寶蘭客專蘭州段泥巖軟化特性的微觀研究

張晉東，梁慶國(guó)，樊純壇

(1.土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州交通大學(xué))，蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

西部大開(kāi)發(fā)以來(lái)，公路隧道與鐵路隧道工程的建設(shè)，掀起了黃土泥巖軟化、泥化問(wèn)題的研究浪潮。在西北富水地區(qū)隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法解除水對(duì)泥巖的作用，不斷揭露出泥巖遇水軟化導(dǎo)致圍巖的整體性下降、巖石強(qiáng)度不高等特征?，F(xiàn)有的研究已證明[1-4]：軟弱圍巖強(qiáng)度大幅度降低的原因不僅僅是由力學(xué)效應(yīng)引起的，而且是由于復(fù)雜的化學(xué)作用和腐蝕過(guò)程造成的[5-7]，楊建林等[8]的研究進(jìn)一步表明，材料宏觀力學(xué)性能變化的根本是內(nèi)部微觀構(gòu)造發(fā)生了變化。所以，泥巖遇水軟化的微觀分析應(yīng)該引起重視。尤其是對(duì)于富水地區(qū)的黃土泥巖更是如此。現(xiàn)今階段，關(guān)于軟巖微觀特性的研究主要集中于對(duì)砂巖、頁(yè)巖及煤系泥巖微觀構(gòu)造的變化上。如：馮文凱等[9]對(duì)常見(jiàn)的砂、泥巖進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，從微觀結(jié)構(gòu)上充分解釋了其抗沖擊特性及波的傳播特性；譚羅榮[10]探討了黏土巖崩解及泥化的物理力學(xué)原理，涉及到少許微觀結(jié)構(gòu)分析；黃宏偉，車(chē)平[11]研究了煤系泥巖軟化時(shí)微觀結(jié)構(gòu)的變化特征；范一林、李青云等[12]研究了水布埡頁(yè)巖遇水軟化的原因；劉鎮(zhèn)，周翠英等[13]針對(duì)華南地域分布的紅色砂巖及炭質(zhì)泥巖等軟巖，設(shè)計(jì)飽水試驗(yàn)，揭示了其軟化的變化規(guī)律及微觀結(jié)構(gòu)演化的臨界判據(jù)。在已有的成果中，對(duì)于西北地區(qū)黃土地層泥巖微觀的研究還比較少。

為了研究水對(duì)黃土地層泥巖軟化的作用原理，以寶蘭客專上莊隧道為背景，基于該工程中泥巖遇水軟化后所產(chǎn)生的一系列工程問(wèn)題，利用衍射儀、掃描鏡等設(shè)備，對(duì)該種泥巖進(jìn)行了測(cè)試，分析了黃土地層泥巖的地球化學(xué)成分，探討了其在軟化崩解前、中、后期微觀構(gòu)造的變化，并進(jìn)行了室內(nèi)物理水理性質(zhì)試驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)該泥巖的膨脹性進(jìn)行判別，為在黃土泥巖地層進(jìn)行安全高效建設(shè)提供了理論依據(jù)。

1 工程概況

寶蘭客專上莊隧道位于蘭州市榆中縣，為單洞雙線隧道，最大埋深203 m，地處黃土梁峁區(qū)，溝深坡陡，相對(duì)高差200～250 m，隧道圍巖以Ⅳ～Ⅴ級(jí)為主，Ⅴ級(jí)圍巖占總長(zhǎng)的71%，Ⅳ級(jí)圍巖占總長(zhǎng)的29%。隧道洞口如圖1所示。

圖1 上莊隧道洞口

圖2 仰拱積水

上莊隧道洞身通過(guò)的地層主要為砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土及泥巖。由于隧道洞身開(kāi)挖穿越的地層含水量豐富，屬于富水區(qū)，如圖2所示。泥巖呈現(xiàn)出泥質(zhì)構(gòu)造和塊狀構(gòu)造，局部微斜層理，成巖較差，干縮，遇水極易軟化。本文試驗(yàn)中所取土樣即為隧道內(nèi)黃土地層中的泥巖。

2 泥巖地球化學(xué)成分和礦物成分試驗(yàn)

將從隧道現(xiàn)場(chǎng)掌子面取回來(lái)的較為完整的泥巖試樣，進(jìn)行化學(xué)成分和礦物成分測(cè)試。

2.1 地球化學(xué)成分試驗(yàn)

化學(xué)成分測(cè)試是在中科院地質(zhì)與地球物理研究所完成的，采用的日本理學(xué)公司生產(chǎn)的X-射線熒光光譜儀，儀器型號(hào)為3080 E3，依據(jù)《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法之X射線熒光光譜法測(cè)定主、次元素量》(GB/T 14506.28—2010)[14]所測(cè)的化學(xué)成分和微量元素如表1所示，為了更加直觀顯示各化學(xué)成分的含量，根據(jù)表1所示數(shù)值作出了各化學(xué)成分含量柱狀圖，如圖3及圖4所示。

表1 泥巖化學(xué)成分和微量元素

圖3 泥巖化學(xué)成分柱狀圖

圖4 泥巖微量元素柱狀圖

由表1及圖3能夠看出泥巖中的氧化物主要為SiO2、Al2O3及CaO，含量分別為55.59%、13.26%及7.69%，這3種合計(jì)占泥巖化學(xué)成分的76.54%，說(shuō)明上莊隧道圍巖主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3及CaO；而對(duì)于微量元素，由圖4可知，泥巖中微量元素主要為P、Ba及Mn，含量分別為632 μg/g、603.6 μg/g及558.6 μg/g，3種微量元素合計(jì)一共為1 794.2 μg/g，占總微量元素的67.9%。

2.2 礦物成分試驗(yàn)

礦物成分測(cè)試在中科院地質(zhì)與地球物理研究所完成，采用日本生產(chǎn)的D/Max-3B型X-射線衍射儀，測(cè)試條件為：Cu靶，步進(jìn)連續(xù)掃描，掃描速率為4°/min。依據(jù)《沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X衍射分析方法》(SY/T 5163-2010)[15]。測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表2和圖5。

表2 泥巖礦物成分測(cè)試結(jié)果

圖5 泥巖礦物成分柱狀圖

由表2和圖5可以看出，上莊隧道泥巖中的礦物成分主要為石英、方解石及斜長(zhǎng)石，含量分別為35.7%、23.5%及17.8%，占總礦物含量的77%，伊利石是含量最高的黏土礦物，約為6.6%，這與化學(xué)成分分析的結(jié)果相吻合。高嶺石、伊利石和蒙脫石三大黏土礦物的總含量分別為：3.1%、6.6%及0%，可以看出上莊隧道泥巖中蒙脫石含量為0，且僅含有少量伊利石和高嶺石，說(shuō)明上莊隧道泥巖基本不具備膨脹性的礦物成分。

3 泥巖微觀結(jié)構(gòu)特征及膨脹性判別

為了分析水對(duì)上莊隧道泥巖軟化崩解的作用，特地委托中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所對(duì)上莊隧道泥巖微結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，采用儀器為JSM-5600 LV掃描電子顯微鏡。

3.1 天然狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)對(duì)天然狀態(tài)泥巖的X射線衍射能圖譜分析，如圖6所示，天然狀態(tài)下的泥巖試樣中含量最多的依次是O、Si、Al、Fe和Ca，累積可高達(dá)94.4%。通過(guò)SEM可觀察到天然狀態(tài)泥巖的微觀結(jié)構(gòu)，如圖7所示，依次為放大500倍、放大2 000倍與放大5 000倍的泥巖微觀圖。

圖6 泥巖天然狀態(tài)能譜

圖7 泥巖天然狀態(tài)微結(jié)構(gòu)

圖7(a)是泥巖試樣放大500倍微觀結(jié)構(gòu)圖，由該圖可以看出，上莊隧道的泥巖主要由黏土礦物組成，泥巖中黏土顆粒的含量較高，其中一些細(xì)小的黏土顆粒堆積在一起構(gòu)成了較大的黏土顆粒，而且所有的黏土顆粒都相互交織著，并且按照一定的方向排列，呈絮凝狀結(jié)構(gòu)，而泥巖顆粒之間都較為均勻地分布著細(xì)小孔隙。

圖7(b)、圖7(c)是泥巖試樣放大2 000倍微觀結(jié)構(gòu)圖，由圖可以明顯看出，泥巖中的粗顆粒部分，而這些粗顆粒部分主要是由石英、長(zhǎng)石等構(gòu)成的，呈鱗片狀剝落且解理面較為平整的石英和片狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)石清晰可見(jiàn)，在粗顆粒周?chē)掣街S多細(xì)小的黏土顆粒，形成了粗顆粒骨架-黏粒絮凝結(jié)構(gòu)，起到了膠結(jié)的作用。

圖7(d)是隧道泥巖試樣放大5 000倍的微觀結(jié)構(gòu)圖，屬于超高倍數(shù)微觀結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)放大5 000倍觀察，可以發(fā)現(xiàn)原本細(xì)小的黏土顆粒則是由更加細(xì)小的黏土顆粒堆積組成，這些顆粒呈規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，形狀基本呈多邊形，孔隙較大，這些黏土顆粒間主要是面對(duì)面接觸或點(diǎn)對(duì)面接觸，其原因是上覆巖層的重力和頻繁構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，使礦物晶體按照一定方向排列成了有序的微結(jié)構(gòu)。當(dāng)水進(jìn)入這種粗顆粒骨架-黏粒絮凝結(jié)構(gòu)體系時(shí)，顆粒間的結(jié)合水膜將增厚，導(dǎo)致分子間結(jié)合力降低，從而使泥巖體積膨脹、力學(xué)性質(zhì)劣化，在外力的作用下結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞。

3.2 崩解中期微觀結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)對(duì)崩解中期泥巖的X射線衍射能圖譜分析，如圖8所示，崩解中期時(shí)的泥巖試樣中元素的含量不同于天然狀態(tài)時(shí)的泥巖，這可能與水對(duì)泥巖的破壞有關(guān)，崩解中期的泥巖含量最多的依次是O、Si、C、Al和Fe，累積可高達(dá)91.93%。通過(guò)SEM可觀察到崩解中期時(shí)泥巖的微觀結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖8 泥巖崩解中期能譜

圖9 泥巖崩解中期微結(jié)構(gòu)

使用掃描電鏡對(duì)崩解中期的泥巖進(jìn)行觀察，得到了如圖9所示的掃描電鏡圖像，可以看出此時(shí)的黏土顆粒體積要比天然狀態(tài)時(shí)要大了許多，這可能與黏土顆粒中礦物遇水體積逐漸膨脹有關(guān)，由于原本細(xì)小的黏土顆粒的體積逐漸增大，同時(shí)由于水的作用，泥巖表面產(chǎn)生了大量的次生孔隙，同時(shí)在泥巖表面局部區(qū)域發(fā)生不均勻性膨脹使得泥巖內(nèi)部還是干的，這樣的區(qū)域受到拉應(yīng)力的作用，使孔隙周?chē)纬闪芽p，這些孔隙和裂縫削弱了顆粒間聯(lián)系，使得較大的黏土顆粒更加容易發(fā)生脫落，而脫落下來(lái)的細(xì)小的黏土顆粒則填充了較大的泥巖孔隙，從而增加了大量的強(qiáng)吸水性的微小孔隙，最終導(dǎo)致泥巖試樣變的疏松多孔?？梢?jiàn)，泥巖遇水后泥巖的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的變化，使其致密性以及強(qiáng)度迅速降低。

3.3 崩解完全時(shí)微觀結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)對(duì)崩解完全時(shí)泥巖的X射線衍射能圖譜分析，如圖10所示，崩解完全時(shí)的泥巖試樣中元素的含量相對(duì)天然狀態(tài)時(shí)的泥巖發(fā)生了較大變化，但是與崩解中期的泥巖成分類似，同樣崩解完全時(shí)的泥巖含量最多的依次是O、Si、C、Al和Fe，累積可高達(dá)92.35%。通過(guò)SEM可觀察到崩解完全時(shí)泥巖的微觀結(jié)構(gòu)，如圖11所示。

圖10 泥巖崩解完全能譜

圖11 泥巖崩解完全微結(jié)構(gòu)

通過(guò)掃描電鏡觀察到泥巖崩解完全時(shí)的圖像，泥巖完全崩解以后，泥巖細(xì)小顆粒已經(jīng)完全松散無(wú)序地堆積在一起，而且泥巖中的幾乎所有的孔隙和裂縫都是連通的，此時(shí)的泥巖的微結(jié)構(gòu)完全被破壞。這是由于水與泥巖中的礦物發(fā)生了溶蝕與次生作用，使得泥巖試樣進(jìn)一步產(chǎn)生次生孔隙，孔隙又發(fā)展成裂縫，隨著試樣中孔隙和裂縫數(shù)量的不斷增加，泥巖的強(qiáng)度不斷降低，最終泥巖試樣完全崩解泥化，使得其力學(xué)強(qiáng)度急速降低，流變性迅速增大。

3.4 泥巖膨脹性判別

對(duì)上莊隧道掌子面取到的泥巖試樣進(jìn)行室內(nèi)物理水理性質(zhì)試驗(yàn)，如密度試驗(yàn)、稠度試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)、濕化試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)等，其中泥巖的崩解性試驗(yàn)采用濕化試驗(yàn)進(jìn)行，濕化試驗(yàn)如圖12所示。

圖12 泥巖浸水后不同階段試樣狀態(tài)示意

主要試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

從表3的試驗(yàn)結(jié)果及上文中的礦物成分來(lái)看，上莊隧道泥巖中蒙脫石含量為0，自由膨脹率為44.33%，崩解程度為無(wú)或弱，大約在10 min開(kāi)始崩解。側(cè)限膨脹力數(shù)值也較小，總體而言，上莊隧道泥巖幾乎沒(méi)有膨脹性，但有一定的崩解性。

4 結(jié)論

(1)上莊隧道泥巖中氧化物主要為SiO2、Al2O3及CaO，累計(jì)占泥巖化學(xué)成分的76.54%，泥巖中微量元素主要是是P、Ba及Mn，上莊隧道圍巖中金屬元素的含量較大，從而導(dǎo)致泥巖的顏色較深。圍巖中礦物成分主要為石英、方解石及斜長(zhǎng)石，占總礦物含量的77%，上莊隧道泥巖中蒙脫石含量為0，且僅含有少量伊利石和高嶺石，說(shuō)明上莊隧道泥巖不具備膨脹性的礦物成分。

(2)天然狀態(tài)下上莊隧道泥巖中含有較多的黏土顆粒，其中一些細(xì)小的黏土顆粒堆積在一起構(gòu)成了較大的黏土顆粒；泥巖的粗顆粒部分主要是由石英、長(zhǎng)石等構(gòu)成，而在粗顆粒周?chē)掣街S多細(xì)小的黏土顆粒，起到了鏈接的作用；通過(guò)高倍放大可以發(fā)現(xiàn)原本細(xì)小的黏土顆粒則是由更加細(xì)小的黏土顆粒堆積組成，這些黏土顆粒間主要是面對(duì)面接觸或點(diǎn)對(duì)面接觸。

(3)崩解中期時(shí)的泥巖試樣中元素的含量不同于天然狀態(tài)時(shí)的泥巖，含量最多的元素依次是O、Si、C、Al和Fe；此時(shí)的黏土顆粒體積比天然狀態(tài)時(shí)要大了許多，同時(shí)由于水的作用，使得較大的黏土顆粒更加容易發(fā)生脫落，泥巖遇水后其致密性以及強(qiáng)度迅速降低。泥巖完全崩解以后，泥巖細(xì)小顆粒完全松散無(wú)序地堆積在一起，微結(jié)構(gòu)完全被破壞，最終導(dǎo)致了泥巖試樣完全崩解泥化、強(qiáng)度急速降低以及流變性迅速增大。

(4)對(duì)上莊隧道掌子面取到的泥巖試樣進(jìn)行室內(nèi)膨脹性相關(guān)試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果及上文中的礦物成分分析，進(jìn)一步確定，上莊隧道泥巖幾乎沒(méi)有膨脹性，但具有一定的崩解性。

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