降雨-干燥交替作用下泥質(zhì)巖耐崩解性試驗(yàn)研究

張 磊

(開(kāi)封市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站，開(kāi)封 475000)

在巖土工程中的堤壩、邊坡、隧道開(kāi)挖、礦業(yè)工程等方面都涉及水的影響，如降雨、地下水等。隨著含水量的變化，很多巖土材料的力學(xué)性能也隨之發(fā)生變化，特別是對(duì)水非常敏感的軟巖[1-2]。受到自然界中降雨與干燥交替作用的頻繁影響，裸露在自然環(huán)境中的泥質(zhì)巖發(fā)生崩解，對(duì)已有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性產(chǎn)生較大影響。且泥質(zhì)巖的分化崩解會(huì)造成水土流失、滑坡、崩塌等一系列地質(zhì)災(zāi)害，是產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的重要原因。因此，研究泥質(zhì)巖在自然環(huán)境中的崩解性質(zhì)具有重要的理論與實(shí)際意義。

泥質(zhì)巖造成的工程問(wèn)題與地質(zhì)災(zāi)害受到了全世界巖土力學(xué)與工程界專家學(xué)者的極大關(guān)注[3]。自然界的干濕變化及巖石本身的巖性是導(dǎo)致巖石崩解的重要因素[4-7]，大部分研究者認(rèn)為濕度變化是巖石物理風(fēng)化的主要控制因素[8-9]。已有的大量成果從水對(duì)泥質(zhì)巖力學(xué)特性的影響[10]、泥巖吸水特性[11]、泥巖脹縮性和微觀結(jié)構(gòu)特性等方面[12]進(jìn)行了詳細(xì)的研究。然而，現(xiàn)有研究中對(duì)于不同塊度對(duì)泥質(zhì)巖崩解性質(zhì)影響的研究較為不足。

考慮到泥質(zhì)巖地區(qū)所存在的自然災(zāi)害及工程問(wèn)題，采用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置模擬自然界中降雨的實(shí)際環(huán)境，對(duì)江西省贛南地區(qū)的泥質(zhì)巖制成80～70、70～60、60～50、50～40 mm 4種不同塊度的試樣，開(kāi)展干濕循環(huán)作用下的室內(nèi)崩解試驗(yàn)研究，并對(duì)泥質(zhì)巖崩解之后不同粒徑顆粒百分含量、各粒組顆粒百分含量、各粒組累計(jì)百分含量、以及崩解物耐崩解性指數(shù)進(jìn)行深入研究。

1 降雨-干燥交替作用下泥質(zhì)巖耐崩解試驗(yàn)

1.1 泥質(zhì)巖基本物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)采用的泥質(zhì)巖取自江西省贛南地區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)取樣后密封保存，運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室后立即加工成所需試樣開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)研究。取5組泥質(zhì)巖試樣研制成粉末，進(jìn)行X粉末射線衍射試驗(yàn)，測(cè)定該泥質(zhì)巖的礦物成分。

圖1為從5組XRD(X-rays diffraction)試驗(yàn)中所選取其中1組泥質(zhì)巖XRD衍射試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可得，本研究所采用泥質(zhì)巖的礦組成分分別為：石英31.28%～37.23%，方解石7.11%～11.12%，云母20.77%～23.85%，赤鐵15.62%～18.63%，鈉長(zhǎng)石13.86%～15.95%，蒙脫石 0.89%～1.33%，伊利石1.12%～2.21%，高嶺石1.35%～1.65%。取3組泥質(zhì)巖試樣，加工成所需尺寸的試樣后進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得泥質(zhì)巖的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為10.18 MPa。此外，測(cè)得泥質(zhì)巖天然含水率平均值為1.43%，干密度為 2.38 g/cm3。

圖1 泥質(zhì)巖X射線衍射結(jié)果分析Fig.1 X-ray diffraction analysis of mudstone

圖2 泥質(zhì)巖放大2 000倍SEM圖Fig.2 Magnified 2 000 times SEM image of mudstone

圖2為泥質(zhì)巖放大2 000倍的電鏡掃描scanning electron microscope(SEM)圖像，由圖可知，贛南地區(qū)泥質(zhì)巖微孔隙較為發(fā)育，微孔隙的分布非常明顯，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了水分容易沿著泥質(zhì)巖內(nèi)部的孔裂隙逐漸浸入泥質(zhì)巖內(nèi)部，從而產(chǎn)生崩解。

1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

巖石耐崩解試驗(yàn)依據(jù)DZ/T 0276.9—2015巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行[13]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)4組不同塊度的泥質(zhì)巖試樣，依據(jù)上述規(guī)范將每個(gè)泥質(zhì)巖試樣加工成渾圓狀，每組各10塊泥質(zhì)巖試樣。試樣編號(hào)依次為DL-1、DL-2、DL-3、DL- 4，對(duì)應(yīng)的塊度區(qū)間分別為80～70、70～60、60～50、50～40 mm。試樣的尺寸采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)定，塊度區(qū)間由單塊試樣的短軸確定。

試驗(yàn)采用模擬自然環(huán)境中降雨的試驗(yàn)條件，即在試樣的上部安裝多個(gè)噴淋裝置，使得水噴灑到試樣表面，每個(gè)噴淋裝置的噴射速度與噴射范圍均調(diào)整相同，在噴灑水的環(huán)境下模擬降雨使泥質(zhì)巖發(fā)生崩解。試驗(yàn)步驟：將制備好的天然巖樣置于烘箱內(nèi)烘干至恒重(不少于24 h)，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫。然后，采用模擬降雨的試驗(yàn)條件使試樣發(fā)生崩解，模擬降雨過(guò)程不少于24 h。將崩解以后的泥質(zhì)巖試樣放于恒溫烘箱之中干燥至恒重(不少于 24 h)。最后，采用粒徑為80、60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的圓孔標(biāo)準(zhǔn)篩過(guò)篩。重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，完成14次干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)。

2 泥質(zhì)巖耐崩解試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 泥質(zhì)巖崩解物不同粒徑顆粒百分含量分析

圖3為泥質(zhì)巖崩解物各粒組百分含量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，由圖3可知，不同粒徑百分含量關(guān)系曲線呈現(xiàn)出三種變化趨勢(shì)：①隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同粒徑百分含量不斷減小(由DL-1～DL- 4，該粒組范圍分別為>5、>10、>10、>20 mm)；②隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同粒徑百分含量先增大后減小(由DL-1～DL- 4，該粒組范圍分別為 0.5～5、1～10 mm、>1～10 mm、>20～5 mm)；③隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同粒徑百分含量不斷增大(由DL-1～DL- 4，該粒組范圍分別為 <0.5、<1、<1、<5 mm)。

2.2 泥質(zhì)巖崩解物各粒組顆粒含量分析

圖4為不同干濕循環(huán)次數(shù)情況下上述不同塊度泥質(zhì)巖試樣各粒組百分含量關(guān)系曲線。圖4中橫坐標(biāo)為各粒組范圍，由于各粒組范圍取值較多，為了方便顯示，部分粒組(20～40、5～10、0.25～0.5 mm)未在圖中標(biāo)記，但留有顯示的刻度。由圖4 可知，DL-1、DL-2、DL-3試樣曲線的形狀比較相似，而DL- 4試樣圖形的形狀則稍有不同，但4組試樣各粒組級(jí)百分含量曲線整體上均表現(xiàn)出大量相似的變化規(guī)律：不同循環(huán)次數(shù)條件下，曲線都存在一個(gè)明顯的峰值，曲線基本表現(xiàn)出先增加至峰值，而后減小的變化趨勢(shì)，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，峰值逐漸向粒徑減小的方向發(fā)生移動(dòng)。在峰值前，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線的位置逐漸向下移動(dòng)；而在峰值后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線的位置則逐漸的向上移動(dòng)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各曲線之間的間距逐漸減小，且最后4次干濕循環(huán)條件下各粒組百分含量曲線非常接近，表明崩解逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 泥質(zhì)巖崩解物各粒組累計(jì)百分含量分析

依據(jù)上述不同塊度泥質(zhì)巖室內(nèi)淋雨崩解特性試驗(yàn)，以小于某粒徑累計(jì)百分含量為縱坐標(biāo)，以粒徑為橫坐標(biāo)，繪制不同塊度泥質(zhì)巖崩解物各粒組累計(jì)百分含量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖5可知，DL-1、DL-2、DL-3試樣曲線的形狀比較相似，曲線的形狀呈現(xiàn)出“S”形；而 DL- 4 試樣圖形的形狀則稍有不同，曲線的形狀呈現(xiàn)出雙曲線形，表現(xiàn)出塊度較大的泥質(zhì)巖崩解后各粒組累計(jì)百分含量與粒徑的關(guān)系曲線呈現(xiàn)出“S”形，而塊度較小的泥質(zhì)巖崩解后則為雙曲線形。

圖3 泥質(zhì)巖崩解物各粒組百分含量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 Relationships between percentage of each group and cycle number of mudstone disintegration

圖4 泥質(zhì)巖崩解物各粒組百分含量Fig.4 Percentage of each group for mudstone disintegration

圖5 泥質(zhì)巖崩解物各粒組累計(jì)百分含量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relationships between accumulated percentage and particle size of mudstone disintegration

4組泥質(zhì)巖試樣各粒組累計(jì)百分含量與粒徑的關(guān)系曲線整體上均表現(xiàn)出大量相似的變化規(guī)律，總結(jié)如下：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，泥質(zhì)巖崩解物各粒組累計(jì)百分含量關(guān)系曲線逐漸向著較小粒徑的方向整體發(fā)生移動(dòng)；各曲線之間的空隙不斷減小，最后基本重合，反映出泥質(zhì)巖的崩解速率逐漸減小且最后趨于穩(wěn)定。

3 泥質(zhì)巖崩解物耐崩解性指數(shù)分析

耐崩解性指數(shù)的定義為

(1)

式(1)中：Md為試樣總質(zhì)量；MN為泥質(zhì)巖崩解物第N次干濕循環(huán)時(shí)粒徑大于2 mm的殘留樣質(zhì)量。

張巨峰等[14]分析了優(yōu)化級(jí)配方程對(duì)崩解顆粒級(jí)配描述的適用性，小于某粒徑d的累計(jì)百分含量p的優(yōu)化級(jí)配方程為[15-17]

(2)

式(2)中：m、b為級(jí)配參數(shù)。

由式(2)求得不同循環(huán)次數(shù)下各試樣的級(jí)配參數(shù)如表1所示。由表1可知，級(jí)配方程適用于描述研究中泥質(zhì)巖崩解物的粒徑級(jí)配特征。

將式(2) 代入式(1)求得基于優(yōu)化級(jí)配方程的相對(duì)耐崩解性指數(shù)計(jì)算公式為

(3)

由式(1)、式(3)求得不同循環(huán)次數(shù)下各試樣的耐崩解性指數(shù)與相對(duì)耐崩解性指數(shù)見(jiàn)表2。

表1 級(jí)配參數(shù)m、bTable 1 Gradation parameters m and b

表2 各試樣耐崩解性指數(shù)(Id)與相對(duì)耐崩解性指數(shù)(Id0)Table 2 Slake durability index and relative slake durability index of each sample

由表2、圖6可知，推導(dǎo)的基于優(yōu)化級(jí)配方程的相對(duì)耐崩解性指數(shù)與從試驗(yàn)結(jié)果中求得的耐崩解性指數(shù)非常接近，從而驗(yàn)證了模型的正確性；隨著試樣塊度的不斷增大，其耐崩解性指數(shù)與相對(duì)耐崩解性指數(shù)均不斷減小。

圖6 各試樣Id、Id0與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Relationships between，Id、Id0 and cycle number for each sample

4 結(jié)論

(1) 不同粒徑百分含量關(guān)系曲線呈現(xiàn)出三種變化趨勢(shì)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同粒徑百分含量不斷減小、先增大后減小以及不斷增大。

(2) 不同循環(huán)次數(shù)條件下，各粒組百分含量曲線都存在一個(gè)明顯的峰值，曲線基本表現(xiàn)出先增加至峰值，而后減小的變化趨勢(shì)。在峰值前，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線的位置逐漸向下移動(dòng)；而在峰值后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線的位置則逐漸的向上移動(dòng)。

(3) 塊度較大的泥質(zhì)巖崩解后各粒組累計(jì)百分含量與粒徑的關(guān)系曲線呈現(xiàn)出“S”形，而塊度較小的泥質(zhì)巖崩解后則為雙曲線形。

(4) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，泥質(zhì)巖崩解物各粒組累計(jì)百分含量關(guān)系曲線逐漸向著較小粒徑的方向整體發(fā)生移動(dòng)；各曲線之間的空隙不斷減小，最后基本重合，反映出泥質(zhì)巖的崩解速率逐漸減小且最后趨于穩(wěn)定。

(5) 推導(dǎo)的基于優(yōu)化級(jí)配方程的相對(duì)耐崩解性指數(shù)與從試驗(yàn)結(jié)果中求得的耐崩解性指數(shù)非常接近，從而驗(yàn)證了模型的正確性。隨著試樣塊度的不斷增大，其耐崩解性指數(shù)與相對(duì)耐崩解性指數(shù)均不斷減小。