泥質(zhì)巖崩解性狀的模型試驗研究

朱士東，曹雪山，劉 揚

(1. 蘇交科集團股份有限公司，南京 210019；2. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098)

泥質(zhì)巖是含有黏土礦物成分的沉積巖[1]，包括泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖。干濕循環(huán)條件對泥質(zhì)巖的性質(zhì)影響很大，會加速泥質(zhì)巖吸水崩解、泥化的過程，不僅加強了沖刷，還導(dǎo)致巖體強度降低，可能引發(fā)工程建設(shè)中的工程安全問題[2]。因此，明確泥質(zhì)巖在干濕循環(huán)條件下的崩解特性、量化其崩解速率是非常必要的。

泥質(zhì)巖崩解的多數(shù)研究成果是以耐崩解性試驗方法為基礎(chǔ)的。耐崩解性試驗方法由Franlin 和Chandra[3]于1972年提出，后經(jīng)國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)推廣，目前在國際上被廣泛應(yīng)用[4]。耐崩解性試驗的成果是可以得到二次干濕循環(huán)條件下的耐崩解性指數(shù)，然而，泥質(zhì)巖對環(huán)境水分變化的敏感性與巖石的滲透率、礦物成分與組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、微裂隙存在等狀態(tài)相關(guān)，僅用一個參數(shù)表征弱巖體中非常復(fù)雜的崩解是不全面的[5]。同時，現(xiàn)有的研究成果多集中于干濕循環(huán)條件對巖塊崩解的影響，或是現(xiàn)場的雨量與溫度對巖坡面沖刷的影響，而未見現(xiàn)場泥質(zhì)巖在干濕循環(huán)過程中的崩解性狀研究。泥質(zhì)巖的現(xiàn)場崩解行為有別于常規(guī)室內(nèi)試驗，原因不僅在于氣候條件的影響，還在于現(xiàn)場泥質(zhì)巖的巖性狀態(tài)；巖性不同，泥質(zhì)巖的崩解方式及崩解時間均會有很大的差異。除此之外，泥質(zhì)巖現(xiàn)場崩解行為的影響因素還包括現(xiàn)場沉積巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、裂隙發(fā)育、沖刷和剝蝕等?；诖?，本文以某工程試驗為依托，利用強崩解性泥質(zhì)巖對氣候變化敏感的特點，進行了邊坡泥質(zhì)巖崩解的模型試驗研究，獲得4次澆水- 風(fēng)干模型試驗的數(shù)據(jù)，定性分析崩解現(xiàn)象；定量分析巖面豎向變化、裂隙變化；并從多個方面闡述了泥質(zhì)巖現(xiàn)場演化規(guī)律，為泥質(zhì)巖邊坡的治理方法研究提供了必要的參數(shù)。

1 試驗方法

1.1 試樣巖性

安徽某工程地質(zhì)勘察中揭露出白堊系(K)泥質(zhì)砂巖、泥巖互層存在有一定膨脹性的泥質(zhì)基巖，泥質(zhì)巖的礦物成分與含量如表1所示，巖樣基本參數(shù)如表2所示，泥質(zhì)巖的顆粒組成如表3所示。

表1 泥質(zhì)巖的礦物成分與含量 (%)

表2 巖樣基本參數(shù)

表3 泥質(zhì)巖的顆粒組成

由表2可知，Id2[巖石(二次循環(huán))耐崩解性指數(shù)]均小于3%，根據(jù)1972年由Franlin 和Chandra提出的巖石分類標(biāo)準(zhǔn)[3]，場地內(nèi)泥質(zhì)巖的耐崩解性很低。

1.2 室內(nèi)模型制作

在邊坡開挖現(xiàn)場取方塊樣，在室內(nèi)制作大型模型試驗箱，通過澆水-風(fēng)干循環(huán)作用模擬現(xiàn)場降雨-水分蒸發(fā)引起的干濕循環(huán)，分析干濕循環(huán)作用對邊坡崩解性的影響以及裂隙發(fā)展規(guī)律。

現(xiàn)場選取完整性好的方樣，尺寸為400 mm×400 mm×400 mm。崩解模型的四周與底板均采用鋼板焊接，底面尺寸為300 mm×300 mm，有透水孔，便于排出巖石裂隙水分，模型坡度為1∶3。對崩解模型進行修樣并裝箱，在模型坡上方1/4位置處裝上百分表；加熱燈用于溫度控制，確保干燥條件穩(wěn)定。室內(nèi)崩解模型試驗裝置如圖1所示。

1.3 室內(nèi)模型試驗方法

1.3.1 試驗過程

試驗進行4次澆水-風(fēng)干循環(huán)，其中濕化采用坡面澆水方式，流量20 cm3/s，持時5 min沖刷坡面；風(fēng)干溫度30 ℃，風(fēng)干第1、2、4次(簡稱風(fēng)干1、2、4，下同)持時9 d，風(fēng)干第3次(簡稱風(fēng)干3，下同)持時18 d。試驗過程中用百分表測試試樣變形情況；拍照記錄裂隙發(fā)育情況，并計算裂隙度；采用GTJ-FKY裂縫觀測儀(分辨率0.02 mm)在模型框做好標(biāo)記，定點測量裂縫寬度。試驗共耗時45 d。

1.3.2 對比試驗與平行測試

選取泥質(zhì)砂巖模型試樣與泥巖模型試樣各一個，每個試樣設(shè)置兩個平行觀測點，分別為泥質(zhì)砂巖S1、泥質(zhì)砂巖S2、泥巖N1、泥巖N2，目的是觀察巖性與測試位置不同對泥質(zhì)巖崩解性的影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 崩解現(xiàn)象分析

泥質(zhì)砂巖的崩解過程如圖2所示，干濕循環(huán)作用下泥巖的崩解過程如圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，在4次澆水-風(fēng)干作用過程中，泥質(zhì)砂巖表面平整，裂縫不明顯。泥巖在風(fēng)干1過程中即出現(xiàn)明顯裂縫，表面出現(xiàn)高低不平的溝槽，風(fēng)干后凹溝裂縫更密集；第2次澆水后溝槽加深，風(fēng)干2后裂縫數(shù)量增多，裂縫密度加大；第3次澆水后溝壁崩解被沖蝕，形成平臺，風(fēng)干3后平臺處裂隙不發(fā)育；風(fēng)干4后裂縫再增多。

根據(jù)4次澆水-風(fēng)干作用過程中的崩解現(xiàn)象可知，泥質(zhì)巖的崩解特性有：①巖面豎向變化特征是泥質(zhì)砂巖面平整，泥巖巖面凹凸不平；②巖面裂隙發(fā)育特征是泥質(zhì)砂巖的收縮裂隙不明顯，而泥巖收縮裂隙顯著。

2.2 巖面豎向變化分析

2.2.1 泥質(zhì)砂巖的崩解演化規(guī)律

泥質(zhì)砂巖崩解、膨脹、收縮全過程曲線如圖4所示。

由圖4可知，每次澆水后，泥質(zhì)砂巖就會發(fā)生崩解，顆粒被沖刷、掉落，進而導(dǎo)致巖面降低；但各次各點的崩解情況均不同，這表明泥質(zhì)巖被澆水時具有顯著的崩解性，同時各次澆水過程存在崩解差異性。

泥質(zhì)砂巖在各次風(fēng)干過程中的巖面膨脹與收縮位移如圖5所示。從圖5可以看出澆水過程結(jié)束后泥質(zhì)砂巖在風(fēng)干過程中所表現(xiàn)出的性狀。澆水初期，巖面均有少量抬升，說明泥質(zhì)砂巖吸水后仍有一個膨脹的過程；巖面逐漸下降，說明風(fēng)干進程中水分蒸發(fā)，泥質(zhì)砂巖收縮，導(dǎo)致巖面略有降低，并逐漸穩(wěn)定。

綜上可知，在每次澆水-風(fēng)干的作用下，泥質(zhì)砂巖的崩解演化規(guī)律有3個發(fā)展過程：澆水時崩解、沖刷；吸水后膨脹、疏松；風(fēng)干時失水收縮。其中，澆水時崩解、沖刷表現(xiàn)突出。由圖5可知，泥質(zhì)砂巖的結(jié)構(gòu)差異致使?jié)菜螖?shù)及測試點位置不同時的顆粒崩解量均不同。在4次澆水-風(fēng)干過程中，測點1前3 d巖面變化量呈增長趨勢，測點2前3 d巖面變化量變化不大，但總體巖面累計變化量呈增長趨勢；從收縮變化來看，第1次風(fēng)干過程中收縮量小，巖面最大降低值為0.17 mm，但第2次風(fēng)干過程中收縮量較大，巖面最大降低值達1.01 mm，第3次和第4次風(fēng)干過程中巖面最大降低值為0.6～0.7 mm。由此可得，第1次和第2次風(fēng)干過程中巖面降低值的平均值接近第3次和第4次風(fēng)干過程的值，可見巖面降低值在每次風(fēng)干過程變化量也是有差異的。

2.2.2 泥巖的崩解演化規(guī)律

泥巖崩解、膨脹、收縮全過程曲線如圖6所示。

由圖6可知，在澆水1后，泥巖膨脹劇烈，崩解、沖刷不明顯，巖面抬高，微觀機理研究表明泥巖中存在明顯的膨脹裂隙[5]；之后的風(fēng)干過程中膨脹不顯著，而崩解、沖刷仍顯著，巖面降低與測點間的差異，反映了崩解的不均勻性。

泥巖在各次風(fēng)干過程中的巖面膨脹與收縮位移如圖7所示。

由圖7可知，第1次風(fēng)干過程初期巖面抬升顯著，因此風(fēng)干過程中收縮量不大，仍表現(xiàn)為膨脹狀態(tài)；其他幾次風(fēng)干以風(fēng)干初始巖面為參考，泥巖吸水后有微弱的膨脹過程，繼而在風(fēng)干進程中水分蒸發(fā)，泥巖收縮、開裂，導(dǎo)致巖面略有降低并逐漸穩(wěn)定。

在每次澆水-風(fēng)干作用下，泥巖崩解演化規(guī)律也同樣表現(xiàn)為3個發(fā)展過程：澆水時崩解、沖刷；吸水后膨脹、開裂、疏松；風(fēng)干失水時收縮、開裂。在第1次澆水-風(fēng)干過程中膨脹特性表現(xiàn)更為顯著，其他各次的澆水-風(fēng)干過程巖面仍是崩解、沖刷表現(xiàn)突出，收縮過程開裂顯著。

泥巖在性狀差異方面與泥質(zhì)砂巖相近，特點是當(dāng)澆水次數(shù)及測試點位置不同，沖刷顆粒脫落量也不同。在4次澆水-風(fēng)干過程中，測點1的測試結(jié)果顯示巖面變化量不變、增大、減小的情況均存在；測點2測試結(jié)果顯示前4 d均巖面變化量呈增長趨勢，總體巖面累計變化量呈遞增趨勢。

2.2.3 巖性與崩解特性關(guān)系

根據(jù)泥巖和泥質(zhì)砂巖的崩解演化規(guī)律可知，在自然氣候條件下，泥質(zhì)巖崩解演化規(guī)律有3個發(fā)展過程：遇水時崩解、沖刷；吸水后膨脹、疏松；風(fēng)干失水時收縮、開裂?？傮w而言，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，巖面不斷降低，巖面累計變化量呈增長趨勢；而各個過程的變化程度與巖性關(guān)系密切。

泥質(zhì)砂巖的組成以粉細砂顆粒為主，粉粒泥質(zhì)礦物次之，黏粒、膠粉很少；粉細砂泥質(zhì)膠結(jié)黏結(jié)力小，于是在澆水1后即出現(xiàn)崩解、沖刷現(xiàn)象，此后每次澆水時均發(fā)生崩解、沖刷，這與耐崩解性指數(shù)小的特性相呼應(yīng)；泥質(zhì)砂巖的蒙脫石含量為10.85%，自由膨脹率為12%，因此試驗過程中膨脹不明顯，無明顯裂隙產(chǎn)生，收縮也不大。經(jīng)過4次澆水-風(fēng)干作用后，泥質(zhì)砂巖崩解、沖刷深度達14.70 mm，測試值相差6%。

泥巖的成分以蒙脫石和白云母組成的黏土礦物為主，顆粒仍以粉晶(大小約0.005～0.075 mm)形式存在，黏粒、膠粉含量很少，泥質(zhì)膠結(jié)，黏結(jié)力大；蒙脫石含量為20.81%，自由膨脹率為50%，具有弱膨脹潛勢，在第1次澆水時膨脹顯著，風(fēng)干時裂隙發(fā)育；在崩解、沖刷方面，第1次澆水時無明顯的沖刷現(xiàn)象，但在隨后的澆水過程中崩解現(xiàn)象顯著；累計沖刷量與泥質(zhì)砂巖相近；不考慮第1次澆水的性狀，泥巖的膨脹性狀與泥質(zhì)砂巖相近。經(jīng)歷4次澆水-風(fēng)干作用后，泥巖崩解、沖刷深度達15.29 mm，測試值相差15.4%。

試驗結(jié)果顯示，泥巖的收縮量明顯大于泥質(zhì)砂巖，因此現(xiàn)場施工期內(nèi)泥質(zhì)巖崩解、沖刷不是主要問題；但從長遠角度看，泥質(zhì)砂巖崩解集中于表層，需采取封閉措施；泥巖崩解發(fā)生在巖坡面表面及裂隙內(nèi)部，應(yīng)采取裂隙補強的措施。

2.3 裂隙演化規(guī)律

2.3.1 裂隙寬度演化規(guī)律

風(fēng)干4過程中泥質(zhì)巖裂隙寬度與時間的關(guān)系如圖8所示。

泥質(zhì)砂巖裂隙寬度約為0.2 mm；泥巖裂隙寬度約為0.9 mm。澆水過程中，裂隙因礦物膨脹而封閉，風(fēng)干作用開始后，含水率下降，黏土礦物開始收縮，裂隙逐漸顯現(xiàn)。裂隙寬度發(fā)展分為兩個階段，即快速增長期和緩慢穩(wěn)定期，裂隙寬度演化規(guī)律如表4所示?？焖僭鲩L期裂隙寬度增長很快、時間短。例如，泥質(zhì)砂巖的穩(wěn)定時間約為10 h，寬度完成70%，泥巖穩(wěn)定時間為24 h，寬度完成80%；緩慢穩(wěn)定期持續(xù)時間長。

表4 裂隙寬度演化規(guī)律 (mm)

2.3.2 裂隙度演化規(guī)律

從試驗開始至試驗結(jié)束的45 d內(nèi)，泥巖與泥質(zhì)砂巖的裂隙度變化全過程如圖9所示。

由圖9可知，與4次澆水-風(fēng)干過程相對應(yīng)，裂隙度增大的過程也有4次，每次澆水時裂隙度減至極小值，但在風(fēng)干過程中逐漸增大。澆水3后的風(fēng)干時間加長了1倍，風(fēng)干4過程中裂隙度增加速度也相應(yīng)加快，裂隙度也相應(yīng)增大較多。此外，裂隙在泥質(zhì)砂巖、泥巖中表現(xiàn)的特征有很大區(qū)別：泥質(zhì)砂巖裂隙不明顯，裂隙度?。荒鄮r裂隙顯著，裂隙度大。

各次風(fēng)干過程中的泥質(zhì)砂巖裂隙度發(fā)育過程如圖10所示。由圖10可知，泥質(zhì)砂巖的裂隙度小，與風(fēng)干時間呈線性關(guān)系。如圖10(a)所示，泥質(zhì)砂巖在前3次風(fēng)干過程中裂隙沒有顯著變化，裂隙度與澆水-風(fēng)干次數(shù)關(guān)系幾乎呈水平直線，說明在8 d內(nèi)泥質(zhì)砂巖裂隙度均值<1.35%時，裂隙度與澆水-風(fēng)干次數(shù)無關(guān)；但圖10(b)中，泥質(zhì)砂巖第3次風(fēng)干時間加長1倍，裂隙度在9～18 d內(nèi)從1.35%增大到2.71%，增長了1.36%，約1倍；于是風(fēng)干4過程中裂隙度加倍增大。這說明風(fēng)干時間延長對裂隙度的增長影響很大，可大大提高干濕循環(huán)效果。

各次風(fēng)干過程中的泥巖裂隙度發(fā)展過程如圖11所示。

由圖11可知，泥巖裂隙度發(fā)展特征與泥質(zhì)砂巖相比，有差異也有共同點。差異是泥巖裂隙度的發(fā)展呈非線性，分初期(3 d)快速增大階段和后期(5 d)緩慢增大階段；共同點是如圖11(a)中泥巖在前3次澆水-風(fēng)干過程中裂隙仍基本相近，體現(xiàn)了裂隙度與澆水-風(fēng)干次數(shù)無關(guān)；圖11(b)中，泥巖第3次風(fēng)干時間加長1倍，裂隙度在9～18 d內(nèi)繼續(xù)增大，裂隙度也從6.21%增大至7.49%，增長了1.28%；同樣造成了風(fēng)干4過程中3 d內(nèi)裂隙度為8.98%，隨后緩慢增加。這說明雖然泥巖的裂隙率及增大規(guī)律不同于泥質(zhì)砂巖，但對干濕循環(huán)效應(yīng)的反應(yīng)是一致的。

3 結(jié)論

(1) 泥質(zhì)砂巖表面平整，收縮裂隙不明顯；泥巖巖面凹凸不平，收縮裂隙顯著。

(2) 在自然氣候條件下，泥質(zhì)巖崩解演化規(guī)律存在3個發(fā)展過程：遇水時崩解、沖刷；吸水后膨脹、開裂、疏松；風(fēng)干失水時收縮、開裂；總體上隨著干濕循環(huán)次數(shù)，巖面不斷降低，呈增長趨勢。

(3) 風(fēng)干過程中泥質(zhì)巖裂隙度與風(fēng)干時間的變化規(guī)律與巖性相關(guān)。泥質(zhì)砂巖的裂隙度與風(fēng)干時間呈線性相關(guān)，泥巖的裂隙度與風(fēng)干時間呈非線性相關(guān)，分初期快速增大階段和后期緩慢增大階段。

(4) 風(fēng)干時間長短與裂隙度受干濕循環(huán)影響的程度關(guān)聯(lián)較大。短時間內(nèi)，裂隙度能保持相同的波動狀態(tài)，但干燥時間超過臨界值后，后期裂隙度會有較大增加，進而加劇干濕循環(huán)對裂隙的影響效果。

(5) 現(xiàn)場施工期內(nèi)泥質(zhì)巖崩解、沖刷不是主要問題，將表面封閉即可；而泥巖崩解發(fā)生在巖坡面表面及裂隙內(nèi)部，為降低其負(fù)面影響應(yīng)采取裂隙的補強措施。