摘要: 為評價紅層巖土化學特性對工程的影響, 對紅層巖土pH值、EC值、碳酸鈣、芒硝、石膏等關鍵物質成分的變化規律進行了試驗研究,提出了巖土化學穩定性的工程概念與分析思路,初步建立了pH值、EC值、碳酸鈣、芒硝、石膏臨界含量等指標組成的紅層巖土化學穩定性綜合判別標準, 將紅層巖土分為化學穩定性強、化學穩定性中等、化學穩定性差三類,為紅層特殊巖土定量化評價與分類治理提供了參考依據。

　　關鍵詞: 紅層,特殊巖土,化學穩定性,判別標準,試驗研究

　　前言：

　　工程擾動引起巖土體化學成分逐漸溶蝕、流失、改變, 引起其成分變化、結構變化等物理化學過程, 產生巖土體中可溶成分溶蝕、強度損失、混凝土腐蝕等巖土化學問題。工程地質地球化學、地球化學工程學、巖土化學力學]、巖土工程化學等觀點的提出, 說明巖土化學問題逐步得到了應有的重視。判斷水對巖土體物理化學影響程度, 建立巖土體物理化學性能改變和宏觀性能變化之間的聯系, 定性或定量地對宏觀性給予適當的評價, 為工程設計、施工提供理論依據和參考具有重要的工程意義。

　　1、化學穩定性判別指標分析

　　1.1 pH值

　　紅層巖土體pH值變化綜合反映了巖土體的酸堿性、化學穩定性、化學損傷程度。通過測量巖土體及其環境水工程擾動前后pH值變化, 能判斷巖土體的化學穩定性。圖1、圖2是紅層巖土體浸泡和淋濾試驗前后試樣pH變化情況。經淋濾作用后, 硫酸水淋濾巖石試樣pH值降低了1.24, 約為初始試樣的14%。受硫酸水淋濾土樣pH值降低了1.26, 約為初始試樣的15%。受蒸餾水和碳酸水淋濾巖土試樣pH降低幅度在0.4~0.83之間, 約為初始試樣的5%~10%。經浸泡作用后, 酸性環境水對紅層巖土的化學影響要大,pH值降低幅度9.3%~ 21%, 蒸餾水和碳酸水對紅層巖土影響略小一些, pH值降低幅度為2.6%~10%, 說明環境水不同作用方式對紅層巖土體的化學影響程度是不同的。

　　試驗結果表明: 紅層巖土體受酸性環境水的影響較大, 對酸性環境水的反應比較敏感。經綜合分析, 初步提出以下建議: 根據工程條件分別測定施工前后巖土體pH值, 根據前后兩次pH值的變化情況, 初步判斷紅層巖土體化學穩定性。

　　ΔpH>0.5時巖土體的化學穩定性弱; ΔpH值介于0.5~0.1之間時, 巖土體化學穩定性中等; ΔpH< 0.1時, 巖土體化學穩定性強。pH》8或pH《 6時, 紅層巖土體的化學活動性較強, 6< pH< 8時, 用不同時間巖土體pH值的變化來判斷巖土體的化學穩定性。需要說明的是, pH值隨環境變化敏感, 應根據需要多次測量才可確定測試結果。pH是巖土體化學性能變化的綜合度量, 僅表征巖土體隨著工程環境條件的變化而產生的酸堿度變化, 可以作為工程分析的概略參考, 深入分析還需要參考其它測試結果。

　　1.2 電導率( EC)

　　電導率是溶液導電性能的度量, 電導率大小和溶液中可溶性成分的多少等因素有關。通過測量巖土體工程施工前后電導率變化程度, 可以判斷工程擾動對巖土體化學穩定性影響程度。試驗結果表明, 經淋濾和浸泡作用后, 紅層巖土體電導率變化顯著。經淋濾作用后( 圖3) , 硫酸水淋濾試樣的電導率,巖石達到500µs/cm, 是初始試樣的10倍左右, 而土樣的電導率達到1075µs/cm, 是初始試樣的170倍, 淋濾前后電導率變化顯著, 說明紅層巖土體受酸性環境水的影響較大。

　　蒸餾水淋濾和碳酸水淋濾后, 巖土試樣電導率變化有明顯差異, 巖石的電導率變化較小, 土樣的電導率變化幅度較大, 蒸餾水淋濾后土樣電導率變為300µs/cm, 為初始值的50倍, 碳酸水淋濾后土樣電導率變為150µs/cm, 為初始值的25倍, 說明堿性紅層填料在蒸餾水淋濾作用下, 化學變化更顯著。

　　浸泡后巖土試樣電導率明顯增加(圖4) , 酸性環境水浸泡后巖土試樣變化幅度較大, 巖樣電導率增大為初始試樣的3.64倍, 土樣增大為初始試樣的71.43倍, 土樣電導率變化大于巖樣電導率變化約20倍。碳酸水浸泡后, 巖樣電導率增大為135scm, 為初始試樣的2.45倍, 土樣電導率增大為400µs/cm, 是初始土樣的57.14倍。蒸餾水浸泡后, 巖樣電導率僅增大1.18倍, 而土樣增大10.71倍, 變化較明顯。綜合各項研究成果, 初步提出根據電導率變化來判斷紅層巖土體化學穩定性建議:

　　根據電導率實測值初步判斷, EC≥1000µs/cm, 認為巖土體化學穩定性較差, 可溶鹽含量較高; EC<1000µs/cm, 認為紅層巖土體化學穩定性較強。然后再根據電導率的變化情況進一步判斷。

　　ΔEC<100µs/cm, 初步判定紅層巖土體化學穩定性強; ΔEC> 500µs/cm初步判定紅層巖土體化學穩定性弱; 100µs/cm≤ΔEC≤ 500µs/cm, 初步判定紅層巖土體化學穩定性中等。

　　同樣, 電導率是巖土體化學性能的綜合反映, 只能作出初步判斷, 深入分析還需要其它詳細的測試結果。

　　1.3關鍵物質成分

　　在工程實踐中, 巖土物質成分分析得到了重視, 關鍵性物質成分對紅層巖土工程性質有顯著影響。

　　1.3.1 關鍵物質成分對膨脹性的影響經酸性溶液處理后, 紅層粉末中碳酸鈣成分損失較大( 圖5) , 遂寧組泥巖從11.23%減少到0.75%; 合川粉砂巖從11.73%減小至1.29%; 西嶺雪山隧道6號鉆孔泥巖從20.86%減小到1.26%; 西嶺雪山隧道10號鉆孔泥巖從19.68%減小到3.21%。脫鈣后紅層泥巖、粉砂巖自由膨脹率有明顯增加趨勢( 圖6) , 說明鈣質膠結物對紅層巖土體有明顯膠結作用, 失去鈣質膠結物, 紅層巖土體膨脹性將會有逐漸增加的趨勢。

　　綜合相關研究結果, 紅層巖土中碳酸鈣含量一般在10%以上, 鈣質成分流失后, 膨脹性增加48%~71%, 因此暫時建議將10%作為碳酸鈣作為關鍵物質成分指標, 進行化學作用程度判斷標準。

　　1.3.2 關鍵物質成分對強度的影響

　　隨著可溶鹽總量、芒硝、石膏等關鍵性成分變化, 紅層巖土體膨脹性呈現增加趨勢、單軸抗壓強度、抗剪強度等力學性能表現出逐漸衰減的變化。在變化過程中出現在某個臨界含量前后工程性質出現明顯的突變現象。如成昆鐵路紅層粉砂質泥巖隨著芒硝含量增加, 膨脹性逐漸增強, 在2%左右時, 粉砂質泥巖膨脹性有一個突變, 膨脹力從12~18kPa增至100kPa以上,膨脹量從1%左右增至60%以上, 可以認為2%為粉砂巖膨脹性變化的臨界點。說明在巖土體中的關鍵性物質成分的變化可以作為巖土體工程性能尤其是力學性能變化的指示成分或概略判斷指標, 為工程設計和施工提供參考。

　　2、化學穩定性判別標準的建立

　　綜合pH值、電導率、關鍵物質成分試驗研究成果, 建立了由pH、ΔpH、EC、ΔEC、碳酸鈣臨界含量、芒硝臨界含量、石膏臨界含量組成的紅層巖土化學穩定性判別標準(表1) 。

　　pH值和電導率測試方法簡單, 儀器簡便, 可以在野外應用, 通過初步判斷得出對紅層巖土化學效應的基本認識, 并注意勘查、設計、施工、維護階段的對比分析, 可以方便的發現紅層巖土在工程活動中的化學性能的基本變化特征。

　　關鍵物質成分的確定, 需要在常規化學成分、易溶鹽、中溶鹽、難溶鹽分析的基礎上, 對比不同工程階段物質成分含量及其變化速度, 確定影響工程性能的關鍵物質成分, 采取針對性措施。限于條件, 判斷方法還需要工程實踐反復檢驗, 各類判別指標取值較粗略, 還需要積累大量試驗資料予以完善。

　　根據化學穩定性判別標準, 可以將紅層巖土分為化學穩定性強、中等、弱三類。綜合鐵路、公路、水電等30多個紅層工點資料和室內物理、化學分析試驗成果, 初步總結了不同化學穩定性紅層巖土的基本特征、工程地質評價和工程地質問題。

　　3、結論

　　(1) 化學穩定性概念突出了巖土體化學特性的工程特點, 反映了pH值、電導率、關鍵物質成分等紅層巖土基本化學特征, 適應了紅層巖土在工程擾動下化學變化程度的工程分析和判斷要求。

　　(2) 試驗研究表明, pH、電導率、關鍵物質成分可以作為紅層特殊巖土化學穩定性的判別指標, 能夠建立物理化學微觀變化和宏觀工程性能之間的聯系, 能夠有效判斷紅層巖土化學穩定性, 為紅層特殊巖土工程設計施工提供定性或定量參考依據。

　　(3) 化學穩定性判別標準的建立, 為紅層特殊巖土在工程擾動下化學變化的定量化評價和工程分類治理奠定了基礎。

　　參考文獻:

　　[2] 魏玉峰, 聶德新. 第三系紅層中石膏溶蝕特性及其對工程的影響[J] .水文地質工程地質,2005,32(2):62-64.

　　[3] 孫天錫.紀村壩基紅層的化學侵蝕[ J] .水文地質工程地質,1983(6): 17- 19.