破碎軟巖的水理特性研究

徐 航,陳 剛,石 婷

（1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150020；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院采礦工程實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150020；3.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150020）

引言

由于砂巖工程性質(zhì)較差,被視為具有膨脹性、流變性和崩解性的松散軟弱巖層[1]其在天然狀態(tài)下較為完整、堅(jiān)硬,它具有良好的力學(xué)性能,但在破碎后遇水后,在短時(shí)間內(nèi)快速膨脹、崩解和軟化會(huì)對(duì)巖體造成機(jī)械損傷,這也會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能的快速大幅降低,這是邊坡、基坑、隧道等變形、損壞或潛在安全隱患的關(guān)鍵。[2]軟巖的軟工程特性與新建工程的安全性之間的矛盾日益突出,因此對(duì)破碎度的研究砂巖軟巖的水力特性非常重要。Michael[3]對(duì)軟巖進(jìn)行了大量的崩解試驗(yàn)與強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)后,結(jié)果表明,軟巖的強(qiáng)度隨著崩解過程的進(jìn)行而降低。Terzaghi 和Peckl[4]在研究軟巖的構(gòu)造后,提出巖石孔隙中的空氣會(huì)導(dǎo)致軟巖的崩解。在自然環(huán)境狀態(tài)下,膨脹性軟巖在失水后內(nèi)部孔隙會(huì)存留大量空氣,同時(shí)在失水后具備很強(qiáng)的吸水能力。遇到降雨條件時(shí),軟巖會(huì)迅速吸水,而巖體孔隙或裂隙中的空氣則沒有時(shí)間排出,會(huì)向巖塊內(nèi)部逐漸施壓,最終由于氣體沿巖石的薄弱結(jié)構(gòu)面溢出而導(dǎo)致巖石破裂。馮啟言[5]等人使用了材料檢測(cè)手段對(duì)紅層軟巖進(jìn)行了材料分析。在分析了紅層軟巖強(qiáng)度、孔隙結(jié)構(gòu)與崩解性之間的關(guān)系后,認(rèn)為膠結(jié)物強(qiáng)度與孔隙率均會(huì)影響軟巖的崩解。其中,紅層軟巖中水泥的強(qiáng)度越低或微孔越多,軟巖的崩解現(xiàn)象越明顯,崩解破碎速度越快。

以上研究在一定程度上揭示了軟巖的物理化學(xué)性質(zhì)和工程特性,但對(duì)于中砂巖、粉細(xì)砂破碎后遇水軟化的水理性質(zhì)及水巖作用規(guī)律研究仍有待加強(qiáng),鑒于此,本研究選取黑龍江省鶴崗中段砂巖、七臺(tái)河中段砂巖和雞西粉質(zhì)細(xì)砂巖,從微觀結(jié)構(gòu)、礦物組成和崩解特征三個(gè)方面對(duì)其特征進(jìn)行了研究,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論,揭示中砂巖、粉細(xì)砂巖軟化機(jī)理,為黑龍江軟巖地區(qū)的工程建設(shè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 試樣成分分析

選取黑龍江鶴崗、七臺(tái)河地區(qū)的中砂巖以及雞西地區(qū)的粉細(xì)砂巖對(duì)試樣進(jìn)行X 射線衍射分析,結(jié)果見表1。

表1 試樣礦物組成%

從表1 可知：試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的黏土礦物含量分別達(dá)到68%、70%、69%,且?guī)r性礦物含量分別為32%、30%、31%。粘土礦物約占礦物總量的2/3。粘土礦物約占礦物總量的2/3。粘土礦物的水巖反應(yīng)會(huì)削弱砂巖塊體邊緣的鈍化作用,降低砂體的完整性,降低單個(gè)塊體和巖體的穩(wěn)定性。隨著粘土礦物含量的增加,巖體蠕變加劇,巖石水穩(wěn)定性降低,巖石吸水程度增加。受暴雨影響,使砂巖的吸水率變得更大,從而使強(qiáng)度變低[6]?？梢娚皫r中黏土礦物含量很大程度上影響著砂巖的水理性質(zhì)而水理性質(zhì)對(duì)工程建設(shè)、礦山安全以及邊坡穩(wěn)定有不可忽略的影響[7]。

1.2 含水率實(shí)驗(yàn)

巖石遇水或吸水時(shí)會(huì)吸水。因此,膨脹空氣的濕度越大,膨脹變形越大,這是因?yàn)閲鷰r吸收的水越多。其規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石的彈塑性變形和擠壓變形之和,以及由此產(chǎn)生的膨脹變形壓力,這是軟巖巷道支護(hù)失效的重要原因之一[8]。

采用干燥法測(cè)定礦石和巖石的含水量；新鮮巖樣在105～110 ℃的電動(dòng)恒溫烘箱中干燥至恒定量。干燥前后巖樣質(zhì)量差與干燥前質(zhì)量之比為礦巖含水量。測(cè)試步驟包括：

（1） 取巖樣15～30 g,放入稱量箱。立即蓋上稱量箱并記錄稱量箱和新巖樣的重量。打開盒蓋,將樣品和稱量箱放入烤箱中,在105～110 ℃恒溫烘烤8～10 h。

（2） 取出干燥的巖樣和稱量箱,蓋上箱蓋,放入干燥器中冷卻至室溫,取出并記錄稱量箱和干燥巖樣的質(zhì)量,精確至0.01 g。通過公式（1）計(jì)算含水率

式中,w- 含水率, 精確至0.1%;m1- 稱量盒加新鮮巖樣

質(zhì)量,g;m2- 稱量盒加干巖樣質(zhì)量,g;m0- 稱量盒質(zhì)量,g[9]。

含水率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

由于粘土礦物粒度細(xì),粘土強(qiáng)度主要由束縛水維持,泥質(zhì)巖具有宏觀力學(xué)特征,易失穩(wěn)。由于含水量的增加,粘土顆粒結(jié)合水膜厚度增加,抗剪強(qiáng)度降低,泥質(zhì)巖的水穩(wěn)定性較差。砂巖含水率試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 砂巖自然含水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2 可看出,3 種砂巖自然含水率為0.64%～0.95%。一般來說,巖石的吸水性會(huì)導(dǎo)致自重增加,保溫性能降低,強(qiáng)度和耐久性都會(huì)有不同程度的下降。為了進(jìn)一步探究破碎砂巖的水理特性,將對(duì)三種試樣在不同含水率的情況下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

1.3 直剪試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)儀器

常規(guī)直剪試驗(yàn)是在Z-4 型四聯(lián)直剪儀上進(jìn)行的。試驗(yàn)裝置為應(yīng)變控制直剪裝置。位移計(jì)的量程為10 mm,最小刻度值為0.01 mm,使用的環(huán)形切割器內(nèi)徑為61.8 mm,高度為20 mm,體積為60 cm3。

1.3.2 試樣的制備及試驗(yàn)過程

首先,取三種砂巖,放在通風(fēng)處風(fēng)干。將風(fēng)干的砂巖放在橡膠板上,用木磨機(jī)研磨。通過直徑為2 mm的篩網(wǎng)后,取足夠數(shù)量的砂巖樣品,測(cè)量三種砂巖的含水量。然后,根據(jù)設(shè)計(jì)含水量0%、10%、15%、20%、25%,計(jì)算出各含水量下的加水量,噴灑細(xì)水霧直至完全混合,然后密封在塑料袋中浸泡一天一夜備用。最后,制作壓實(shí)度為95%的環(huán)切砂巖樣品（壓實(shí)度由質(zhì)量控制方法控制）。每個(gè)含水率下制作5 個(gè)環(huán)切砂巖樣品,共60 個(gè)砂巖樣品,每個(gè)環(huán)切樣品的質(zhì)量誤差控制在2 g 以內(nèi)。樣品制備完成后,立即用保鮮膜包裹,防止水分蒸發(fā)。由于本研究是為了模擬砂巖的松散不排水和快速剪切破壞,所以進(jìn)行了快速剪切試驗(yàn)。樣品制作過程應(yīng)嚴(yán)格遵守巖土工程試驗(yàn)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。砂巖樣品的實(shí)際含水量應(yīng)在直剪試驗(yàn)完成后測(cè)量,分別為黑龍江鶴崗中砂巖:0%,11.21%,15.32%,20.16%,25.48%。七臺(tái)河中砂巖:0%,10.21%,15.52%,20.26%,25.36%。雞西粉細(xì)砂巖：0%,10.61%,14.92%,20.16%,25.76%。

在快速剪切試驗(yàn)中,將制備好的砂巖樣品放入直剪儀的剪切箱中。砂巖樣品的上下側(cè)為濕濾紙和透水石,濕濾紙的含水量應(yīng)盡可能接近樣品的含水量。安裝樣品后,對(duì)每組試驗(yàn)的五個(gè)土壤樣品施加100、150、200、250 kPa 的垂直壓力,并以0.8 mm/min 的速度剪切,以便在3～5 min 內(nèi)剪切樣品。如果測(cè)功機(jī)讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定水平或出現(xiàn)明顯后退,則表明砂巖樣品已被剪切。通常,建議剪切它們,直到剪切變形達(dá)到4 mm。如果測(cè)功機(jī)的讀數(shù)繼續(xù)增加,應(yīng)將其剪切,直到剪切變形達(dá)到6 mm,記錄試樣在各種垂直載荷下的最大剪切應(yīng)力,見表3～表5。

表3 黑龍江鶴崗中砂巖不同含水率試樣在不同垂直壓力下的剪切強(qiáng)度

表4 七臺(tái)河中砂巖不同含水率試樣在不同垂直壓力下的剪切強(qiáng)度

表5 雞西粉細(xì)砂巖不同含水率試樣在不同垂直壓力下的剪切強(qiáng)度

圖1 C 值與含水率關(guān)系

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

碎屑巖的性質(zhì)與土壤相似,土壤的粘聚力由顆粒之間的重力和排斥力決定,這取決于顆粒之間的水膜附著力和某些膠結(jié)材料的影響。隨著含水量的增加,顆粒間的水分膜的厚度也開始增加,這降低了內(nèi)聚力,使土壤顆粒更容易相對(duì)移動(dòng)。此外,隨著含水量的增加,碎屑巖中的一些膠結(jié)物開始逐漸溶解,這是粘聚力隨含水量增加而增加的原因,也是含水率增減的重要原因之一。

樣品為含粗顆粒的碎屑巖。與極細(xì)顆粒土樣相比,含水量的變化不會(huì)引起顆粒物性的顯著變化,而φ值主要由顆粒密實(shí)度、粒徑等物理性質(zhì)決定。因此,隨著含水量的增加,內(nèi)摩擦角不會(huì)發(fā)生顯著變化。

2 結(jié)論

(1) 黑龍江省七臺(tái)河、鶴崗的砂巖和雞西的粉砂巖中含有大量的粘土礦物,達(dá)到69%,這對(duì)煤礦和邊坡的水力特性產(chǎn)生重要影響,降低其水穩(wěn)定性,從而影響煤礦巷道的穩(wěn)定性。

(2) 隨著含水量的增加,破碎砂巖碎屑巖的抗剪強(qiáng)度降低。由于暴雨和地下水的長(zhǎng)期浸泡,破碎邊坡的含水量不斷增加,從而降低其強(qiáng)度并導(dǎo)致其破壞。

(3) 破碎軟砂巖的安全系數(shù)與含水量呈負(fù)相關(guān)。邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)是當(dāng)含水量為7.39 左右時(shí)。邊坡被破壞的條件是當(dāng)含水量大于該值時(shí)。

(4) 由于破碎的巖石和土壤質(zhì)量的性質(zhì)是相似的,不考慮結(jié)構(gòu)的影響,所以含水量的影響非常大。此外,本研究側(cè)重于含水量的影響,未考慮地下水位、滲流等因素,可能會(huì)偏離實(shí)際情況。

(5) 用三個(gè)地區(qū)的巖石樣品測(cè)試了砂巖的軟化特性。結(jié)果表明,砂巖和粉砂巖的軟化系數(shù)隨含水量的增加而減小。

(6) 研究發(fā)現(xiàn),泥巖和泥質(zhì)砂巖在崩解循環(huán)試驗(yàn)的作用下都有較強(qiáng)的崩解作用,泥巖的崩解程度較大。本研究是基于對(duì)實(shí)踐中遇到的特殊巖土問題的分析,對(duì)煤礦工程實(shí)踐具有良好的指導(dǎo)意義。