水岩土化学作用与地质灾害防治_汤连生

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1、第 10 卷 第 3 期中 国 地 质 灾 害 与 防 治 学 报Vol. 10 No. 31999 年 9 月THE CHINESE JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARD AND CONT ROLSept. 1999水-岩土化学作用与地质灾害防治X汤连生XX王思敬 (中国科学院地质研究所工程地质力学开放实验室, 北京, 100029)张鹏程 唐 诚 (中山大学地球科学系, 广州, 510275) ( 中国科学院南海海洋研究所, 广州, 510301)提要 水-岩土化学作用对岩土力学效应的研究是岩土力学中亟待开拓的研究领域, 此方面的研究及其应用将直接导致地质灾害研究领域中

2、新认识的出现, 并在地质灾害机理与防治研究及环境地质研究等方面具有广泛的应用前景。 本文对常温常压下, 不同岩石在不同循环流速的水化学溶液中抗压强度的变化进行了试验研究, 主要对水化学作用对岩石的力学效应的作用机理进行了分析, 同时也分析了水化学作用对土体力学性质的影响, 讨论了其定量描述的可能性及扩展到更广泛的应用研究领域的前景, 其中对一些典型的与水化学作用有关的地质灾害作了分析, 并对地质灾害防治的研究思路进行了探讨。关键词 水-岩土化学作用 地质灾害 变形破坏 力学效应 防治一、水化学作用对岩石力学性质的影响1. 水- 岩化学作用 水岩化学对岩石的作用是一种复杂的岩石强度的腐蚀过程。强

3、度腐蚀的化学作用过程的机理研究已涉及到有: ( 1) 水的 pH 值的作用; ( 2) 全等溶解作用; ( 3) 非全等溶解作用( 水解作用) ;( 4) 离子交换作用; ( 5) 温度的影响; ( 6) 压力的影响。其机理很复杂, 有各种解释, 其中也有以能量的观点来解释水化学作用导致岩石力学性质改变的机理。 例如,Westwood ( 1974) 发现, 当被测矿物上单层吸收的静电势为零时, 玻璃和石英的压缩硬度 最大, 当静电势变高时, 其压缩硬度就变小。 Dunning et al. ( 1984) 、Boozeretal ( 1963) 和Swolfs ( 1971) 在对石英的裂隙

4、渗透实验与砂岩的抗压实验中发现, 由于水化学环境的作用 而造成的被测矿物的表面自由能的减少。 Logan and Blackwell ( 1983) 发现有水的存在, 砂岩的摩擦系数下降了 15%, 而 FeCl3和 CaCl2溶液的存在将导致摩擦系数 25 % 的减少。 还有众多学者探讨了地震、滑坡、围岩不稳定性与水化学作用的宏观关系。本文对常温常压下, 不同岩石在不同循环流速的水化学溶液中抗压强度的变化进行了 试验研究, 用以探讨水化学作用导致岩石力学性质改变的机理。2. 试验研究试验目的: 通过对不同水循环条件下, 不同的岩性在不同的水溶液中的水-岩化学作用61X XX第一作者简介: 汤

5、连生, 男, 35岁, 副教授, 在职博士生, 现在中山大学地球科学系从事工程地质、 地质灾害教学与科研。本研究受国家自然科学基金和广东省自然科学基金资助。导致岩石力学效应的差异性分析, 探讨水-岩化学作用对岩石力学性质的影响机理。 ( 1) 岩石试件根据本试验研究的目的, 并考虑到试验应具有工程应用的针对性,本次试验选取了花 岗岩、砂岩和灰岩三类岩石, 三类岩性的试件分别由均匀的岩块切割而成。三类岩石的主要天然性质如下:a. 花岗岩的性质: 采样地点: 广东增城市桑田。 矿物学及岩石学特征: 含斜长石 45 % 、 条纹长石 20 % 、 石英 25 %、黑云母近 10 % , 含有微量的辉

6、石、磁铁矿、 磷灰石和方解石; 半自形等粒结构,块状构造。物理性质:容重 C= 2. 65 g/ cm3, 吸水率 W = 1. 6 。b. 砂岩的性质: 采样地点: 广州市。矿物学及岩石学特征: 含长石 35 % ( 包括钾长 石、酸性斜长石) 、石英 65 % , 含少量的角闪石、磁铁矿和微量榍石, 粘土杂质含量较高;泥质胶结, 细粒结构。物理性质: 容重 C= 2. 02 g/ cm3, 吸水率W = 1. 4 。c. 灰岩的性质: 采样地点: 广东花都市炭步镇。矿物学及岩石学特征: 主要为方解石 和白云石, 含少量的黄铁矿及石膏等矿物; 鲕状结构, 块状构造。 物理性质: 容重 C=

7、2. 69g/ cm3, 吸水率 W = 3. 2 。( 2) 试验水溶液的配制赋存于岩石圈中的地下水,是一种复杂的化学溶液。它不断与岩土发生化学反应, 并 与大气圈、水圈、生物圈和岩石圈进行水量水质的交换。它溶解岩土的组分, 搬运这些组分的同时还将某些组分析出。 因而, 实际地下水的化学成分是很复杂的, 含有各种离子、 气 体、胶体、有机质及微生物等。但是, 在水溶液的配置时,我们根据所选岩性、地下水的一般特性及试验的历时效应, 配置了三种中高矿化度型水溶液作为本次试验水化学溶液的 母液, 其化学性质见表 1 左侧。 考虑到花岗岩、 砂岩中 Na+含量较多, 因而在与花岗岩、 砂表 1 水溶

8、液成分、浓度、pH 值的分析结果 (单位: mg/L) Tab. 1 Analytical results of chemical composition,concentration of aqueous solution(mg/L)成 分水样编号水溶液 1水溶液 2水溶液 3花液 9花液 10灰液 6砂液 3灰液 7pH3. 182. 493. 673. 292. 527. 547. 067. 34 Cl-5960. 003485. 001210. 008540. 0042901180. 08670. 001280 SO42-4330. 0310018. 349713. 764692. 24

9、12883. 0810290. 0012020. 0011137. 90 NO3-0. 180. 170. 190. 370. 310. 240. 330. 29 Na+3000. 005550. 005600. 003500. 007750. 006266. 673675. 005933. 33 K+0. 220. 180. 137. 807. 740. 252. 990. 29 Ca2+0. 310. 150. 130. 990. 341. 805. 551. 93 Mg2+1150. 781005. 335. 702027. 771274. 8434. 222061. 9942. 78

10、Fe3+0. 150. 210. 151. 1413. 440. 140. 180. 24 F-29. 504. 201. 50 SiO20. 940. 510. 732. 8511. 700. 901. 110. 73 游离 CO2116. 12514. 2336. 49116. 12630. 3413. 2933. 168. 29 HCO3-270. 31259. 49275. 71 总矿化度14558. 7320598. 6216567. 2818893. 7626863. 2918057. 8226729. 8018681. 49 所浸试件岩性花岗岩花岗岩灰岩砂岩灰岩 所用水化学溶液水

11、溶液 1水溶液 2水溶液 3水溶液 1水溶液 3 循环流速高速高速低速高速高速62岩作用的水溶液 2 中, 阳离子主要是 Mg2+、Ca2+; 同时考虑到花岗岩分布区, F-的作用广泛, 其中水溶液 2 中加入了一定量的 F-, 水溶液1 中未加 F-, 以进行对比。 针对石灰岩的特点, 与石灰岩作用的水溶液3 中的阳离子为 Na+。 本次试验为静止和循环的开放体系, 空气中的 CO2与水溶液中的 HCO3-、CO32-达到动态平衡。( 3) 试验设计共设计了三种不同的试验装置低速循环、高速循环与静泡装置, 以期探索在不同循环速率的水化学作用下,岩石力学性质的变化规律。选定的水循环流速为: 低

12、速循环速率 V = 31680 ml/ d ( 相当于容器中的全部的水溶液每天循环一次) , 高速循环速率 V =316800 ml/ d, 两者相差十倍。考虑到本次研究工作还处于探索性的阶段, 因此暂取岩石试件的单轴抗压强度进行分析。考虑到不同水化学溶液、不同岩性和不同的循环速率的试验对比分析, 由以上三种不同速率的装置, 共装了 15套试验装置。试验全部在室温常压条件下进行, 计划采取3 个时间点 ( 试验累计时间 576h、2400h、4800h 各取一次) 样品进行测试分析, 当累计试验 560 h, 取得第一批样品的测试结果,见表 2。试验还在继续。表 2 不同条件下岩石抗压强度试验

13、结果 Tab. 2 Results of the compressive strength of rocks under different conditions岩性水溶液 循环速率水溶液 化学性质单轴抗压 强度 ( MPa )岩性水溶液 循环速率水溶液 化学性质单轴抗压 强度 ( M Pa )花岗岩天然干燥状态142. 3灰岩天然干燥状态143. 1 花岗岩纯水饱水状态137. 7灰岩纯水饱水状态140. 3 花岗岩静泡纯水136. 3灰岩静泡纯水135. 7 花岗岩静泡水溶液 1137. 1灰岩低速纯水134. 3 花岗岩静泡水溶液 2131. 5灰岩静泡水溶液 3126. 6 花岗岩低速

14、纯水129. 3灰岩低速水溶液 3122. 3 花岗岩低速水溶液 1127. 3灰岩高速水溶液 3111. 9 花岗岩低速水溶液 2127. 5砂岩天然干燥状态45. 4 花岗岩高速水溶液 1122. 9砂岩低速水溶液 122. 1 花岗岩高速水溶液 2121. 6砂岩高速水溶液 117. 93. 试验结果分析( 1) 水化学溶液性质变化分析与岩石反应后的水溶液分析结果见表 1 右侧。从表 1 可看出, 砂岩、灰岩的水-岩反应后的pH 值均有大幅提高。 浸砂岩的水溶液最明显的是 Mg2+、 Ca2+、 K+和 Na+含量的变化,这与方程 ( 1) 的理论预期是一致的。钙质胶结物中的CaCO3的

15、溶解使 Ca2+增加。 但是, 与预期不一致的是 Fe2+、 Fe3+, 由于砂岩取于中生界白垩系红层, 溶液中理应含有较多的铁,但分析结果未见 Fe3+有大的变化。这也可能溶液中以 Fe2+为主, 其水-岩化学作用较复杂,仍需进一步分析。灰岩成分比较单一, 与预计的 Ca2+、Mg2+增加很多是一致的。KAlSi3O8+ 2H+= KAl3Si3O10( OH)2+ 6SiO2+ 2K+( 1) K( Mg, Fe) ( Fe, Al, Li)2( Si6Al2O20) ( OH)2( F, Cl)2+ H2O + 72H+63Al2Si2O5( OH)4+ 4H4SiO4+ 2K+ 5Na

16、0. 8Al1. 2Si2. 8O8+ 6H+ 19H2O3Al2Si2O5( OH)4+ 4Na+ Ca2+ 8H4SiO4( 2) Ca5F( PO4) + 3H2O = 5Ca2+ 3HPO42-+ F-+ 3OH-( 3) 花岗岩的 pH 变化很小, 这与花岗岩-水溶液的反应特点有关。对于花岗岩高速循环花液 9、花液 10, Ca2+、K+和Na+的增幅很大, 可用水与花岗岩中的斜长石、黑云母的反应方程 ( 2) 来解释。在反应溶液中Ca2+、 K+和 Na+增多同时, 还生成了H4SiO4并离解成酸性。 因此反应后的 pH 几乎未变。 花岗岩中的磷灰石的溶解 ( 方程 ( 3) ) 导致了花液 9 中 F-的出现, 但水溶液 2与花岗岩反应后 F-含量大幅下降。可看出,反应还远未达到平衡。( 2) 水化学溶液对岩石的力学效应从表 1、表2 可看出, 花岗岩、 砂岩、灰岩的单轴抗压强度随水溶液循环速率增大而减小的趋势是十分明显的, 但是,各种岩石的单轴抗压强度下降幅度的差异也很大。不同化学