含水率对红层泥岩填料刚度劣化特性及微观结构影响研究

为研究含水率对红层泥岩填料刚度劣化规律和微观结构的影响,开展了不同含水率下三轴不排水剪切试验、压汞试验和扫描电镜试验,基于能量守恒定律推导了填料刚度劣化与弹塑性应变能增量间的关系。结果表明:填料黏聚力随含水率增加而降低,内摩擦角则随含水率增加先增加后降低。填料结构损伤由应变能转化引起,从宏观上表现为刚度劣化。归一化刚度比值随塑性应变能增量占比增加而线性降低,随应力发展呈非线性衰减。以最优含水率为界,当试样在干侧时,填料有较好的荷载抵抗能力;湿侧填料荷载抵抗能力远低于干侧。损伤应力等值线与等含水率线构成上下界为对数曲线的状态面。填料孔隙分布在干侧为单峰形态,粒间接触较为紧密,结构稳定性好。在湿侧呈双峰结构,团聚体排列定向性程度较低。填料应在干侧压实填筑,推荐采用5%~7%作为填筑目标含水率。

红层砂岩纳米级致色剂赋存状态及地质意义——以鄂尔多斯盆地下白垩统志丹群红层砂岩为例

红层是地球上广泛分布且具有特定指示环境意义的沉积物,一般认为在水体氧化环境下形成的赤铁矿胶结物是其主要致色矿物。目前,针对红层致色矿物的研究多停留在矿物识别层面,缺乏对其微观赋存状态及成因机制的深入研究。本文以鄂尔多斯盆地下白垩统志丹群陆相红层为例,采用岩芯-薄片-阴极发光-氩离子抛光扫描电镜的多尺度表征技术,首次揭示了红层砂岩纳米级致色剂——赤铁矿胶结物的微观赋存状态,并在此基础重新探讨了其成因机制。研究发现,红层砂岩致色剂赤铁矿胶结物主要为针状或片状,具有两种微观赋存状态:①呈包裹型发育在净砂岩的颗粒周缘,单个矿物颗粒长度在500~1000nm之间,宽度在50nm以下;②呈充填型发育在黏土矿物及云母等矿物颗粒的解理缝中,常常顺解理定向排列,受解理缝空间限制,单个矿物颗粒更小,长度一般小于500nm,宽度在30nm以下。红层砂岩中赤铁矿的产状和赋存状态表明其为褐铁矿早期脱水形成,在此之后又发育两期方解石胶结物,因此赤铁矿胶结物应主要形成于沉积和浅埋藏期,而非沉积后的抬升期。砂岩中赤铁矿胶结物的形成过程指示了一个干旱内陆沉积背景下大气水氧含量高的环境特征,这同样也是地质历史时期内的冰室状态,说明鄂尔多斯盆地下白垩统志丹群的红层砂岩对研究该时期全球冰室状态也具有重要启示意义。

基于过程降雨的红层丘陵低山区滑坡灾害气象预警阈值研究

[目的]研究不同历时降雨强度与区域滑坡灾害的关系,并对滑坡灾害的气象预警阈值进行研究,为地方管理部门地质灾害预警提供科学依据。[方法]收集了2013—2021年研究区348个雨量站的逐小时降雨数据和231处近10 a已发生灾情、险情滑坡事件的时间及位置,基于平均降雨强度(I)—降雨历时(D)模型,分地貌单元,提出了不同降雨历时的临界降雨预警阈值和分级预警阈值。[结果]研究区丘陵地貌区不同前期降雨条件下1,3,6,12,24和48 h平均雨强的红色预警阈值依次为29.774,18.579,14.416,11.186,8.679和6.734 mm;低山地貌区不同前期降雨条件下1,3,6,12,24和48 h平均雨强的红色预警阈值依次为28.849,15.542,10.520,7.121,4.820和3.263 mm。[结论]在24 h前期降雨条件下,低山区对降雨的敏感性明显比丘陵区高,具体表现为低山区1,3,6,12和24 h的临界预警阈值明显比丘陵区更低,但随着降雨历时进一步延长,低山区和丘陵区域临界预警阈值趋于相近。

红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究

在红层泥岩地区进行道路工程施工时,考虑到材料短缺和成本问题,常常采用就地取材的方式作为路基填料。为了研究红层泥岩填料的适用性,选取甘肃省永登县某工点的风化红层泥岩填料为研究对象,在室内开展一系列三轴CU剪切试验,探究含水率、围压和压实度对应力-应变曲线、峰值(残余)强度、抗剪强度指标的影响,并对不同类型的应力-应变曲线,分别采用相应的模型进行拟合。研究结果表明:含水率、围压和压实度对其物理力学特性具有显著影响;对符合应变软化型规律的曲线,采用沈珠江的双曲线模型拟合的规律一般;对符合应变硬化型规律的曲线,采用Duncan-Chang模型拟合的规律较好。研究结果可以为甘肃省红层泥岩路基的病害处治与维修提供参考依据。

改良红层工程性能与环境耐久性研究进展

红层在我国东南、西南、西北地区广泛分布,因其膨胀收缩性、遇水崩解性、岩体软弱性等特点,往往不能直接作为填料应用于路基工程,必须进行物理或化学改良处理。通过文献调研,本文从红层崩解机理、工程改良方法、改良效果及环境耐久性等方面对国内外研究进行了梳理。并结合现有研究,提出未来应加强环境荷载(如干湿、冻融作用)及静、动荷载单独或耦合作用下改良红层的耐久性研究。

西北地区红层泥岩崩解特性试验研究

针对西北地区红层泥岩设计了一套自由浸水崩解装置,对不同质量的红层泥岩试块进行自由浸水试验。考虑试块的吸水过程,将试块吸水率作为崩解试验结果的补偿,研究不同质量红层泥岩试块的崩解率、崩解速率随时间变化规律。结果表明,测试红层泥岩膨胀性矿物含量较少,其崩解的前30%时间内崩解率可达45%~75%,前50%时间内崩解率可达68%~90%,崩解总时间T与试块质量m满足T=a*(1-e^(-b*m)) 关系。随着试块质量增加,试块崩解速率越大,且崩解的前50%时间内崩解率增加显著。

安徽南部地区奥陶纪海相红层的分布及时代

在充分收集前人奥陶系地层学、古生物学和沉积学等资料的基础上,对安徽南部地区奥陶系进行了系统梳理,开展皖东地1井和贵池冯村剖面奥陶纪海相红层系统研究,为地层对比、古气候和古地理恢复提供重要的科学依据。研究表明:奥陶纪海相红层主要分布于紫台组、牯牛潭组、大田坝组、宝塔组、汤头组和胡乐组,时代为早奥陶世弗洛晚期至晚奥陶世凯迪中期;主要岩石类型为碳酸盐岩(瘤状泥质灰岩、网纹状灰岩、含生物碎屑灰岩和泥微晶灰岩等),少量碎屑岩(泥岩、含粉砂质泥岩、含粉砂质页岩);大多数属半深水海相红层,局部为浅水和深水海相红层;自北西向南东呈现一层式→二层式→三层式→二层式→一层式→零层式的横向变化,出现时代凯迪期→达瑞威尔期→弗洛期的纵向变化,海相红层的分布与沉积环境、古水温和不同地区构造性质密切相关;研究区海相红层不仅具有区域性(与湖北宜昌奥陶系具有对比性),而且具有全球性(中国主要块体),在地层划分与对比上具有重要的研究价值。

浙江嵊州-新昌地区红层软岩崩解能量耗散研究

以浙江嵊州-新昌地区红层软岩为研究对象,探究该地区红层软岩崩解表面能特性。基于能量耗散原理,通过分析该地区3组不同组成成分的红层软岩在干湿循环作用下崩解过程中能量的转化、传递和耗散,得出红层软岩崩解过程中吸收的能量向表面能转化的规律。结果表明,该地区红层软岩随着干湿循环次数的不断增多,表面能累计增长量有3个变化过程:初期呈平缓增长;中期表面能急剧增加,增长速率越来越快;崩解后期其表面能累计增长量逐渐保持平稳状态。试验还表明黏土矿物含量越高的红层软岩,产生的表面能越多,耐崩解性越差。本研究提出的能量耗散模型,为治理浙江嵊州-新昌地区各种红层软岩问题提供了参考价值。

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。

矿渣微粉改良红层填料的力学特性及其机理分析

为研究矿渣微粉改良红层填料的力学特性及其作用机理,通过无侧限抗压强度、直剪等试验,对不同矿渣微粉掺量下的红层填料进行了强度特性分析,并采用X衍射、热重分析、红外光谱、激光粒度、核磁共振和扫描电镜等微观分析方法,围绕矿渣微粉改良土体的作用机理进行了研究。试验结果表明,矿渣微粉对红层填料的力学强度和水稳定性具有较好的改良作用,改良填料的无侧限抗压强度由0.76 MPa逐渐增大至3.10 MPa;黏聚力与内摩擦角也得到了显著提高。通过红外光谱、激光粒度和核磁共振分析发现,改良填料颗粒间Al3+阳离子配位的振动峰增强,降低了黏土矿物的双电层厚度,土颗粒团聚性显著增强,孔隙分布得到优化;通过X射线衍射和热重分析证明了水化产物的生成过程;扫描电镜观测到改良填料的具体作用机理:主要为填充效应和胶凝效应,其胶凝效应包括水化作用和离子交换作用。对微观扫描图的定量化分析进一步表明土体结构复杂程度增大,颗粒粗糙程度及骨架性增强。

供水工程新近系红层区斜坡深层变形破坏模式分析

针对新近系红层区斜坡变形破坏模式认识不足的问题,通过对以往工程区斜坡破坏现象的调查分析,寻找已有深层破坏形成的滑坡体,反分析滑坡体破坏前原始斜坡地质结构模型,并建立典型斜坡深层破坏模式,根据变形体主要工程地质条件,建立红层斜坡变形体的三维数值模型,分析其在天然、地震及降雨等条件下的稳定性。结果表明,通过建立的新近系地层不同岩段区斜坡深层破坏模式,识别出新近系地层区供水工程20#支线沿线有一个大型深层破坏斜坡变形体。该斜坡变形体在降雨条件下的稳定性较差。

粉煤灰改良红层泥岩填料静三轴试验研究

红层泥岩的吸水软化和体积膨胀特性易造成路基翻浆冒泥现象及路基不均匀沉降等病害,在作为公路路基填料时应对其进行改良。本文选用粉煤灰作为改良剂,通过室内X射线衍射试验、化学成分测试和易溶盐等试验,分析红层泥岩和粉煤灰的成分组成及离子含量;通过无侧限抗压强度试验、室内变水头渗透试验和固结等试验分析了试样改良前后物理力学特性;通过常规三轴UU试验,研究了不同粉煤灰掺量对改良试样剪切应力-应变及抗剪强度的影响;分析了粉煤灰掺量为10%时,养护龄期对改良试验抗剪强度参数的影响。结果表明:该地区红层泥岩属低液限黏土,其易溶盐溶液中的SO42-离子含量最高,pH值呈碱性;三轴剪切试验中,改良和未改良试样均呈塑性破坏,试样粉煤灰掺量和龄期均对试样抗剪强度提高具有促进作用,且黏聚力增长幅度远大于内摩擦角;粉煤灰掺量为10%龄期28 d时,试样黏聚力较未改良未养护试样和10%掺量未养护试样分别提升37.9%和6.9%,内摩擦角分别增大了1.2°和0.7°。试样的静力学试验均验证了粉煤灰改良的可靠性。

亭子口灌区一期工程红层区黏性土边坡稳定性及影响因素研究

依据四川省亭子口灌区一期工程,分析了红层区形成条件及黏性土土性机理,研究了影响亭子口灌区黏性土边坡稳定性的3种因素:内在因素、环境因素和人为因素。开展的主要工作有:利用Geo-Studio软件,改变黏性土强度单一变量,固定其他变量,研究强度变化对边坡稳定性的影响;利用软件中的SLOPE/W模块及SEEP/W模块分别进行稳态和瞬态分析,研究持续降雨对边坡稳定性的影响;建立并模拟不同边坡模型,研究阶梯开挖、平台宽度、坡表形态对黏性土边坡的影响规律;模拟逐次开挖边坡,研究不当削坡对黏性土边坡的影响。结果得到:相同及不同坡度边坡,边坡安全系数与内摩擦系数、黏聚力呈正相关,且坡度越缓,正相关性越明显;持续降雨0~10h边坡黏性土孔隙水压力逐渐增大,坡脚土体最先饱和,安全系数持续降低;阶梯开挖、平台宽度、坡表形态对黏性土边坡的稳定均有影响,除此之外,地形地貌、环境气候等也是影响边坡稳定的重要因素;不当削坡会导致坡脚的剪应力过大,边坡安全系数逐渐减小进而可能失稳。

亭子口灌区一期工程红层地区浅埋输水隧洞支护措施

红层地区浅埋输水隧洞开挖受不良地质条件、施工难度大等因素影响,易发生塌方或冒顶。四川省亭子口灌区一期工程所在区域为川东红层地区,以软岩、较软岩为主,软岩浅埋隧洞施工是工程施工的难点之一。以亭子口灌区一期工程东干渠五通庙隧洞为例,对大管棚和超前小导管方案进行了对比,并通过安全监测和数据分析予以验证。实践证明,超前小导管加固方案可解决因埋深浅而造成洞身坍塌和洞顶地面大变形的危害,为此类浅埋输水隧洞施工提供一定的参考。

羌塘盆地索瓦组碳酸盐岩红层成因和环境意义

【目的】海相红层分布在地质历史时期各个阶段,被解读为特殊环境的产物,并引起广泛关注。【方法】西藏双湖县毕洛错出露的侏罗系索瓦组表现为红色碳酸盐岩,围绕其致色成因与沉积意义,综合采用沉积学、矿物学和地球化学方法展开探讨。【结果】通过对索瓦组野外沉积学和镜下薄片鉴定,发现岩石以鲕粒—球粒支撑灰岩为主,富含头足、双壳、苔藓虫、腹足及其他底栖生物碎屑,鲕核以生物碎屑和陆源石英碎屑为主,呈现高能滩相沉积特征;光谱学研究和扫描电镜显示,致红色原因主要为亚微米级—微米级半自形—他形晶的赤铁矿,致色矿物集中在鲕粒圈层结构中,胶结物基本不含致色矿物,说明同沉积过程与早期成岩时期,尤其是鲕粒和球粒形成时期表面微需氧嗜铁微生物,对致色铁的氧化起到了重要作用。另外,碳酸盐矿物的地球化学分析结果显示,岩石的红色度与陆源碎屑输入的通量具有正相关性,且呈现正Ce/Ce^(*)异常、富中稀土式配分曲线的特征,代表了铁氧化物经历了还原性溶解后的重结晶作用。【结论】据此,研究重建了索瓦组红层致色过程:陆源含铁矿物输入为致红色提供了物质基础,在动荡水体的同沉积过程中,鲕粒表层开始以胶体形式附着Fe(Ⅲ)。随后在早成岩过程中,还原性流体促使含铁矿物溶解,为嗜铁微生物提供游离状态的铁离子,使其重结晶,通过化学成因或生物成因最终形成羟基铁并致红色。

关于红层灾变基础研究的若干思考

红层是一种分布广泛,性质特殊的易灾地层组合,其灾变基础科学问题已成为工程地质学科领域迫切需要解决的前沿课题之一。我国红层分布区工程规模巨大,灾变问题突出,主要表现为地质灾害、工程病害、生态损害3大灾变类型,使得红层地区经济社会可持续发展面临着前所未有的灾变危害与风险,严重威胁着一系列国家重大战略的实施。传统红层灾变理论和防控技术难以适应复杂条件下人地失调带来的重大挑战,亟待突破。本文旨在通过对国内外研究现状分析、对基础性科学问题的深入思考与系统梳理,阐明中国红层灾变研究概况,分析红层灾变基础研究的国际学术前沿问题,提出红层灾变基础研究亟待解决的3个关键科学问题,阐述了主要研究思路与内容及方案。这些思考寄期于支持破解红层灾变地质基因、成因机理、韧性协调防控等难题,以保障红层地区国家重大战略的高效实施,保障人居安全、生态文明建设和社会经济可持续发展,使得我国红层灾变研究占领国际前沿高地。

落石冲击下压实度对红层泥岩垫层缓冲机制影响研究

西南地区山地众多,落石频发,红层地质分布广泛,工程上红层隧道区可用红层泥岩作为棚洞垫层材料以抵抗落石冲击。但红层泥岩为细粒黏性缓冲材料,与无黏性粗粒材料不同,压实度对其缓冲机制影响仍不明晰,为此开展落石冲击红层泥岩垫层材料模型试验及数值模拟研究。通过搭建室内落石冲击试验平台,进行红层泥岩材料不同压实度下的模型冲击试验,监测落石及垫层内加速度大小,研究压实度对垫层缓冲效果的影响规律,并借助离散元(PFC)与有限差分(FLAC)耦合方法对模型试验进行了对比验证,揭示了压实度对红层泥岩垫层缓冲机制的影响规律。研究结果表明:1)不同压实度中(K=0.9、0.8、0.7),压实度越低,落石冲击力越小,K=0.7的冲击力较K=0.9减少54.08%;2)垫层内峰值加速度随水平距离增加呈指数衰减,且压实度越小,垫层加速度衰减越显著;3)重复冲击使垫层缓冲效果存在劣化现象,导致落石冲击力及垫层内加速度增加,工程中需加以注意;4)压实度低时,力链越不稳定,力链因易破坏重组而无法提供长期、稳定阻力,致使落石冲击力降低;同时垫层松散使冲击波传播时间增加,垫层吸收更多能量;因此,压实度低时垫层具有更好的缓冲效果。研究结果可为西南地区红层泥岩垫层材料的应用提供借鉴。

基于声发射参数分析的红层泥岩高周循环加卸载损伤及变形特性

为研究不同应力上限及加载频率条件下软弱红层泥岩的损伤及变形特性,基于声发射损伤监测手段开展高周循环加卸载试验,系统分析应力上限与加载频率对红层泥岩损伤及裂纹扩展模式的影响。结果表明:当应力上限低于屈服临界动应力值时,泥岩经历先剪缩后缓慢剪胀的过程,岩样中微裂隙的发展与黏土矿物的膨胀逐渐占据主导地位;低频AE信号产生于静载阶段,而高频AE信号主要出现在循环加载阶段,且随加载频率的增大,超过300 kHz的超高频声AE信号占比逐渐增大;红层泥岩循环荷载下所产生的裂纹总体以张拉裂纹为主,但第I阶段剪切裂纹占比相对其他阶段较大,且随着动应力幅值减小或加载频率的增大,剪切裂纹所占比例减小;在裂隙自愈合效应下,泥岩中由动载引起的损伤裂隙会被逐渐修复,且随着放置时间的增加,声发射Kaiser效应逐渐减小甚至消失。

路堑特征对高铁红层泥岩基底蠕变上拱特性影响研究

轨面的平顺性是高速铁路(客运专线)正常运营的关键保障。近年来,红层泥岩地区深挖路堑基底持续上拱病害已导致轨面显著不平顺,严重影响高速铁路正常运营。本文以成(都)渝(重庆)客运专线内江北站为研究对象,统计沿线上拱监测数据,分析路堑中心开挖深度与路基基底上拱量值的对应关系,得出开挖卸荷是导致高铁基底上拱的重要原因。分析成渝客运专线上拱段路堑特征,将深挖路堑分为双侧对称型、双侧不对称型和单侧型。通过室内侧限单轴压缩蠕变试验获得砂、泥岩蠕变曲线,采用Burgers模型对曲线进行参数识别,用Flac3D模拟内江北站深挖路堑基底上拱特性,对比分析上拱位移与侧压力系数的模拟值与实测值,验证模型的可行性。在此基础上,模拟分析3种堑型基底上拱特性,得到最不利堑型。最后以最不利堑型为例,研究不同开挖宽深比、不同堑坡坡度下的基底泥岩上拱特性,得到最不利宽深比和坡角。研究结果可为高速铁路红层泥岩的路堑设计提供参考。

红层地区高铁路堑基底上拱等级预测研究

轨面平顺性是高速铁路安全运行的重要保证。近年来,四川红层部分高速铁路(客运专线)出现路基上拱病害,致使轨面不平顺并影响高铁正常运营。对于高速铁路无砟轨道线路,基底上拱整治十分困难,如能在铺轨前进行上拱预测,就可采取相应措施以减缓路基上拱,因此高铁路基上拱预测研究势在必行。以成渝客运专线为研究对象,在综合分析路基上拱主要影响因素的基础上,选取路基中心开挖深度、岩层倾角、砂泥岩互层关系、泥岩饱和单轴抗压强度、泥岩膨胀性5个评价指标,采用熵权法确定各指标权重,运用功效系数法建立高铁红层路基上拱等级预测模型。将该模型应用于成渝客专和沪渝蓉高铁建设前期主要上拱段及上拱等级预测,验证了该模型的可行性与实用性。