干濕循環(huán)下不同風(fēng)化程度泥質(zhì)粉砂巖崩解特性試驗研究

田巍巍

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院， 新疆 烏魯木齊 830091)

1 研究背景

軟巖巖體在天然情況下很少發(fā)生崩解，但是經(jīng)過反復(fù)干燥、淋水和風(fēng)化作用等外部環(huán)境的變化，改變了巖石結(jié)構(gòu)和礦物成分，促使巖石產(chǎn)生崩解[1]。在水利工程中經(jīng)常遇到軟巖邊坡的崩解、軟化等問題，因此對工程軟巖進(jìn)行崩解特性研究具有重要的意義。

近年來，在軟巖崩解特性方面有較多的研究成果。柴肇云等[2]研究了泥巖耐崩解性和礦物組成的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)泥巖的耐崩解特性與其孔裂隙的結(jié)構(gòu)特征和礦物組成有著密切關(guān)系；梁冰等[3]研究了干濕循環(huán)和凍融循環(huán)作用對泥質(zhì)巖崩解特性的影響，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用比干濕循環(huán)作用產(chǎn)生更為明顯的影響；張巍等[4]研究了泥質(zhì)膨脹巖崩解物粒徑分布與膨脹性之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)膨脹巖膨脹性的強(qiáng)弱和膨脹巖崩解物的最大含量粒組的顆粒粒徑、有效粒徑和耐崩解性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)；郭永春等[5]利用巖石熱物理學(xué)和毛細(xì)作用原理研究了溫度、水等因素的水熱交替對紅層泥巖崩解的影響，發(fā)現(xiàn)水熱交替是導(dǎo)致泥巖快速崩解的主要動力；黃明等[6]和鄧濤等[7-8]對酸堿環(huán)境中泥質(zhì)頁巖的崩解規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境對泥質(zhì)頁巖的崩解性影響較大，加速了軟巖的崩解，堿性環(huán)境對崩解性影響較小。蘇永華等[9]和吳道祥等[10]研究發(fā)現(xiàn)在與水接觸后軟巖所呈現(xiàn)的崩解特性和軟巖的成分、膠結(jié)的狀態(tài)、成因等密切相關(guān)。曹運(yùn)江等[11]研究發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)物含量多少對軟巖的崩解特性有很大影響，泥質(zhì)物含量和崩解特性、崩解的速度呈正相關(guān)；楊建林等[12]研究了泥巖飽水過程中崩解的微觀機(jī)制，泥巖的崩解主要在飽水過程中產(chǎn)生的次生孔隙和表面受到的拉應(yīng)力共同作用的影響；劉長武等[13]研究泥巖遇水崩解軟化的機(jī)理，認(rèn)為空隙體積降低，但表面積卻增大了，致使泥巖在遇水后顯現(xiàn)崩解和膨脹。黃宏偉等[14]認(rèn)為泥巖遇水后出現(xiàn)微孔隙及其吸附效應(yīng)，破壞了巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)體系，從而出現(xiàn)軟化崩解現(xiàn)象。

以上針對軟巖崩解的內(nèi)外部環(huán)境、軟巖的結(jié)構(gòu)組成、微觀機(jī)理等方面進(jìn)行了大量研究，本文將在前人研究基礎(chǔ)上，通過干濕環(huán)境的變化，模擬不同風(fēng)化程度下泥質(zhì)粉砂巖在淋水和干燥循環(huán)條件下的崩解特性及其變化規(guī)律，將對軟巖邊坡的工程特性研究及其防護(hù)發(fā)揮重要的作用。

2 研究對象概況

以新疆肯斯瓦特水利樞紐工程泥質(zhì)粉砂巖為研究對象，該工程巖性基本為褐色泥質(zhì)粉砂巖，偶有夾雜灰綠顏色粉砂質(zhì)泥巖，中厚狀單層巖石的厚度為0.5～2.0 m。開挖邊坡后，由于巖體卸荷及風(fēng)化等外力作用，巖體出現(xiàn)大面積崩解[15]，出現(xiàn)很多的碎裂結(jié)構(gòu)面(圖1)。

圖1 邊坡開挖后碎裂結(jié)構(gòu)面

對該工程泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行電鏡測試，發(fā)現(xiàn)巖石為泥質(zhì)粉砂狀的結(jié)構(gòu)，塊狀形構(gòu)造，礦物成分主要為碎屑物質(zhì)和黏土礦物組成。巖石的碎屑粒徑較細(xì)，且大部分為粉砂質(zhì)碎屑。碎屑的成分由石英、長石及巖屑等組成，膠結(jié)類型為孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)的物質(zhì)為泥質(zhì)物。有較大部分的深色有機(jī)質(zhì)在粉砂質(zhì)碎屑之間不均勻分布。圖2為不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖顆粒組成。從圖2可以看出，不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖顆粒組成發(fā)生了改變，粉砂屑d=0.005～0.06 mm含量逐步降低，細(xì)砂屑d=0.06～0.2 mm含量變化不大，泥質(zhì)物d<0.005 mm隨著風(fēng)化程度的加劇明顯增多。

圖2 不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖顆粒組成

3 研究方法及結(jié)果

3.1 研究方法

巖石崩解特性的主要指標(biāo)表現(xiàn)為耐崩解性指數(shù)，是巖石樣在承受干濕循環(huán)下抵抗軟化及崩解作用的能力。分別取不同風(fēng)化程度的渾圓狀天然巖塊試件各20塊，每一個巖塊稱重約40 g。在室內(nèi)環(huán)境下，模擬巖石受到降雨等淋水狀態(tài)下的崩解特性。將自然狀態(tài)下的巖樣進(jìn)行風(fēng)干，進(jìn)行淋水崩解試驗，隨時觀察和記錄，首次干濕淋水循環(huán)試驗后，以5、2、0.5、0.25 mm等4種粒徑的顆分篩進(jìn)行篩析試驗，將大于2 mm粒徑的顆粒反復(fù)進(jìn)行干濕淋水循環(huán)測試直到不再崩解。試驗結(jié)束后計算耐崩解性指數(shù)Id。Id為崩解穩(wěn)定后大于2 mm的殘余崩解物重量與試驗前巖樣重量之比。

為了更好地研究不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖的崩解特性，同時取樣對其抗壓強(qiáng)度和變形模量等力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 室內(nèi)崩解特性試驗 在室內(nèi)干濕淋水崩解試驗下，不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖表現(xiàn)出不同的崩解特性，其耐崩解指數(shù)Id也出現(xiàn)較大差異。

微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖在首次干濕淋水循環(huán)下幾乎未產(chǎn)生崩解，經(jīng)過第2次的循環(huán)試驗后發(fā)現(xiàn)有裂紋顯現(xiàn)，水中可以看到少許泥質(zhì)物與粉砂，經(jīng)過3次干濕淋水循環(huán)試驗基本趨于穩(wěn)定。其耐崩解性指數(shù)Id為98.7；弱風(fēng)化作用下的泥質(zhì)粉砂巖在首次干濕淋水循環(huán)后有輕微的崩解，在第2次的循環(huán)中出現(xiàn)快速崩解，經(jīng)過5次循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定，粒徑大于2 mm的物質(zhì)主要為石英、云母及較細(xì)礫石等，耐崩解性指數(shù)Id為80.2；強(qiáng)風(fēng)化作用下泥質(zhì)粉砂巖在首次干濕淋水循環(huán)后產(chǎn)生較大量的崩解，隨著干濕循環(huán)的繼續(xù)，大于5 mm的顆粒物崩解很快，水中的粉細(xì)砂較多的出現(xiàn)，在4次循環(huán)后，完全崩解為泥質(zhì)狀和顆粒狀，經(jīng)過5次循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定，粒徑大于2 mm的物質(zhì)主要為石英、云母及較細(xì)礫石等，耐崩解性指數(shù)Id為69.8。

3.2.2 崩解物顆粒分析 為了研究泥質(zhì)粉砂巖在崩解后顆粒含量的變化規(guī)律，對不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖顆粒級配進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1～5。

表1 粒徑大于5 mm顆粒含量變化 %

表2 粒徑5～2 mm顆粒含量變化 %

表3 粒徑2～0.5 mm顆粒含量變化 %

表4 粒徑0.5～0.25 mm顆粒含量變化 %

表5 粒徑<0.25 mm顆粒含量變化 %

從表1可以看出，大于5 mm的顆粒含量隨著循環(huán)次數(shù)的增加，呈現(xiàn)下降的趨勢，而新鮮巖石大于5 mm顆粒含量變化不大，表明強(qiáng)風(fēng)化作用后崩解較快，新鮮巖石崩解速度緩慢并很快趨于穩(wěn)定。從表2～5可以看出，風(fēng)化作用后的泥質(zhì)粉砂巖在循環(huán)崩解后各粒徑含量都呈現(xiàn)增加趨勢，尤其是粒徑在2～5 mm和小于0.25 mm的顆粒含量呈現(xiàn)較快的增長，粒徑0.5～2 mm和0.25～0.5 mm的顆粒含量增長較慢。新鮮泥質(zhì)粉砂巖在整個崩解過程中各粒徑含量呈較小的變化。

3.2.3 力學(xué)特性分析 為了更好地研究影響泥質(zhì)粉砂巖崩解特性的機(jī)制，對不同風(fēng)化類型的泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行力學(xué)特性試驗，試驗結(jié)果如表6所示。由試驗結(jié)果可知，泥質(zhì)粉砂巖在天然狀態(tài)下，抗壓強(qiáng)度均較高，浸水飽和后，抗壓強(qiáng)度損失較大；風(fēng)化后泥質(zhì)粉砂巖抵抗變形的能力減弱，尤其是強(qiáng)風(fēng)化作用飽和狀態(tài)下抵御變形的能力下降較快。這是由于風(fēng)化作用改變了泥質(zhì)粉砂巖的原生結(jié)構(gòu)，使得泥質(zhì)物和黏土礦物含量增加，遇水后極易出現(xiàn)軟化和崩解，導(dǎo)致其強(qiáng)度和抵抗變形的能力降低。力學(xué)性質(zhì)的改變也會對泥質(zhì)粉砂巖崩解性產(chǎn)生很大的影響，從側(cè)面加速了泥質(zhì)粉砂巖的崩解。

表6 不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖力學(xué)性質(zhì)

4 崩解機(jī)制分析

已有研究發(fā)現(xiàn)軟巖的崩解性能主要與軟巖的結(jié)構(gòu)、礦物成分、膠結(jié)物類型等性質(zhì)有關(guān)[6-8]，通過對肯斯瓦特水利樞紐工程3種風(fēng)化作用下的泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行SEM掃描電鏡觀測，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化作用下的泥質(zhì)粉砂巖黏土礦物含量較多，弱風(fēng)化和微-新鮮巖石的礦物含量依次減少(見表7所示)。黏土礦物中伊利石占主要成分，其次為高嶺石和蒙脫石，隨著風(fēng)化程度的加劇其各自含量也在增長。因此泥質(zhì)粉砂巖受到風(fēng)化后會表現(xiàn)出不同程度的崩解特性。

表7 不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖礦物成分

由試驗結(jié)果可知，泥質(zhì)粉砂巖主要礦物成分為伊利石、蒙脫石、高嶺石等，膠結(jié)物為泥質(zhì)物，其主要成分也為黏土礦物，具有比表面積大且吸水性很強(qiáng)，加上孔隙式膠結(jié)的泥質(zhì)粉砂巖，為水進(jìn)入巖石內(nèi)部提供了通道。當(dāng)水分在巖石孔隙內(nèi)運(yùn)移時，引起泥質(zhì)粉砂巖的軟化、膨脹、崩解等。細(xì)小的巖石顆粒吸附的水膜增大，一定程度上也加速了巖石的崩解。

此外，泥質(zhì)粉砂巖中的粉砂屑容易失水，在干燥環(huán)境下失水引起收縮開裂，使巖石出現(xiàn)剝離崩解。風(fēng)化作用促使泥質(zhì)粉砂巖的泥質(zhì)物含量增加，力學(xué)特性出現(xiàn)顯著的降低，使其強(qiáng)度和抵抗變形的能力減弱，干燥環(huán)境時表面易出現(xiàn)裂紋，遇水時發(fā)生軟化，對泥質(zhì)粉砂巖的崩解特性起到一定的促進(jìn)作用。

因此，礦物成分的含量和膠結(jié)物質(zhì)類型等對泥質(zhì)粉砂巖的崩解特性產(chǎn)生很大影響，在崩解發(fā)生過程中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。風(fēng)化作用對泥質(zhì)粉砂巖的崩解性能起著外在誘導(dǎo)作用，是崩解發(fā)生的外部因素，不同風(fēng)化類型的泥質(zhì)粉砂巖表現(xiàn)出崩解特性的差異性。對于軟巖邊坡，應(yīng)采取保護(hù)措施，避免外部環(huán)境的侵蝕，有助于降低軟巖的崩解特性和保持原有的強(qiáng)度。

5 結(jié)論及建議

(1)通過崩解性試驗研究，發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)干濕淋水狀態(tài)下，不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)粉砂巖的耐崩解性逐步減弱。

(2)在干濕循環(huán)作用后，小于5 mm的顆粒物不同粒徑含量均呈上升趨勢，但是強(qiáng)風(fēng)化作用下崩解含量高于其他風(fēng)化程度較輕的泥質(zhì)粉砂巖。粒徑在2～5 mm和小于0.25 mm的顆粒含量呈現(xiàn)較快的增長，中間粒徑顆粒含量增長較慢。新鮮泥質(zhì)粉砂巖在整個崩解過程中各粒徑含量變化較小。

(3)風(fēng)化作用促進(jìn)了泥質(zhì)物和黏土礦物含量的增加，改變了原生結(jié)構(gòu)。風(fēng)化作用也使其飽和抗壓強(qiáng)度迅速降低，抵御變形能力減弱，從而加速崩解。因此不同風(fēng)化類型的泥質(zhì)粉砂巖表現(xiàn)出崩解性差異。

(4)影響軟巖崩解特性的環(huán)境因素很多，凍融條件、濕熱條件、水化條件等環(huán)境因素對軟巖的崩解特性具有不同的影響。本次試驗在微觀崩解機(jī)制研究上還存在一定的不足，故在今后的研究中將會對影響軟巖崩解性的各種環(huán)境條件和微觀機(jī)制進(jìn)行深入的研究和分析。