道路邊坡片巖耐崩解特性室內(nèi)試驗研究

黃煥然

（南寧縱橫時代建設(shè)投資有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

邊坡變形受降雨影響較大，同時在晴天受到日曬影響，形成了干濕循環(huán)現(xiàn)象，邊坡表面巖石易發(fā)生風(fēng)化崩解，強度較低[1]。而反復(fù)的干濕循環(huán)作用對巖石力學(xué)性質(zhì)及巖體工程穩(wěn)定性的弱化作用比長時間浸水還要強。巖體在爆破開挖過程中，裸露在空氣中受干濕循環(huán)的影響易風(fēng)化崩解，巖石的崩解特性影響著邊坡的穩(wěn)定性。

國內(nèi)外一些學(xué)者在這方面已經(jīng)取得了較好的研究成果[2-5]，張丹等[6]運用分維理論分析母巖的崩解過程，結(jié)合母巖的理化特性探討水、熱對紫色泥巖崩解的作用規(guī)律。柴肇云等[7]對泥巖進行耐崩解試驗，得出耐崩解性與其礦物組成和裂隙結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)；張巍等通過自主設(shè)計的崩解試驗，研究了泥巖崩解物粒徑分布與膨脹性的關(guān)系。劉長武等結(jié)合泥巖遇水后宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，探討了泥巖遇水的崩解軟化機理。

上述研究主要集中在泥巖的崩解特性、結(jié)構(gòu)組成、微觀機理等方面，但針對片巖開展的耐崩解特性研究鮮有報道，本文將對兩種片巖開展崩解特性研究，研究干濕循環(huán)條件下片巖崩解的變化規(guī)律及崩解差異產(chǎn)生機理。

1 試驗方法及計算

1.1 試驗方法

根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程，本次試驗步驟如下：

（1）取出不同種類片巖，各100～200g，取3組試樣，對試樣巖性進行編號記錄；

（2）將單個巖樣在105～110℃的溫度下進行烘干，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱量，稱量后將試件置于水中自由浸泡12h；

（3）到達設(shè)計時間后取出試樣并放入篩桶中，并置于巖石耐崩解性試驗儀（HNB-1型）中進行試驗。在篩筒中轉(zhuǎn)動10min后，將篩桶中的殘留試件取出后放入105～110℃的溫度下烘12h，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱量。

（4）取出巖樣稱量，結(jié)束單次循環(huán)，計算耐崩解指數(shù)，重復(fù)以上步驟，每組巖樣干濕循環(huán)9次。

1.2 試驗計算

邊坡受降雨及日曬的狀態(tài)對應(yīng)于試驗中干燥和浸水兩個過程，但邊坡巖石不僅僅只經(jīng)歷兩次日曬雨淋，所以用兩組循環(huán)后的數(shù)據(jù)指標(biāo)確定巖石耐崩解指數(shù)是不夠的。本次試驗設(shè)置了多個循環(huán)，這樣得出的巖石耐崩解性指數(shù)更接近現(xiàn)場真實情況?；谏鲜隹紤]，將耐崩解循環(huán)次數(shù)增加為9次，因此按下式計算巖石耐崩解性指數(shù)：

式中：IdN——巖石（N次循環(huán)）耐崩解性指數(shù)，%；

md——原試樣烘干質(zhì)量，g；

mN——第N次循環(huán)后殘留試樣烘干質(zhì)量，g。

2 耐崩解試驗巖樣形態(tài)變化

2.1 石英云母片巖

石英云母片巖在經(jīng)過9個循環(huán)的過程中，前期巖塊主體剝離崩解，其崩解物總體呈片狀。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，崩解的片狀巖塊進一步崩解，巖樣塊體棱角慢慢消失，片狀巖塊厚度及粒徑呈減小趨勢。經(jīng)歷不同循環(huán)后的石英云母片巖崩解過程形態(tài)見圖1，不同循環(huán)后巖石崩解現(xiàn)象描述見表1。

表1 石英云母片巖巖樣描述

圖1 石英云母片巖殘留塊體形態(tài)變化

2.2 云母石英片巖

云母石英片巖在經(jīng)過9個循環(huán)的過程中，前期巖塊一角表面剝離崩落較多小碎塊。巖塊表面可見片理面。到后期巖塊沿著片理面剝離崩落，崩落物為片狀，總體上呈大塊狀。經(jīng)歷不同循環(huán)后的云母石英片巖崩解過程形態(tài)見圖2，不同循環(huán)后巖石崩解現(xiàn)象描述見表2。

圖2 云母石英片巖殘留塊體形態(tài)變化

表2 云母石英片巖巖樣描述

3 崩解循環(huán)對耐崩解性指數(shù)影響

巖石耐崩解性試驗結(jié)果見表3，耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線見圖3。

表3 巖石耐崩性試驗結(jié)果

從圖3可知，經(jīng)過9次循環(huán)，片巖的耐崩解性指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低。Id和N之間呈線性關(guān)系，表達式為Id=AX+B（式中A和B為系數(shù)，X為循環(huán)次數(shù)），從圖中可知,在相同循環(huán)次數(shù)作用下，云母石英片巖耐崩解指數(shù)大于石英云母片巖耐崩解指數(shù)。這可能與兩種片巖礦物組成成分有關(guān)，因此需結(jié)合巖石的礦物組成成分來分析巖石崩解特性。

圖3 兩種片巖耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖

4 礦物組成成分分析

本文選取兩種不同表觀特征的片巖，通過薄片鑒定分析可知，兩種片巖主要礦物成分見表4，結(jié)構(gòu)特征描述見表5：

表4 兩種片巖主要礦物成分

表5 兩種片巖結(jié)構(gòu)特征描述

按照礦物成分來看，片巖主要礦物成分為石英和白云母，其中石英云母片巖中的云母礦物占60%，石英占30%，云母石英片巖中云母占40%，石英占55%。又根據(jù)表5可知，片巖中的白云母定向排列成片狀構(gòu)造，石英結(jié)晶后成粒狀。

5 崩解機理淺析

根據(jù)上文兩種片巖礦物組成成分可知，片巖中片狀云母與粒狀石英兩種物質(zhì)成分含量決定了片巖的崩解特性存在差異性。白云母構(gòu)成了片巖的片理構(gòu)造，當(dāng)片巖經(jīng)過一段時間浸水后會吸水膨脹軟化，片狀結(jié)構(gòu)弱面經(jīng)過不斷反復(fù)吸水軟化，干燥收縮，結(jié)構(gòu)面受到張拉應(yīng)力作用易引起開裂，崩解速度加快。由于耐崩解試驗過程中片巖試樣每經(jīng)過一次循環(huán)就會使巖樣產(chǎn)生新的裂隙，導(dǎo)致巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，促進了片狀結(jié)構(gòu)弱面的應(yīng)力拉裂作用，這樣片巖的崩解過程就表現(xiàn)得更為迅速。而由于石英特有的高硬度、比表面積大、良好的剛性、耐磨性和在極高溫度或惡劣的環(huán)境下也不會裂解的特性，在片巖中石英能起到抵抗崩解的作用。因此片巖中白云母和石英這兩種礦物成分含量的高低決定了片巖的抵抗崩解的能力，也就影響了巖石的耐崩解性指數(shù)。由于石英云母片巖中的白云母含量高，云母石英片巖中石英占比高，這也是兩種片巖耐崩產(chǎn)生差異的原因，其石英云母片巖的崩解能力高于云母石英片巖。

6 結(jié)束語

通過對干濕循環(huán)條件下片巖崩解的變化規(guī)律及崩解差異產(chǎn)生機理的試驗研究，得出如下結(jié)論：（1）片巖的耐崩解性指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低；（2）在相同循環(huán)次數(shù)下，兩種片巖的耐崩解性指數(shù)有以下關(guān)系：云母石英片巖＞石英云母片巖；（3）通過物質(zhì)成分鑒定可知，片巖主要結(jié)構(gòu)為片狀變晶白云母及粒狀變晶石英。片巖中片狀云母與粒狀石英兩種物質(zhì)成分含量比決定了片巖的崩解特性存在差異性。