西寧盆地新近系膨脹泥巖膨脹特性研究

黃如玉， 孫靖杰， 李 先

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川成都 611756)

膨脹泥巖是指含有大量親水礦物，且與水發(fā)生接觸時(shí)會(huì)引起體積變化的一類巖石。大多數(shù)浸水容易崩解且易于膨脹，產(chǎn)生裂紋，強(qiáng)度很低，容易引發(fā)工程事故，給人民帶來(lái)?yè)p失和不便。我國(guó)正處于高速發(fā)展鐵路行業(yè)的時(shí)期，對(duì)高鐵路基設(shè)計(jì)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)和要求，重中之重就是要確保鐵路泥巖路基的膨脹變形量，基于此，勢(shì)必需要投入大量的研究以保證對(duì)其膨脹性能的掌握。

從Holz、Gibbs[1]最早開始研究膨脹土的脹縮效應(yīng)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外開展較多的一方面是泥巖遇水作用的研究工作。水-巖作用研究[2-4]主要是研究泥巖基于吸水試驗(yàn)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變化的研究，水溶液離子濃度及成分的改變對(duì)泥質(zhì)巖膨脹性能的影響，泥質(zhì)巖遇水之后引起巖石的抗壓抗剪強(qiáng)度以及摩擦角變化的一系列過(guò)程。另一方面對(duì)泥巖膨脹性能影響因素做了大量研究[5-11]。但是綜合四個(gè)要素對(duì)膨脹泥巖膨脹性能影響評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少。本文主要是以西寧盆地膨脹泥巖為研究對(duì)象，綜合四個(gè)因素，指定一個(gè)要素，控制其他要素，系統(tǒng)地分析黏土礦物含量、初始干密度、初始含水率、碎屑礦物粒徑四個(gè)內(nèi)在影響因素指標(biāo)綜合影響下對(duì)膨脹泥巖的膨脹特性影響關(guān)系，并且結(jié)合重塑試樣試驗(yàn)研究，得出膨脹泥巖膨脹性與影響因素的成因規(guī)律。

本文對(duì)膨脹泥巖的原狀巖樣進(jìn)行細(xì)致的描述，開展室內(nèi)試驗(yàn)研究，利用皮爾森指數(shù)客觀解釋膨脹泥巖膨脹性能影響因素的關(guān)系。進(jìn)一步結(jié)合重塑樣試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，得到影響膨脹泥巖膨脹性能的主要影響因素。

1 泥巖的基本調(diào)查情況

對(duì)研究區(qū)內(nèi)的5組巖樣主要物理參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，原狀巖樣的基本情況見表1所示，據(jù)分析結(jié)果可知：(1)新近系膨脹泥巖初始含水率主要在2 %～8 %之間，依次為：N-3>N-4>N-5>N-1>N-2；(2)巖石初始干密度偏小，多居于1.8～2.1 g/cm3，黏土礦物含量成分占比偏高，都在40 %以上。

由XRD分析結(jié)果可以看出泥巖礦物成分基本相同，以伊利石為主，含少量的綠泥石和高嶺石，含量卻差別較大，部分巖石的黏土礦物含量占比超過(guò)了60 %(表2)。碎屑礦物以石英為主。

表1 原狀巖樣的基本情況

從掃描電鏡圖片可以看出，黏土礦物多是顆粒狀或者片狀的形態(tài)。研究區(qū)泥巖以平片狀的基本單元體疊聚而成。根據(jù)XRD分析的結(jié)果可知，這些平片狀物質(zhì)可能為伊利石礦物，形成了大量的自相集聚的以伊利石-蒙脫石為主的黏土基質(zhì)，從而會(huì)使得巖石表現(xiàn)出較強(qiáng)的膨脹潛勢(shì)[13]。

5個(gè)原狀巖樣的顆分曲線也不盡相同(圖1)。據(jù)圖可知，分為三類，N-1、N-3分選較好，碎屑礦物粒徑較細(xì)。N-2、N-5分選較差，碎屑礦物粒徑較粗。N-4介于二者之間。

對(duì)泥巖的基本物理性質(zhì)摸底后，進(jìn)行膨脹特性試驗(yàn)，泥巖膨脹率試驗(yàn)結(jié)果及分析見表3所示。

結(jié)果表明：結(jié)合野外調(diào)查，西寧盆地新近系膨脹泥巖普遍具有膨脹性，膨脹率的范圍在1.026 %～12.539 %，依次為N-1>N-3>N-2>N-5>N-4，可以看出N-1和N-4的膨脹率相差很大。

表2 新近系膨脹泥巖XRD礦物成分[12]

圖1 原狀巖樣顆粒級(jí)配曲線

巖樣N-1N-2N-3N-4N-5膨脹率/%12.5394.4275.4651.0263.468

結(jié)合SPSS軟件，對(duì)研究區(qū)膨脹泥巖影響參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果見表4所示。結(jié)果表明膨脹泥巖的膨脹率與黏土礦物含量，初始干密度呈正的顯著性相關(guān)性(R=0.870，0.792)，與碎屑礦物粒徑呈負(fù)的顯著性相關(guān)性(R=-0.738)。

表4 研究區(qū)膨脹泥巖影響成分Pearson相關(guān)系數(shù)

2 重塑樣試驗(yàn)分析

對(duì)于原狀巖樣總結(jié)出的單一指標(biāo)對(duì)膨脹特性的影響的相關(guān)性，這其實(shí)是不準(zhǔn)確的，每一個(gè)原狀巖樣都很難去遵循控制變量法，為了驗(yàn)證膨脹特性是否與這四個(gè)要素緊密相關(guān)，需要設(shè)置重塑樣平行試驗(yàn)。

因?yàn)橥恋某跏几擅芏仍?.5～1.8 g/cm3之間，所以試樣初始干密度范圍應(yīng)為1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3；原狀巖樣的初始含水率在2 %～8 %之間，在重塑試樣參數(shù)選擇上，為了使分析結(jié)果更具有區(qū)分度，初始含水率為8 %～20 %；碎屑礦物粒徑有0.5～5 mm；黏土礦物含量為20 %～65 %的重塑試樣，共計(jì)192個(gè)試樣。制樣是在蒸餾水飽和環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)的初始含水率的控制主要是通過(guò)噴壺均勻的撒在土樣上，調(diào)勻，接著密封24 h。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合，以初始干密度在其他三種因素作用下對(duì)膨脹率的影響分析(圖2)為例，進(jìn)行重點(diǎn)解析。

圖2 初始干密度在其他三種因素作用下對(duì)膨脹率的影響分析

對(duì)初始干密度在其他三種因素作用下對(duì)膨脹率的影響進(jìn)行分析，得出y=ax+b的擬合公式，擬合參數(shù)a0.6>a1>a2.5>a4>0，a12%>a8%>a16%>a20%>0，a50%>a65%>a35%>a20%，a均大于0，說(shuō)明為一增函數(shù)，初始干密度的增大對(duì)膨脹率始終是促進(jìn)作用。即無(wú)論在何種條件下，初始干密度的增大會(huì)使膨脹率變大。

對(duì)黏土礦物含量在其他三種因素作用下對(duì)膨脹率的影響進(jìn)行分析，得出y=ax+b的擬合公式，擬合參數(shù)a值均是大于0，說(shuō)明為一增函數(shù)，即無(wú)論在何種條件下，黏土礦物含量的增加對(duì)膨脹率都起到促進(jìn)作用。并且初始干密度增大會(huì)使得a值增大，碎屑礦物粒徑減小也會(huì)使得a值增大，初始含水率在12 %時(shí)，曲線坡度最陡。說(shuō)明了初始干密度增大，碎屑礦物減小，會(huì)加劇膨脹率隨黏土礦物含量增大的趨勢(shì)，初始含水率在12 %時(shí)，加劇的趨勢(shì)最為明顯[12]。

對(duì)初始含水率在其他三種因素作用下對(duì)膨脹率的影響進(jìn)行分析，得出初始含水率均在12 %時(shí)取得最大膨脹率，說(shuō)明初始含水率的增大對(duì)膨脹率并不是單純的促進(jìn)或者抑制的作用。從折線上來(lái)看，本身并沒(méi)有存在很好的相關(guān)性，因此沒(méi)有對(duì)其圖像進(jìn)行擬合。越過(guò)12 %這個(gè)點(diǎn)之后，很明顯的規(guī)律是初始含水率的增大對(duì)膨脹率起到抑制的作用。初始含水率為12 %是個(gè)極其重要拐點(diǎn)，初始含水率在拐點(diǎn)前起到促進(jìn)作用，在這之后則是抑制作用。

對(duì)碎屑礦物粒徑在其他三種因素作用下對(duì)膨脹率的影響進(jìn)行分析，得出y=ax+b的擬合公式，a值均小于0，為一減函數(shù)，說(shuō)明無(wú)論何種情形下，碎屑礦物粒徑的增大對(duì)膨脹率起到的均是抑制作用。當(dāng)黏土礦物含量為50 %時(shí)，對(duì)膨脹率隨碎屑粒徑下降的趨勢(shì)減弱最明顯。

3 討論與分析

結(jié)果討論：初始含水率對(duì)膨脹特性的影響存在一個(gè)臨界值，在臨界值之前，黏土礦物在低初始含水率的情況下黏土礦物膨脹勢(shì)能釋放的少，膨脹潛勢(shì)較大。而隨著初始含水率的增大到臨界值，黏土礦物和碎屑礦物的膨脹勢(shì)能逐漸被平衡。越過(guò)這個(gè)臨界值后，初始含水率對(duì)膨脹率的影響恢復(fù)正常，隨著初始含水率的增大，黏土礦物勢(shì)能釋放的越多，膨脹率越小，起到抑制作用。而本研究初始含水率為12 %時(shí)，剛好達(dá)到了黏土礦物勢(shì)能和碎屑礦物勢(shì)能的平衡點(diǎn)。

初始干密度的增大始終對(duì)膨脹率起到促進(jìn)作用，相同體積下，干密度越大，意味著黏土礦物越多，對(duì)膨脹率起到促進(jìn)作用，因此初始干密度對(duì)膨脹率的促進(jìn)作用，本質(zhì)上還是黏土礦物含量起到的作用。

碎屑礦物粒徑的增大始終對(duì)膨脹率有抑制作用，碎屑礦物的粒徑越小，膨脹率越大，雖然碎屑礦物粒徑不會(huì)改變黏土礦物的膨脹勢(shì)能，但是碎屑礦物越小，黏土礦物與碎屑礦物相互依存，起到膠結(jié)作用越良好，接觸更加緊密并且均勻。而碎屑礦物粒徑越大，黏土礦物跟碎屑礦物接觸不好，當(dāng)侵入水分時(shí)，黏土礦物隨水流帶走，碎屑礦物失去膠結(jié)、塌軟，向底部沉積，喪失骨架，從而導(dǎo)致膨脹率的增長(zhǎng)趨勢(shì)沒(méi)有碎屑礦物粒徑小的試樣的膨脹率大。

4 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膨脹泥巖的膨脹率與黏土礦物含量、初始干密度的關(guān)系呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與顆粒粒徑呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且是良好的線性相關(guān)。

(2)影響西寧盆地膨脹泥巖膨脹率的根本因素是黏土礦物含量，黏土礦物含量的增大始終對(duì)膨脹泥巖膨脹率起到促進(jìn)作用，原因在于黏土礦物含量越高，泥巖具有的膨脹勢(shì)能越大。初始干密度的增大始終對(duì)膨脹泥巖膨脹率起到促進(jìn)作用，影響機(jī)制本質(zhì)上和黏土礦物含量影響機(jī)制相同。

(3)初始含水率及碎屑礦物粒徑對(duì)膨脹泥巖膨脹率影響機(jī)制不同，初始含水率的增大會(huì)釋放掉部分黏土礦物的膨脹勢(shì)能從而影響膨脹率的變化趨勢(shì)，而碎屑粒徑的增大是從結(jié)構(gòu)上影響?zhàn)ね恋V物膨脹勢(shì)能，進(jìn)而影響膨脹率的變化趨勢(shì)。

(4)本文還未對(duì)溫度壓強(qiáng)作用對(duì)黏土礦物膨脹勢(shì)能的影響進(jìn)行分析，接下來(lái)還應(yīng)做進(jìn)一步研究。