某工程泥質膨脹巖問題研究及處理技術

劉宗慶

(福建東辰綜合勘察院，福建 廈門 361009)

泥質巖是指含有大量粘土礦物，且粒徑小于0.0039毫米的沉積巖，又稱粘土質巖，筆者從事我省某工程，從已建的工程實例來看，該第三系發(fā)育的泥巖和砂質泥巖具有不同程度浸水膨脹、失水收縮的工程特性，在工程建設中，有一定的危害作用。

1 影響泥巖膨脹性的主要因素

1.1 粘土礦物含量及其物理化學活性泥巖中的粘土礦物，具有一定的親水性，在各種粘土礦物中，以蒙脫石的親水性最強，伊利石次之，高嶺石最弱。泥巖中蒙脫石含量直接控制了泥巖膨脹性強弱。據研究，當蒙脫石含量大于15%時，在適宜的條件下有可能對工程引發(fā)不同程度的膨脹變形破壞問題。

1.2 后期成巖膠結作用及其強度

泥巖在成巖過程中，經歷了固結、膠結、脫水以及重結晶等作用。因此，對于泥質膨脹巖而言，蒙脫石礦物含量并非決定其膨脹性大小的唯一因素；在后期成巖過程中，膠結作用強度以及膠結物成分也是影響和控制巖石膨脹性強弱的重要因素。對強膠結泥巖，即使含有親水的粘土礦物，遇水后也不膨脹或膨脹量極其微弱。

1.3 干燥活化效應

大量工程實踐和試驗研究結果表明：巖土膨脹勢的強烈表現(xiàn)是在天然巖土干燥失水后發(fā)生的，而且隨失水程度的增加，膨脹、崩解特性會顯著增大，特別是反復干、濕作用會使其膨脹力和膨脹變形成倍地增加，這就是干燥活化效應。這種現(xiàn)象表明，膨脹巖的膨脹性指標不是一個定值，而是隨環(huán)境不斷變化的。

2 泥巖膨脹勢的判定標準

泥質膨脹巖的膨脹勢，是指泥質巖在干燥活化作用下發(fā)生膨脹變形破壞的可能性(或趨勢)。對泥巖膨脹勢的判定和劃分，是了解和研究膨脹巖工程特性的基礎。

目前，對于泥質膨脹巖的判別國內還沒有一個統(tǒng)一的標準和方法。通過對比分析反映泥質巖膨脹性的基本指標可以發(fā)現(xiàn)，巖石干燥飽和吸水率指標，綜合了泥質巖的粘土礦物組成、物理化學活性、成巖膠結作用強度等因素對巖石的膨脹性和水穩(wěn)性的整體影響。在本工程中，結合現(xiàn)場勘探工作采取泥巖巖塊進行試驗分析，采取干燥飽和吸水率指標作為判定泥巖膨脹勢強弱的第一指標，得到泥巖膨脹勢的初判結果，而后，通過分析巖石化學成分和粘土礦物成分、測定比表面積、離子交換容量、觀察巖樣浸水崩解特征等輔助指標，對初判結果加以復核，最終得到泥巖膨脹勢的判定結果。本工程泥巖膨脹勢的具體劃分標準參見表1。

注：浸水崩解度A表示幾乎無變化；B表示變化程度中等偏??；C表示變化程度中等偏大；D表示完全崩解。

按上述標準和方法對泥巖進行膨脹勢的判定，在膨脹巖研究工作的初期很有意義，不僅可以了解和查明勘察區(qū)膨脹巖的分布規(guī)律，而且對下一步的膨脹巖膨脹特性試驗具有指導意義。

3 泥質膨脹巖工程地質研究

3.1 泥質膨脹巖的分布

工程區(qū)的泥質膨脹巖，位于向斜NE翼，地層傾角25°～30°。巖性以黃綠、黃褐色泥巖為主，兼有少量淺灰、褐灰色砂質泥巖、泥質粉砂巖。其中，泥巖和砂質泥巖分布較廣且單層厚度大，現(xiàn)場調查表明其膨脹性較強。

3.2 泥質巖的礦化成分

(1)化學成分

膨脹巖土中的離子交換吸附作用是粘土礦物的一種重要物理化學性質。一般條件下，低價陽離子較高價陽離子具有更強的交換性能。另外，膨脹巖土的膨脹性能還與硅鋁比有關。通過7個泥巖樣品所作的化學分析成果來看，場地泥巖硅鋁比在2～3之間，其粘土礦物中所含的交換陽離子以Na+為主，Ca2+次之，有較強的膨脹性。

(2)礦物成分

泥質膨脹巖礦物成分包括碎屑礦物和粘土礦物，其性質主要是由粘土礦物成分所決定。粘土礦物中蒙脫石的脹縮性最大，伊利石次之，高嶺石最小。

對7個泥巖樣品所作的化學分析結果及X-衍射分析中礦物特征衍射峰的高低，綜合分析得出泥質膨脹巖粘土礦物占礦物成分的60%～80%，主要粘土礦物是以伊利石族為主，占粘土礦物成分的40%以上。粘土礦物(X-衍射)檢測記錄表見表2。

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3.3 泥質巖的膨脹特性

將現(xiàn)場采取的7組不規(guī)則巖塊在105℃下烘干至恒重，然后在濕化儀上進行試驗，通過觀察崩解特征可初步判別膨脹性的大小。泥質巖耐崩解試驗成果表見表3。

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在泥質巖膨脆性初判結果的基礎上，在工程場地通過鉆孔取樣進行膨脹特性試驗，成果見表4。

通過在泥質膨脹巖發(fā)育層位采取巖樣的試驗結果，按表3標準判定，非膨脹巖約占16·7%，弱膨脹巖約占25.0%，中等膨脹巖樣約占58.3%。

3.4 泥質巖的物理性質

通過對泥質膨脹巖發(fā)育層位采取巖樣試驗結果的分析，泥質膨脹巖具有天然密度較小，天然含水量較低的特點。強全風化泥巖自由膨脹率多在60%～85%之間，按膨脹土的判別標準屬弱～中等膨脹潛勢。在天然含水量條件以及有側限情況下，按土工試驗方法，測得強～全風化泥巖的膨脹力為25kPa～43kPa，局部可達52kPa。中～微風化泥巖按巖石試驗方法測得的膨脹力僅為9.8kPa。

4 場地膨脹巖工程對策

綜合上述泥質膨脹巖的膨脹特性和力學性質，對本工程而言，抑制泥質巖膨脹和強度軟化的產生，是防止泥質膨脹巖發(fā)生膨脹破壞的關鍵所在。設計階段應重點考慮采取防滲措施，隔離工程區(qū)地表、地下水力聯(lián)系，盡量使地基巖土的水環(huán)境不發(fā)生大的變化。同時，為防止建筑物因膨脹巖地基變形而產生的破壞，可考慮在滿足功能要求的前提下，盡量將結構單塊分小。

施工階段應及時封閉地基巖土，防止和減少地基巖土遭受風干和干濕交替作用：應注意施工工藝的使用，降低對地基巖土的擾動，維持地基巖土的整體性。此外，在工程運行期間，應對泥質膨脹巖場地安排實施長期變形觀測工作。

結束語

綜上所述，該工程場地通過試驗分析、研究，判定了泥質膨脹巖的工程特性，通過采取措施抑制泥質巖膨脹和強度軟化的產生處理膨脹巖地基的方案，費用較低，效果理想，工程運行正常，實踐證明是成功的。

[1]李杭州，廖紅建，孔令偉，冷先倫.膨脹性泥巖應力-應變關系的試驗研究[J].巖土力學，2007，(01).

[2]張穎.泥質膨脹巖工程地質研究[J].城市勘測，2007，(5).