引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程泥質(zhì)粉砂巖崩解特性實(shí)驗(yàn)

雷耀軍 曹雪山 額力素 李國(guó)維 吳建濤

（1.中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司 北京 100089 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 100084 3.河海大學(xué)道路與鐵道研究所 南京 210098）

1 引言

引江濟(jì)淮工程被列為國(guó)家近期加快推進(jìn)的172項(xiàng)重大水利工程中的1號(hào)工程，號(hào)稱“安徽版南水北調(diào)工程”。為指導(dǎo)優(yōu)化引江濟(jì)淮工程膨脹土（巖）段河道工程的設(shè)計(jì)，開(kāi)展試驗(yàn)工程膨脹土（巖）項(xiàng)目研究工作意義重大。試驗(yàn)工程位于安徽省蜀山區(qū)小廟鎮(zhèn)，緊臨312國(guó)道。試驗(yàn)工程地質(zhì)勘察顯示，河道下部揭露的是第三系（E）、白堊系（K）和侏羅系（J）的紅層泥質(zhì)巖，如粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖等。

關(guān)于紅層泥質(zhì)巖的研究，雖然已經(jīng)有了一定的成果，但泥質(zhì)巖受到擾動(dòng)后力學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，仍是工程安全的威脅。泥質(zhì)巖一旦浸水，其力學(xué)強(qiáng)度就會(huì)降低，發(fā)生軟化；滲流加劇，使巖土環(huán)境進(jìn)一步復(fù)雜化、惡劣化。因此開(kāi)展紅層泥質(zhì)巖崩解特性研究，確保引江濟(jì)淮工程河道邊坡安全，意義重大。

本文結(jié)合引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程，通過(guò)規(guī)范的巖石耐崩解試驗(yàn)以及自主設(shè)計(jì)的靜態(tài)崩解試驗(yàn)研究該區(qū)域的泥質(zhì)巖崩解特性，揭示泥質(zhì)巖的崩解特性。

2 試驗(yàn)樣品與研究方法

2.1 試驗(yàn)試樣

試樣為泥質(zhì)巖。試樣取自于引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程K42+040，渠道中部位置，深度12～13m，呈紅色夾灰白色，含砂泥狀結(jié)構(gòu)，密實(shí)，具有明顯的水平層理，結(jié)構(gòu)面光滑，密閉，較發(fā)育，不規(guī)則，節(jié)理面上有黑色的鐵錳結(jié)核膜，薄層～厚層。

2.2 研究方法

2.2.1 巖石耐崩解試驗(yàn)

巖石的耐崩解性指數(shù)表征了巖石在氣候濕度變化過(guò)程中巖石強(qiáng)度軟化、結(jié)構(gòu)解體的潛在能力。現(xiàn)行規(guī)范推薦采用干濕循環(huán)耐崩解性試驗(yàn)測(cè)試巖石的耐崩解性指數(shù)。試樣質(zhì)量為40～60g的渾圓狀巖塊，試件每組不少于10個(gè)，在105℃～110℃的溫度下烘干至恒量，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱量后置于耐崩解性試驗(yàn)儀中進(jìn)行耐崩解試驗(yàn)。對(duì)崩解物進(jìn)行篩分試驗(yàn)。取粒徑大于2mm的崩解物做下一次循環(huán)試驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算二次干濕循環(huán)后崩解殘物試件烘干質(zhì)量與原試件烘干質(zhì)量之比，如下式所示，確定巖石的耐崩解性能力。

式中：Id2—巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)（%）；mr—原試件烘干質(zhì)量（g）；ms—?dú)埩粼嚰娓少|(zhì)量（g）。

2.2.2 干濕循環(huán)條件下靜態(tài)崩解試驗(yàn)

通過(guò)干濕循環(huán)條件下靜態(tài)崩解試驗(yàn)研究烘干巖石在浸水飽和條件下崩解機(jī)理。具體步驟如表1所示。

3 成果分析

3.1 巖石的二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)及其分類

表1 靜態(tài)崩解試驗(yàn)步驟表

巖石的二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)Id2是通過(guò)規(guī)范推薦的干濕循環(huán)的耐崩解試驗(yàn)方法確定的，根據(jù)1972年由Franlin和Chandra提出的巖石分類標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Id2小于25%時(shí)，其耐崩解性很低。當(dāng)?shù)貎?nèi)紅層軟巖耐崩解試驗(yàn)測(cè)試成果顯示0≤Id2≤2.28%，其耐崩解性很低。根據(jù)巖樣耐崩解性指數(shù)與強(qiáng)度的關(guān)系，可以推測(cè)巖樣的強(qiáng)度很低，這與巖樣位于強(qiáng)風(fēng)化巖層相一致。因此泥質(zhì)巖的崩解作用作為物理風(fēng)化過(guò)程的主要形式，控制著巖石構(gòu)造、膠結(jié)及力學(xué)性狀，在工程建設(shè)過(guò)程中必須加以重視。

3.2 干濕循環(huán)條件下靜態(tài)崩解現(xiàn)象

3.2.1 崩解過(guò)程

初始巖樣烘干質(zhì)量D0=277.08g，整體良好。烘前與烘干后差別不大，無(wú)可視裂縫。浸水后，巖樣開(kāi)始崩解。具體現(xiàn)象如下：

（1）剛浸入水中，在試件表面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，裂縫快速?gòu)堥_(kāi)，同時(shí)伴隨大量氣泡，試樣四周部分向下快速塌落，堆積于試樣四周，于是試件周圍的水開(kāi)始混濁。

（2）30s后，試件四周繼續(xù)向下塌落，仍伴隨大量氣泡，試件周邊的水變得更加渾濁，試件腳部崩解物攤鋪面積更大，厚度加大。

（3）1min后，試樣上部因崩塌面積逐漸減小，試樣已經(jīng)向四周攤開(kāi)，形成臺(tái)體，但仍伴隨少量氣泡，繼續(xù)有顆粒向下掉落，崩解物厚度繼續(xù)加大。

（4）5min后，試樣繼續(xù)向四周攤開(kāi)，呈泥狀，仍有少量氣泡產(chǎn)生，試件頂部仍少量未塌落，試驗(yàn)四周仍伴隨少量顆粒向下掉落，此時(shí)試樣已經(jīng)近似為錐體。

（5）30min后，試樣經(jīng)過(guò)中部崩解，逐漸坍塌，鋪開(kāi)呈成餅狀，已穩(wěn)定。

（6）由于巖樣風(fēng)化程度太高，崩解性極強(qiáng)，不需等24h穩(wěn)定，浸入水中30min后即可開(kāi)始帶水過(guò)篩。

（7）將篩上的試樣，烘干進(jìn)入二次循壞。此時(shí)2mm篩上的質(zhì)量只有4g，進(jìn)入二次循環(huán)，2mm篩上沒(méi)有殘余，試驗(yàn)結(jié)束。3.2.2崩解試驗(yàn)分析

試樣特性分析。泥質(zhì)巖試樣烘干前后差別不大，說(shuō)明試樣收縮率不大。由于烘干作用沒(méi)有引起大幅度的收縮變形，試樣表面無(wú)可視裂隙產(chǎn)生。通過(guò)自由膨脹率試驗(yàn)，測(cè)試試樣成分在純水中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原體積之比，可知其自由膨脹率為30%，小于40%，膨脹潛勢(shì)屬于非膨脹性。所以試樣脹縮性不大，因此烘干前后裂隙不發(fā)育。

崩解機(jī)理分析。試驗(yàn)初期，試樣剛浸入水中，在試件表面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，并且裂縫快速?gòu)堥_(kāi)。這是崩解試驗(yàn)過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象。劉長(zhǎng)武等認(rèn)為巖體間的裂隙是引發(fā)其崩解的原因。但趙明華等觀點(diǎn)，軟巖組成顆粒遇水膨脹導(dǎo)致顆粒之間的松動(dòng)，巖石顆粒嵌鎖力喪失。本文認(rèn)為二者觀點(diǎn)基本一致，前者是崩解形成的原因，后者是崩解完成的結(jié)果。在該試驗(yàn)中，干燥試樣浸水后，除了急劇膨脹引起不均勻變形導(dǎo)致顆粒松動(dòng)，產(chǎn)生裂縫外，孔隙內(nèi)氣體受到壓縮、氣壓增大，推動(dòng)顆粒，從孔隙中溢出形成氣泡的過(guò)程對(duì)顆粒也是一種擾動(dòng)，也會(huì)加速顆粒嵌鎖力喪失，因此氣致崩饋機(jī)制也是合理的，但這也只是崩解前期的一個(gè)原因。

崩解過(guò)程分析。試驗(yàn)初期，試樣為四方體，隨著試樣四周塌落加劇，變成臺(tái)體；然后再成錐體，最后中部崩解，鋪開(kāi)呈成餅狀。這個(gè)崩解過(guò)程產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理是顆粒重力作用，所以試件四周及上部的顆粒首先脫離母體的，最后才是中部崩解，導(dǎo)致坍落。趙明華等對(duì)軟巖巖塊崩解的過(guò)程和崩解物的狀態(tài)將軟巖分三類：I類巖崩解性強(qiáng)，一次浸泡即完全崩解；II類巖崩解性較差，一次浸泡不會(huì)完全崩解；III類巖不崩解。因此本文泥質(zhì)巖為強(qiáng)崩解巖。這與耐崩解性試驗(yàn)結(jié)果相同，說(shuō)明耐崩解性指數(shù)能描述巖石的耐崩解能力。

崩解殘物分析。干燥崩解殘物最大含量粒組顆粒粒徑dmax=0.25mm，占89.47%；小于0.075mm粒徑所占的百分比達(dá)13.345%，大于10%。根據(jù)張巍等對(duì)崩解殘物顆粒研究成果，非膨脹為dmax＞2mm，微膨脹為dmax=1～0.5mm，弱膨脹為dmax=1～0.075mm，強(qiáng)膨脹為dmax=0.25～0.075mm，因此本文試樣為強(qiáng)膨脹。這一結(jié)論與巖樣的自由膨脹率結(jié)果不一致。分析原因，自由膨脹率表明了巖土材料在水溶液內(nèi)無(wú)約束條件下自由膨脹的特征，而崩解殘物顆粒組成的影響因素除了自由膨脹率，還與巖樣的強(qiáng)度、膠結(jié)物特征等相關(guān)。劉曉明等（2011）對(duì)崩解前后的紅砂巖成分分析表明紅砂巖的崩解前后方解石（CaCO3）有流失現(xiàn)象。方解石的流失使巖樣中鈣質(zhì)膠結(jié)減弱，加劇其崩解性。這說(shuō)明崩解性與膨脹性的關(guān)系復(fù)雜，仍需要研究。

4 結(jié)論

為引江濟(jì)淮工程全線膨脹土（巖）段渠道工程的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)、優(yōu)化作用，開(kāi)展了試驗(yàn)工程研究。試驗(yàn)工程段渠道底部分布大量的紅層泥質(zhì)巖，崩解性強(qiáng)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成極大的威脅。為了強(qiáng)化泥質(zhì)巖的崩解特性認(rèn)識(shí)，開(kāi)展耐崩解試驗(yàn)、靜態(tài)浸水崩解試驗(yàn)研究。結(jié)論如下：

（1）泥質(zhì)巖的崩解性。盡管巖石的自由膨脹率不高，低于40%，但巖石的耐崩解試驗(yàn)與靜態(tài)崩解試驗(yàn)均表明巖樣為強(qiáng)崩解性，因此應(yīng)重視崩解性對(duì)巖石邊坡的穩(wěn)定性影響。

（2）巖石的崩解機(jī)理。靜態(tài)崩解試驗(yàn)表明，干燥試樣浸水后，除了急劇膨脹引起不均勻變形導(dǎo)致顆粒松動(dòng)，產(chǎn)生裂縫外，孔隙內(nèi)氣體受到壓縮、氣壓增大，推動(dòng)顆粒，從孔隙中溢出形成氣泡的過(guò)程對(duì)顆粒也是一種擾動(dòng)，也會(huì)加速顆粒嵌鎖力的喪失。因此導(dǎo)致崩解原因是復(fù)雜多樣的，而崩解的結(jié)果是裂縫產(chǎn)生與崩坍，脫離母體。

（3）自由膨脹率表明了巖土材料在水溶液內(nèi)無(wú)約束條件下自由膨脹的特征，而崩解殘物顆粒組成的影響因素除了自由膨脹率，還與巖樣的強(qiáng)度、膠結(jié)物特征等相關(guān)。這說(shuō)明崩解性與膨脹性的關(guān)系復(fù)雜，仍需要研究■