002 mm/s;岩石直剪试验使用YZW50型微机控制电动应力式直剪仪，测定天然状态的黏聚力和内摩擦角。

3 试验结果与分析

3.1 单轴抗压强度试验

取制备好的42块圆柱体试件(每组3块)，做岩石单轴抗压强度试验，试验结果见表1。

通过对表1数据进行相关性分析，得到天然单轴抗压强度、饱和单轴抗压强度与岩石天然含水率关系曲线见图1。

从图1(a)可以看出岩石天然单轴抗压强度σc随着天然含水率ω的增大而减小。两者的相关系数是0.94，为幂指数关系，关系式为

表1 各组岩样的单轴抗压强度试验结果

图1 岩石单轴抗压强度和天然含水率关系曲线

从图1(b)可见，岩石饱和单轴抗压强度σ'c随着天然含水率增大而减小。两者的相关系数是0.96，为幂指数关系，关系式为

3.2 直剪试验

取制备好的60块立方体试件(每组5块)，做岩石直剪试验，试验结果见表2。

表2 岩样天然状态直剪试验结果

通过对表2数据进行相关性分析，得到岩石的黏聚力、内摩擦角与天然含水率关系曲线，见图2。

从图2(a)可见，岩石黏聚力c随着天然含水率ω的增大而减小。两者相关系数为0.93，为幂指数关系。关系式为

从图2(b)可见，岩石内摩擦角φ随着天然含水率ω的增大而减小。两者相关系数为0.93，为幂指数关系。关系式为

3.3 岩石矿物成分测试

在采集的岩样中选取4组进行岩石样品的XRD矿物分析。岩样的X射线衍射图谱见图3，岩样的矿物成分及含量见表3，具体试验方法参考相关文献［4］。

1)单轴抗压强度与矿物成分含量的关系

粉砂质泥岩天然单轴抗压强度、饱和单轴抗压强度随着石英含量的增大而增大，随着黏土含量的增大而减小，见图4。

图2 岩石抗剪强度与天然含水率关系曲线

图3 岩样的X射线衍射图谱

表3 岩样的矿物成分及含量

图4 岩石单轴抗压强度与矿物成分含量的关系曲线

岩石作为一种天然的地质体，其物理力学性质主要取决于岩石的矿物成分和颗粒间的联结以及内部的微裂隙［5］。岩石中矿物成分的含量直接影响岩石的力学性质。石英属于矿物成分中硬度较大的，其含量愈高，岩石的强度愈高。岩石中的黏土矿物遇水易膨胀和软化，如蒙脱石易分解为斑脱土，遇水软化，其含量愈高，岩石强度愈低［6-7］。因此，粉砂质泥岩矿物成分中石英含量越高，单轴抗压强度越大;黏土含量越高，单轴抗压强度越小。

2)抗剪强度与矿物成分含量的关系

石英和黏土的含量与抗剪强度指标的关系见图5。可见，粉砂质泥岩黏聚力、内摩擦角都随着石英含量的增大而增大，随着黏土含量的增大而减小。

图5 岩石矿物成分和抗剪强度关系曲线

3.4 岩石软化性能

用岩石饱和单轴抗压强度比天然单轴抗压强度，作为岩石软化性能指标η，即

由试验数据，整理得出岩石软化性能指标。岩石天然含水率和软化性能指标的关系见图6。

图6 岩石软化性能指标和天然含水率关系曲线

由图6可见，岩石的软化性能指标和天然含水率之间没有直接的相关性，但岩石天然含水率保持在0.5% ～3.5%之间时，岩石的软化性能指标在63% ～80%，其中以70%附近居多。岩石受水侵蚀后，强度和稳定性发生变化，这主要取决于岩石的矿物成分、结构和构造特征。

4 结论

1)随着天然含水率的增加，粉砂质泥岩天然和饱和单轴抗压强度均呈幂指数减小。

2)随着天然含水率的增加，粉砂质泥岩的黏聚力和内摩擦角均呈幂指数减小。

3)粉砂质泥岩单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角均随着石英含量的增大而增大，随着黏土含量的增大而减小。

［1］李廷勇，王建力．中国的红层及发育的地貌类型［J］．四川师范大学学报(自然科学版)，2002(4):427-431．

［2］郭永春，谢强，文江泉．我国红层分布特征及主要工程地质问题［J］．水文地质工程地质，2007(6):67-71．

［3］傅维洲，吴玉宝．攀西裂谷带及其邻区的现代构造应力场特征［J］．长春地质学院学报，1986(3):95-102．

［4］国家能源局．SY/T 5163—2010 沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法［S］．北京:石油工业出版社，2010．

［5］韩铁林，师俊平，陈蕴生，等．化学腐蚀对砂岩物理力学性质影响的试验研究［J］．西安理工大学学报，2014(1):34-39．

［6］王文星．岩体力学［M］．长沙:中南大学出版社，2004．

［7］吴益平，余宏明，胡艳新．巴东新城区紫红色泥岩工程地质性质研究［J］．岩土力学，2006(7):1201-1203．

TU446

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．30

1003-1995(2015)07-0107-04

2015-02-10;

2015-05-10

上官力(1988— )，男，陕西商洛人，硕士研究生。

(责任审编 葛全红)