引江濟淮試驗工程泥質(zhì)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(diào)工程”。為指導優(yōu)化引江濟淮工程膨脹土（巖）段河道工程的設(shè)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(qū)小廟鎮(zhèn)，緊臨312國道。試驗工程地質(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)巖受到擾動后力學反應(yīng)非常復雜，仍是工程安全的威脅。泥質(zhì)巖一旦浸水，其力學強度就會降低，發(fā)生軟化；滲流加劇，使巖土環(huán)境進一步復雜化、惡劣化。因此開展紅層泥質(zhì)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(jié)合引江濟淮試驗工程，通過規(guī)范的巖石耐崩解試驗以及自主設(shè)計的靜態(tài)崩解試驗研究該區(qū)域的泥質(zhì)巖崩解特性，揭示泥質(zhì)巖的崩解特性。

2 試驗樣品與研究方法

2.1 試驗試樣

試樣為泥質(zhì)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(jié)構(gòu)，密實，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

巖石的耐崩解性指數(shù)表征了巖石在氣候濕度變化過程中巖石強度軟化、結(jié)構(gòu)解體的潛在能力?，F(xiàn)行規(guī)范推薦采用干濕循環(huán)耐崩解性試驗測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，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(huán)試驗。通過計算二次干濕循環(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—殘留試件烘干質(zhì)量（g）。

2.2.2 干濕循環(huán)條件下靜態(tài)崩解試驗

通過干濕循環(huán)條件下靜態(tài)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(huán)耐崩解性指數(shù)及其分類

表1 靜態(tài)崩解試驗步驟表

巖石的二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)Id2是通過規(guī)范推薦的干濕循環(huán)的耐崩解試驗方法確定的，根據(jù)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?shù)貎?nèi)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(jù)巖樣耐崩解性指數(shù)與強度的關(guān)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(zhì)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(gòu)造、膠結(jié)及力學性狀，在工程建設(shè)過程中必須加以重視。

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，無可視裂縫。浸水后，巖樣開始崩解。具體現(xiàn)象如下：

（1）剛浸入水中，在試件表面開始出現(xiàn)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(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，形成臺體，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，呈泥狀，仍有少量氣泡產(chǎn)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(jīng)近似為錐體。

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

（6）由于巖樣風化程度太高，崩解性極強，不需等24h穩(wěn)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(zhì)量只有4g，進入二次循環(huán)，2mm篩上沒有殘余，試驗結(jié)束。3.2.2崩解試驗分析

試樣特性分析。泥質(zhì)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(chǎn)生。通過自由膨脹率試驗，測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。

崩解機理分析。試驗初期，試樣剛浸入水中，在試件表面開始出現(xiàn)裂縫，并且裂縫快速張開。這是崩解試驗過程中常見的現(xiàn)象。劉長武等認為巖體間的裂隙是引發(fā)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(jié)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(chǎn)生裂縫外，孔隙內(nèi)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(chǎn)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(tài)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(zhì)巖為強崩解巖。這與耐崩解性試驗結(jié)果相同，說明耐崩解性指數(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13.345%，大于10%。根據(jù)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(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(jié)物特征等相關(guān)。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(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。這說明崩解性與膨脹性的關(guān)系復雜，仍需要研究。

4 結(jié)論

為引江濟淮工程全線膨脹土（巖）段渠道工程的設(shè)計提供指導、優(yōu)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(zhì)巖，崩解性強，對邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成極大的威脅。為了強化泥質(zhì)巖的崩解特性認識，開展耐崩解試驗、靜態(tài)浸水崩解試驗研究。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與靜態(tài)崩解試驗均表明巖樣為強崩解性，因此應(yīng)重視崩解性對巖石邊坡的穩(wěn)定性影響。

（2）巖石的崩解機理。靜態(tài)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(chǎn)生裂縫外，孔隙內(nèi)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(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(jié)物特征等相關(guān)。這說明崩解性與膨脹性的關(guān)系復雜，仍需要研究■