膏溶角礫巖工程地質(zhì)特征研究現(xiàn)狀與不足分析

閆常赫，王延濤，孫光吉

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

膏溶角礫巖是工程勘察中發(fā)現(xiàn)的特殊性巖土的一種新類型［1］，該類巖石在工程地質(zhì)文獻(xiàn)和規(guī)范中少有記載，在實際工程中也比較罕見，僅在祁(縣)—臨(汾)高速公路和石太客運專線太行山隧道工程中出現(xiàn)，該巖石由碳酸鹽巖角礫和泥質(zhì)組成，最初定名為“泥包石層”，之后根據(jù)巖石的物理化學(xué)成分組成和地質(zhì)成因定名為膏溶角礫巖。

該類巖石遇水強(qiáng)度迅速降低，極易崩解軟化，且具膨脹性，有著特殊的工程力學(xué)性質(zhì)，給工程勘察、設(shè)計、施工帶來了一系列問題，引起學(xué)者們的關(guān)注。針對該巖石的特征，人們從地質(zhì)形成背景、物理組成成分、本構(gòu)關(guān)系模型、工程力學(xué)特征以及相對應(yīng)的工程措施等角度展開了研究工作，取得一定成果［1-5］。但由于工程案例較少，針對膏溶角礫巖的研究還處于起步階段，還存在很多不足之處。

1 膏溶角礫巖的形成地質(zhì)背景

1.1 分布特征

膏溶角礫巖是含膏鹽巖系中易溶的硫酸鹽巖溶蝕后，殘余的碳酸巖組分及雜質(zhì)原位堆積而成，產(chǎn)出受層位控制，多分布于奧陶系峰峰組、上馬溝組、下馬溝組的含膏地層，祁縣—臨汾高速公路和石太客運專線太行山隧道所經(jīng)膏溶角礫巖段落均位于該層位，且多分布于斷裂凹陷帶處，呈不連續(xù)分布狀態(tài)［1］。

1.2 形成學(xué)說

目前有關(guān)膏溶角礫巖的形成有多種看法，主要分為兩種，即膏溶坍塌成因說和隱爆成因說。

(1)膏溶坍塌成因說

該學(xué)說的主要觀點為:石膏遇水極易溶蝕成洞穴，引起頂板巖石的壓裂塌落，其塌落的巖石角礫與殘留的石膏混合膠結(jié)成膏溶角礫巖。

(2)隱爆成因說

自然界中存在一種與構(gòu)造無關(guān)、分布普遍、產(chǎn)狀呈筒狀、囊狀、脈狀及似板狀的角礫巖，該類角礫巖由隱爆作用形成。主要是由于巖漿侵入巖體后能量釋放，產(chǎn)生巨大能量使周圍巖體破裂，從而形成角礫巖。

孟麗萍［9］分析了各學(xué)說的特點，并根據(jù)石太客運專線太行山隧道的角礫巖分布形式，對以上兩種學(xué)說提出異議，提出自己的觀點，并歸納了膏溶(含膏)角礫巖的形成過程。含膏層沉積→燕山期酸性巖漿侵入致泥狀物擠入灰?guī)r周圍，當(dāng)含有石膏層時產(chǎn)生巨大的流體氣壓，爆發(fā)產(chǎn)生角礫并形成空洞→冷凝結(jié)晶形成角礫巖。筆者認(rèn)為，這種觀點更貼近實際，但對泥質(zhì)的來源和周圍巖體相對完整，解釋不夠清楚，還有待進(jìn)一步研究。

1.3 細(xì)觀分布特征

根據(jù)前人研究成果，膏溶角礫巖多呈層狀不連續(xù)分布，未對膏溶角礫巖的細(xì)觀分布和與周圍巖體的關(guān)系加以總結(jié)歸納。山西中南部鐵路通道立家長隧道在開挖過程中遇到兩層膏溶(含膏)角礫巖，其分布形態(tài)多成脈狀，位于奧陶系下馬溝組(O2x)。隧道開挖揭示掌子面多為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，中厚層～厚層狀，產(chǎn)狀近水平，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，垂直方向貫通。發(fā)育有多條角礫巖脈，寬度0.5～2 m，產(chǎn)狀與節(jié)理一致。角礫巖母巖成分為灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，無磨圓度，泥質(zhì)充填，泥質(zhì)含水量20% ～40%，黏度極高，呈軟塑狀態(tài)，整體呈泥包石狀，如圖1所示。

膏溶角礫巖多呈脈狀分布，存在的層位相對穩(wěn)定，兩側(cè)巖層產(chǎn)狀平緩且相對完整，僅裂隙面有大量泥質(zhì)及角礫充填。根據(jù)該分布特征，推測膏溶角礫巖形成受沉積巖層位控制，同時受節(jié)理裂隙引導(dǎo)。

圖1 立家長隧道膏溶(含膏)角礫巖分布情況

2 膏溶角礫巖的理論研究現(xiàn)狀

自膏溶角礫巖出現(xiàn)在工程領(lǐng)域以后，學(xué)者們開始對其展開了理論研究工作。李尤嘉［12］對太行山隧道膏溶角礫巖取樣進(jìn)行分析，對其在荷載作用下的巖石細(xì)觀損傷裂紋擴(kuò)展至破碎進(jìn)行了實時觀測，得到了不同含水狀態(tài)下的巖石破碎過程圖像;陳翔［15］在單軸循環(huán)加載試驗的基礎(chǔ)上，基于loland模型和marzars模型提出了膏溶角礫巖損傷演化方程。宋飛［2］根據(jù)膏溶角礫巖的蠕變特性，建立了流變組合模型，在考慮損傷門檻的統(tǒng)計損傷及石膏角礫巖流變組合模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用應(yīng)變等效原理，建立了考慮瞬時損傷的流變本構(gòu)模型，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對石膏角礫巖的非線性流變特性進(jìn)行嘗試性研究。建立了分別加載下巖石流變的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。鄧建華［6］通過對石太客運專線太行山隧道膏溶角礫巖側(cè)陷膨脹試驗，研究了膏溶角礫巖在有側(cè)陷條件下膨脹應(yīng)變的時變特性和膨脹應(yīng)力與膨脹關(guān)系，得出了側(cè)陷條件下膏溶角礫巖的應(yīng)變與實踐的變化規(guī)律。

學(xué)者們根據(jù)祁(縣)—臨(汾)高速公路和石太客運專線的膏溶角礫巖進(jìn)行理論研究，取得了豐富的成果。但由于膏溶角礫巖成因不明、結(jié)構(gòu)多變、成分復(fù)雜等特點，工程地質(zhì)特征無法統(tǒng)一，目前的理論研究工作還很難應(yīng)用于工程領(lǐng)域。筆者認(rèn)為，可以通過在圍巖內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變片的方法，監(jiān)測擾動后圍巖內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變情況，并將監(jiān)測結(jié)果與已有本構(gòu)關(guān)系模型相比較，選擇適合的模型，反推應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，再與監(jiān)控結(jié)果相比較，以得到最適合的本構(gòu)模型。

3 膏溶角礫巖的組成成分分析

由于膏溶角礫巖成因復(fù)雜，其組成成分也具有多種類型。謝忠安［16］根據(jù)石太客運專線太行山隧道膏溶角礫巖為樣本，分析其主要由黏土、鈣鎂質(zhì)膠結(jié)物組成;孟麗萍［9］根據(jù)化學(xué)試驗、電鏡掃描、能譜分析、X射線衍射分析結(jié)果，膏溶角礫巖主要由碳酸巖組成，主要礦物為白云石、方解石，其次為蒙脫石、伊利石、綠泥石及混層礦物。

山西中南部鐵路立家長隧道開挖揭示膏溶角礫巖(圖2)，母巖成分主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，黏土礦物充填，含少量石膏顆粒(條帶)，黏土礦物中蒙脫石含量約18%～25%，與太行山隧道所通過的膏溶角礫巖成分基本一致。但受復(fù)雜地質(zhì)成因影響，多成“泥包石”狀，母巖顆粒大小極不均勻，不同位置的黏土含量變化很大，工程地質(zhì)特征隨之變化明顯。

圖2 隧道開挖揭示的膏溶角礫巖

4 膏溶角礫巖的力學(xué)性質(zhì)試驗研究

巖土的工程力學(xué)特征是工程研究最主要的內(nèi)容之一，膏溶角礫巖作為一種新的特殊巖土，引起人們的重視。人們通過常規(guī)的研究方法從多方面獲取膏溶角礫巖的工程力學(xué)性質(zhì)。

4.1 強(qiáng)度特征

宋飛［2］等人利用三軸試驗得出了石膏角礫巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并得出膏溶角礫巖在受壓破壞過程中分為3個階段:即彈性變形階段、塑性變形階段和應(yīng)變軟化階段，并根據(jù)試驗結(jié)果分析了巖石強(qiáng)度隨圍壓變化的關(guān)系;謝忠安［16］通過對石太客運專線太行山隧道膏溶角礫巖的試驗總結(jié)出膏溶角礫巖單軸壓縮試驗結(jié)果與巖體含水狀態(tài)、硬角礫含量有關(guān)，根據(jù)試驗結(jié)果，一般天然條件下變形模量在15 MPa左右，抗拉強(qiáng)度在0.13 MPa左右。胡文壽［1］根據(jù)角礫巖層中原位(重II)測試成果，測定土層的變形模量15～65 MPa，最小值接近黏土指標(biāo)，均勻性極差。

4.2 含水率對巖石性質(zhì)的影響

膏溶角礫巖對水有著極強(qiáng)的敏感性，遇水強(qiáng)度迅速降低。不同含水狀態(tài)下的膏溶角礫巖的力學(xué)性能研究有很重要的意義。鄧建華［6］通過試驗得出了不同含水率狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和峰值應(yīng)力隨含水率變化的關(guān)系曲線，并根據(jù)試驗結(jié)果判斷巖石的初始含水率對巖石力學(xué)性質(zhì)影響很大，且該巖石的工程力學(xué)特征具有記憶的性質(zhì)。李建華［11］根據(jù)巖石試驗分析了膏溶角礫巖軟化系數(shù)在0.08～0.59，屬于易軟化巖，有著很強(qiáng)的水敏感性。

4.3 膨脹性分析

膏溶角礫巖在干燥時顯示出巖質(zhì)堅硬的特點，遇水迅速崩解軟化成泥狀，根據(jù)試驗分析，膏溶角礫巖含有蒙脫石和高嶺石等黏土礦物［9，16］，因此，判斷其具有一定得膨脹性。彭結(jié)兵［4］利用最大膨脹法和平衡加載法測得了膏溶角礫巖的膨脹力，并分析了膨脹力隨初始含水率變化的關(guān)系，膨脹變形以膠結(jié)物為主，角礫基本不具膨脹性。

山西中南部鐵路立家長隧道在通過膏溶角礫巖時，亦取樣對其膨脹性進(jìn)行試驗分析，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 膏溶角礫巖膨脹性試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，依據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》對膨脹巖(土)判別標(biāo)準(zhǔn)，Y1具中等膨脹性，Y2具弱膨脹性。

5 目前針對膏溶角礫巖研究存在的不足

5.1 成因

目前膏溶角礫巖成因仍是個謎，根據(jù)立家長隧道開挖揭示的膏溶角礫巖分布及周圍巖體特征和膏溶角礫巖的試驗參數(shù)，目前的各形成學(xué)說仍無法解釋黏土礦物的來歷和周圍巖體產(chǎn)狀平緩和相對完整的特點，還無法判斷該位置膏溶(含膏)角礫巖的具體成因。只有在進(jìn)一步研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造歷史的基礎(chǔ)上，將構(gòu)造運動與周圍巖石礦物組成成分相結(jié)合進(jìn)行研究，以獲得成因的最佳解釋。

5.2 理論

膏溶角礫巖屬于復(fù)雜的特殊軟巖，具有強(qiáng)度低、土質(zhì)不均、局部壓縮性高、軟化系數(shù)低等特征。作為水敏感性極強(qiáng)的巖石，已經(jīng)引起人們的重視，但對其研究仍處于起步階段，學(xué)者研究了很多變形損傷破壞模型，但這些模型還處于理論探索階段，未能應(yīng)用于工程領(lǐng)域。但可以參考其他特殊性巖土的研究方法，如軟巖、膨脹巖的流變等，通過增加應(yīng)變計等方式將監(jiān)控量測結(jié)果與已有研究成果中模型相對比，并不斷調(diào)整，以期得到最適合的本構(gòu)模型。

5.3 力學(xué)特征

巖石工程力學(xué)特性是工程界最關(guān)注的特性之一。膏溶角礫巖的研究工作由于借鑒案例少，對該巖石的不均勻性沒有系統(tǒng)性的認(rèn)識，同時工程力學(xué)性質(zhì)還沒有形成判定指標(biāo)，缺少指導(dǎo)工程實施的應(yīng)對方案。目前，膏溶角礫巖在工程中的危害，尚未得到完全重視，在今后的工作中，應(yīng)通過大量實驗，得到其各項力學(xué)指標(biāo)，并結(jié)合施工中的不同情況，采取相應(yīng)的工程措施，并結(jié)合其他特殊巖土的判定指標(biāo)，形成一定的指導(dǎo)規(guī)范，為將來統(tǒng)一規(guī)范的制定提供理論依據(jù)。

6 結(jié)語

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了膏溶角礫巖的工程地質(zhì)特征，結(jié)合山西中南部鐵路立家長隧道實際開挖揭示的膏溶角礫巖分布狀態(tài)，提出了膏溶角礫巖分布受沉積層位控制同時受節(jié)理裂隙引導(dǎo)的細(xì)觀分布方式。根據(jù)實際開挖揭示的膏溶角礫巖特征和前人的研究成果，分析總結(jié)了該巖石的工程地質(zhì)特征。同時根據(jù)前人研究成果對比實際開挖揭示的膏溶角礫巖地質(zhì)特征，歸納了目前研究的不足之處，為今后的發(fā)展提出了研究方向。

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