浸水時程對壩體泥質(zhì)軟巖工程特性的影響

張彩紅

摘?要：為了研究龍羊峽水庫大壩工程中泥質(zhì)軟巖的工程特性，對原狀軟巖試樣開展崩解試驗和力學(xué)測試。首先通過不同浸水時間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測研究泥巖崩解規(guī)律，然后對不同浸水時程的試樣進行三軸壓縮試驗，得到不同圍壓下軟巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。結(jié)果表明：在0～4 h的浸水時間范圍內(nèi)，泥質(zhì)軟巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的崩解現(xiàn)象，且崩解程度隨時間增長而加重;不同固結(jié)圍壓下軟巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變硬化型;通過對比不同浸水時程下軟巖的抗剪強度指標發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)軟巖的軟化程度隨浸水時間增長有明顯升高趨勢，軟化系數(shù)與浸水時間保持對數(shù)增長關(guān)系。

關(guān)鍵詞：泥質(zhì)軟巖;崩解試驗;三軸壓縮試驗;力學(xué)特性;浸水時程;龍羊峽水庫

中圖分類號：TV16;TU41?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.026

Study on the Influence of Immersion Time to the

Characteristics of Muddy Soft Rock Engineering Works

ZHANG Caihong

（School of Civil Engineering， Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract：In order to study the engineering characteristics of easily disintegrated mudstone in the diversion tunnel of Longyangxia Water Control Project， the disintegration states monitoring and triaxial compression tests under different confining pressures of typical mud-soft rock samples were carried out. The test results show that the structure of mud-soft rock appears obvious disintegration after 0-4 hours of immersion， which indicates that the water sensitivity of mud-soft rock is strong. The analysis of the triaxial tests of soft rock can be seen that the stress-strain curves of soft rock under different consolidation confining pressures are strain hardening curves. By comparing the strength index of the specimens during the immersion process， it can be seen that the softening degree of the mud-soft rock sample increases with the increase of immersion time.

Key words： mud-soft rock; disintegration test; triaxial compression test; mechanical property; immersion time; Longyangxia Water Control Project

1?引?言

龍羊峽水庫位于黃河上游青海省貴南縣與共和縣交界處的龍羊峽谷西端，是黃河上游的重要水利樞紐之一[1]。龍羊峽水庫區(qū)域邊坡和地基分布大量泥質(zhì)軟巖，泥質(zhì)軟巖特殊的化學(xué)礦物成分和微孔結(jié)構(gòu)，使其對水的敏感性較強，在長期水力作用下容易出現(xiàn)軟化和崩解現(xiàn)象，對工程的穩(wěn)定性造成嚴重影響[2-3]。水庫庫區(qū)的季節(jié)性降水與地下水流動，使得水庫壩體內(nèi)部的軟巖長期處于浸水和外部荷載共同作用的狀態(tài)。研究表明：浸水作用對軟巖工程性質(zhì)的劣化效應(yīng)影響顯著，巖體內(nèi)部的礦物成分與水發(fā)生作用，而引起的軟化、崩解效應(yīng)會直接導(dǎo)致其力學(xué)性能顯著下降，使得水庫壩體的穩(wěn)定性存在重大隱患[4]。因此，為減少龍羊峽庫區(qū)內(nèi)大壩巖體發(fā)生滑塌失穩(wěn)等工程災(zāi)害，系統(tǒng)深入地認識浸水狀態(tài)下泥質(zhì)軟巖的崩解與力學(xué)狀態(tài)變化特征具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，很多學(xué)者就泥質(zhì)軟巖的水敏性特征和浸水崩解規(guī)律進行了大量研究，并取得了豐碩成果。張宗堂等[5]基于Weibull分布的方法系統(tǒng)分析了紅砂巖在水作用下的崩解狀態(tài)，以及巖石顆粒結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顆粒崩解破碎程度隨巖樣浸泡時間延長而加重，且顆粒的分散程度也加重。曹雪山等[6]研究了泥巖在浸水崩解泥化過程中力學(xué)性能的衰減規(guī)律，認為干濕循環(huán)是誘發(fā)巖體崩解的重要因素，顆粒組成與狀態(tài)變化是強度衰減的內(nèi)在原因。鄭明新等[7]基于不同塊度的軟巖室內(nèi)崩解試驗，探討了干濕循環(huán)作用對軟巖崩解性指數(shù)和顆粒粒徑分布的影響規(guī)律，并從微結(jié)構(gòu)角度分析了巖體崩解的原因。Zhang等[8]通過室內(nèi)試驗對泥質(zhì)軟巖開展不同浸水條件下的崩解試驗，得出了軟巖崩解速率與浸水時間的相關(guān)性。蘇航等[9]針對紅層泥質(zhì)軟巖的崩解性開展浸水崩解試驗，記錄了崩解現(xiàn)象和時間的關(guān)系，對崩解殘留物進行篩分，計算崩解指數(shù)，并初步探討了泥巖的崩解機理。前人的研究主要集中于對巖體軟化、崩解規(guī)律進行總結(jié)，而就浸水時程對軟巖力學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)開展的研究比較少，尤其是對三軸應(yīng)力狀態(tài)下軟巖強度劣化規(guī)律的認識還需要深化[10]。

筆者對龍羊峽水利樞紐軟巖的結(jié)構(gòu)完整性和強度特性在不同浸水時程下的變化規(guī)律開展研究，對某崩解狀態(tài)進行分析，并對不同浸水時程的試樣開展三軸剪切試驗，分析泥質(zhì)軟巖結(jié)構(gòu)形態(tài)和強度指標受浸水狀態(tài)的影響規(guī)律，以期為庫區(qū)輸水渠道易崩解軟巖的邊坡防護設(shè)計提供參考。

2?試驗巖樣和方法

2.1?試驗巖樣

本試驗的泥質(zhì)軟巖取自龍羊峽水利樞紐的一處引水隧道的基層。經(jīng)過地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)該工程穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、礫粒土，新近系風(fēng)化軟巖和砂巖。試驗以龍羊峽水利樞紐引水隧道上部頂板的強風(fēng)化泥巖為研究對象，該巖樣呈黃褐色的塊狀構(gòu)造，經(jīng)長期沉積而形成，巖體內(nèi)部富含黏土礦物，屬于一種親水性軟巖。采用旋轉(zhuǎn)式鉆機進行鉆探取樣，封裝完成后運回實驗室。

對試樣進行XRD定量物相成分分析，試樣中長石占28.6%、高嶺土占24.6%、石英占24.4%、伊利石占13.2%、方解石占7.4%、赤鐵礦占1.8%。為了進一步研究泥質(zhì)軟巖內(nèi)部不同組分的分布位置、幾何形態(tài)和尺寸大小，對試樣開展鑄體薄片掃描試驗，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯河筛邘X土、伊利石組成的黏土礦物體積分數(shù)較高，石英顆粒尺寸較大，廣泛分布在黏土礦物中，方解石、長石和赤鐵礦在黏土礦物中的分布較為離散。同時，對泥質(zhì)軟巖開展了SEM微觀形貌觀測，發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)軟巖的孔、裂隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育。豐富的裂隙為軟巖的吸水軟化提供了入滲條件[11]。

2.2?試驗方法

2.2.1?崩解試驗

為了研究浸水時程對泥質(zhì)軟巖試樣結(jié)構(gòu)完整性的影響，設(shè)計了泥質(zhì)軟巖的崩解試驗。首先均勻選取若干塊天然巖樣，裝入敞口容器中，稱量巖塊總質(zhì)量（總質(zhì)量約為2 kg）;將裝有巖樣的容器放在電子秤上并置于烘箱中，設(shè)置環(huán)境溫度為105 ℃，相對濕度為15%，持續(xù)干燥直至觀察到試樣質(zhì)量變化小于0.02 g/h，認為此時巖石完全干燥;然后將容器拿出，置于溫度為25 ℃、相對濕度為70%的實驗室環(huán)境中，向容器內(nèi)注入蒸餾水，并觀察浸水過程中巖塊的形態(tài)變化。開始10 min內(nèi)每隔2 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄;10～60 min內(nèi)每隔10 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄;1～4 h內(nèi)每隔30 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄，直至4 h后巖體的形態(tài)發(fā)生完全崩解。

2.2.2?強度試驗

利用土工三軸壓縮試驗系統(tǒng)對泥質(zhì)軟巖的原狀樣開展力學(xué)測試，圍壓設(shè)置為50、100、150、200 kPa，剪切速率控制為0.020 mm/min。三軸壓縮試驗采用的泥質(zhì)軟巖試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體。為了分析浸水條件對泥質(zhì)軟巖強度的軟化規(guī)律，設(shè)計了經(jīng)過不同浸水歷時后泥質(zhì)軟巖試樣的三軸剪切試驗。采用抽氣飽和法進行浸水試驗，首先將泥質(zhì)軟巖三軸試樣靜置在飽和缸內(nèi)進行45 min真空抽氣，使試樣處于完全真空的環(huán)境中，然后向飽和缸中注入蒸餾水，使巖樣處于飽和狀態(tài)，并靜置不同時間。為了保證泥質(zhì)軟巖的巖體結(jié)構(gòu)不受破壞，采用濾紙包裹軟巖試樣，使水可以透過濾紙進入軟巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部，但不會造成試樣沖蝕破壞。

在進行三軸壓縮試驗前先裝樣，然后向三軸壓力腔內(nèi)注滿水，再對試樣進行圍壓加載，控制圍壓加載速率為50 kPa/min，待圍壓保持穩(wěn)定后進行軸向加壓，使試樣發(fā)生剪切。剪切過程中采用軸向應(yīng)變控制式加載方式，軸向變形的加載速率設(shè)置為0.02 mm/min，持續(xù)剪切至泥質(zhì)軟巖試樣的軸向應(yīng)變達16%左右。由計算機系統(tǒng)記錄加載過程中不同浸水時程泥質(zhì)軟巖三軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。

3?試驗結(jié)果分析

3.1?崩解試驗結(jié)果分析

龍羊峽水庫泥質(zhì)軟巖在天然狀態(tài)下的強度性能和結(jié)構(gòu)完整性較好，但在水的入滲作用下，會發(fā)生顯著的吸水膨脹現(xiàn)象，使得巖石發(fā)生崩解，且力學(xué)性能受到破壞。泥質(zhì)軟巖在不同浸水時間下的崩解狀態(tài)見圖2，可見泥質(zhì)軟巖在4 h內(nèi)浸水崩解狀態(tài)有明顯的累積變化特點。圖2（a）為未浸水保持完整結(jié)構(gòu)的泥質(zhì)軟巖試樣狀態(tài);如圖2（b）所示，浸水歷時為2 min時巖石吸水崩解，表面出現(xiàn)裂隙，并出現(xiàn)細顆粒剝落現(xiàn)象，但巖塊整體并未發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)破壞;圖2（c）和（d）表明在浸水10 min時間內(nèi)，泥質(zhì)軟巖的整體性逐漸被破壞，崩解現(xiàn)象明顯，泥質(zhì)軟巖的裂縫不斷擴大導(dǎo)致其逐漸分裂為小巖塊，大量細顆粒從巖塊上剝蝕;從圖2（d）和（f）可以看出，浸水歷時在10～60 min范圍時巖塊的崩解程度繼續(xù)提高，但是崩解速率明顯減小;由圖2（g）發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過2 h浸水后，泥質(zhì)軟巖中大量細顆粒剝蝕物從巖塊中流失，整體泥質(zhì)軟巖結(jié)構(gòu)被分解為松散的小塊體;圖2（h）表明，浸水4 h與浸水2 h的泥質(zhì)軟巖沒有較大區(qū)別，浸水2 h后試樣的崩解過程基本完成。試驗結(jié)果表明，該水庫庫區(qū)內(nèi)的泥質(zhì)軟巖浸水反應(yīng)強烈，崩解效果明顯，崩解速度較快。3.2?三軸應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線分析

從圖3（a）～（e）可以看出，泥質(zhì)軟巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線沒有明顯的應(yīng)力峰值，為應(yīng)變硬化型曲線，即隨著軸向應(yīng)變ε的增大，主應(yīng)力差（σ1-σ3）先線性增大，處于塑性變形階段后逐漸趨于穩(wěn)定[12]。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》（YS/T 5225—2015）的說明，對于應(yīng)變硬化型的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以將軸向應(yīng)變ε=15%作為抗剪強度對應(yīng)的應(yīng)變值。

3.3?軟巖的強度軟化現(xiàn)象分析

根據(jù)摩爾-庫侖強度破壞準則，由不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變莫爾圓和包絡(luò)線可以得到巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。包絡(luò)線的截距為黏聚力c，斜率為內(nèi)摩擦角φ的正切值。圖4所示（圖中σ為正應(yīng)力、τ為剪應(yīng)力）的是圖3（a）對應(yīng)的干燥狀態(tài)下軟巖試樣的莫爾圓和強度包絡(luò)線，經(jīng)過回歸分析計算得到其黏聚力為72.8 kPa、內(nèi)摩擦角為35.5°。同理，按照摩爾-庫侖強度破壞準則計算圖3（b）～（e）對應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果見表1。

將相同圍壓下黏聚力和內(nèi)摩擦角作為軟化系數(shù)的計算變量，獲得了泥質(zhì)軟巖的強度軟化系數(shù)，以此分析不同固結(jié)圍壓下泥質(zhì)軟巖的浸水軟化程度。泥質(zhì)軟巖的軟化系數(shù)計算式為

Dt=I0-ItI0×100%（1）

式中：It為抗剪強度指標（黏聚力c或內(nèi)摩擦角φ）;I0為未浸水的強度指標;Dt為不同浸水時間t下的軟化系數(shù)。

軟化系數(shù)Dt越大表示試樣浸水后軟化的程度越高。從圖5可以看出，隨著浸水時間的增長，軟巖試樣的軟化系數(shù)不斷增大，且增長速率隨時間增長逐漸減小，說明軟化程度隨浸水時間增長到一定程度后趨于穩(wěn)定。對浸水時間與軟化系數(shù)的實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸分析，發(fā)現(xiàn)軟化系數(shù)與浸水時間近似保持對數(shù)增長關(guān)系。另外，黏聚力的軟化系數(shù)增長幅度遠大于內(nèi)摩擦角軟化系數(shù)的漲幅，說明黏聚力對浸水時間的敏感性比內(nèi)摩擦角的高。

通過不同浸水時間下泥質(zhì)軟巖三軸壓縮試驗得到相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以明顯看出浸水時程對泥質(zhì)軟巖試樣的強度有顯著的劣化效應(yīng)。相對于未浸水的泥質(zhì)軟巖試樣，浸水后軟巖強度指標明顯減小，說明軟巖在水的入滲作用下力學(xué)性能出現(xiàn)了顯著的衰減。其原因主要是在浸水過程中，水分子不斷滲透進入軟巖內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)形成水膜[13]，水膜的潤滑作用使得泥質(zhì)軟巖內(nèi)部礦物顆粒的結(jié)構(gòu)強度被削弱，顆粒間的膠結(jié)物不斷融解于水中[14]。除此之外，巖石內(nèi)部的裂隙結(jié)構(gòu)在水力作用下逐漸擴展和連通，連通裂隙的形成促進了入滲通道的擴張，從而使得水入滲的微觀沖擊效應(yīng)不斷增強。微觀沖擊作用在巖石裂隙面上產(chǎn)生不均勻應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒間裂隙規(guī)模不斷擴大，進一步增強了入滲對軟巖試樣的結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)[15]。泥質(zhì)軟巖在浸水狀態(tài)下的微結(jié)構(gòu)損傷在宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)特性的軟化現(xiàn)象[16]。

研究結(jié)果表明，龍羊峽水利樞紐的泥質(zhì)軟巖存在明顯的遇水崩解軟化特性，浸水時程對于泥質(zhì)軟巖的崩解狀態(tài)和強度指標均有明顯影響。因此，在實際的大壩邊坡防護工程中，應(yīng)認識到降雨入滲和地下水水位升高對于巖體穩(wěn)定性的影響，采取相應(yīng)的防水工程措施是必不可少的[17]。

4?結(jié)?論

（1）根據(jù)對泥質(zhì)軟巖的浸水崩解狀態(tài)進行實時觀測，發(fā)現(xiàn)干燥的泥質(zhì)軟巖的崩解速率較大，泥質(zhì)軟巖在經(jīng)過1 h浸水后基本完全崩解為破碎顆粒。

（2）通過不同浸水時程下泥質(zhì)軟巖的三軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線均為硬化型;泥質(zhì)軟巖力學(xué)指標的軟化系數(shù)隨浸水時間的增長逐漸增大，增長速率隨浸水時間增長而減小，且軟巖的黏聚力對浸水時間的敏感性明顯強于內(nèi)摩擦角的。

（3）通過不同浸水時程的泥質(zhì)軟巖崩解試驗和力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，軟巖的崩解狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)受浸水時間的影響十分顯著，由試驗結(jié)果認為，軟巖崩解規(guī)律與強度軟化的機理主要包括膠結(jié)物溶解和裂隙發(fā)展。

參考文獻：

[1]?李小林，馬建青，胡貴壽.黃河龍羊峽-劉家峽河段特大型滑坡成因分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2007，18（1）：28-32.

[2]?蒲濟林，周建基.黑方臺古風(fēng)化紅層砂泥巖物理性質(zhì)試驗研究[J].人民黃河，2016，38（5）：100-103，120.

[3]?譚玉芳，李麗慧，楊志法，等.紅層砂巖與礫巖差異風(fēng)化的濕度應(yīng)力效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2019，38（增刊2）：3481-3492.

[4]?申培武，唐輝明，汪丁建，等.巴東組紫紅色泥巖干濕循環(huán)崩解特征試驗研究[J].巖土力學(xué)，2017，38（7）：1990-1998.

[5]?張宗堂，高文華，張志敏，等.基于Weibull分布的紅砂巖顆粒崩解破碎演化規(guī)律[J].巖土力學(xué)，2020，41（3）：1-10.

[6]?曹雪山，額力素，賴喜陽，等.崩解泥化過程中泥巖強度衰減因素研究[J].巖土工程學(xué)報，2019，41（10）：1936-1942.

[7]?鄭明新，張晗秋，舒明峰，等.不同塊度煤系軟巖崩解性室內(nèi)試驗研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2018，14（6）：1484-1489.

[8]?ZHANG Z H， LIU W， CUI Q， et al. Disintegration Characteristics of Moderately Weathered Mudstone in Drawdown Area of Three Gorges Reservoir， China[J]. Arabian Journal of Geosciences，2018，11（15）：1-10.

[9]?蘇航，王云川，王浪.紅層泥巖崩解性試驗研究[J].人民珠江，2018，39（11）：39-42.

[10]?王亞坤，張文慧，陳濤，等.干濕循環(huán)效應(yīng)對風(fēng)化泥巖性質(zhì)影響的試驗研究[J].公路工程，2013，38（2）：94-98.

[11]?QIU Z F， WANG J J， HUANG S Y， et al. Wetting-Induced Axial and Volumetric Strains of a Sandstone Mudstone Particle Mixture[J]. Marine Georesources & Geotechnology，2019，37（1）：36-44.

[12]?潘藝，劉鎮(zhèn)，周翠英.紅層泥巖遇水崩解特性試驗及其界面模型[J].巖土力學(xué)，2017，38（11）：3231-3239.

[13]?王來貴，張鵬，楊建林，等.軟巖改性及其微觀機理研究[J].硅酸鹽通報，2015，34（1）：99-105.

[14]?蔣景東，陳生水，徐婕，等.不同含水狀態(tài)下泥巖的力學(xué)性質(zhì)及能量特征[J].煤炭學(xué)報，2018，43（8）：2217-2224.

[15]?劉鶴，姚華彥，崔強，等.不同pH值溶液下巖石崩解特性試驗研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，41（9）：1218-1223，1273.

[16]?韓培鋒，樊曉一，田述軍，等.堆石料崩解分形特征及其對堆石壩滲流影響[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，46（5）：570-574，590.

[17]?羅保才，孫剛，王世鋒.盤石頭水庫右岸山體滲漏問題分析與處理[J].人民黃河，2019，41（3）：127-130.

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