泥巖耐崩解性和顆粒粒徑相關(guān)性的試驗(yàn)研究

王 浪，鄧 輝，鄧通海，朱俊杰

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)災(zāi)害保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

泥巖耐崩解性和顆粒粒徑相關(guān)性的試驗(yàn)研究

王 浪，鄧 輝，鄧通海，朱俊杰

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)災(zāi)害保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

泥巖的崩解性是我國西南地區(qū)巖土工程中重要的巖石特性之一。通過室內(nèi)耐崩解試驗(yàn)，從崩解物形態(tài)變化、耐崩解指數(shù)和顆粒分析3個方面對泥巖的崩解特性進(jìn)行了詳細(xì)描述；根據(jù)耐崩解指數(shù)將泥巖的崩解強(qiáng)度分為強(qiáng)、中、弱3個等級；并以此將其崩解機(jī)制分為3類：吸水膨脹崩解機(jī)制、楔裂壓力崩解機(jī)制、混合崩解機(jī)制。研究表明：隨著崩解標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)的增加，泥巖的耐崩解性指數(shù)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系降低；強(qiáng)崩解性泥巖、弱崩解性泥巖、中崩解性泥巖分別表現(xiàn)為吸水膨脹崩解機(jī)制、楔裂壓力崩解機(jī)制、混合崩解機(jī)制；崩解性的強(qiáng)弱與崩解產(chǎn)物的粒徑、崩解機(jī)制有較好的對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)、弱崩解產(chǎn)物顆粒粒徑具有兩極分化的趨勢，而中崩解顆粒則主要位于中間粒徑。

泥巖；耐崩解性；耐崩解指數(shù)；崩解機(jī)制；顆粒分析

1 研究背景

紅層泥巖在我國西南地區(qū)有著廣泛的分布，其遇水崩解現(xiàn)象給該地區(qū)基坑開挖、隧道施工、坡面處理、地基穩(wěn)定性等問題造成了諸多困擾，因此泥巖的崩解特性成為廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)。曹運(yùn)江等[1]、柴肇云等[2]從宏觀和微觀兩方面入手，認(rèn)為泥巖的崩解特性與其礦物組成和孔裂隙結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，泥質(zhì)含量越多，越易崩解；楊建林等[3]從微觀方面入手，認(rèn)為泥巖的遇水崩解與其礦物成分改變有很大關(guān)系；吳道祥等[4]結(jié)合崩解顆粒含量變化，認(rèn)為細(xì)粒的剝離及膠結(jié)物溶解是紅層泥巖遇水崩解的主要原因之一；而趙明華等[5]、郭永春等[6]、鄧濤等[7]、劉曉明等[8]、張巍等[9-11]分別從分形、水熱交替、酸堿環(huán)境、能量耗散原理、顆粒分析等方面對泥巖的崩解特性和崩解機(jī)理進(jìn)行了研究。雖然各學(xué)者對于泥巖的崩解特性和機(jī)理取得了一些成果，但至今仍無法統(tǒng)一。

為進(jìn)一步研究泥巖的崩解特性及其機(jī)理，通過室內(nèi)耐崩解試驗(yàn)對云南侏羅系和白堊系中具有代表性的紫紅色泥巖，從崩解物形態(tài)、耐崩解指數(shù)、崩解產(chǎn)物顆粒分析3方面對泥巖崩解特性進(jìn)行了研究，并對崩解機(jī)理進(jìn)行了探討。

2 試樣與試驗(yàn)方法

2.1 巖石試樣

本試驗(yàn)試樣主要來自云南某引水工程5組泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，分別為妥甸組紫紅色泥灰?guī)r(E-J3t)、張河組紫紅色泥巖(F-J2z)、馮家河組紫紅色泥巖(G-J1f)、普昌河組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖(B-K1p)、高峰寺組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖(C-K1g)。其試樣描述如表1所示。

表1 天然試樣描述

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DLT 5368—2007)，并結(jié)合本試驗(yàn)特征，試驗(yàn)步驟如下：

(1) 從 5 組巖樣中各取 40 ～ 60 g 的近似球狀巖樣 10塊，在設(shè)定溫度( 105 ～110 ℃) 下烘干，干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱量。

(2) 將冷卻至室溫的試樣置于巖石耐崩解性試驗(yàn)儀的篩筒中進(jìn)行耐崩解試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先將試件裝入篩筒并一起置于水槽中，連接傳動裝置，然后向水槽中注入水溫為 20 ℃的蒸餾水，水位達(dá)到篩筒軸心下 20 mm 時(shí)停止注水，開啟試驗(yàn)儀。

(3) 使篩筒以 20 r/min 的速度旋轉(zhuǎn) 10 min 后停止，取下篩筒，放入烘箱烘干24 h( 105～110 ℃)，干燥器內(nèi)冷卻至室溫后，取出巖樣稱重。

(4) 將循環(huán)后的水槽靜止24 h后，吸走上部清液，將沉淀物烘干24 h后稱重，完成一次循環(huán)，計(jì)算巖石耐崩解性指數(shù)。

(5) 重復(fù)步驟(2)—步驟(4)，每組試樣分別進(jìn)行 10 次循環(huán)。

圖1 不同循環(huán)次數(shù)崩解殘留物形態(tài)變化Fig.1 Morphology variations of disintegration residues under different cycle times

3 崩解循環(huán)對巖樣形態(tài)的影響

3.1 崩解殘留物形態(tài)變化規(guī)律

5組巖樣經(jīng)過10個標(biāo)準(zhǔn)崩

解循環(huán)，其殘留物形態(tài)變化如圖 1 所示(圖中字母代表巖樣代號，數(shù)字代表崩解循環(huán)次數(shù)，下同)。

從圖1中我們可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 5組巖樣隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其粒徑有所減小，巖樣棱角逐漸鈍化，有磨圓現(xiàn)象。

(2) 妥甸組紫紅色泥灰?guī)r和馮家河組紫紅色泥巖經(jīng)過2次循環(huán)后，易崩解部分基本上完全崩解，其后的循環(huán)只使得巖樣粒徑稍有減小，且減小速度逐漸降低，趨于均勻，粒徑集中在2～10 mm之間，不易崩解部分僅磨圓和粒徑減小，并未解體。而張河組紫紅色泥巖則表現(xiàn)出極強(qiáng)的崩解性，10次循環(huán)后幾乎全部崩解。

(3) 普昌河組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖和高峰寺組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖由于含有一定量砂質(zhì)，耐崩解性能稍強(qiáng)，經(jīng)過10次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，大部分并未崩解，小部分雖崩解但粒徑較大，集中在10～20 mm之間。

3.2 水中沉淀物變化規(guī)律

5組巖樣在各次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，水槽中沉淀物經(jīng)過沉淀24 h后，未見泥化現(xiàn)象，吸走上部清液，并將沉淀物烘干、稱重后發(fā)現(xiàn)各巖樣沉淀物烘干后表層均為較細(xì)的黏土顆粒，并形成泥質(zhì)膠結(jié)，呈磚紅色，稍具強(qiáng)度，并且普昌河組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖和高峰寺組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖黏土顆粒更加細(xì)小，顏色更加鮮亮；下部為大量顆粒狀或片狀沉淀物，棱角分明，質(zhì)硬，呈紫紅色，基本無膠結(jié)，如圖 2 所示。

圖2 某次循環(huán)水中沉淀物烘干照片F(xiàn)ig.2 Photos of dry sediment from water at a disintegration cycle

各次循環(huán)水中沉淀物質(zhì)量如圖3所示。

圖3 各次循環(huán)水中沉淀物質(zhì)量Fig.3 Qualities of sediment from water under different cycle times

由圖3(a)可知，妥甸組紫紅色泥灰?guī)r、張河組紫紅色泥巖和馮家河組紫紅色泥巖隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各次沉淀物的質(zhì)量呈遞減趨勢，且遞減速度逐漸降低，可以發(fā)現(xiàn)，該3組巖樣崩解的質(zhì)量損失主要發(fā)生在前2次循環(huán)。

由圖3(b)可知，普昌河組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖和高峰寺組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖各次沉淀物質(zhì)量隨循環(huán)次數(shù)增加呈波動趨勢，且波動幅度隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，其崩解質(zhì)量損失相對均勻。

4 崩解循環(huán)對耐崩解性指數(shù)的影響

4.1 耐崩解性指數(shù)

由《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DLT 5368—2007)可知，巖石的耐崩解性是指巖石抵抗軟化和崩解的能力，一般通過專門的耐崩解試驗(yàn)測定，用耐崩解性指數(shù)表示。而現(xiàn)階段，耐崩解指數(shù)主要有2種表達(dá)方式。一種為各次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)相對于原試樣的耐崩解指數(shù)，即

(1)

式中：Idn為第n次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的耐崩解指數(shù)；mn為第n次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后殘留物質(zhì)量(g)；ms為原試樣烘干質(zhì)量(g)。

另一種為各次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)相對于上次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的耐崩解指數(shù)，即

(2)

式中：Idi為第i次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的耐崩解指數(shù)；mi為第i次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后殘留物質(zhì)量(g)；mi-1為第i-1次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后殘留物質(zhì)量(g)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖 4 為巖樣不同標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后崩解殘留物質(zhì)量變化曲線。

圖4 各次循環(huán)殘留物質(zhì)量Fig.4 Residue qualities under different cycle times

由圖4可見，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，5組巖樣殘留物質(zhì)量均逐漸減小，其中張河組紫紅色泥巖表現(xiàn)出極強(qiáng)的崩解性，經(jīng)過1個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，崩解殘留物由494.9 g降至47.45 g，占總質(zhì)量的9.6%；妥甸組紫紅色泥灰?guī)r和馮家河組紫紅色泥巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的崩解性，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣殘留物減小速度逐漸減小，經(jīng)過10次循環(huán)后，妥甸組的殘留物由521.96 g 降至93.92 g,占原巖樣質(zhì)量的18%；馮家河組的殘留物由546.31 g 降至128.22 g,占原巖樣質(zhì)量的23%。

而普昌河組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖和高峰寺組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖殘留物質(zhì)量則表現(xiàn)為隨循環(huán)次數(shù)的增加呈近似線性關(guān)系降低。

圖 5為各巖樣崩解殘留物相對于試樣原質(zhì)量的耐崩解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耐崩解指數(shù)呈降低趨勢，但降低幅度逐漸減小，將耐崩解指數(shù)隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，其函數(shù)關(guān)系式為

(3)

式中：A，B為擬合參數(shù)；x為循環(huán)次數(shù)。

圖5 耐崩解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between disintegration resistanceindex and cycle times

試驗(yàn)巖樣的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)見表 2 。

表2 巖樣的擬合參數(shù)和相關(guān)系數(shù)

根據(jù)第2次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的耐崩解指數(shù)大小，可將紅層泥巖崩解性能分為3個等級，如表3 所示。

表3 紅層泥巖崩解性分級

圖 6 為各巖樣崩解殘留物相對于上一循環(huán)的耐崩解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)：對于中、強(qiáng)崩解巖層，如張河組紫紅色泥巖、馮家河組紫紅色泥巖和妥甸組紫紅色泥灰?guī)r，隨循環(huán)次數(shù)的增加，各次耐崩解系數(shù)呈先增加、后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢;而弱崩解巖層，如普昌河組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖及高峰寺組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，各次耐崩解系數(shù)相對穩(wěn)定，稍有降低。

圖6 各次循環(huán)的耐崩解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

5 崩解顆粒分析

5組巖樣經(jīng)過10次標(biāo)準(zhǔn)崩解循環(huán)后，將崩解巖樣進(jìn)行顆粒分析，如圖 7所示。

圖7 崩解物顆粒分析Fig.7 Particle analysis of disintegration products

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過10次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，泥巖崩解強(qiáng)弱與崩解產(chǎn)物所在粒組有一定的相關(guān)性。對于強(qiáng)崩解泥巖，如張河組紫紅色泥巖，崩解產(chǎn)物多集中于(0.5,1]mm和0.25 mm以下2個粒組；對于中崩解泥巖，如馮家河組紫紅色泥巖和妥甸組紫紅色泥灰?guī)r，崩解產(chǎn)物多集中于(0.5,5]mm之間；對于弱崩解泥巖，如普昌河組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖和高峰寺組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，崩解產(chǎn)物多集中于5 mm以上和0.25 mm以下2個粒組。

試驗(yàn)結(jié)果表明，對于強(qiáng)崩解和弱崩解泥巖，其粒徑有兩極分化的趨勢，而中崩解泥巖粒徑則位于相對中等粒組。

6 紅層泥巖崩解機(jī)制淺析

經(jīng)過崩解試驗(yàn)和崩解顆粒分析不難發(fā)現(xiàn)，崩解機(jī)制主要存在3種情況：

(1) 吸水膨脹崩解機(jī)制。正如張河組紫紅色泥巖，其為泥質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)軟，膠結(jié)物主要由比表面積大且具極強(qiáng)親水性的黏土礦物組成。在先烘干后，黏土礦物失水，造成其微觀結(jié)構(gòu)破壞，遇水后表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸水性，促使雙電層擴(kuò)展，粒間結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)聯(lián)結(jié)減弱,產(chǎn)生吸水膨脹，并在內(nèi)外差異膨脹而產(chǎn)生的膨脹力作用下，迅速解體。對于此崩解機(jī)制的泥巖，一般崩解徹底，表現(xiàn)出極強(qiáng)的崩解性，崩解迅速，崩解物粒徑較小。

(2) 楔裂壓力崩解機(jī)制。普昌河組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖和高峰寺組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖含有一定量粉砂質(zhì)，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，但又被游離的SiO2和Fe2O3所膠結(jié)，烘干失水后形成大量隱蔽的裂紋。但遇水后，一方面少量泥質(zhì)膠結(jié)物迅速溶解軟化，增大巖樣孔隙,改變孔隙結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生新微裂隙；另一方面水由于表面張力作用而沿微裂隙侵入，這些微裂隙將強(qiáng)烈地吸附水分子，由于水分子的吸附而減少的表面自由能，部分轉(zhuǎn)化為促使巖石孔裂隙相界面增大的力學(xué)破壞能，使得巖石發(fā)生變形和破壞，并崩解解體，形成碎塊狀殘留物，但由于溶解軟化能力有限，加之塊體越小，巖體缺陷越少，使得這些殘留物將難以進(jìn)一步解體。隨循環(huán)次數(shù)增加，呈現(xiàn)粒徑緩慢減小的現(xiàn)象，并表現(xiàn)出隨循環(huán)次數(shù)增加，殘留物耐崩解性逐漸增強(qiáng)的現(xiàn)象。對于該機(jī)制的泥巖，其崩解性相對較弱，崩解過程相對穩(wěn)定，這也正好能解釋該2組巖樣各次沉淀物質(zhì)量波動不大，表現(xiàn)為隨循環(huán)次數(shù)增加呈增、減波動變化且增減幅度逐漸減小的現(xiàn)象。

(3) 混合崩解機(jī)制。如妥甸組紫紅色泥灰?guī)r和馮家河組紫紅色泥巖，稍含粉砂質(zhì)，在膨脹崩解機(jī)制和楔裂壓力崩解機(jī)制下，巖樣迅速解體，并隨循環(huán)次數(shù)增加，粒徑不斷減小，但仍有部分較大崩解塊體變化不明顯。

7 結(jié) 論

(1) 隨著崩解標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)的增加，泥巖的耐崩解性指數(shù)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系降低。

(2) 泥巖相對于上一標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的耐崩解性指數(shù)變化規(guī)律，則與泥巖崩解強(qiáng)度相關(guān)。隨著崩解標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)的增加，對于弱崩解泥巖而言，其呈相對穩(wěn)定狀態(tài)，稍有降低趨勢；對于強(qiáng)崩解和中崩解泥巖而言，則呈先增加，后趨于穩(wěn)定趨勢。

(3) 對于強(qiáng)崩解泥巖主要表現(xiàn)為吸水膨脹崩解機(jī)制；對于弱崩解性泥巖則主要表現(xiàn)為楔裂壓力崩解機(jī)制；對于中崩解性泥巖主要表現(xiàn)為混合崩解機(jī)制，其更偏向于膨脹機(jī)制還是楔裂壓力機(jī)制，與泥質(zhì)含量有一定關(guān)系。

(4) 對于強(qiáng)崩解和弱崩解泥巖，其崩解產(chǎn)物粒徑有兩極分化的趨勢，而中崩解泥巖粒徑則位于相對中等粒組。

[1] 曹運(yùn)江,黃潤秋,鄭海君,等.岷江上游某水電站工程邊坡軟巖的崩解特性研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,14(1):35-40.

[2] 柴肇云,張亞濤,張學(xué)堯.泥巖耐崩解性與礦物組成相關(guān)性的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(5):1188-1193.

[3] 楊建林,王來貴,李喜林,等.泥巖飽水過程中崩解的微觀機(jī)制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,33(4):476-480.

[4] 吳道祥,劉宏杰,王國強(qiáng).紅層軟巖崩解性室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(增2):4173-4179.

[5] 趙明華,陳炳初,蘇永華.紅層軟巖崩解破碎過程的分形分析及數(shù)值模擬[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,38(2):351-356.

[6] 郭永春,謝 強(qiáng),文江泉.水熱交替對紅層泥巖崩解的影響[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2012,39(5):69-73.

[7] 鄧 濤,詹金武,黃 明,等.酸堿環(huán)境下紅層軟巖——泥質(zhì)頁巖的崩解特性試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2014,22(2):238-243.

[8] 劉曉明,熊 力,劉建華,等.基于能量耗散原理的紅砂巖崩解機(jī)制研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,42(10):3143-3149.

[9] 張 巍,尚彥軍,曲永新,等.泥質(zhì)膨脹巖崩解物粒徑分布與膨脹性關(guān)系試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2013,34(1):66-72.

[10]蘇永華,劉曉明,趙明華.軟巖崩解物顆粒分布特征研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(5):102-106.

[11]邱珍鋒,楊 洋,伍應(yīng)華,等.弱風(fēng)化泥巖崩解特性試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(12):266-269.

(編輯：占學(xué)軍)

Correlation Between Disintegration Resistanceand Particle Size of Mudstone

WANG Lang, DENG Hui, DENG Tong-hai, ZHU Jun-jie

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology ,Chengdu 610059, China)

Disintegration of mudstone is important in geotechnical engineering of southwest China. By indoor disintegration resistance test, disintegration features of mudstone are described in detail from three aspects, including morphological changes of disintegration products, disintegration resistance index and particle size analysis. On the basis of disintegration resistance index, disintegration intensity is divided into three levels: strong disintegration, middle disintegration and weak disintegration, and the disintegration mechanism is also classified into three types: swell disintegration after absorbing water, disintegration under wedging pressure and disintegration under mixed factors. Results show that as standard cycle times of disintegration increase, disintegration resistance index of mudstone decreases in negative exponential distribution. Furthermore, strong disintegration mudstone belongs to the mechanism of swell disintegration after absorbing water, weak disintegration mudstone and middle disintegration mudstone belong to that of disintegration under wedging pressure and disintegration under mixed factors, respectively. Finally, disintegration intensity is obviously relevant to the particle size and disintegration mechanism of disintegration product. Particle size of strong or weak disintegration product has a polarization trend, yet that of middle disintegration product is mainly middle-size.

mudstone; disintegration resistance; disintegration resistance index; disintegration mechanism; particle size analysis

2016-05-20；

2016-06-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272332)

王 浪(1993 -)，男，四川蒼溪人，碩士研究生，從事巖土體穩(wěn)定性研究工作，(電話)18200299008(電子信箱)472991088@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160498

2017,34(8):120-124

TU444

A

1001-5485(2017)08-0120-05