四川攀西地區(qū)紅層泥巖強度特性試驗研究

上官力，馬顯春，谷明成

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

四川攀西地區(qū)紅層泥巖強度特性試驗研究

上官力1，馬顯春2，谷明成2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

以白堊系下統(tǒng)小壩組粉砂質(zhì)紅層泥巖為研究對象，通過試驗測定其天然含水率、單軸抗壓強度、直接剪切強度、礦物成分含量，并分析了巖石物理力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性。試驗結(jié)果表明:隨著粉砂質(zhì)泥巖天然含水率增大，天然和飽和單軸抗壓強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈冪指數(shù)減小;隨著巖石中石英含量的升高，巖石單軸抗壓強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角升高;隨著巖石中黏土礦物含量的升高，巖石單軸抗壓強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角降低。

攀西地區(qū) 紅層 含水率 礦物成分 強度

紅層是一種外觀以紅色為主的中、新生代陸相碎屑巖沉積地層，主要出現(xiàn)在侏羅系、白堊系以及第三系。我國的紅層主要分布于西北、西南及華南地區(qū)，尤以四川分布最為廣泛，也最為連續(xù)和典型［1］。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進，西南地區(qū)鐵路、公路、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)方興未艾，這些工程的興建都不可避免地穿越紅層巖體［2］，因此研究四川紅層巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及其與工程建設(shè)的關(guān)系十分必要。

本文通過大量試驗，總結(jié)出了攀西地區(qū)紅層泥巖天然含水率和巖石強度的關(guān)系，以期更直接地了解巖石的強度，為后續(xù)工程興建提供依據(jù)。

1 工程概況

攀西地區(qū)包括攀枝花市和涼山彝族自治州，北接川西高原，南跨云南高原北緣，東抵四川盆地，西靠橫斷山系。區(qū)內(nèi)地貌多樣，以低中山、中山為主，山地占全區(qū)總面積的70%以上，山脈在一系列南北向深大斷裂及褶皺的控制下呈南北向展布。

攀西地區(qū)在大地構(gòu)造上屬于揚子準地臺和松潘—甘孜地槽系，大致以金礦—木里深大斷裂為界，以西屬于活動的松潘—甘孜地槽系，以東屬于揚子準地臺［3］。攀西地區(qū)地層以沉積地層分布面積最廣，出露有震旦系、三疊系、侏羅系、白堊系和第四系地層，缺失寒武系、志留系、泥盆系地層，火山地層、變質(zhì)地層零星出露于境內(nèi)西部。

2 試樣制備及試驗方法

本文以白堊系下統(tǒng)小壩組(K1x)粉砂質(zhì)紅層泥巖為研究對象，通過室內(nèi)試驗研究其物理力學(xué)性質(zhì)，取樣地點為喜德縣依洛鄉(xiāng)依洛村，現(xiàn)場共采集粉砂質(zhì)泥巖試樣14組。根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》將現(xiàn)場采集的14組巖樣分別加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體試件42塊(每組3塊)和50 mm×50 mm×50 mm立方體試件60塊(每組5塊)，對不同天然含水率的試樣進行分組試驗。

巖石的強度特性試驗，主要是通過天然及飽和狀態(tài)下的單軸抗壓與剪切試驗研究巖石的抗壓強度和抗剪強度，并通過比較巖石的強度獲得巖石軟化性能指標。單軸抗壓強度利用RMT-150B型巖石機進行試驗，采用電液伺服控制加載，加載速率為0.002 mm/s;巖石直剪試驗使用YZW50型微機控制電動應(yīng)力式直剪儀，測定天然狀態(tài)的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 單軸抗壓強度試驗

取制備好的42塊圓柱體試件(每組3塊)，做巖石單軸抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表1。

通過對表1數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，得到天然單軸抗壓強度、飽和單軸抗壓強度與巖石天然含水率關(guān)系曲線見圖1。

從圖1(a)可以看出巖石天然單軸抗壓強度σc隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者的相關(guān)系數(shù)是0.94，為冪指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

表1 各組巖樣的單軸抗壓強度試驗結(jié)果

圖1 巖石單軸抗壓強度和天然含水率關(guān)系曲線

從圖1(b)可見，巖石飽和單軸抗壓強度σ'c隨著天然含水率增大而減小。兩者的相關(guān)系數(shù)是0.96，為冪指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

3.2 直剪試驗

取制備好的60塊立方體試件(每組5塊)，做巖石直剪試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 巖樣天然狀態(tài)直剪試驗結(jié)果

通過對表2數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，得到巖石的黏聚力、內(nèi)摩擦角與天然含水率關(guān)系曲線，見圖2。

從圖2(a)可見，巖石黏聚力c隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者相關(guān)系數(shù)為0.93，為冪指數(shù)關(guān)系。關(guān)系式為

從圖2(b)可見，巖石內(nèi)摩擦角φ隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者相關(guān)系數(shù)為0.93，為冪指數(shù)關(guān)系。關(guān)系式為

3.3 巖石礦物成分測試

在采集的巖樣中選取4組進行巖石樣品的XRD礦物分析。巖樣的X射線衍射圖譜見圖3，巖樣的礦物成分及含量見表3，具體試驗方法參考相關(guān)文獻［4］。

1)單軸抗壓強度與礦物成分含量的關(guān)系

粉砂質(zhì)泥巖天然單軸抗壓強度、飽和單軸抗壓強度隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小，見圖4。

圖2 巖石抗剪強度與天然含水率關(guān)系曲線

圖3 巖樣的X射線衍射圖譜

表3 巖樣的礦物成分及含量

圖4 巖石單軸抗壓強度與礦物成分含量的關(guān)系曲線

巖石作為一種天然的地質(zhì)體，其物理力學(xué)性質(zhì)主要取決于巖石的礦物成分和顆粒間的聯(lián)結(jié)以及內(nèi)部的微裂隙［5］。巖石中礦物成分的含量直接影響巖石的力學(xué)性質(zhì)。石英屬于礦物成分中硬度較大的，其含量愈高，巖石的強度愈高。巖石中的黏土礦物遇水易膨脹和軟化，如蒙脫石易分解為斑脫土，遇水軟化，其含量愈高，巖石強度愈低［6-7］。因此，粉砂質(zhì)泥巖礦物成分中石英含量越高，單軸抗壓強度越大;黏土含量越高，單軸抗壓強度越小。

2)抗剪強度與礦物成分含量的關(guān)系

石英和黏土的含量與抗剪強度指標的關(guān)系見圖5。可見，粉砂質(zhì)泥巖黏聚力、內(nèi)摩擦角都隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小。

圖5 巖石礦物成分和抗剪強度關(guān)系曲線

3.4 巖石軟化性能

用巖石飽和單軸抗壓強度比天然單軸抗壓強度，作為巖石軟化性能指標η，即

由試驗數(shù)據(jù)，整理得出巖石軟化性能指標。巖石天然含水率和軟化性能指標的關(guān)系見圖6。

圖6 巖石軟化性能指標和天然含水率關(guān)系曲線

由圖6可見，巖石的軟化性能指標和天然含水率之間沒有直接的相關(guān)性，但巖石天然含水率保持在0.5% ～3.5%之間時，巖石的軟化性能指標在63% ～80%，其中以70%附近居多。巖石受水侵蝕后，強度和穩(wěn)定性發(fā)生變化，這主要取決于巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。

4 結(jié)論

1)隨著天然含水率的增加，粉砂質(zhì)泥巖天然和飽和單軸抗壓強度均呈冪指數(shù)減小。

2)隨著天然含水率的增加，粉砂質(zhì)泥巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈冪指數(shù)減小。

3)粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小。

［1］李廷勇，王建力．中國的紅層及發(fā)育的地貌類型［J］．四川師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002(4):427-431．

［2］郭永春，謝強，文江泉．我國紅層分布特征及主要工程地質(zhì)問題［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007(6):67-71．

［3］傅維洲，吳玉寶．攀西裂谷帶及其鄰區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場特征［J］．長春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，1986(3):95-102．

［4］國家能源局．SY/T 5163—2010 沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法［S］．北京:石油工業(yè)出版社，2010．

［5］韓鐵林，師俊平，陳蘊生，等．化學(xué)腐蝕對砂巖物理力學(xué)性質(zhì)影響的試驗研究［J］．西安理工大學(xué)學(xué)報，2014(1):34-39．

［6］王文星．巖體力學(xué)［M］．長沙:中南大學(xué)出版社，2004．

［7］吳益平，余宏明，胡艷新．巴東新城區(qū)紫紅色泥巖工程地質(zhì)性質(zhì)研究［J］．巖土力學(xué)，2006(7):1201-1203．

TU446

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．30

1003-1995(2015)07-0107-04

2015-02-10;

2015-05-10

上官力(1988— )，男，陜西商洛人，碩士研究生。

(責任審編 葛全紅)