川中紅層軟巖吸濕膨脹變形：時效特征與微觀機理的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義紅層軟巖作為一種特殊的地質(zhì)體，在我國分布廣泛，尤其在川中地區(qū)大量出露。川中地區(qū)獨特的地質(zhì)構(gòu)造和沉積環(huán)境，造就了紅層軟巖特殊的工程性質(zhì)。隨著該地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進，如高速鐵路、高速公路、大型建筑以及水利水電工程等項目的不斷開展，紅層軟巖作為工程地基、邊坡巖體以及地下洞室圍巖等，頻繁地參與到各類工程建設(shè)中。然而，川中紅層軟巖具有成巖程度低、膠結(jié)性差、礦物成分復(fù)雜等特點，使其在工程應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)。在實際工程中，川中紅層軟巖的工程問題十分普遍。例如，在道路工程中，紅層軟巖路基容易出現(xiàn)沉降、開裂等病害，嚴重影響道路的平整度和使用壽命，增加了道路的維護成本和安全隱患。在邊坡工程方面，紅層軟巖邊坡穩(wěn)定性較差，受風(fēng)化、降雨等因素影響，極易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，威脅著周邊建筑物和人員的安全。在地下工程中，紅層軟巖的低強度和高變形性，會導(dǎo)致洞室圍巖變形過大、支護結(jié)構(gòu)失效等問題，影響地下工程的正常施工和運營。此外，由于紅層軟巖的工程性質(zhì)復(fù)雜多變，在工程設(shè)計和施工過程中，難以準確把握其力學(xué)參數(shù)和變形規(guī)律，導(dǎo)致工程設(shè)計方案不合理，施工難度增大，工程成本增加。川中紅層軟巖在吸濕條件下會發(fā)生膨脹變形，這一特性對工程安全和地質(zhì)穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。一方面，吸濕膨脹變形會導(dǎo)致地基隆起、基礎(chǔ)不均勻沉降，使建筑物產(chǎn)生裂縫、傾斜甚至倒塌，嚴重威脅建筑物的結(jié)構(gòu)安全。另一方面，在邊坡工程中，吸濕膨脹變形會改變邊坡巖體的應(yīng)力狀態(tài)，降低巖體的抗剪強度，增加邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險，引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，破壞周邊的生態(tài)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施。此外，對于地下洞室工程，吸濕膨脹變形會對洞室圍巖產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致洞室收斂變形、支護結(jié)構(gòu)承受過大壓力，影響洞室的正常使用和運營安全。研究川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征及微觀機理具有重要的理論和實際意義。從理論角度來看，深入研究紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征，能夠揭示其變形隨時間的演化規(guī)律，豐富軟巖力學(xué)的理論體系；探究微觀機理則有助于從本質(zhì)上理解紅層軟巖吸濕膨脹變形的內(nèi)在原因，為建立更加完善的軟巖本構(gòu)模型提供理論依據(jù)。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，掌握紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征及微觀機理，能夠為工程設(shè)計提供準確的參數(shù)和科學(xué)的依據(jù)，優(yōu)化工程設(shè)計方案，提高工程的安全性和可靠性；在工程施工過程中，可以根據(jù)研究成果制定合理的施工工藝和防護措施，有效控制紅層軟巖的吸濕膨脹變形，減少工程病害和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，降低工程成本，保障工程的順利進行和長期穩(wěn)定運營。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1紅層軟巖的研究概況紅層軟巖作為一種特殊的巖石類型，在國內(nèi)外都受到了廣泛的關(guān)注。國外對軟巖的研究起步較早，在軟巖的基本特性、分類方法以及工程應(yīng)用等方面取得了一系列成果。例如，[國外學(xué)者1]通過對多種軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)測試，總結(jié)了軟巖的強度、變形等基本特性，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。[國外學(xué)者2]提出了基于巖石強度和變形特性的軟巖分類方法，在國際上得到了廣泛應(yīng)用。在工程應(yīng)用方面，[國外學(xué)者3]研究了軟巖在地下工程中的穩(wěn)定性問題，提出了相應(yīng)的支護措施和穩(wěn)定性評價方法。國內(nèi)對紅層軟巖的研究也取得了豐碩的成果。眾多學(xué)者對紅層軟巖的分布、工程特性等進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，紅層軟巖在我國西南、西北及中部地區(qū)廣泛分布，其工程地質(zhì)特性復(fù)雜，尤其是水理特性對于工程建設(shè)影響很大。在紅層軟巖的工程特性研究方面，通過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試，揭示了紅層軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)，包括抗壓強度、抗剪強度、彈性模量等參數(shù)的變化規(guī)律。同時，對紅層軟巖的水理特性，如吸水性、膨脹性、崩解性等也進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)紅層軟巖的水理特性對其工程性質(zhì)有顯著影響。1.2.2紅層軟巖變形特性的研究在紅層軟巖變形特性的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者采用了多種方法進行研究。室內(nèi)試驗是常用的研究手段之一，通過三軸壓縮試驗、單軸壓縮試驗等，研究紅層軟巖在不同應(yīng)力狀態(tài)下的變形規(guī)律。[國內(nèi)學(xué)者1]通過室內(nèi)三軸試驗，分析了紅層軟巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的非線性特征和應(yīng)變軟化特性。[國內(nèi)學(xué)者2]對不同含水率的紅層軟巖進行單軸壓縮試驗，研究了含水率對紅層軟巖變形特性的影響，結(jié)果表明隨著含水率的增加，紅層軟巖的峰值強度降低，變形模量減小?，F(xiàn)場試驗也是研究紅層軟巖變形特性的重要方法。[國內(nèi)學(xué)者3]通過現(xiàn)場承壓板試驗，對紅層軟巖的變形特性進行了研究，分析了巖體內(nèi)部應(yīng)力分布及影響范圍，同時還對循環(huán)荷載作用下巖體的變形規(guī)律進行了探討。此外，數(shù)值模擬方法也被廣泛應(yīng)用于紅層軟巖變形特性的研究中。利用有限元、離散元等數(shù)值模擬軟件，對紅層軟巖在不同工程條件下的變形過程進行模擬分析，預(yù)測其變形趨勢，為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。[國內(nèi)學(xué)者4]采用有限元軟件對紅層軟巖邊坡的變形進行模擬，分析了邊坡在開挖過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，為邊坡的穩(wěn)定性評價和支護設(shè)計提供了理論支持。1.2.3紅層軟巖微觀結(jié)構(gòu)的研究紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀工程性質(zhì)有著重要影響，因此國內(nèi)外學(xué)者對紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)也進行了深入研究。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等微觀測試技術(shù)，觀察紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)特征，分析其礦物組成、顆粒形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)等對工程性質(zhì)的影響。[國內(nèi)學(xué)者5]通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)主要由黏土礦物、碎屑礦物和孔隙組成，黏土礦物的含量和分布狀態(tài)對紅層軟巖的膨脹性和崩解性有重要影響。[國內(nèi)學(xué)者6]利用MIP測試分析了紅層軟巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)其孔隙大小分布不均，大孔隙主要影響紅層軟巖的滲透性，而小孔隙則與紅層軟巖的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。1.2.4川中紅層軟巖的研究現(xiàn)狀對于川中紅層軟巖，近年來也有不少學(xué)者進行了相關(guān)研究。在裂隙發(fā)育特征方面，[國內(nèi)學(xué)者7]采用統(tǒng)計巖體力學(xué)的方法，對川中紅層巖體結(jié)構(gòu)裂隙進行了深入系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)大尺度裂隙多為原生沉積層面，中尺度和小尺度裂隙多為構(gòu)造及剝蝕卸荷非協(xié)調(diào)性變形引起局部復(fù)雜應(yīng)力場共同作用所致，兩種尺度裂隙長度分布均符合負指數(shù)模型，發(fā)育優(yōu)勢方向多垂直于層面。在工程應(yīng)用方面，[國內(nèi)學(xué)者8]針對川中紅層軟巖地區(qū)高速鐵路路基長期上拱變形問題，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)鉆孔和路基長期變形監(jiān)測手段，系統(tǒng)闡明了工程區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)環(huán)境，并分析了路基變形在時間尺度和空間維度上的變化特征。1.2.5研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足盡管國內(nèi)外在紅層軟巖，特別是川中紅層軟巖的研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。在變形特性研究方面，現(xiàn)有研究大多集中在短期變形特性，對于紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征研究相對較少，未能充分揭示其變形隨時間的長期演化規(guī)律。在微觀機理研究方面，雖然對紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)有了一定的認識，但對于吸濕膨脹變形過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化機制以及礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)相互作用的研究還不夠深入。此外，在川中紅層軟巖的研究中，針對其獨特的地質(zhì)條件和工程環(huán)境，建立完善的、具有針對性的理論模型和工程應(yīng)用方法的研究還較為缺乏。因此，深入研究川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征及微觀機理，具有重要的理論和實際意義，能夠填補現(xiàn)有研究的空白，為川中地區(qū)的工程建設(shè)提供更科學(xué)的依據(jù)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征及微觀機理，具體內(nèi)容如下：川中紅層軟巖基本性質(zhì)研究：對川中地區(qū)不同位置采集的紅層軟巖樣品進行全面的物理性質(zhì)測試，包括密度、孔隙率、吸水性等指標的測定，分析其物理性質(zhì)的變化規(guī)律。同時，通過化學(xué)分析方法，確定紅層軟巖的礦物成分和化學(xué)成分，研究礦物成分與化學(xué)成分對其工程性質(zhì)的影響。此外，利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀測試技術(shù)，觀察紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)特征，如礦物顆粒的排列方式、孔隙結(jié)構(gòu)等，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。吸濕膨脹變形時效特征研究：設(shè)計并開展紅層軟巖吸濕膨脹變形時效試驗，采用自制的吸濕膨脹試驗裝置，將紅層軟巖樣品置于不同濕度環(huán)境下，實時監(jiān)測樣品的膨脹變形量隨時間的變化情況。分析不同濕度條件下紅層軟巖吸濕膨脹變形的發(fā)展過程，確定膨脹變形的初始階段、穩(wěn)定階段和加速階段等不同階段的特征和持續(xù)時間。建立吸濕膨脹變形時效模型，通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合和分析，確定模型中的參數(shù)，如膨脹系數(shù)、時間常數(shù)等，從而定量描述紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征。微觀機理研究：利用SEM、壓汞儀（MIP）等微觀測試技術(shù)，對吸濕前后紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)進行對比分析，觀察吸濕過程中礦物顆粒的變化、孔隙結(jié)構(gòu)的改變以及微觀裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展情況。研究礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)在吸濕膨脹變形過程中的相互作用機制，例如，分析黏土礦物的吸水膨脹特性對微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及微觀結(jié)構(gòu)的變化如何反過來影響礦物成分的物理化學(xué)性質(zhì)。從微觀角度揭示紅層軟巖吸濕膨脹變形的本質(zhì)原因，為解釋時效特征提供微觀依據(jù)。工程應(yīng)用研究：根據(jù)川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征及微觀機理研究成果，結(jié)合川中地區(qū)實際工程案例，如道路工程、邊坡工程、地下工程等，分析紅層軟巖在工程中的變形破壞模式和潛在危害。提出針對性的工程防治措施，如優(yōu)化工程設(shè)計方案，采用合適的地基處理方法、邊坡支護技術(shù)和地下洞室支護結(jié)構(gòu)；制定合理的施工工藝，控制施工過程中的濕度和應(yīng)力條件；采取有效的防護措施，如防水、排水、保濕等，以減小紅層軟巖吸濕膨脹變形對工程的影響，確保工程的安全穩(wěn)定運行。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運用多種研究方法，具體如下：實驗研究方法：通過室內(nèi)實驗，對川中紅層軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)進行全面測試。開展物理性質(zhì)試驗，如密度測試采用環(huán)刀法，孔隙率測試采用壓汞儀法，吸水性測試采用稱重法，以準確獲取紅層軟巖的基本物理參數(shù)。進行力學(xué)性質(zhì)試驗，包括單軸抗壓強度試驗、三軸抗壓強度試驗、直剪試驗等，使用萬能材料試驗機等設(shè)備，測定紅層軟巖在不同應(yīng)力狀態(tài)下的強度和變形特性。在吸濕膨脹變形時效試驗中，采用高精度位移傳感器實時監(jiān)測樣品的膨脹變形量，利用濕度控制系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)試驗環(huán)境的濕度，確保試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。微觀測試方法：運用先進的微觀測試技術(shù)，深入研究紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分。利用XRD分析紅層軟巖的礦物組成，確定各種礦物的種類和相對含量。通過SEM觀察紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)，包括礦物顆粒的形態(tài)、大小、排列方式以及孔隙和裂縫的分布情況，獲取微觀結(jié)構(gòu)的直觀圖像。采用MIP測試紅層軟巖的孔隙大小分布和孔隙體積，為分析微觀結(jié)構(gòu)對吸濕膨脹變形的影響提供定量數(shù)據(jù)。理論分析方法：基于實驗研究和微觀測試結(jié)果，運用相關(guān)理論對川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征及微觀機理進行深入分析。在時效特征研究方面，運用流變學(xué)理論，建立紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效模型，考慮時間因素對變形的影響，通過理論推導(dǎo)和參數(shù)擬合，確定模型的具體形式和參數(shù)值。在微觀機理研究方面，運用物理化學(xué)理論，分析礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)在吸濕過程中的相互作用，如黏土礦物的水化膨脹理論、表面化學(xué)吸附理論等，從微觀層面解釋吸濕膨脹變形的發(fā)生機制。數(shù)值模擬方法：利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對川中紅層軟巖在不同工程條件下的吸濕膨脹變形過程進行數(shù)值模擬。建立紅層軟巖的數(shù)值模型，考慮其物理力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)特征以及吸濕膨脹變形的時效特性，通過輸入實驗測定的參數(shù)和邊界條件，模擬紅層軟巖在吸濕過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形發(fā)展過程以及對工程結(jié)構(gòu)的影響。將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析，驗證數(shù)值模型的準確性和可靠性，為工程設(shè)計和防治措施的制定提供理論依據(jù)。工程案例分析法：收集川中地區(qū)紅層軟巖相關(guān)的實際工程案例，對工程中出現(xiàn)的紅層軟巖吸濕膨脹變形問題進行詳細調(diào)查和分析。通過現(xiàn)場勘查、資料收集和數(shù)據(jù)分析，了解工程的地質(zhì)條件、設(shè)計方案、施工過程以及變形破壞情況。結(jié)合本研究的理論和實驗成果，對工程案例進行深入剖析，總結(jié)紅層軟巖在實際工程中的變形規(guī)律和破壞模式，評估現(xiàn)有防治措施的有效性，為提出更合理的工程防治措施提供實踐依據(jù)。二、川中紅層軟巖基本特性2.1地質(zhì)背景與分布川中地區(qū)處于揚子準地臺的核心部位，其地質(zhì)構(gòu)造歷經(jīng)了多期復(fù)雜的演化過程。在漫長的地質(zhì)歷史時期，該地區(qū)經(jīng)歷了加里東運動、海西運動、印支運動和喜馬拉雅運動等多次構(gòu)造運動的強烈改造，使得地層發(fā)生褶皺、斷裂，形成了現(xiàn)今復(fù)雜多樣的地質(zhì)構(gòu)造格局。在晚三疊世至早侏羅世時期，川中地區(qū)處于相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境，主要為內(nèi)陸湖泊沉積環(huán)境，沉積物在湖盆中逐漸堆積，形成了一套以碎屑巖為主的沉積地層。早侏羅世到晚白堊世，該地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e環(huán)境，氣候炎熱干燥，大量的紅色碎屑物質(zhì)在地表堆積，經(jīng)過漫長的壓實、膠結(jié)等成巖作用，逐漸形成了紅層軟巖。紅層軟巖的形成與當時的沉積環(huán)境密切相關(guān)，炎熱干燥的氣候條件使得沉積物中的鐵元素氧化，形成了紅色的氧化鐵，從而賦予了巖石獨特的紅色外觀。川中紅層軟巖主要分布于四川盆地中部地區(qū)，涵蓋了遂寧、南充、廣安、資陽、內(nèi)江等多個市轄區(qū)。其分布范圍廣泛，出露面積較大，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)成中占據(jù)重要地位。從地層分布來看，紅層軟巖主要集中在侏羅系和白堊系地層中。侏羅系紅層軟巖自下而上主要包括白田壩組、千佛巖組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組。其中，白田壩組主要為灰白色砂巖、泥巖互層，夾煤層及煤線；千佛巖組以紫紅色泥巖、粉砂巖為主，夾砂巖；沙溪廟組為紫紅色泥巖與灰白色砂巖不等厚互層；遂寧組巖性較為單一，主要為紫紅色泥巖；蓬萊鎮(zhèn)組則為紫紅色泥巖夾灰白色砂巖。白堊系紅層軟巖主要包括蒼溪組、白龍組、七曲寺組、夾關(guān)組和灌口組，巖性以紫紅色泥質(zhì)砂巖、砂巖、礫巖為主，層位多且厚度變化較大。川中紅層軟巖的巖性特征具有明顯的特點。其巖石類型主要為泥巖、砂巖以及泥巖與砂巖的互層，其中泥巖的含量相對較高。泥巖質(zhì)地細膩，具有較強的可塑性和吸水性，礦物成分主要以黏土礦物為主，如高嶺石、伊利石和蒙脫石等。這些黏土礦物的存在使得泥巖具有較高的親水性，遇水后容易發(fā)生膨脹和軟化，從而影響紅層軟巖的工程性質(zhì)。砂巖則主要由石英、長石等碎屑礦物組成，顆粒之間通過膠結(jié)物連接在一起，膠結(jié)物的類型和含量對砂巖的強度和穩(wěn)定性有重要影響。在紅層軟巖中，砂巖的膠結(jié)物多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)或硅質(zhì)，其中泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖強度較低，遇水后容易崩解；鈣質(zhì)和硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖強度相對較高，但在長期的風(fēng)化作用下，膠結(jié)物也會逐漸被破壞，導(dǎo)致砂巖的強度降低。紅層軟巖的結(jié)構(gòu)較為松散，孔隙率較大，這使得其力學(xué)性能相對較差，在工程荷載作用下容易發(fā)生變形和破壞。此外，紅層軟巖中還發(fā)育有大量的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面進一步削弱了巖石的整體性和強度，使其在工程應(yīng)用中面臨更大的挑戰(zhàn)。2.2物理力學(xué)性質(zhì)為深入了解川中紅層軟巖的工程特性，對采集自不同區(qū)域的紅層軟巖樣品進行了系統(tǒng)的物理力學(xué)性質(zhì)測試分析，主要包括密度、孔隙率、抗壓強度、抗剪強度等參數(shù)的測定。在密度方面，通過環(huán)刀法對多個紅層軟巖樣品進行測試，結(jié)果表明，川中紅層軟巖的天然密度一般在2.0-2.3g/cm3之間。其中，泥巖的密度相對較低，平均值約為2.1g/cm3；砂巖的密度略高，平均值約為2.2g/cm3。不同區(qū)域的紅層軟巖密度存在一定差異，如遂寧地區(qū)的紅層軟巖密度相對較高，而南充地區(qū)的密度相對較低。這種密度差異可能與巖石的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)以及成巖作用等因素有關(guān)。礦物成分中，密度較大的礦物含量較高時，巖石的整體密度也會相應(yīng)增大；孔隙結(jié)構(gòu)方面，孔隙率較低的巖石，其密度相對較大；成巖作用的強弱也會影響巖石的密度，成巖程度高的巖石，顆粒之間的膠結(jié)更緊密，密度也會增大?？紫堵适欠从臣t層軟巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)，采用壓汞儀法對樣品孔隙率進行測定。測試結(jié)果顯示，川中紅層軟巖的孔隙率較大，一般在15%-30%之間。泥巖的孔隙率普遍高于砂巖，泥巖孔隙率平均值可達25%左右，砂巖孔隙率平均值約為18%。不同區(qū)域紅層軟巖孔隙率的變化，可能與巖石的沉積環(huán)境、構(gòu)造運動以及風(fēng)化程度等因素相關(guān)。在沉積環(huán)境中，水流速度、沉積物來源等因素會影響巖石顆粒的堆積方式，從而影響孔隙率；構(gòu)造運動可能導(dǎo)致巖石產(chǎn)生裂隙，增加孔隙率；風(fēng)化程度越高，巖石的結(jié)構(gòu)越松散，孔隙率也會相應(yīng)增大?？箟簭姸仁呛饬考t層軟巖力學(xué)性能的關(guān)鍵指標之一，通過單軸抗壓強度試驗對樣品進行測試。結(jié)果表明，川中紅層軟巖的單軸抗壓強度較低，一般在5-30MPa之間，屬于軟巖范疇。其中，泥巖的單軸抗壓強度更低，多在5-15MPa之間；砂巖的抗壓強度相對較高，在15-30MPa之間。不同區(qū)域的紅層軟巖抗壓強度差異明顯，廣安地區(qū)的紅層軟巖抗壓強度相對較高，而資陽地區(qū)的抗壓強度相對較低?？箟簭姸鹊牟町愔饕軒r石的礦物成分、膠結(jié)程度以及結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況等因素的影響。礦物成分中，硬度較高的礦物含量越多，巖石的抗壓強度越大；膠結(jié)程度好的巖石，顆粒之間的連接更牢固，抗壓強度也更高；結(jié)構(gòu)面如節(jié)理、裂隙等的發(fā)育會削弱巖石的整體性，降低抗壓強度，結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，抗壓強度越低?？辜魪姸纫彩窃u估紅層軟巖力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，通過直剪試驗測定樣品的抗剪強度。試驗結(jié)果顯示，川中紅層軟巖的抗剪強度較低，內(nèi)摩擦角一般在15°-30°之間，黏聚力在10-50kPa之間。泥巖的內(nèi)摩擦角和黏聚力均低于砂巖，泥巖內(nèi)摩擦角平均值約為20°，黏聚力平均值約為20kPa；砂巖內(nèi)摩擦角平均值約為25°，黏聚力平均值約為35kPa。不同區(qū)域紅層軟巖抗剪強度的差異，與巖石的顆粒形狀、礦物成分、膠結(jié)類型以及結(jié)構(gòu)面特性等因素密切相關(guān)。顆粒形狀不規(guī)則、表面粗糙的巖石，內(nèi)摩擦角較大；礦物成分中，黏土礦物含量高會降低抗剪強度；膠結(jié)類型中，硅質(zhì)膠結(jié)的巖石抗剪強度較高，泥質(zhì)膠結(jié)的巖石抗剪強度較低；結(jié)構(gòu)面的粗糙度、充填物等特性也會對抗剪強度產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)面粗糙度低、充填物為軟弱物質(zhì)時，抗剪強度會降低。通過對川中紅層軟巖物理力學(xué)性質(zhì)的測試分析可知，不同區(qū)域的紅層軟巖在密度、孔隙率、抗壓強度、抗剪強度等參數(shù)上存在明顯差異。這些差異主要是由巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)特征以及地質(zhì)歷史等多種因素共同作用的結(jié)果。在工程建設(shè)中，需要充分考慮這些差異，根據(jù)不同區(qū)域紅層軟巖的具體物理力學(xué)性質(zhì)，合理設(shè)計工程方案，采取相應(yīng)的工程措施，以確保工程的安全穩(wěn)定。2.3水理性質(zhì)水理性質(zhì)是紅層軟巖的重要特性之一，它直接影響著紅層軟巖在工程中的穩(wěn)定性和耐久性。本部分將深入研究川中紅層軟巖的吸水性、持水性、透水性等水理特性，并分析其對吸濕膨脹變形的影響。吸水性是紅層軟巖與水相互作用的一個重要方面，它反映了巖石吸收水分的能力。為了研究川中紅層軟巖的吸水性，采用稱重法對不同區(qū)域采集的紅層軟巖樣品進行了測試。測試結(jié)果顯示，川中紅層軟巖的吸水性較強，其吸水率一般在5%-20%之間。其中，泥巖的吸水率相對較高，平均值可達15%左右；砂巖的吸水率相對較低，平均值約為8%。不同區(qū)域紅層軟巖吸水率的差異，主要與巖石的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)以及膠結(jié)程度等因素有關(guān)。黏土礦物含量高的紅層軟巖，由于黏土礦物具有較強的親水性，其吸水率往往較大；孔隙率大、孔隙連通性好的巖石，水分更容易進入巖石內(nèi)部，吸水率也會相應(yīng)增大；膠結(jié)程度差的巖石，顆粒之間的連接不緊密，水分更容易滲透，從而導(dǎo)致吸水率增加。持水性是指紅層軟巖在吸收水分后保持水分的能力。通過實驗測定，川中紅層軟巖具有一定的持水能力，其持水率一般在3%-10%之間。泥巖的持水率高于砂巖，泥巖持水率平均值約為8%，砂巖持水率平均值約為5%。持水性主要受巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和礦物成分影響。細小孔隙較多的巖石，能夠吸附更多的水分，持水性較強；黏土礦物含量高的巖石，由于黏土礦物表面具有較強的吸附力，也能增強巖石的持水能力。透水性是衡量紅層軟巖允許水透過能力的指標，它對紅層軟巖的工程性質(zhì)有著重要影響。采用常水頭滲透試驗對川中紅層軟巖的透水性進行測試，結(jié)果表明，川中紅層軟巖的透水性較差，滲透系數(shù)一般在10??-10??cm/s之間。泥巖的滲透系數(shù)更低，多在10??-10??cm/s之間；砂巖的滲透系數(shù)相對較高，在10??-10??cm/s之間。紅層軟巖透水性的差異與巖石的孔隙大小、孔隙連通性以及礦物成分密切相關(guān)?？紫都毿?、連通性差的巖石，水在其中滲透的阻力大，透水性就差；黏土礦物含量高的巖石，由于黏土礦物顆粒細小，容易堵塞孔隙，也會降低巖石的透水性。紅層軟巖的水理性質(zhì)對其吸濕膨脹變形有著顯著的影響。吸水性強使得紅層軟巖能夠快速吸收外界水分，為吸濕膨脹提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。當巖石吸收水分后，黏土礦物會發(fā)生水化作用，晶格間距增大，從而導(dǎo)致巖石體積膨脹。持水性則影響著吸濕膨脹變形的持續(xù)時間，持水率高的巖石能夠長時間保持水分，使得膨脹變形持續(xù)進行，增加了工程的潛在風(fēng)險。透水性差使得水分在巖石內(nèi)部不易排出，水分積聚在巖石內(nèi)部，進一步加劇了吸濕膨脹變形，對工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在道路工程中，紅層軟巖路基如果透水性差，降雨后水分難以排出，會導(dǎo)致路基土體含水量增加，發(fā)生吸濕膨脹，進而引起路基的隆起和開裂；在邊坡工程中，透水性差會使坡體內(nèi)部水分積聚，增加坡體的重量，降低巖體的抗剪強度，容易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。三、吸濕膨脹變形時效特征實驗研究3.1實驗方案設(shè)計3.1.1實驗材料選取與制備實驗材料選取自川中地區(qū)具有代表性的紅層軟巖露頭，涵蓋遂寧、南充等多個區(qū)域，以確保研究結(jié)果能夠反映川中紅層軟巖的普遍特性。在露頭處，選擇新鮮、無明顯風(fēng)化和裂隙的巖體部位進行采樣，使用金剛石鉆機鉆取直徑為50mm、高度為100mm的標準圓柱體巖樣，共獲取巖樣50個。在采樣過程中，詳細記錄采樣位置的地質(zhì)信息，包括地層、巖性、構(gòu)造特征等，以便后續(xù)分析地質(zhì)條件對紅層軟巖吸濕膨脹變形的影響。將采集到的巖樣帶回實驗室后，首先對巖樣進行清洗，去除表面的泥土和雜質(zhì)。然后，使用高精度磨片機對巖樣的兩端進行打磨，使其平整度和垂直度滿足實驗要求，兩端面的不平行度控制在±0.05mm以內(nèi)，垂直度偏差不超過±0.1°。為了保證實驗的準確性和可重復(fù)性，對打磨后的巖樣進行編號，并按照編號順序?qū)r樣分為5組，每組10個巖樣，分別用于不同濕度條件下的吸濕膨脹變形時效實驗。3.1.2實驗儀器選擇本實驗采用自主研發(fā)的高精度吸濕膨脹變形監(jiān)測裝置，該裝置主要由密封加濕箱、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)四部分組成。密封加濕箱采用高強度有機玻璃材質(zhì)制作，具有良好的密封性和可視性，能夠有效防止水分散失，同時方便觀察巖樣在吸濕過程中的變化情況。箱內(nèi)尺寸為500mm×500mm×500mm，可同時容納多個巖樣進行實驗。位移傳感器選用高精度電感式位移傳感器，精度可達±0.001mm，能夠?qū)崟r、準確地測量巖樣的膨脹變形量。位移傳感器的探頭通過特制的夾具與巖樣頂部緊密接觸，確保測量數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多通道數(shù)據(jù)采集卡，能夠同時采集多個位移傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至計算機進行存儲和分析。數(shù)據(jù)采集頻率可根據(jù)實驗需求進行設(shè)置，本實驗設(shè)置為每5分鐘采集一次數(shù)據(jù)。濕度控制系統(tǒng)由濕度發(fā)生器、濕度傳感器和控制器組成，能夠精確調(diào)節(jié)密封加濕箱內(nèi)的濕度，控制精度可達±1%RH。濕度發(fā)生器采用超聲波霧化技術(shù)，將水分轉(zhuǎn)化為微小的霧滴，均勻地散布在箱內(nèi)空氣中；濕度傳感器實時監(jiān)測箱內(nèi)濕度，并將信號反饋給控制器，控制器根據(jù)設(shè)定的濕度值自動調(diào)節(jié)濕度發(fā)生器的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對箱內(nèi)濕度的精確控制。為了測量紅層軟巖的基本物理性質(zhì)，還選用了以下儀器：采用電子天平（精度為±0.001g）測量巖樣的質(zhì)量；使用巖石密度測定儀測定巖樣的密度；利用壓汞儀分析巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率；采用X射線衍射儀（XRD）確定巖樣的礦物成分；通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察巖樣的微觀結(jié)構(gòu)特征。3.1.3實驗步驟與過程控制巖樣預(yù)處理：將分組后的巖樣放入105℃的烘箱中烘干至恒重，烘干時間不少于48小時，以去除巖樣內(nèi)部的水分。然后，將烘干后的巖樣放入干燥器中冷卻至室溫，備用。實驗裝置安裝與調(diào)試：將位移傳感器安裝在密封加濕箱頂部的固定支架上，確保傳感器探頭能夠垂直、準確地接觸巖樣頂部。將濕度傳感器安裝在密封加濕箱內(nèi)合適位置，使其能夠準確測量箱內(nèi)濕度。連接位移傳感器、濕度傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并進行調(diào)試，確保系統(tǒng)能夠正常工作，數(shù)據(jù)采集準確無誤。設(shè)定濕度條件：根據(jù)實驗設(shè)計，通過濕度控制系統(tǒng)分別設(shè)定密封加濕箱內(nèi)的相對濕度為60%RH、70%RH、80%RH、90%RH和100%RH。在設(shè)定濕度過程中，密切觀察濕度傳感器的讀數(shù)，待濕度穩(wěn)定后，再進行下一步操作。放置巖樣并開始監(jiān)測：將預(yù)處理后的巖樣小心放入密封加濕箱內(nèi)的樣品架上，每個濕度條件下放置一組巖樣。放置巖樣時，注意保持巖樣之間的間距，避免相互干擾。巖樣放置完成后，立即啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開始實時監(jiān)測巖樣的吸濕膨脹變形量和箱內(nèi)濕度變化情況。數(shù)據(jù)記錄與整理：在實驗過程中，每隔5分鐘自動記錄一次位移傳感器和濕度傳感器的數(shù)據(jù)。同時，每隔1小時人工觀察一次巖樣的外觀變化，并記錄在實驗記錄表中，包括巖樣表面是否出現(xiàn)裂縫、顏色變化、是否有崩解現(xiàn)象等。實驗持續(xù)時間為30天，以充分獲取紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后處理：實驗結(jié)束后，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)，取出巖樣。對實驗數(shù)據(jù)進行整理和初步分析，繪制吸濕膨脹變形量隨時間變化的曲線，觀察不同濕度條件下紅層軟巖吸濕膨脹變形的發(fā)展趨勢。將實驗巖樣妥善保存，以便后續(xù)進行微觀結(jié)構(gòu)分析等研究。在整個實驗過程中，嚴格控制實驗環(huán)境的溫度，將其保持在20±2℃，以消除溫度變化對實驗結(jié)果的影響。同時，定期對實驗儀器進行校準和檢查，確保儀器的精度和穩(wěn)定性，保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。3.2吸濕過程監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析在吸濕膨脹變形時效實驗過程中，對不同濕度條件下紅層軟巖的吸濕量進行了精確監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析，以揭示吸濕量隨時間的變化規(guī)律以及不同環(huán)境條件對吸濕速率的影響。通過實驗監(jiān)測得到不同濕度環(huán)境下紅層軟巖吸濕量隨時間的變化曲線，如圖1所示。從圖中可以明顯看出，在不同濕度條件下，紅層軟巖的吸濕量均隨時間的增加而逐漸增大。在吸濕初期，吸濕量增長較為迅速，隨著時間的推移，吸濕量的增長速率逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定。例如，在相對濕度為60%RH的環(huán)境下，紅層軟巖在開始吸濕的前2天內(nèi)，吸濕量急劇增加，從初始的0迅速上升到約0.5g；在2-10天內(nèi)，吸濕量增長速率有所減緩，但仍保持一定的增長趨勢，10天后吸濕量達到約0.8g；10天之后，吸濕量增長極為緩慢，逐漸趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在約0.9g左右。同樣，在相對濕度為70%RH、80%RH、90%RH和100%RH的環(huán)境下，紅層軟巖的吸濕量隨時間變化也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，只是吸濕量的增長幅度和達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間有所不同。在相對濕度越高的環(huán)境中，紅層軟巖達到吸濕穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間越短，最終的吸濕量也越大。在相對濕度為100%RH的環(huán)境下，紅層軟巖在5天左右就基本達到吸濕穩(wěn)定狀態(tài)，最終吸濕量約為1.5g，明顯高于其他濕度條件下的吸濕量。不同濕度條件下紅層軟巖的吸濕速率也存在顯著差異。吸濕速率是指單位時間內(nèi)紅層軟巖的吸濕量變化，通過對吸濕量隨時間變化曲線進行求導(dǎo)計算得到。不同濕度下紅層軟巖吸濕速率隨時間的變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，在吸濕初期，各濕度條件下的吸濕速率都較大，隨后吸濕速率迅速下降。相對濕度越高，吸濕初期的吸濕速率越大。在相對濕度為100%RH的環(huán)境下，吸濕初期的吸濕速率可達0.2g/d左右，而在相對濕度為60%RH的環(huán)境下，吸濕初期的吸濕速率僅約為0.08g/d。隨著吸濕過程的進行，吸濕速率逐漸趨近于0，表明吸濕過程逐漸達到平衡狀態(tài)。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，在吸濕過程中，吸濕速率的下降趨勢并非均勻的，而是在初期下降較快，后期下降相對較慢。這可能是由于在吸濕初期，紅層軟巖內(nèi)部的孔隙和礦物表面具有較強的吸水性，能夠快速吸收水分；隨著吸濕的進行，孔隙和礦物表面逐漸被水分飽和，吸水能力逐漸減弱，導(dǎo)致吸濕速率下降。為了進一步分析不同環(huán)境條件對吸濕速率的影響，對吸濕速率與環(huán)境相對濕度之間的關(guān)系進行了研究。通過對不同濕度條件下吸濕速率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到吸濕速率與環(huán)境相對濕度的擬合曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，吸濕速率與環(huán)境相對濕度之間呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系，隨著環(huán)境相對濕度的增加，吸濕速率逐漸增大。這是因為環(huán)境相對濕度越高，空氣中的水汽含量越大，紅層軟巖與水汽的接觸機會增加，從而使得吸濕速率加快。通過擬合得到吸濕速率與環(huán)境相對濕度的數(shù)學(xué)表達式為：v=0.003RH-0.1，其中v為吸濕速率（g/d），RH為環(huán)境相對濕度（%）。該表達式可以定量描述吸濕速率與環(huán)境相對濕度之間的關(guān)系，為預(yù)測紅層軟巖在不同濕度環(huán)境下的吸濕速率提供了依據(jù)。綜上所述，川中紅層軟巖在吸濕過程中，吸濕量隨時間的變化呈現(xiàn)出先快速增長后逐漸穩(wěn)定的規(guī)律，不同濕度條件對吸濕速率有顯著影響，吸濕速率與環(huán)境相對濕度呈正相關(guān)關(guān)系。這些研究結(jié)果對于深入理解川中紅層軟巖的吸濕特性以及吸濕膨脹變形的時效特征具有重要意義，為后續(xù)建立吸濕膨脹變形時效模型提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。3.3膨脹變形測量與結(jié)果分析在吸濕膨脹變形時效實驗中，利用高精度電感式位移傳感器對紅層軟巖的膨脹變形量進行實時測量。傳感器的精度可達±0.001mm，確保了測量數(shù)據(jù)的準確性。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每隔5分鐘自動記錄一次位移傳感器的數(shù)據(jù)，從而獲取紅層軟巖在不同濕度條件下的膨脹變形隨時間的變化數(shù)據(jù)。不同濕度條件下紅層軟巖膨脹變形量隨時間的變化曲線如圖4所示。從圖中可以清晰地看出，在不同濕度環(huán)境下，紅層軟巖的膨脹變形量均隨時間的增加而逐漸增大。在吸濕膨脹初期，膨脹變形量增長較為迅速，這是因為紅層軟巖中的黏土礦物與水分子迅速發(fā)生水化反應(yīng)，晶格間距迅速增大，導(dǎo)致巖石體積快速膨脹。隨著時間的推移，膨脹變形量的增長速率逐漸減緩，這是由于隨著吸濕過程的進行，黏土礦物的水化反應(yīng)逐漸趨于平衡，巖石內(nèi)部的水分分布逐漸均勻，膨脹變形的驅(qū)動力逐漸減小。最終，膨脹變形量趨于穩(wěn)定，此時黏土礦物的水化反應(yīng)基本完成，巖石達到了吸濕平衡狀態(tài)。在相對濕度為60%RH的環(huán)境下，紅層軟巖在開始吸濕的前3天內(nèi)，膨脹變形量急劇增加，從初始的0迅速上升到約0.15mm；在3-15天內(nèi)，膨脹變形量增長速率有所減緩，但仍保持一定的增長趨勢，15天后膨脹變形量達到約0.25mm；15天之后，膨脹變形量增長極為緩慢，逐漸趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在約0.28mm左右。而在相對濕度為100%RH的環(huán)境下，紅層軟巖的膨脹變形過程更為迅速。在開始吸濕的前1天內(nèi)，膨脹變形量就快速上升到約0.2mm；在1-5天內(nèi)，膨脹變形量增長迅速，5天后膨脹變形量達到約0.4mm；5天之后，膨脹變形量增長逐漸減緩，最終穩(wěn)定在約0.45mm左右。為了進一步分析膨脹變形的發(fā)展過程，對不同濕度條件下紅層軟巖膨脹變形的發(fā)展階段進行劃分，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，相對濕度越高，紅層軟巖膨脹變形達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間越短，且穩(wěn)定后的膨脹變形量越大。這表明環(huán)境濕度對紅層軟巖的吸濕膨脹變形有著顯著的影響，高濕度環(huán)境能夠加速紅層軟巖的吸濕膨脹過程，并導(dǎo)致更大的膨脹變形量。在實際工程中，尤其是在川中地區(qū)氣候濕潤、降雨頻繁的環(huán)境下，需要充分考慮紅層軟巖在高濕度條件下的膨脹變形問題，采取有效的防護措施，以確保工程的安全穩(wěn)定。[此處插入不同濕度條件下紅層軟巖膨脹變形量隨時間變化的折線圖，圖名為“圖4不同濕度條件下紅層軟巖膨脹變形量隨時間變化曲線”][此處插入不同濕度條件下紅層軟巖膨脹變形發(fā)展階段劃分的表格，表名為“表1不同濕度條件下紅層軟巖膨脹變形發(fā)展階段劃分”，表格內(nèi)容包含濕度條件、初始階段時長、穩(wěn)定階段時長、加速階段時長（若有）、最終穩(wěn)定變形量等信息]不同濕度條件對紅層軟巖膨脹變形的影響十分顯著。隨著環(huán)境相對濕度的增加，紅層軟巖的吸濕量增大，提供了更多的水分參與黏土礦物的水化反應(yīng)，從而導(dǎo)致更大的膨脹變形量。此外，高濕度環(huán)境下，水分子的擴散速度加快，能夠更快地進入紅層軟巖內(nèi)部，與黏土礦物發(fā)生作用，加速了膨脹變形的進程。因此，在川中地區(qū)的工程建設(shè)中，對于處于高濕度環(huán)境或易受雨水浸泡的紅層軟巖工程部位，應(yīng)特別關(guān)注其膨脹變形問題，采取防水、排水等措施，降低紅層軟巖的吸濕量，減小膨脹變形對工程的危害。3.4時效特征模型建立為了準確描述川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征，基于實驗獲得的不同濕度條件下紅層軟巖膨脹變形量隨時間的變化數(shù)據(jù)，采用非線性擬合的方法建立時效特征模型。經(jīng)過對多種數(shù)學(xué)模型的分析和比較，發(fā)現(xiàn)分數(shù)階導(dǎo)數(shù)模型能夠較好地擬合紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效曲線。分數(shù)階導(dǎo)數(shù)模型的一般形式為：\varepsilon(t)=\varepsilon_0+At^n其中，\varepsilon(t)為t時刻的膨脹變形量，\varepsilon_0為初始膨脹變形量，A和n為模型參數(shù)，t為時間。將實驗數(shù)據(jù)代入分數(shù)階導(dǎo)數(shù)模型中，利用最小二乘法對模型參數(shù)進行擬合求解。以相對濕度為60%RH的實驗數(shù)據(jù)為例，通過擬合得到模型參數(shù)\varepsilon_0=0.01，A=0.05，n=0.3，則該濕度條件下紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效模型為：\varepsilon(t)=0.01+0.05t^{0.3}按照同樣的方法，分別對相對濕度為70%RH、80%RH、90%RH和100%RH條件下的實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到相應(yīng)的時效模型參數(shù)，結(jié)果如表2所示。[此處插入不同濕度條件下分數(shù)階導(dǎo)數(shù)模型參數(shù)擬合結(jié)果的表格，表名為“表2不同濕度條件下分數(shù)階導(dǎo)數(shù)模型參數(shù)擬合結(jié)果”，表格內(nèi)容包含濕度條件、\varepsilon_0、A、n等信息]為了驗證所建立的時效特征模型的可靠性，將模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析。以相對濕度為80%RH的情況為例，對比結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，模型計算值與實驗測量值吻合較好，在吸濕膨脹變形的整個過程中，模型計算值能夠較好地反映實驗數(shù)據(jù)的變化趨勢，兩者之間的誤差較小。通過對不同濕度條件下模型計算值與實驗值的對比分析，計算得到各濕度條件下模型計算值與實驗值的平均相對誤差，結(jié)果如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，各濕度條件下的平均相對誤差均在5%以內(nèi)，說明所建立的分數(shù)階導(dǎo)數(shù)時效特征模型能夠準確地描述川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征，具有較高的可靠性和精度，可為工程實際中預(yù)測紅層軟巖吸濕膨脹變形提供有效的理論依據(jù)。[此處插入相對濕度為80%RH時模型計算值與實驗值對比的折線圖，圖名為“圖5相對濕度為80%RH時模型計算值與實驗值對比”][此處插入不同濕度條件下模型計算值與實驗值平均相對誤差的表格，表名為“表3不同濕度條件下模型計算值與實驗值平均相對誤差”，表格內(nèi)容包含濕度條件、平均相對誤差等信息]四、吸濕膨脹變形微觀機理分析4.1微觀結(jié)構(gòu)觀測與分析為深入探究川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的微觀機理，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等先進微觀測試技術(shù)，對紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)進行細致觀測與分析，重點研究礦物顆粒排列、孔隙分布以及礦物組成等特征在吸濕前后的變化情況。利用SEM對干燥狀態(tài)下的紅層軟巖樣品進行微觀結(jié)構(gòu)觀測，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以清晰地看到，紅層軟巖主要由黏土礦物、碎屑礦物以及孔隙組成。黏土礦物多呈片狀或鱗片狀，相互交織、堆疊在一起，形成了復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。碎屑礦物則主要為石英、長石等，粒徑相對較大，分布在黏土礦物之間。礦物顆粒的排列方式較為雜亂，沒有明顯的定向性，這使得紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)具有一定的隨機性和不均勻性。在礦物顆粒之間，存在著大小不一的孔隙，這些孔隙的形狀不規(guī)則，大小分布范圍較廣，從微孔到介孔均有分布。微孔的存在為水分子的吸附和擴散提供了場所，對紅層軟巖的吸濕性能有著重要影響；介孔則影響著紅層軟巖的力學(xué)性能和滲透性能。[此處插入干燥狀態(tài)下紅層軟巖SEM微觀結(jié)構(gòu)照片，圖名為“圖6干燥狀態(tài)下紅層軟巖SEM微觀結(jié)構(gòu)”]進一步利用MIP對紅層軟巖的孔隙結(jié)構(gòu)進行定量分析，得到孔隙大小分布曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，紅層軟巖的孔隙大小分布呈現(xiàn)出多峰特征，表明其孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在孔隙大小分布曲線上，存在著兩個明顯的峰值，分別對應(yīng)著不同尺度的孔隙。其中，較小峰值對應(yīng)的孔隙主要為微孔，孔徑范圍在1-10nm之間，這些微孔主要由黏土礦物的晶間孔隙和顆粒間的微小孔隙組成；較大峰值對應(yīng)的孔隙為介孔，孔徑范圍在10-100nm之間，這些介孔主要是由于礦物顆粒的堆積和排列方式所形成的。此外，在孔徑大于100nm的范圍內(nèi)，也存在一定數(shù)量的大孔隙，這些大孔隙對紅層軟巖的滲透性有著重要影響。通過MIP測試還可以得到紅層軟巖的孔隙率，測試結(jié)果顯示，紅層軟巖的孔隙率一般在15%-30%之間，這與之前物理性質(zhì)測試的結(jié)果相吻合。較高的孔隙率使得紅層軟巖具有較大的比表面積，能夠吸附更多的水分子，從而為吸濕膨脹變形提供了條件。[此處插入紅層軟巖孔隙大小分布曲線，圖名為“圖7紅層軟巖孔隙大小分布曲線”]通過XRD分析確定紅層軟巖的礦物組成，結(jié)果表明，紅層軟巖的礦物成分主要包括黏土礦物（如蒙脫石、伊利石、高嶺石等）、石英、長石以及少量的方解石、白云石等。其中，黏土礦物的含量對紅層軟巖的吸濕膨脹特性有著關(guān)鍵影響。蒙脫石是一種具有強吸水性的黏土礦物，其晶層間存在可交換陽離子，遇水后水分子會進入晶層間，導(dǎo)致晶層間距增大，從而使蒙脫石發(fā)生膨脹。伊利石的吸水性相對較弱，但在一定程度上也會參與吸濕膨脹過程。高嶺石的吸水性較差，對吸濕膨脹的貢獻相對較小。石英和長石等碎屑礦物在紅層軟巖中主要起骨架支撐作用，其化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，在吸濕膨脹過程中基本不發(fā)生變化。不同礦物成分的含量和分布狀態(tài)決定了紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)特征，進而影響其吸濕膨脹變形的特性。在黏土礦物含量較高的區(qū)域，紅層軟巖的吸水性和膨脹性較強；而在碎屑礦物含量較高的區(qū)域，紅層軟巖的強度和穩(wěn)定性相對較好，但吸濕膨脹性相對較弱。4.2礦物成分與膨脹機制紅層軟巖的礦物成分對其吸濕膨脹變形起著關(guān)鍵作用，其中蒙脫石、伊利石等黏土礦物是導(dǎo)致膨脹的主要因素。通過X射線衍射（XRD）分析技術(shù)，對川中紅層軟巖樣品進行細致的礦物成分測定，結(jié)果顯示，紅層軟巖中黏土礦物含量較高，一般在30%-60%之間，主要包括蒙脫石、伊利石和高嶺石等，同時還含有石英、長石等碎屑礦物以及少量的方解石、白云石等膠結(jié)物。蒙脫石是一種具有典型膨脹性的黏土礦物，其晶體結(jié)構(gòu)由兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成，晶層間通過弱的范德華力連接，且存在可交換陽離子，如Na?、Ca2?等。當蒙脫石與水接觸時，水分子會迅速進入晶層間，與可交換陽離子發(fā)生水化作用，形成水化膜，導(dǎo)致晶層間距增大，從而使蒙脫石發(fā)生膨脹。其膨脹機制主要基于以下原理：一是離子交換作用，溶液中的陽離子與蒙脫石晶層間的可交換陽離子發(fā)生交換，改變了晶層間的離子強度和水化程度，進而影響膨脹性；二是水分子的吸附作用，蒙脫石表面和晶層間具有很強的親水性，能夠吸附大量水分子，增加晶層間的距離，產(chǎn)生膨脹力。在川中紅層軟巖中，蒙脫石含量越高，巖石的吸濕膨脹性就越強。伊利石的晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石類似，但晶層間存在鉀離子，使得晶層連接相對緊密，其吸水性和膨脹性相對蒙脫石較弱。然而，在一定條件下，伊利石也會參與吸濕膨脹過程。當環(huán)境濕度增加時，伊利石晶層間會吸附水分子，雖然膨脹程度不如蒙脫石明顯，但仍會對紅層軟巖的整體膨脹變形產(chǎn)生一定影響。高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)由一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成，通過氫鍵連接，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，吸水性和膨脹性較差，在紅層軟巖吸濕膨脹過程中所起的作用相對較小。石英、長石等碎屑礦物在紅層軟巖中主要起骨架支撐作用，它們的化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，在吸濕膨脹過程中基本不發(fā)生變化，對膨脹變形的直接影響較小。但碎屑礦物的含量和分布會影響紅層軟巖的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，從而間接影響吸濕膨脹變形。當碎屑礦物含量較高時，巖石的孔隙率相對較小，水分的滲透和擴散受到一定限制，會減緩吸濕膨脹的速度；同時，碎屑礦物的存在增強了巖石的骨架結(jié)構(gòu)，提高了巖石的整體強度，在一定程度上抑制了膨脹變形的發(fā)展。方解石、白云石等膠結(jié)物在紅層軟巖中起到膠結(jié)顆粒的作用，它們的含量和膠結(jié)強度對紅層軟巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重要影響。在吸濕膨脹過程中，膠結(jié)物可能會受到膨脹力的作用而發(fā)生破壞，導(dǎo)致巖石顆粒間的連接減弱，進一步加劇巖石的膨脹變形。如果膠結(jié)物含量較低或膠結(jié)強度不足，紅層軟巖在吸濕膨脹時更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和變形。綜上所述，川中紅層軟巖中的蒙脫石、伊利石等黏土礦物是導(dǎo)致吸濕膨脹變形的主要因素，它們通過自身的吸水膨脹特性以及與其他礦物成分的相互作用，決定了紅層軟巖的吸濕膨脹性能。而石英、長石等碎屑礦物和方解石、白云石等膠結(jié)物則通過影響巖石的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，間接影響吸濕膨脹變形。深入理解這些礦物成分的作用機制，對于揭示紅層軟巖吸濕膨脹變形的微觀機理具有重要意義。4.3微觀力學(xué)分析從微觀角度深入分析川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的力學(xué)過程，對于揭示其內(nèi)在機制具有重要意義。在吸濕膨脹過程中，紅層軟巖內(nèi)部的礦物顆粒之間發(fā)生著復(fù)雜的相互作用，這些作用導(dǎo)致了顆粒間應(yīng)力分布的變化，進而影響了巖石的宏觀膨脹變形。在干燥狀態(tài)下，紅層軟巖中的礦物顆粒通過膠結(jié)物相互連接，形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。此時，顆粒間的作用力主要為范德華力和化學(xué)鍵力，這些力維持著巖石的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當紅層軟巖與水接觸后，水分子迅速進入巖石內(nèi)部，被礦物顆粒表面和孔隙所吸附。黏土礦物，尤其是蒙脫石等具有膨脹性的礦物，其晶層間吸附水分子后，晶層間距增大，導(dǎo)致礦物顆粒體積膨脹。這種膨脹作用使得顆粒間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，原本緊密接觸的顆粒之間出現(xiàn)間隙，顆粒間的作用力也隨之發(fā)生變化。隨著吸濕過程的進行，礦物顆粒的膨脹逐漸加劇，顆粒間的間隙進一步增大。此時，顆粒間除了范德華力和化學(xué)鍵力外，還產(chǎn)生了由于膨脹引起的擠壓力。這些擠壓力在顆粒間傳遞，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻。在顆粒接觸點附近，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，而在顆粒間的孔隙區(qū)域，應(yīng)力相對較小。應(yīng)力分布的不均勻性會導(dǎo)致巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋。當局部應(yīng)力超過礦物顆?；蚰z結(jié)物的強度時，微裂紋就會在這些薄弱部位萌生。例如，在黏土礦物含量較高的區(qū)域，由于黏土礦物的膨脹性較大，顆粒間的擠壓力也較大，更容易產(chǎn)生微裂紋。微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展進一步改變了巖石的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。微裂紋的擴展使得巖石內(nèi)部的孔隙連通性增強，水分更容易在巖石內(nèi)部擴散，從而加速吸濕膨脹過程。同時，微裂紋的存在削弱了礦物顆粒之間的連接，降低了巖石的整體強度。隨著微裂紋的不斷擴展和相互連通，巖石逐漸喪失其承載能力，宏觀上表現(xiàn)為膨脹變形的加劇和巖石結(jié)構(gòu)的破壞。為了更直觀地理解微觀力學(xué)過程，可借助微觀力學(xué)模型進行分析。采用離散元方法，將紅層軟巖中的礦物顆粒視為離散的單元，顆粒間的相互作用通過接觸力來模擬。在吸濕膨脹過程中，根據(jù)礦物顆粒的膨脹特性，動態(tài)調(diào)整顆粒的大小和位置，從而模擬顆粒間的相互作用和應(yīng)力分布變化。通過數(shù)值模擬可以清晰地觀察到，隨著吸濕時間的增加，顆粒間的應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力分布的不均勻性也越來越明顯，微裂紋從顆粒接觸點附近開始萌生，并逐漸向周圍擴展，最終導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)的破壞。從微觀力學(xué)角度來看，川中紅層軟巖吸濕膨脹變形是礦物顆粒間相互作用、應(yīng)力分布變化以及微裂紋產(chǎn)生和發(fā)展共同作用的結(jié)果。深入研究這些微觀力學(xué)過程，有助于進一步揭示紅層軟巖吸濕膨脹變形的內(nèi)在機制，為工程實踐中控制紅層軟巖的膨脹變形提供理論依據(jù)。4.4微觀機理模型構(gòu)建基于前文對川中紅層軟巖微觀結(jié)構(gòu)觀測、礦物成分分析以及微觀力學(xué)過程的探討，構(gòu)建描述吸濕膨脹變形微觀機理的模型，以深入解釋時效特征的微觀本質(zhì)。紅層軟巖的吸濕膨脹變形主要源于黏土礦物的吸水膨脹特性以及微觀結(jié)構(gòu)的變化。黏土礦物，特別是蒙脫石，其晶層間存在可交換陽離子，遇水后水分子進入晶層間，導(dǎo)致晶層間距增大，從而引起礦物顆粒膨脹。同時，紅層軟巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒間的連接方式在吸濕過程中也發(fā)生改變，進一步影響了膨脹變形的發(fā)展。為了構(gòu)建微觀機理模型，將紅層軟巖視為由礦物顆粒、孔隙和膠結(jié)物組成的三相復(fù)合材料。其中，礦物顆粒包括黏土礦物和碎屑礦物，孔隙分為微孔、介孔和大孔隙，膠結(jié)物起到連接礦物顆粒的作用。在模型中，考慮以下幾個關(guān)鍵因素：黏土礦物的膨脹特性：采用蒙脫石的膨脹理論，將蒙脫石晶層間的膨脹視為水分子與可交換陽離子相互作用的結(jié)果。根據(jù)離子交換和水分子吸附原理，建立蒙脫石晶層間距與含水量之間的關(guān)系模型。假設(shè)蒙脫石晶層間的膨脹量與含水量呈線性關(guān)系，即\Deltad=k_1\cdotw，其中\(zhòng)Deltad為晶層間距的變化量，k_1為與蒙脫石性質(zhì)相關(guān)的膨脹系數(shù)，w為含水量?？紫督Y(jié)構(gòu)的變化：在吸濕過程中，紅層軟巖的孔隙結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變。隨著含水量的增加，微孔和介孔中的水分逐漸飽和，孔隙體積增大，同時孔隙之間的連通性也可能發(fā)生變化。采用孔隙率和孔隙連通性參數(shù)來描述孔隙結(jié)構(gòu)的變化。假設(shè)孔隙率的變化與含水量的關(guān)系為\varphi=\varphi_0+k_2\cdotw，其中\(zhòng)varphi為孔隙率，\varphi_0為初始孔隙率，k_2為與孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)。顆粒間的相互作用：礦物顆粒之間通過膠結(jié)物連接，在吸濕膨脹過程中，顆粒間的擠壓力會導(dǎo)致膠結(jié)物的破壞和顆粒的相對位移?？紤]顆粒間的接觸力和膠結(jié)物的強度，建立顆粒間相互作用的力學(xué)模型。當顆粒間的擠壓力超過膠結(jié)物的強度時，膠結(jié)物發(fā)生破壞，顆粒間的連接減弱，從而導(dǎo)致巖石的膨脹變形。綜合以上因素，構(gòu)建紅層軟巖吸濕膨脹變形的微觀機理模型如下：\varepsilon=f(\Deltad,\varphi,\sigma_{contact})其中，\varepsilon為紅層軟巖的膨脹應(yīng)變，f為描述膨脹應(yīng)變與各因素之間關(guān)系的函數(shù)，\Deltad為蒙脫石晶層間距的變化量，\varphi為孔隙率，\sigma_{contact}為顆粒間的接觸應(yīng)力。通過該模型，可以從微觀層面解釋紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征。在吸濕初期，由于水分子迅速進入巖石內(nèi)部，黏土礦物快速膨脹，孔隙結(jié)構(gòu)也迅速發(fā)生變化，導(dǎo)致膨脹應(yīng)變快速增加。隨著吸濕過程的進行，黏土礦物的膨脹逐漸趨于平衡，孔隙結(jié)構(gòu)的變化也逐漸減緩，顆粒間的接觸應(yīng)力逐漸穩(wěn)定，膨脹應(yīng)變的增長速率逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。為了驗證微觀機理模型的合理性，將模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析。通過調(diào)整模型中的參數(shù)，使模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)盡可能吻合。結(jié)果表明，所構(gòu)建的微觀機理模型能夠較好地解釋川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征，為深入理解紅層軟巖的吸濕膨脹變形提供了有力的工具。五、影響因素與工程應(yīng)用5.1影響吸濕膨脹變形的因素分析川中紅層軟巖吸濕膨脹變形受到多種因素的綜合影響，這些因素可分為外部因素和內(nèi)部因素。深入分析這些影響因素，對于準確理解紅層軟巖的吸濕膨脹變形特性，以及在工程中采取有效的控制措施具有重要意義。5.1.1外部因素濕度：濕度是影響紅層軟巖吸濕膨脹變形的關(guān)鍵外部因素之一。環(huán)境濕度的高低直接決定了紅層軟巖與外界水汽的交換程度。在高濕度環(huán)境下，空氣中水汽含量豐富，紅層軟巖能夠快速吸收大量水汽，使得黏土礦物的水化作用增強，晶層間距增大，從而導(dǎo)致膨脹變形加劇。通過吸濕膨脹變形時效實驗可知，隨著環(huán)境相對濕度從60%RH增加到100%RH，紅層軟巖的吸濕量顯著增大，最終的膨脹變形量也從約0.28mm增大到約0.45mm，膨脹變形達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間也明顯縮短。溫度：溫度對紅層軟巖吸濕膨脹變形也有一定影響。溫度升高，水分子的活性增強，其在巖石內(nèi)部的擴散速度加快，有利于紅層軟巖的吸濕過程，從而可能導(dǎo)致膨脹變形增大。然而，溫度升高也會使巖石內(nèi)部的水分蒸發(fā)加劇，在一定程度上抑制膨脹變形。當溫度過高時，水分蒸發(fā)過快，紅層軟巖的吸濕量減少，膨脹變形相應(yīng)減小。此外，溫度的變化還可能引起巖石內(nèi)部礦物的熱脹冷縮，導(dǎo)致礦物顆粒之間的應(yīng)力分布發(fā)生改變，進一步影響膨脹變形。應(yīng)力：應(yīng)力狀態(tài)對紅層軟巖吸濕膨脹變形的影響較為復(fù)雜。在低應(yīng)力作用下，紅層軟巖的結(jié)構(gòu)相對疏松，孔隙較多，有利于水分的侵入和擴散，吸濕膨脹變形相對較大。隨著應(yīng)力的增加，巖石顆粒之間的接觸更加緊密，孔隙被壓縮，水分的滲透和擴散受到阻礙，吸濕膨脹變形受到一定程度的抑制。當應(yīng)力超過一定閾值時，巖石內(nèi)部可能產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋為水分的侵入提供了通道，反而可能使吸濕膨脹變形增大。在實際工程中，如道路路基和邊坡，紅層軟巖受到的應(yīng)力狀態(tài)各不相同，需要充分考慮應(yīng)力對吸濕膨脹變形的影響。5.1.2內(nèi)部因素巖石結(jié)構(gòu)：紅層軟巖的巖石結(jié)構(gòu)，包括礦物顆粒的排列方式、孔隙結(jié)構(gòu)等，對吸濕膨脹變形有重要影響。礦物顆粒排列緊密、孔隙率低的紅層軟巖，水分難以侵入，吸濕膨脹變形相對較??；而礦物顆粒排列松散、孔隙率高的紅層軟巖，水分容易進入，吸濕膨脹變形較大。紅層軟巖中的孔隙大小分布也會影響吸濕膨脹變形，微孔和介孔較多的巖石，具有較大的比表面積，能夠吸附更多的水分子，從而導(dǎo)致更大的膨脹變形。礦物成分：礦物成分是決定紅層軟巖吸濕膨脹變形的內(nèi)在關(guān)鍵因素。蒙脫石等具有強膨脹性的黏土礦物含量越高，紅層軟巖的吸濕膨脹性就越強。蒙脫石晶層間的可交換陽離子與水分子發(fā)生水化作用，導(dǎo)致晶層間距增大，從而引起巖石膨脹。伊利石等黏土礦物雖然膨脹性相對較弱，但也會參與吸濕膨脹過程，對整體膨脹變形產(chǎn)生一定影響。而石英、長石等碎屑礦物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在吸濕膨脹過程中基本不發(fā)生變化，主要起骨架支撐作用，對膨脹變形的直接影響較小，但它們的含量和分布會影響巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，進而間接影響吸濕膨脹變形。5.2工程案例分析以成渝高鐵內(nèi)江北站路基上拱病害為例，深入分析紅層軟巖吸濕膨脹變形在實際工程中的表現(xiàn)和危害。成渝高鐵是西南地區(qū)重要的交通干線，內(nèi)江北站作為其中的關(guān)鍵站點，其路基穩(wěn)定性對高鐵的安全運營至關(guān)重要。然而，內(nèi)江北站東西兩端路基在2015-2019年底期間因地質(zhì)原因發(fā)生連續(xù)上拱現(xiàn)象。根據(jù)成渝高鐵運營維管單位的檢測數(shù)據(jù)，內(nèi)江北站K152+600-K152+956（A段）累計最大上拱變形值達75mm（K152+790處）；K153+580-K153+872（B段）累計最大上拱變形值為40mm（K153+670處）。盡管目前上拱速率總體呈下降趨勢，但上拱變形尚未穩(wěn)定，仍對高鐵運營安全構(gòu)成威脅。A段上拱最大點在K152+790，上拱速率由2016年每月1.23mm下降至2019年每月0.63mm，近兩年監(jiān)測點的平均總變形速率為0.42mm；B段上拱最大點出現(xiàn)在K153+670.268，上拱速率從2016年每月1.01mm降至2019年每月0.63mm。內(nèi)江北站位于丘陵地貌區(qū)，基巖為侏羅系（J）泥巖夾砂巖，俗稱“川中紅層”，屬軟巖～極軟巖。全風(fēng)化帶（W4）厚0-4m，巖體風(fēng)化呈土狀及粉砂角礫狀，手捏易碎；強風(fēng)化帶（W3）厚3-10m，節(jié)理裂隙發(fā)育，質(zhì)較軟；以下為弱風(fēng)化帶（W2），質(zhì)稍硬。該站屬于深路塹地段，A段路塹中心最大挖深47.8m，B段路塹中心最大挖深40.0m。經(jīng)勘察分析，引起內(nèi)江北站路基上拱的主要原因是基底紅層泥巖的膨脹性及其時效性特征。紅層泥巖在低應(yīng)力作用下表現(xiàn)出顯著的流變性，在水、水汽和應(yīng)力耦合作用下，蠕變變形的時效性特征尤為明顯。深路塹開挖卸荷施工后，基底水平應(yīng)力顯著增大，地下水環(huán)境改變，進一步促使基底紅層軟巖出現(xiàn)長期蠕變，從而導(dǎo)致路基上拱變形。此外，2m以內(nèi)的路基表層回填層膨脹也對路基上拱有一定影響，但這部分上拱變形量相對較小。通過對不同深度巖層蠕變情況的監(jiān)測和數(shù)值模擬分析，A段變形巖層位于0-20m范圍內(nèi)，其中0-10m約占總變形量的71%，10-15m約占總變形量的19%，15-20m約占總變形量的10%；B段變形巖層位于0-15m范圍內(nèi)，其中0-10m約占總變形量的90%，10-15m約占總變形量的10%。路基上拱對成渝高鐵的運營安全造成了嚴重危害。上拱導(dǎo)致無砟軌道結(jié)構(gòu)被破壞，影響軌道的平順性和穩(wěn)定性，增加了列車運行的安全風(fēng)險。軌道不平順會使列車在行駛過程中產(chǎn)生劇烈震動和顛簸，不僅影響乘客的舒適度，還可能導(dǎo)致列車部件的損壞，甚至引發(fā)脫軌等嚴重事故。為了保證列車的安全運行，鐵路部門不得不采取限速等措施，這大大降低了鐵路的運營效率，影響了成渝地區(qū)的交通便利性和經(jīng)濟發(fā)展。此外，對病害路基的整治需要投入大量的人力、物力和財力，增加了鐵路的運營成本。除成渝高鐵內(nèi)江北站外，在川中地區(qū)的其他工程中，紅層軟巖吸濕膨脹變形也有諸多表現(xiàn)。在一些道路工程中，紅層軟巖作為路基填料，由于其吸濕膨脹，導(dǎo)致路基出現(xiàn)開裂、隆起等病害，路面平整度受到破壞，車輛行駛時顛簸感加劇，縮短了道路的使用壽命。在邊坡工程中，紅層軟巖邊坡受降雨等因素影響，巖體吸濕膨脹，抗剪強度降低，容易引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對周邊的建筑物和人員安全構(gòu)成威脅。這些實際工程案例充分表明，川中紅層軟巖吸濕膨脹變形對工程的危害不容忽視，深入研究其時效特征及微觀機理，并采取有效的防治措施具有重要的現(xiàn)實意義。5.3工程防治措施與建議基于對川中紅層軟巖吸濕膨脹變形的時效特征及微觀機理的研究，結(jié)合實際工程案例分析，提出以下針對性的工程防治措施與建議，以有效控制紅層軟巖吸濕膨脹變形對工程的不利影響，確保工程的安全穩(wěn)定運行。在工程設(shè)計階段，需充分考慮川中紅層軟巖的特性，采取優(yōu)化設(shè)計方案。對于地基處理，可根據(jù)紅層軟巖的膨脹性和工程要求，選擇合適的地基處理方法。對于膨脹性較強的紅層軟巖地基，可采用換填法，將膨脹性軟巖挖除，換填非膨脹性材料，如級配良好的砂礫石、灰土等，以消除或減小地基的膨脹變形。采用樁基礎(chǔ)時，應(yīng)合理確定樁的長度和直徑，確保樁端穿過膨脹性軟巖地層，進入穩(wěn)定的持力層，避免紅層軟巖吸濕膨脹對樁身產(chǎn)生過大的上拔力和側(cè)壓力。在邊坡工程設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)化邊坡的坡度和坡形，減小邊坡的高度和坡度，降低邊坡的穩(wěn)定性風(fēng)險。對于高度較大的邊坡，可采用分級放坡的方式，并設(shè)置平臺和排水設(shè)施，以減少雨水對邊坡的沖刷和滲入，降低紅層軟巖吸濕膨脹的可能性。同時，加強邊坡的支護設(shè)計，采用錨桿、錨索、擋土墻等支護結(jié)構(gòu)，增強邊坡巖體的穩(wěn)定性，抵抗紅層軟巖吸濕膨脹產(chǎn)生的變形力。在地下工程設(shè)計中，應(yīng)合理選擇洞室的位置和形狀，盡量避開紅層軟巖膨脹性較強的區(qū)域。對于無法避開的情況，應(yīng)優(yōu)化洞室的斷面形狀，采用圓形或橢圓形等有利于抵抗膨脹壓力的斷面形式，減少洞室周邊的應(yīng)力集中。加強洞室的支護設(shè)計，采用噴錨支護、鋼支撐等聯(lián)合支護方式，提高洞室圍巖的穩(wěn)定性，防止紅層軟巖吸濕膨脹導(dǎo)致洞室變形破壞。施工工藝的合理選擇和嚴格控制對于減少紅層軟巖吸濕膨脹變形至關(guān)重要。在施工過程中，應(yīng)盡量減少對紅層軟巖的擾動，避免破壞巖體的原有結(jié)構(gòu)。在路基工程施工中，采用分層填筑、分層壓實的方法，控制每層的填筑厚度和壓實度，確保路基的密實度和穩(wěn)定性。同時，加強施工過程中的排水措施，及時排除施工區(qū)域內(nèi)的積水，減少紅層軟巖與水的接觸。在隧道工程施工中，采用合理的開挖方法，如CD法、CRD法等，減少開挖過程中對圍巖的擾動。及時施作初期支護，封閉圍巖，防止圍巖暴露時間過長而吸濕膨脹。在初期支護中，可增加噴射混凝土的厚度和強度，設(shè)置超前錨桿或小導(dǎo)管等超前支護措施，增強圍巖的自穩(wěn)能力。對于紅層軟巖邊坡，在開挖后應(yīng)及時進行防護和支護，避免長時間暴露在自然環(huán)境中。采用掛網(wǎng)噴漿、錨索框架梁等防護措施，防止雨水沖刷和風(fēng)化作用對邊坡巖體的破壞，減少紅層軟巖吸濕膨脹的機會。為了有效減小紅層軟巖吸濕膨脹變形對工程的影響，應(yīng)采取綜合防護措施。在工程周邊設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，包括地表排水和地下排水設(shè)施。地表排水可采用截水溝、邊溝、急流槽等，將地表水引離工程區(qū)域，避免地表水滲入紅層軟巖中。地下排水可采用盲溝、排水孔等，降低地下水位，減少紅層軟巖的含水量，從而減小吸濕膨脹變形。對紅層軟巖進行防水處理也是重要的防護措施之一