黑色页岩顺层氧化-酸蚀特征及失稳机制研究

Starting with the reaction mechanism of the interlayer oxidation-acid erosion behavior of black shale, the evolution process of interlayer oxidation-acid erosion zone is analysed to establish the mathematic-physical model for such chemical reactions under the influence of oxidation and acid erosion based on the monitor in situ, laboratory test data and the theories of geochemistry and thermodynaics; Researches are carried out to analyse the distribution and evolution of materials (such as clay mineral, major element and trace element), structure features and the relationship with the oxidation-acid behavior in different sections of interlayer oxidation-acid erosion zone from the micro and macro scale; Based on the geochemical and physical mechanical characteristics of oxidation-acid erosion zone at different stages, the relationship between oxidation-acid erosion zone degradation and bedding slope stability is discussed with the method of rock and soil mechanics to established the numerical analysis model of slope stability; The response process of oxidation-acid erosion and destabilization mechanism are studied to propose the macro judging criteria for the bedding slope destabilization. It is expected to explore a new mechanism of bedding slope destabilization and new control strategy.

本项目从研究黑色页岩顺层氧化-酸蚀行为的反应机理入手，通过现场监测、室内试验等手段，结合地球化学、热力学理论，分析黑色页岩顺层氧化-酸蚀影响下氧化-酸蚀带形成演变过程，建立氧化-酸蚀化学反应的数理模型与方程；从微观和宏观两个层面，研究氧化-酸蚀带不同断面物质（如粘土矿物、主量元素、微量元素）的分配、结构特征与氧化-酸蚀行为之间的关系；根据不同阶段氧化-酸蚀带的地球化学特征及物理力学特性，运用岩土力学分析方法，探讨氧化-酸蚀带劣化性能与顺层边坡稳定性相关关系，并建立顺层边坡稳定性数值分析模型；分析研究顺层边坡对氧化-酸蚀行为的响应过程与失稳机制，在此基础上，提出该类顺层边坡失稳的宏观判定条件，以期探寻顺层边坡失稳的新机制和防治的新策略。

近年来随着地壳运动的活跃与大量工程建设的开展，顺层边坡中常常出现以黑色页岩形成的滑动带的变形破坏，同时表现出于黑色页岩地球化学风化相关的氧化-酸蚀现象。本项目从研究黑色页岩顺层氧化-酸蚀行为的反应机理入手，研究了研究区黑色页岩包括矿物组成、主量元素、微量元素在内的地球化学特征，分析了研究区含黑色页岩的徐家坪顺层岩质边坡的地层岩性与岩体结构特征，黑色页岩顺层氧化-酸蚀影响下氧化-酸蚀带形成演变过程，建立氧化-酸蚀化学反应理论模型；并设计了黑色页岩顺层水岩循环反应试验，认为黑色页岩顺层水岩反应过程中，水溶液溶出的离子在顺层方向上是呈聚集态的，而且黑色页岩顺层水岩劣化作用一方面体现在黄铁矿氧化酸性水对其组成矿物的溶蚀作用，另一方面是含高浓度硫酸根离子的毛细水沿层状黏土矿物带流动，并最终蒸发且沿黏土矿物带形成含水硫酸盐矿物结晶，垂直于层面方向的结晶力导致黑色页岩岩石结构及力学性质的劣化。运用岩土力学分析方法，探讨氧化-酸蚀带劣化性能与顺层边坡稳定性相关关系，分析含黑色页岩顺层边坡中黑色页岩各向异性理想特性，以现有平面滑动力学模型为基础，考虑滑面介质的应变软化、水致弱化性质、边坡滑体变形及能量积聚对边坡稳定的影响，建立了含黑色页岩边坡失稳的尖点突变模型。通过分析滑体在边坡发展过程中的作用，提出了含软弱夹层边坡失稳孕育过程的3个阶段以及滑面介质破坏阶段对应的两种边坡破坏形式。对于任何特定边坡，经计算分析其失稳现象是特定的，但外营力快速改变时，特别是应变软化介质的快速改变，会导致边坡失稳时破坏形式随之改变，并不总是发生整体平面滑动失稳。此外，设计了黑色页岩氧化作用下顺层边坡失稳模型试验，黑色页岩氧化-酸蚀行为的响应过程与失稳机制，提出该类顺层边坡失稳的宏观判定条件，以期探寻顺层边坡失稳的新机制和防治的新策略。