紅層砂巖崩解特性研究

楊欽富　李　昂

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州 貴陽　550081)

0　引言

紅層砂巖包括巖屑砂巖、泥巖、頁巖及砂巖、泥巖與頁巖等軟硬交替呈層狀的巖體[1]，通常又統(tǒng)稱為“紅砂巖”，崩解現(xiàn)象是其水敏性的重要體現(xiàn)。西南地區(qū)是我國四大紅層地區(qū)之一，該區(qū)域由于城鎮(zhèn)化建設(shè)及當(dāng)?shù)丶t層砂巖易于崩解的性質(zhì)而導(dǎo)致大量地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)及人民生命財產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅，因此，對紅層砂巖崩解特性的研究具有十分重要的意義。

試樣取自重慶萬州區(qū)G318國道沿線侏羅系紅層砂巖，完成了室內(nèi)崩解試驗、浸水循環(huán)崩解試驗和耐崩解試驗。

1　室內(nèi)崩解試驗

室內(nèi)崩解試驗?zāi)M自然條件下紅層砂巖的崩解條件，通過噴水模擬短期降雨。試驗采用塊度為15 cm，表面無明顯裂隙發(fā)育的新鮮樣和烘干樣(試驗中分別用Sx1/Sx2代表烘干樣與原狀樣)：將4組樣品置于鐵架上，下方放置水盆，試驗于3月2日開始一直持續(xù)到4月7日共計36 d，并在3月14日對所有樣品噴水5 min，模擬降雨條件。

室內(nèi)崩解試驗前后對比見圖1。

試驗中S1,S2,S3號巖樣除表面編號消失均無明顯反應(yīng)，主要觀察記錄S4號(烘干樣41/天然樣42)的崩解過程現(xiàn)象如圖2所示。

放置1 d后，S41與S42表面均開始出現(xiàn)淺裂隙，2 d后，S41裂隙布滿整個表面，S42裂隙加深；至12 d后噴水結(jié)束時，S41與S42裂隙加深；噴水結(jié)束5 min后，S41與S42裂隙數(shù)量增多，間距變大；噴水結(jié)束至巖樣表面干燥后，41號裂隙雜亂，整體開裂，并且塊體右側(cè)在重力作用下開始掉落，S42裂隙加深；3月15日，S41號解體，S42無明顯變化；3月26日，S41右下部分解體掉落，S42號無明顯變化；3月31日，塊體上的編號逐漸不可見，S41崩解后的上部分巖石繼續(xù)解體掉落。整個過程中，裂隙由少變多，由表面逐漸貫通，并最終導(dǎo)致巖石失去整體性的破裂破壞。

2　干濕循環(huán)崩解試驗

干濕循環(huán)崩解試驗主要步驟如下：

1)將天然狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)試樣稱重后置于一敞口容器，注水至水位略高于巖樣。

2)觀察并按重要時間節(jié)點記錄描述試樣崩解過程及破壞現(xiàn)象。

3)初次浸泡時間設(shè)置為30 min，以后每次不低于12 h，在時間足夠后將試樣帶水整體利用篩網(wǎng)過濾，得到試樣浸水崩解后的殘留物。

4)將崩解殘留物置于托盤內(nèi)放入烘箱，在105 ℃下烘干至恒重(每次烘干24 h，2 d一次干濕循環(huán))。

5)記錄每種巖樣初始崩解所用浸水—烘干次數(shù)。

泥質(zhì)粉砂巖只經(jīng)歷2個干濕循環(huán)即整體破碎，砂巖經(jīng)15次干濕循環(huán)后僅通過觸摸察覺試樣表面由光滑(制樣時表面打磨)變?yōu)轭w粒明顯的粗糙感。干濕循環(huán)崩解試驗前后對比如圖3所示。

詳細(xì)記錄泥質(zhì)粉砂巖每次浸水、烘干時崩解現(xiàn)象：

1)初始浸泡時未見試樣出現(xiàn)崩落現(xiàn)象；2)第二次浸水5 min～10 min可見試樣內(nèi)部涌出氣泡，表面有少量氣泡附著；3)浸泡30 min可見試樣底端出現(xiàn)3條～4條裂隙，隙寬明顯，延伸較長，至1 h后整體碎裂；4)第二次烘干24 h后巖石整體崩解。

破壞過程見圖4。

3　耐崩解試驗

耐崩解試驗參照《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程第9部分：巖石耐崩解試驗》并改進(jìn)，選取8組樣品，經(jīng)多次干燥和濕潤的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，以試樣殘留質(zhì)量與原質(zhì)量之比得到耐崩解性指數(shù)。

耐崩解試驗主要步驟如下：

1)稱量圓筒質(zhì)量，將制好的20塊質(zhì)量為25 g的巖樣放入圓柱形篩桶中；2)將裝有巖樣的篩桶置于105 ℃恒溫下的烘箱內(nèi)至質(zhì)量不再變化，取出冷卻后稱重；3)將裝有試樣的篩桶放置在水槽中，連接轉(zhuǎn)動裝置，向水槽內(nèi)注入純水至貼近轉(zhuǎn)動軸并設(shè)置以20 r/min的轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動10 min，待停止后取出圓筒，放入烘箱中 24 h至恒重，冷卻后稱量質(zhì)量；4)重復(fù)上述步驟進(jìn)行第二次的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，直至巖樣殘留物質(zhì)量保持不變；5)若剩余巖樣仍無明顯崩解變化，則繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)崩解完成5次；6)崩解完成后，將篩桶內(nèi)的剩余崩解物烘干并稱重，記錄見表1。

表1　巖石耐崩解試驗原始記錄表

隨著崩解循環(huán)次數(shù)的增加，篩桶中剩余殘留樣品的質(zhì)量降低，計算得各試樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后的耐崩解指數(shù)見表2。

表2　不同巖樣耐崩解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計表

隨標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)的增加，耐崩解指數(shù)持續(xù)減小,變化曲線見圖5。本文采用指數(shù)函數(shù)Idn=Ae-Bn(n為大于0的自然數(shù))進(jìn)行擬合得到表3，可知耐崩解指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)滿足指數(shù)函數(shù)規(guī)律。

表3　指數(shù)函數(shù)擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

巖樣編號AB相關(guān)系數(shù)R210.994 10.0190.928 123.445 11.0980.977 430.999 90.1160.992 240.992 80.0130.9851.014 80.0150.994 170.970.70.994 481.006 50.0460.997 1

4　結(jié)語

本文以重慶市G318國道沿線紅層砂巖為研究對象，采用室內(nèi)崩解、浸水循環(huán)崩解和耐崩解試驗對其崩解特性進(jìn)行分析，主要結(jié)論有：

1)巖石崩解是漸進(jìn)的過程。室內(nèi)自然條件下巖樣均無明顯崩解現(xiàn)象，含水狀態(tài)對其崩解特性影響極大，在飽水及失水的過程中崩解現(xiàn)象較為顯著。

2)不同巖性巖石崩解特性差異明顯，含泥質(zhì)砂巖及粉砂巖在干濕循環(huán)作用下崩解現(xiàn)象明顯，巖屑砂巖無明顯崩解現(xiàn)象。

3)耐崩解試驗中，隨標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的次數(shù)增加，耐崩解指數(shù)變小，耐崩解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)基本服從公式Idn=Ae-Bn。