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。

基于天然红层材料的软岩成型模拟研究

岩石模拟是岩土工程模型试验、地质岩芯模拟试验等研究的核心。但目前基于人工材料的模拟制备受限于现有相似理论与技术手段,成岩结果与实际岩性差异较大,特别是软岩的成型模拟问题尤为突出。以天然红层材料为原料,改进传统的成岩模拟系统,考虑成岩过程中温度、孔隙流体压力及上覆压力的分阶段影响,模拟红层软岩从松散岩土颗粒到岩石的形成过程,得到工程标准尺寸软岩岩芯。通过与天然红层软岩进行成岩过程、物理性质、化学性质及力学性质的对比研究表明,以天然红层为原料的软岩岩芯与天然红层软岩性质相似。该研究突破了人工材料配制、3D打印等方法一般只能满足某一方面性质的局限,为大量不同功能需求的软岩岩芯研究提供了新的制作思路与方法。

天然红层风化土成膜试验研究

泥浆成膜支护是盾构带压开仓等施工过程中的一种重要防护手段,其支护的效果主要取决于泥浆材料。为了有效地利用天然红层风化土作为泥浆成膜的原材料,降低人造材料的成本并减小对环境的影响,以天然的红层风化土为材料,借鉴泥浆成膜过程,笔者等自主研发全通透高压泥膜闭气试验装置,在不添加任何其他材料条件下开展红层风化土泥浆成膜闭气的正交试验,研究红层风化土的成膜模式、影响因素、效果评价、形成时间和破坏判据。研究结果表明,红层风化土泥膜与常用的人造膨润土泥浆材料成膜的闭气性能相近,初步验证了红层风化土成膜应用的可行性与可靠性,推动低成本、绿色的成膜技术发展,为泥浆成膜施工技术提供新的支持。

红层软岩压缩破坏的分形特征与级联失效过程

基于不同围压条件下的红砂岩三轴压缩试验结果,采用数字图像相关技术对岩样外表面破坏形态进行全程观测,获得不同阶段岩样外表面破坏图像,分别对岩样破坏后阶段的图像进行分析。通过分形盒维数表征岩样外表面裂纹的变化情况,发现岩样破坏越严重,裂纹分形维数越高,且在最后破坏阶段裂纹分形维数出现突变,揭示岩样的破坏特征。引入级联失效数学模型,结合红层软岩内部的矿物成分与细观结构分布特点,概化出其结构的随机连接模型与破坏方式,分析红层软岩加载作用下的内部节点颗粒'容量-荷载'重分配原则以及节点颗粒失效后其初始荷载传递路径。结果表明,红层软岩在受载时为一个级联失效的分阶段破坏过程,级联因子通过级联路径不断传播、增多,级联失效越发明显,同时结合岩石破坏的变形损伤过程与其轴向应力-应变曲线分段特征,揭示该类岩石破坏的级联失效分级标准,为拓展该领域的研究具备一定的参考价值。

红层软岩遇水作用的孔隙结构多重分形特征

红层软岩内部孔隙具有随机、多样化的分布特点,孔隙结构的变化是影响其宏观力学性能的关键所在。由SEM扫描电镜获取岩样不同饱水时间下的细观结构图像,根据盒维数法计算出孔隙的分形维数,发现随着饱水时间的加长,孔隙的分形维数呈现增大趋势。同时对孔隙的数量、大小进行统计分析,得出不同饱水时间下岩样内部孔隙的分布特征。基于多重分形理论,采用统计矩的方法对孔隙结构进行定量表征。结果表明,孔隙结构的分配函数与q阶次趋于线性关系,验证了该结构的自相似性与无标度性,由广义分形维数D(0)>D(1)>D(2)说明了孔隙具有多重分形特征,由多重分形谱参数分析了孔隙结构的不规则性与复杂程度,更好地表征孔隙大小各异的分布情况。结合孔隙结构的多重分形特征与岩样抗压强度,建立起孔隙结构变化与其力学性能的关联性,对研究红层软岩的损伤过程具有一定的指导意义。

红层软岩遇水崩解特性试验及其界面模型

红层软岩遇水崩解是引发工程灾害的重要原因。红层软岩遇水崩解缘于水作用下软岩细观成分组构的变化,但目前软岩崩解特性定量表征研究多根据宏观现象,所得到的崩解模型难以对软岩崩解的细观过程进行研究。根据室内软岩静态崩解和软岩碎片浸水试验以及不同浸泡阶段的软岩的成分组构扫描电镜观察试验,揭示了水-软岩界面的细观演化规律:红层软岩的崩解机制缘于软岩碎片间泥质填充区中水-岩界面上的黏土颗粒在水作用下发生水化、扩散和流失致使泥质胶结带缩减,从而引起碎片间凝聚力下降;静水作用下软岩碎片间的凝聚力随时间呈幂函数衰减。在此基础上,利用界面与胶体化学、断裂力学理论,定量表征了软岩中水化黏土颗粒的流失以及软岩碎片间的模式Ⅱ型开裂,建立了软岩遇水崩解的界面模型,进而定量表征了软岩遇水崩解过程。通过对比计算,利用上述所建模型计算的软岩碎片剥落时间和试验观察的软岩碎片剥落时间相近,从而验证了模型的合理性。

城市级三维地质建模的统一地层序列方法

三维地质建模是'智慧城市'建设的基础内容之一,涉及数百平方公里到数千平方公里的城市级地质范围。由于城市级地质范围跨越地质单元多、地质情况复杂,传统的三维地质建模方法对跨地质单元的地层连线考虑不足,常导致不同地质单元间的地层连线出现错误。针对该问题,提出一种基于地层沉积顺序的统一地层序列方法,进而识别钻孔分层中的缺失和倒转情况,将同一岩性中倒转与正常的情况加以区分,避免建模时的错误连线或插值。通过添加0厚度层,使所有钻孔的地层序列可完全一致,构建各钻孔分层间的对应关系,以降低不同地质单元间的地层连线错误率。通过讨论地层缺失、倒转、重复等特殊情况和实例验证,研究结果能够有效地对城市级三维建模中各种地质情况的连线问题做出明确的判断,减少在跨越地质单元多、地质情况复杂的城市级三维地质建模中的地层连线错误,为'智慧城市'建设提供底层支撑。

软岩水-力耦合的流变损伤多尺度力学试验系统的研制

水-力耦合流变损伤试验是揭示软岩灾变机制的重要途径,其瓶颈在于缺乏能模拟工程实际环境条件的大型室内试验设备及其对全过程精确跟踪的多尺度量测技术。为此,根据力学控制与智能优化原理,设计了基于高强透明材料的压力室,结合伺服控制、非接触三维量测与协同集成技术等,研制了软岩水-力耦合的流变损伤多尺度力学试验系统,重点包括全通透高压动静水压力室、多元同步三轴加载系统、高围压光纤传感实时量测系统、内外流变损伤多尺度三维成像系统、多元异构量测数据同步快速处置系统等。通过软硬件集成,研制成功了样机。该系统可模拟重现高压动/静水及其他工作液体环境条件下软岩水-应力耦合软化破坏全过程,可开展同一时段内多种不同溶液、不同压力、不同流变阶段的软岩流变损伤试验,实现高精度无损量测与多尺度观测。通过应用,获得了软岩应力-应变曲线、内部损伤演化、表面各点应变变化及表面损伤演化等数据,并重构了内外损伤演化过程,将重构图像与实际岩样变化对比,验证了本试验系统的可靠性,为捕捉软岩灾变全过程与深入研究提供了试验技术支持。

红层软岩软化的微–细–宏观界面关联过程与跨尺度级联效应

红层软岩灾变与水–岩界面作用过程密切相关,研究微–细–宏观关联过程与级联效应对于揭示其灾变机制具有重要意义。目前对软岩软化的研究主要集中于细宏观水–岩界面的表观特征,微–细–宏观界面关联特性及其跨尺度级联效应仍需进一步研究。针对这一问题,通过对软岩软化界面反应过程的微观化学反应、细观物理特性与宏观力学作用进行分析,建立水–岩界面的关联过程。依据能量流理论与级联概念,对软岩破坏的跨尺度级联效应进行分析。结果表明,水溶液阳离子浓度、软岩颗粒骨架外孔隙的占有比例和软岩崩解物质量3个因素,可以很好地阐述水–岩界面的关联过程。软岩软化过程中微–细–宏观级联因子均呈现逐级递增的趋势。解决了红层软岩软化水–岩界面关联过程的不完善与级联效应的跨尺度问题,为揭示软岩软化的深层次机制提供参考。

华南典型巨厚层红层软岩边坡降雨失稳的模型试验研究

针对华南巨厚层红层软岩边坡在强降雨条件下极易致灾的问题,采用相似理论,通过制备可表征软岩遇水软化特性的相似材料,构建巨厚层红层软岩边坡相似模型,研究其在中小雨(雨强Id<25 mm)、大雨(25 mm≤Id<50 mm)、暴雨(50 mm≤Id<100 mm)等降雨模式下的灾变过程和规律。结果表明:(1)该类型边坡的变形破坏受降雨模式的影响较大,大雨和暴雨等强降雨条件下边坡岩体逐渐崩解软化,在坡脚处首先达到饱和,产生初始裂缝,在重力及渗透力作用下,裂缝进一步扩展贯通,产生局部破坏,这样,坡脚之上的部分失去支撑,导致整个坡体产生牵引式滑坡。(2)降雨入渗主要分为无压渗流、有压渗流与饱和渗流3个阶段,边坡表面裂缝主要出现在无压渗流阶段并在有压渗流阶段逐渐扩展贯通、在饱和渗流阶段发生破坏;降雨过程中超孔隙水压力的累积和消散改变了边坡有效应力场的分布,从而引起其位移。(3)临滑阶段,有效应力和孔隙水压力比位移、位移变化速率等参数对边坡的破坏响应更敏感,因此提出基于应力监测的边坡灾变过程安全预警新思路。