引江濟淮試驗工程泥質粉砂巖崩解特性實驗

雷耀軍 曹雪山 額力素 李國維 吳建濤

（1.中鐵二十局集團第二工程有限公司 北京 100089 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室 南京 100084 3.河海大學道路與鐵道研究所 南京 210098）

1 引言

引江濟淮工程被列為國家近期加快推進的172項重大水利工程中的1號工程，號稱“安徽版南水北調工程”。為指導優化引江濟淮工程膨脹土（巖）段河道工程的設計，開展試驗工程膨脹土（巖）項目研究工作意義重大。試驗工程位于安徽省蜀山區小廟鎮，緊臨312國道。試驗工程地質勘察顯示，河道下部揭露的是第三系（E）、白堊系（K）和侏羅系（J）的紅層泥質巖，如粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖等。

關于紅層泥質巖的研究，雖然已經有了一定的成果，但泥質巖受到擾動后力學反應非常復雜，仍是工程安全的威脅。泥質巖一旦浸水，其力學強度就會降低，發生軟化；滲流加劇，使巖土環境進一步復雜化、惡劣化。因此開展紅層泥質巖崩解特性研究，確保引江濟淮工程河道邊坡安全，意義重大。

本文結合引江濟淮試驗工程，通過規范的巖石耐崩解試驗以及自主設計的靜態崩解試驗研究該區域的泥質巖崩解特性，揭示泥質巖的崩解特性。

2 試驗樣品與研究方法

2.1 試驗試樣

試樣為泥質巖。試樣取自于引江濟淮試驗工程K42+040，渠道中部位置，深度12～13m，呈紅色夾灰白色，含砂泥狀結構，密實，具有明顯的水平層理，結構面光滑，密閉，較發育，不規則，節理面上有黑色的鐵錳結核膜，薄層～厚層。

2.2 研究方法

2.2.1 巖石耐崩解試驗

巖石的耐崩解性指數表征了巖石在氣候濕度變化過程中巖石強度軟化、結構解體的潛在能力。現行規范推薦采用干濕循環耐崩解性試驗測試巖石的耐崩解性指數。試樣質量為40～60g的渾圓狀巖塊，試件每組不少于10個，在105℃～110℃的溫度下烘干至恒量，放入干燥器內冷卻至室溫，稱量后置于耐崩解性試驗儀中進行耐崩解試驗。對崩解物進行篩分試驗。取粒徑大于2mm的崩解物做下一次循環試驗。通過計算二次干濕循環后崩解殘物試件烘干質量與原試件烘干質量之比，如下式所示，確定巖石的耐崩解性能力。

式中：Id2—巖石二次循環耐崩解性指數（%）；mr—原試件烘干質量（g）；ms—殘留試件烘干質量（g）。

2.2.2 干濕循環條件下靜態崩解試驗

通過干濕循環條件下靜態崩解試驗研究烘干巖石在浸水飽和條件下崩解機理。具體步驟如表1所示。

3 成果分析

3.1 巖石的二次循環耐崩解性指數及其分類

表1 靜態崩解試驗步驟表

巖石的二次循環耐崩解性指數Id2是通過規范推薦的干濕循環的耐崩解試驗方法確定的，根據1972年由Franlin和Chandra提出的巖石分類標準，當Id2小于25%時，其耐崩解性很低。當地內紅層軟巖耐崩解試驗測試成果顯示0≤Id2≤2.28%，其耐崩解性很低。根據巖樣耐崩解性指數與強度的關系，可以推測巖樣的強度很低，這與巖樣位于強風化巖層相一致。因此泥質巖的崩解作用作為物理風化過程的主要形式，控制著巖石構造、膠結及力學性狀，在工程建設過程中必須加以重視。

3.2 干濕循環條件下靜態崩解現象

3.2.1 崩解過程

初始巖樣烘干質量D0=277.08g，整體良好。烘前與烘干后差別不大，無可視裂縫。浸水后，巖樣開始崩解。具體現象如下：

（1）剛浸入水中，在試件表面開始出現裂縫，裂縫快速張開，同時伴隨大量氣泡，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始混濁。

（2）30s后，試件四周繼續向下塌落，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，試樣已經向四周攤開，形成臺體，但仍伴隨少量氣泡，繼續有顆粒向下掉落，崩解物厚度繼續加大。

（4）5min后，試樣繼續向四周攤開，呈泥狀，仍有少量氣泡產生，試件頂部仍少量未塌落，試驗四周仍伴隨少量顆粒向下掉落，此時試樣已經近似為錐體。

（5）30min后，試樣經過中部崩解，逐漸坍塌，鋪開呈成餅狀，已穩定。

（6）由于巖樣風化程度太高，崩解性極強，不需等24h穩定，浸入水中30min后即可開始帶水過篩。

（7）將篩上的試樣，烘干進入二次循壞。此時2mm篩上的質量只有4g，進入二次循環，2mm篩上沒有殘余，試驗結束。3.2.2崩解試驗分析

試樣特性分析。泥質巖試樣烘干前后差別不大，說明試樣收縮率不大。由于烘干作用沒有引起大幅度的收縮變形，試樣表面無可視裂隙產生。通過自由膨脹率試驗，測試試樣成分在純水中膨脹穩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育。

崩解機理分析。試驗初期，試樣剛浸入水中，在試件表面開始出現裂縫，并且裂縫快速張開。這是崩解試驗過程中常見的現象。劉長武等認為巖體間的裂隙是引發其崩解的原因。但趙明華等觀點，軟巖組成顆粒遇水膨脹導致顆粒之間的松動，巖石顆粒嵌鎖力喪失。本文認為二者觀點基本一致，前者是崩解形成的原因，后者是崩解完成的結果。在該試驗中，干燥試樣浸水后，除了急劇膨脹引起不均勻變形導致顆粒松動，產生裂縫外，孔隙內氣體受到壓縮、氣壓增大，推動顆粒，從孔隙中溢出形成氣泡的過程對顆粒也是一種擾動，也會加速顆粒嵌鎖力喪失，因此氣致崩饋機制也是合理的，但這也只是崩解前期的一個原因。

崩解過程分析。試驗初期，試樣為四方體，隨著試樣四周塌落加劇，變成臺體；然后再成錐體，最后中部崩解，鋪開呈成餅狀。這個崩解過程產生的力學機理是顆粒重力作用，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，導致坍落。趙明華等對軟巖巖塊崩解的過程和崩解物的狀態將軟巖分三類：I類巖崩解性強，一次浸泡即完全崩解；II類巖崩解性較差，一次浸泡不會完全崩解；III類巖不崩解。因此本文泥質巖為強崩解巖。這與耐崩解性試驗結果相同，說明耐崩解性指數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13.345%，大于10%。根據張巍等對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，強膨脹為dmax=0.25～0.075mm，因此本文試樣為強膨脹。這一結論與巖樣的自由膨脹率結果不一致。分析原因，自由膨脹率表明了巖土材料在水溶液內無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，還與巖樣的強度、膠結物特征等相關。劉曉明等（2011）對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）有流失現象。方解石的流失使巖樣中鈣質膠結減弱，加劇其崩解性。這說明崩解性與膨脹性的關系復雜，仍需要研究。

4 結論

為引江濟淮工程全線膨脹土（巖）段渠道工程的設計提供指導、優化作用，開展了試驗工程研究。試驗工程段渠道底部分布大量的紅層泥質巖，崩解性強，對邊坡的穩定性構成極大的威脅。為了強化泥質巖的崩解特性認識，開展耐崩解試驗、靜態浸水崩解試驗研究。結論如下：

（1）泥質巖的崩解性。盡管巖石的自由膨脹率不高，低于40%，但巖石的耐崩解試驗與靜態崩解試驗均表明巖樣為強崩解性，因此應重視崩解性對巖石邊坡的穩定性影響。

（2）巖石的崩解機理。靜態崩解試驗表明，干燥試樣浸水后，除了急劇膨脹引起不均勻變形導致顆粒松動，產生裂縫外，孔隙內氣體受到壓縮、氣壓增大，推動顆粒，從孔隙中溢出形成氣泡的過程對顆粒也是一種擾動，也會加速顆粒嵌鎖力的喪失。因此導致崩解原因是復雜多樣的，而崩解的結果是裂縫產生與崩坍，脫離母體。

（3）自由膨脹率表明了巖土材料在水溶液內無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，還與巖樣的強度、膠結物特征等相關。這說明崩解性與膨脹性的關系復雜，仍需要研究■