邊坡軟巖崩解特性試驗(yàn)研究

田巍巍

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊 830091）

0 引言

在水利、隧道等工程實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到軟巖邊坡的問(wèn)題，尤其是巖體崩解破壞時(shí)常發(fā)生。在天然情況下巖體很少有崩解，但是經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)變化或者經(jīng)風(fēng)化等外部環(huán)境發(fā)生了變化就容易引起巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物成分發(fā)生改變，進(jìn)而巖體發(fā)生崩解[1]。

通過(guò)前人研究發(fā)現(xiàn)，軟巖的崩解性主要是在外部環(huán)境和內(nèi)部崩解機(jī)制共同作用下發(fā)生。蘇永華（2005）、曹運(yùn)江（2006）、吳道祥（2010）等[2-4]通過(guò)室內(nèi)崩解性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，軟巖浸水后所表現(xiàn)出來(lái)的不同崩解特征與軟巖的成因、成分以及膠結(jié)狀態(tài)密切相關(guān)。他們認(rèn)為影響軟巖崩解性大小的因素主要有伊利石、高嶺石、蒙脫石等黏土礦物含量的多少，含量越多崩解性就明顯較大；泥質(zhì)膠結(jié)物崩解性較高，鈣質(zhì)膠結(jié)物崩解性較弱。通常情況下，泥巖主要為泥狀結(jié)構(gòu)其崩解性較強(qiáng)，粒狀碎屑結(jié)構(gòu)的砂巖崩解性能較弱，這與它們泥化物含量的多少有關(guān)。曹運(yùn)江（2006）[4]發(fā)現(xiàn)軟巖泥質(zhì)含量的多寡影響其崩解性，即泥質(zhì)含量越多崩解性就越好，崩解速度也就越快；劉長(zhǎng)武等（2000）[5]利用電子掃描鏡進(jìn)一步的研究泥巖遇水崩解軟化的機(jī)理，從掃描圖上可以看出泥巖遇水崩解前后內(nèi)部結(jié)構(gòu)及空隙的變化，即空隙體積和孔隙度減少，而空隙表面積增加了，從而泥巖遇水出現(xiàn)膨脹崩解。黃國(guó)展（1998）[6]對(duì)那吉水利樞紐壩基第三系軟巖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)泥巖濕化后易崩解，在空間暴露后失水極易干裂，遇水易軟化崩解。

在風(fēng)化作用下，對(duì)軟巖的崩解性研究較少。因此將通過(guò)干濕環(huán)境的變化，來(lái)分析不同風(fēng)化程度下泥質(zhì)粉砂巖的崩解特性及其變化規(guī)律，對(duì)今后軟巖工程特性的研究及邊坡工程的防護(hù)將具有重要意義。

1 材料及試驗(yàn)結(jié)果

1.1 物質(zhì)組成及礦物成分

取不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行了鏡下薄片觀測(cè)，巖石為泥質(zhì)粉砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，其礦物成分主要有碎屑物質(zhì)和黏土礦物組成，不同風(fēng)化程度的巖石顆粒組見(jiàn)表1。

表1 不同風(fēng)化程度的巖石顆粒組成

從表1可以看出，微-新鮮巖石的細(xì)砂屑d=0.06～0.2 mm，占5%，粉砂屑 d=0.06～0.005 mm占60%，泥質(zhì)物d＜0.005 mm占35%。隨著風(fēng)化程度的加重，粉砂屑有所下降，細(xì)砂屑含量極少，泥質(zhì)物含量隨著風(fēng)化程度的加劇而增加，泥質(zhì)程度增高。

黏土礦物主要有伊利石，其次為蒙脫石、高嶺石。通過(guò)電子顯微鏡和X射線(xiàn)衍射看出，伊利石占50%～60%，蒙脫石占10%左右，高嶺石占10%～20%，長(zhǎng)石、石英占了15%左右。

1.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

試驗(yàn)是在參照SL264-2001《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》及前人試驗(yàn)研究方法的基礎(chǔ)上，對(duì)工程軟巖進(jìn)行室內(nèi)干濕浸水試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)取強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖渾圓狀天然巖塊試樣各20塊，每塊重40～60 g。試件用105～110℃的恒溫烘干到恒量后，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫并稱(chēng)量。在每個(gè)鋁盒內(nèi)放置一塊試樣，注清水至淹沒(méi)試樣，觀察記錄崩解情況。第一次烘干浸水循環(huán)后，進(jìn)行級(jí)配為5 mm、2 mm、0.5 mm、0.25 mm篩分試驗(yàn)，對(duì)粒徑大于2 mm的崩解物重復(fù)做下一次的循環(huán)試驗(yàn)直至穩(wěn)定。計(jì)算巖石的耐崩解性指數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表2～表4所示。

表2 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖室內(nèi)浸水試驗(yàn)結(jié)果表

表3 弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖室內(nèi)浸水試驗(yàn)結(jié)果表

表4 微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖室內(nèi)浸水試驗(yàn)結(jié)果表

室內(nèi)浸水崩解試驗(yàn)下，微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖在首次循環(huán)時(shí)基本沒(méi)有崩解發(fā)生，在第二次循環(huán)后開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，水中有少量粉細(xì)砂和泥質(zhì)物，第三次循環(huán)后基本穩(wěn)定?？梢?jiàn)微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖崩解性較小，其耐崩解性指數(shù)Id為93.1；弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖第一次循環(huán)出現(xiàn)細(xì)微的崩解，第二次循環(huán)后開(kāi)始加速崩解，到第五次循環(huán)后崩解成顆粒狀、細(xì)粒狀和泥狀，小于0.25 mm的粉細(xì)砂沉積變多，大于2 mm的顆粒主要是云母、石英、細(xì)小的礫石，耐崩解性指數(shù)Id為75.2；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖在第一次干濕循環(huán)后就出現(xiàn)較大的崩解，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，大于5 mm的顆粒崩解很快，小于0.25 mm的粉細(xì)砂也迅速增加，到第四次循環(huán)時(shí)基本完全崩解成顆粒狀、細(xì)粒狀和泥狀，大于2 mm的顆粒主要是云母、石英、細(xì)小的礫石，耐崩解性指數(shù)Id為64.3。

為了更好的分析巖石顆粒含量的變化規(guī)律，對(duì)不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表如圖1～圖5。

圖1 粒徑大于5 mm顆粒含量變化曲線(xiàn)

圖2 粒徑2～5 mm顆粒含量變化曲線(xiàn)

圖3 粒徑0.5～2 mm顆粒含量變化曲線(xiàn)圖

圖4 粒徑0.25～0.5 mm顆粒含量變化曲線(xiàn)

圖5 粒徑小于0.25 mm顆粒含量變化曲線(xiàn)

從圖1中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖粒徑大于5 mm的顆粒含量都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖下降較快，微-新鮮的下降緩慢。這是由于微-新鮮的巖石崩解性較弱，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖崩解性較強(qiáng)，所以其顆粒含量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐步增加，呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。圖2～圖5中發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同粒徑的顆粒含量變化趨勢(shì)相同，都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。但是微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖的顆粒含量增長(zhǎng)較慢且含量較低，2～5 mm和小于0.25 mm的粒徑的顆粒居多。從圖2和圖5還可以看出弱風(fēng)化的顆粒含量高于強(qiáng)風(fēng)化的顆粒含量，更高于微-新鮮的顆粒含量。這是由于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的崩解性較高且崩解速度較快，增加了小于0.25 mm的顆粒含量，而弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖崩解性較小，2～5 mm的顆粒含量也就增加了。

2 崩解機(jī)制分析

泥質(zhì)粉砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)物，主要成分為比表面積大、具有很強(qiáng)吸水性的黏土礦物，浸水后水分子容易被吸引，加之泥質(zhì)粉砂巖為孔隙式膠結(jié)，為水浸入巖石提供了通道。泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)的伊利石、蒙脫石、高嶺石等粘土礦物顆粒較小，親水性強(qiáng)，當(dāng)水進(jìn)入巖石的孔隙時(shí)，就會(huì)在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，引起巖石的膨脹、軟化、崩解。同時(shí)細(xì)小巖粒的吸附水膜增厚，也加劇了巖石崩解。

此外，泥質(zhì)粉砂巖含有的碎屑物質(zhì)主要為粉砂屑，透水性較強(qiáng)，巖石在干燥時(shí)候失水較快，引起巖體表面收縮開(kāi)裂，進(jìn)而出現(xiàn)崩解，并以剝離的形式出現(xiàn)。

因此，礦物成分含量、膠結(jié)物類(lèi)型等對(duì)軟巖崩解性能影響較大，風(fēng)化作用對(duì)泥質(zhì)粉砂巖的崩解性能也存在很大的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)崩解性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)干濕浸水狀態(tài)下，干濕環(huán)境對(duì)泥質(zhì)粉砂的崩解性有很大的影響，而風(fēng)化作用一定程度上促進(jìn)了泥質(zhì)粉砂巖的崩解。不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖，循環(huán)崩解后不同粒徑的含量都成呈上升趨勢(shì)，但是強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖崩解量均高于風(fēng)化程度較輕的巖石。

2）風(fēng)化作用促進(jìn)了粘土礦物含量的增加，改變了原有結(jié)構(gòu)，加速了軟巖的崩解。

3）對(duì)于泥質(zhì)粉砂巖等巖性的軟巖，應(yīng)采取一定防護(hù)的措施，避免風(fēng)化和降雨的侵蝕，有助于降低軟巖的崩解。本文對(duì)微觀崩解機(jī)制研究還存在一定的不足，需進(jìn)一步深入的分析。