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红层岩土物理化学效应及其工程应用研究

  摘要: 为评价红层岩土化学特性对工程的影响, 对红层岩土pH值、EC值、碳酸钙、芒硝、石膏等关键物质成分的变化规律进行了试验研究,提出了岩土化学稳定性的工程概念与分析思路,初步建立了pH值、EC值、碳酸钙、芒硝、石膏临界含量等指标组成的红层岩土化学稳定性综合判别标准, 将红层岩土分为化学稳定性强、化学稳定性中等、化学稳定性差三类,为红层特殊岩土定量化评价与分类治理提供了参考依据。

  关键词: 红层,特殊岩土,化学稳定性,判别标准,试验研究

  前言:

  工程扰动引起岩土体化学成分逐渐溶蚀、流失、改变, 引起其成分变化、结构变化等物理化学过程, 产生岩土体中可溶成分溶蚀、强度损失、混凝土腐蚀等岩土化学问题。工程地质地球化学、地球化学工程学、岩土化学力学]、岩土工程化学等观点的提出, 说明岩土化学问题逐步得到了应有的重视。判断水对岩土体物理化学影响程度, 建立岩土体物理化学性能改变和宏观性能变化之间的联系, 定性或定量地对宏观性给予适当的评价, 为工程设计、施工提供理论依据和参考具有重要的工程意义。

  1、化学稳定性判别指标分析

  1.1 pH值

  红层岩土体pH值变化综合反映了岩土体的酸碱性、化学稳定性、化学损伤程度。通过测量岩土体及其环境水工程扰动前后pH值变化, 能判断岩土体的化学稳定性。图1、图2是红层岩土体浸泡和淋滤试验前后试样pH变化情况。经淋滤作用后, 硫酸水淋滤岩石试样pH值降低了1.24, 约为初始试样的14%。受硫酸水淋滤土样pH值降低了1.26, 约为初始试样的15%。受蒸馏水和碳酸水淋滤岩土试样pH降低幅度在0.4~0.83之间, 约为初始试样的5%~10%。经浸泡作用后, 酸性环境水对红层岩土的化学影响要大,pH值降低幅度9.3%~ 21%, 蒸馏水和碳酸水对红层岩土影响略小一些, pH值降低幅度为2.6%~10%, 说明环境水不同作用方式对红层岩土体的化学影响程度是不同的。

  试验结果表明: 红层岩土体受酸性环境水的影响较大, 对酸性环境水的反应比较敏感。经综合分析, 初步提出以下建议: 根据工程条件分别测定施工前后岩土体pH值, 根据前后两次pH值的变化情况, 初步判断红层岩土体化学稳定性。

  ΔpH>0.5时岩土体的化学稳定性弱; ΔpH值介于0.5~0.1之间时, 岩土体化学稳定性中等; ΔpH< 0.1时, 岩土体化学稳定性强。pH》8或pH《 6时, 红层岩土体的化学活动性较强, 6< pH< 8时, 用不同时间岩土体pH值的变化来判断岩土体的化学稳定性。需要说明的是, pH值随环境变化敏感, 应根据需要多次测量才可确定测试结果。pH是岩土体化学性能变化的综合度量, 仅表征岩土体随着工程环境条件的变化而产生的酸碱度变化, 可以作为工程分析的概略参考, 深入分析还需要参考其它测试结果。

  1.2 电导率( EC)

  电导率是溶液导电性能的度量, 电导率大小和溶液中可溶性成分的多少等因素有关。通过测量岩土体工程施工前后电导率变化程度, 可以判断工程扰动对岩土体化学稳定性影响程度。试验结果表明, 经淋滤和浸泡作用后, 红层岩土体电导率变化显著。经淋滤作用后( 图3) , 硫酸水淋滤试样的电导率,岩石达到500µs/cm, 是初始试样的10倍左右, 而土样的电导率达到1075µs/cm, 是初始试样的170倍, 淋滤前后电导率变化显著, 说明红层岩土体受酸性环境水的影响较大。

  蒸馏水淋滤和碳酸水淋滤后, 岩土试样电导率变化有明显差异, 岩石的电导率变化较小, 土样的电导率变化幅度较大, 蒸馏水淋滤后土样电导率变为300µs/cm, 为初始值的50倍, 碳酸水淋滤后土样电导率变为150µs/cm, 为初始值的25倍, 说明碱性红层填料在蒸馏水淋滤作用下, 化学变化更显著。

  浸泡后岩土试样电导率明显增加(图4) , 酸性环境水浸泡后岩土试样变化幅度较大, 岩样电导率增大为初始试样的3.64倍, 土样增大为初始试样的71.43倍, 土样电导率变化大于岩样电导率变化约20倍。碳酸水浸泡后, 岩样电导率增大为135scm, 为初始试样的2.45倍, 土样电导率增大为400µs/cm, 是初始土样的57.14倍。蒸馏水浸泡后, 岩样电导率仅增大1.18倍, 而土样增大10.71倍, 变化较明显。综合各项研究成果, 初步提出根据电导率变化来判断红层岩土体化学稳定性建议:

  根据电导率实测值初步判断, EC≥1000µs/cm, 认为岩土体化学稳定性较差, 可溶盐含量较高; EC<1000µs/cm, 认为红层岩土体化学稳定性较强。然后再根据电导率的变化情况进一步判断。

  ΔEC<100µs/cm, 初步判定红层岩土体化学稳定性强; ΔEC> 500µs/cm初步判定红层岩土体化学稳定性弱; 100µs/cm≤ΔEC≤ 500µs/cm, 初步判定红层岩土体化学稳定性中等。

  同样, 电导率是岩土体化学性能的综合反映, 只能作出初步判断, 深入分析还需要其它详细的测试结果。

  1.3关键物质成分

  在工程实践中, 岩土物质成分分析得到了重视, 关键性物质成分对红层岩土工程性质有显著影响。

  1.3.1 关键物质成分对膨胀性的影响经酸性溶液处理后, 红层粉末中碳酸钙成分损失较大( 图5) , 遂宁组泥岩从11.23%减少到0.75%; 合川粉砂岩从11.73%减小至1.29%; 西岭雪山隧道6号钻孔泥岩从20.86%减小到1.26%; 西岭雪山隧道10号钻孔泥岩从19.68%减小到3.21%。脱钙后红层泥岩、粉砂岩自由膨胀率有明显增加趋势( 图6) , 说明钙质胶结物对红层岩土体有明显胶结作用, 失去钙质胶结物, 红层岩土体膨胀性将会有逐渐增加的趋势。

  综合相关研究结果, 红层岩土中碳酸钙含量一般在10%以上, 钙质成分流失后, 膨胀性增加48%~71%, 因此暂时建议将10%作为碳酸钙作为关键物质成分指标, 进行化学作用程度判断标准。

  1.3.2 关键物质成分对强度的影响

  随着可溶盐总量、芒硝、石膏等关键性成分变化, 红层岩土体膨胀性呈现增加趋势、单轴抗压强度、抗剪强度等力学性能表现出逐渐衰减的变化。在变化过程中出现在某个临界含量前后工程性质出现明显的突变现象。如成昆铁路红层粉砂质泥岩随着芒硝含量增加, 膨胀性逐渐增强, 在2%左右时, 粉砂质泥岩膨胀性有一个突变, 膨胀力从12~18kPa增至100kPa以上,膨胀量从1%左右增至60%以上, 可以认为2%为粉砂岩膨胀性变化的临界点。说明在岩土体中的关键性物质成分的变化可以作为岩土体工程性能尤其是力学性能变化的指示成分或概略判断指标, 为工程设计和施工提供参考。

  2、化学稳定性判别标准的建立

  综合pH值、电导率、关键物质成分试验研究成果, 建立了由pH、ΔpH、EC、ΔEC、碳酸钙临界含量、芒硝临界含量、石膏临界含量组成的红层岩土化学稳定性判别标准(表1) 。

  pH值和电导率测试方法简单, 仪器简便, 可以在野外应用, 通过初步判断得出对红层岩土化学效应的基本认识, 并注意勘查、设计、施工、维护阶段的对比分析, 可以方便的发现红层岩土在工程活动中的化学性能的基本变化特征。

  关键物质成分的确定, 需要在常规化学成分、易溶盐、中溶盐、难溶盐分析的基础上, 对比不同工程阶段物质成分含量及其变化速度, 确定影响工程性能的关键物质成分, 采取针对性措施。限于条件, 判断方法还需要工程实践反复检验, 各类判别指标取值较粗略, 还需要积累大量试验资料予以完善。

  根据化学稳定性判别标准, 可以将红层岩土分为化学稳定性强、中等、弱三类。综合铁路、公路、水电等30多个红层工点资料和室内物理、化学分析试验成果, 初步总结了不同化学稳定性红层岩土的基本特征、工程地质评价和工程地质问题。

  3、结论

  (1) 化学稳定性概念突出了岩土体化学特性的工程特点, 反映了pH值、电导率、关键物质成分等红层岩土基本化学特征, 适应了红层岩土在工程扰动下化学变化程度的工程分析和判断要求。

  (2) 试验研究表明, pH、电导率、关键物质成分可以作为红层特殊岩土化学稳定性的判别指标, 能够建立物理化学微观变化和宏观工程性能之间的联系, 能够有效判断红层岩土化学稳定性, 为红层特殊岩土工程设计施工提供定性或定量参考依据。

  (3) 化学稳定性判别标准的建立, 为红层特殊岩土在工程扰动下化学变化的定量化评价和工程分类治理奠定了基础。

  参考文献:

  [2] 魏玉峰, 聂德新. 第三系红层中石膏溶蚀特性及其对工程的影响[J] .水文地质工程地质,2005,32(2):62-64.

  [3] 孙天锡.纪村坝基红层的化学侵蚀[ J] .水文地质工程地质,1983(6): 17- 19.

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