紅砂巖崩解性試驗(yàn)研究＊

鄭 順 易萍華 時(shí) 寧

（1.東華理工大學(xué) 南昌 330013；2.江西交通科學(xué)研究院 南昌 330038）

紅砂巖是由泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖或砂質(zhì)頁(yè)巖等沉積巖類巖石組成。這些巖石因富含鐵的氧化物呈現(xiàn)紅色、深紅色或者褐色。紅砂巖在我國(guó)分布較為廣泛，主要分布在華東、中南以及西南各省區(qū)。

瑞潯高速公路K1453＋120路段區(qū)主要巖性為白堊系茅店組泥質(zhì)砂巖，鉆孔揭示深度為29.3 m。其中全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為褐紅色，巖石風(fēng)化劇烈，原巖結(jié)構(gòu)已完全破壞，手捏易碎，巖心呈土柱狀，鉆孔揭示厚度1.0m。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為褐紅色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，原巖結(jié)構(gòu)部分破壞，主要礦物成份為長(zhǎng)、英質(zhì)，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖心呈碎塊狀～短柱狀，鉆孔揭示厚度16.60m。中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為褐紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成份為石英、長(zhǎng)石，含少量粘土礦物，錘擊不易碎，巖心呈長(zhǎng)柱狀，節(jié)長(zhǎng)10～45cm，鉆孔揭示厚度8.90m。中風(fēng)化頁(yè)巖為褐紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，葉片狀構(gòu)造，主要礦物為泥質(zhì)，含少量細(xì)砂，巖心呈碎塊狀，鉆孔揭示厚度2.80m。

由于本路段紅砂巖風(fēng)化程度較高以及在挖方過(guò)程中邊坡坡腳架空，從而引發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害。為了更好地研究本次滑坡發(fā)生的原因，對(duì)本路段的紅砂巖進(jìn)行崩解性試驗(yàn)。

1 紅砂巖室內(nèi)浸水崩解性試驗(yàn)

本次試驗(yàn)的紅砂巖崩解性室內(nèi)試驗(yàn)的樣品取自K1453＋120段發(fā)生滑坡后的白堊系茅店組泥質(zhì)砂巖。本段的紅砂巖抗水、抗風(fēng)化能力較差，遇水極易風(fēng)化和崩解。為了更好地研究本段的紅砂巖崩解特性及規(guī)律，一共采集了5組巖樣進(jìn)行室內(nèi)崩解試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)方案

室內(nèi)浸水條件下的崩解試驗(yàn)主要是將選取的天然狀態(tài)的巖樣浸沒在水中，仔細(xì)觀察并記錄崩解現(xiàn)象及過(guò)程；將崩解物烘干，并進(jìn)行顆粒篩分，確定崩解后的顆粒含量，并分析崩解物級(jí)配的變化規(guī)律。紅砂巖室內(nèi)浸水試驗(yàn)的主要步驟如下：

（1）將選取的天然狀態(tài)下的巖樣稱重后放入透明的敞口容器中，加水直至浸沒巖樣。

（2）觀察崩解過(guò)程以及現(xiàn)象，記錄初崩的時(shí)間，以及在浸沒10，30min之后巖樣的崩解情況。

（3）在達(dá)到浸泡時(shí)間后，首次浸泡時(shí)間為30 min，以后每次浸泡時(shí)間不少于24h，然后帶水過(guò)篩，濾去水分，即得巖樣浸水后的崩解物。

（4）崩解物風(fēng)干30min后置于托盤內(nèi)，放入烘箱，在105℃烘干至恒重，且烘干時(shí)間不少于8h。

（5）烘干后將其取出并冷卻至室溫，取5，2，0.5和0.25mm的標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)崩解物進(jìn)行篩分試驗(yàn)。

（6）若巖樣浸水不完全，將所有粒徑大于0.25mm的崩解物再次放入容器中注水浸沒，達(dá)到浸泡時(shí)間后，再將崩解物烘干、篩分，進(jìn)行顆粒分析，如此循環(huán)。

1.2 巖樣浸水后的崩解現(xiàn)象

試驗(yàn)選取了該段紅砂巖5個(gè)，各巖樣浸水后的崩解過(guò)程及現(xiàn)象見表1。

表1 巖樣浸水后的崩解過(guò)程及現(xiàn)象

巖樣1，2，3，4，5的初崩時(shí)間分別為19，25，34，46，32s。

1.3 崩解物的顆粒分析

試驗(yàn)中，對(duì)各巖樣崩解物進(jìn)行顆粒分析，發(fā)現(xiàn)隨干濕循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的增加，各巖樣崩解物的顆粒級(jí)配亦隨之不斷變化，見表2～6。

表2 巖樣1崩解顆粒含量變化

表3 巖樣2崩解顆粒含量變化

表4 巖樣3崩解顆粒含量變化

表5 巖樣4崩解顆粒含量變化

6 巖樣5崩解顆粒含量變化

1.4 試驗(yàn)分析

通過(guò)上述多組試驗(yàn)可見，紅砂巖在失去水分又復(fù)得水分時(shí)，在干濕循環(huán)的條件下發(fā)生崩解；在崩解的過(guò)程中，化學(xué)性質(zhì)沒有發(fā)生變化，只是強(qiáng)度迅速降低，表面上與風(fēng)化相似，但變化的過(guò)程短暫。時(shí)間越長(zhǎng)，崩解越徹底，且經(jīng)過(guò)有限的時(shí)間后，呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。然而根據(jù)上述第4組試驗(yàn)表明，并非所有的紅砂巖都會(huì)表現(xiàn)出很好的崩解性。列舉＞5，0.5～2，0.25～0.5mm 粒徑的含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化，見圖1～3。

圖1 ＞5mm粒徑含量變化曲線

圖2 0.5～2mm粒徑含量變化曲線

圖3 0.25～0.5mm粒徑含量變化曲線

結(jié)合各巖樣崩解過(guò)程及現(xiàn)象，可以得出以下結(jié)論：

（1）紅砂巖的崩解性較強(qiáng)，崩解時(shí)不僅會(huì)出現(xiàn)開裂且易脫落，但是在首次浸泡時(shí)間（30min）內(nèi)，粒徑大于5mm的較大巖樣不能完全崩解，需要經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)才能完全崩解。

（2）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖崩解物中粒徑大于5mm的顆粒含量逐漸減少；粒徑在2～5，0.5～2，0.25～0.5mm以及小于0.25mm的顆粒與循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)。這也表明，大粒徑的顆粒崩解速度較快，而小粒徑崩解的速度比較慢。

（3）巖石的崩解性越強(qiáng)，其崩解物中各粒徑顆粒含量的變化越顯著，相應(yīng)的曲線則越陡，反之相反。

將紅砂巖2的崩解物顆粒含量變化曲線作為紅砂巖崩解理論變化曲線（見圖4），其崩解物中粒徑0.5～2mm的顆粒含量平穩(wěn)地增長(zhǎng)，表明崩解物顆粒從大到小變化時(shí)，其崩解性比較平穩(wěn)。另外，小于2～5，0.25mm的顆粒含量隨循環(huán)次數(shù)的增加而增長(zhǎng)的速度較快。

圖4 巖樣2顆粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線

2 紅砂巖崩解機(jī)制分析

巖石的崩解機(jī)制主要與巖石的結(jié)構(gòu)、礦物成分、膠結(jié)物成分、膠結(jié)類型等性質(zhì)有關(guān)［1］。紅砂巖的類型、膠結(jié)物類別是決定紅砂巖崩解性強(qiáng)弱的主要內(nèi)在因素。水浸入巖樣后，引起巖樣的體積膨脹而產(chǎn)生裂紋，而且還會(huì)出現(xiàn)軟化、崩解巖石的膠結(jié)物，為紅砂巖的崩解創(chuàng)造條件。在干濕循環(huán)的過(guò)程中由于水分不均勻的失去而獲得在巖石內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和張應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力和張應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)引起裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致巖石的崩解［2］。

綜上所述，紅砂巖的礦物成分、膠結(jié)物類型等內(nèi)在的微觀因素是崩解性及其強(qiáng)弱程度的決定性因素。而紅砂巖的構(gòu)造、物理力學(xué)性質(zhì)以及自然氣候和地理?xiàng)l件等外部條件也為紅砂巖的崩解提供了條件［3］。

3 紅砂巖路基邊坡的設(shè)計(jì)及防護(hù)措施

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，紅砂巖是一種具有強(qiáng)度低、失水崩解和遇水軟化等特殊地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的巖體。國(guó)內(nèi)通常采用的漿砌片石護(hù)面墻、擋土墻、抗滑樁等都屬于剛性結(jié)構(gòu)，而如果采取柔性支護(hù)方案可以克服這一缺點(diǎn)，有效地減少支護(hù)破壞問(wèn)題［4］。為了減少滑坡造成的危害可以采取以下防護(hù)措施。

（1）邊坡開挖后應(yīng)及時(shí)做好坡面防護(hù)并完善排水工程，盡量減少雨水滲入邊坡土體或沖刷邊坡，減小開挖后的坡面在干濕循環(huán)及雨水作用下的不利影響［5］。

（2）在邊坡表面培植耕植土，并用機(jī)械或人工夯實(shí)，然后采用人工鋪草皮，或者采用機(jī)械噴灑草籽的方式進(jìn)行植草。

4 結(jié)論

（1）原樣紅砂巖試樣經(jīng)一定的浸水過(guò)程后出現(xiàn)裂紋，然后開始破裂崩解。崩解物成鱗片狀。

（2）紅砂巖遇水崩解使結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強(qiáng)度逐漸喪失，由較完整的巖石變?yōu)椴煌降念w粒。

（3）紅砂巖的結(jié)構(gòu)類型、風(fēng)化程度對(duì)崩解性起著重要的作用和影響。

（4）當(dāng)崩解物的顆粒從大到小變化時(shí)，紅砂巖的崩解物崩解性會(huì)逐漸減小。

（5）在崩解過(guò)程中，粒徑小于0.25mm的顆粒含量的增長(zhǎng)速度較快。為清楚地反映紅砂巖崩解速度的快慢及其崩解的強(qiáng)弱，應(yīng)選擇大于5 mm及小于0.25mm的顆粒含量變化作為標(biāo)準(zhǔn)。

（6）環(huán)境的突變對(duì)崩解作用的影響顯著，在巖樣烘干后浸水的突變對(duì)崩解影響尤為明顯。

［1］郭永春，謝 強(qiáng)，文江泉.紅層泥巖崩解特性室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.路基工程，2008（2）：53－54.

［2］胡博聆，王繼華，趙春宏.滇中泥質(zhì)粉砂巖崩解特性試驗(yàn)研究［J］.工程勘察，2010（7）：13－17.

［3］吳道祥，劉宏杰，王國(guó)強(qiáng).紅層軟巖崩解性室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（S2）：4173－4179.

［4］劉可特，劉旭紅，周晗晗.膨脹性紅砂巖路塹邊坡柔性支護(hù)設(shè)計(jì)與施工［J］.山西建筑，2012（29）：171－172.

［5］金 萍，劉 革.紅砂巖地區(qū)路基邊坡的防護(hù)［J］.廣東公路交通，2005（4）：46－48.