含水率對壩基泥巖膨脹性能的影響研究

馮紅春，楊 通

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

泥巖的強(qiáng)度和變形特性是邊坡工程中關(guān)心的重要問題。不同地區(qū)泥巖的強(qiáng)度及變形特性表現(xiàn)出極大的差異性，泥巖按照工程分類的主要指標(biāo)包括泥質(zhì)含量、巖石單軸抗壓強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面數(shù)量[1]。膨脹性巖土是指含有較多高膨脹性的黏土礦物，并在較低的應(yīng)力水平條件下容易產(chǎn)生變形的工程巖體[2]。而膨脹性的分級指標(biāo)又包括自由膨脹率、蒙脫石的含量及干燥飽和吸水率[3]。礦物成分分析、膨脹性指標(biāo)和強(qiáng)度參數(shù)對于泥巖的力學(xué)特性研究和工程參數(shù)選取具有重要意義。

泥巖的膨脹性系巖體在水或荷載作用下可以產(chǎn)生體積膨脹的性質(zhì)。膨脹性因膨脹機(jī)理的不同可以被分為內(nèi)部膨脹、外部膨脹和擴(kuò)容性膨脹[4]。內(nèi)部膨脹指水分子進(jìn)入巖體內(nèi)部晶胞層間而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象。外部膨脹指水分子進(jìn)入巖土體的顆粒間的孔隙而產(chǎn)生的膨脹變形。擴(kuò)容性膨脹也稱應(yīng)力擴(kuò)容膨脹，是指巖土體受力的作用，內(nèi)在裂隙擴(kuò)展、連通而產(chǎn)生的體積變形[5- 7]。在實(shí)際工程中，泥巖膨脹變形是3種膨脹變形機(jī)制的綜合反應(yīng)，在低應(yīng)力水平條件下，泥巖以內(nèi)部膨脹和外部膨脹機(jī)制為主；高荷載作用時(shí)，泥巖的膨脹變是擴(kuò)容膨脹和內(nèi)部、外部膨脹多種機(jī)制共同作用的結(jié)果[8]。

對于泥巖這種特殊的低強(qiáng)度巖體，水的作用是其力學(xué)和變形特性發(fā)生巨大變異性的重要因素，也是工程中泥巖邊坡失穩(wěn)的常見原因[9- 11]。本文設(shè)計(jì)了不同含水率紫紅色和黃褐色2種泥巖試樣的膨脹力試驗(yàn)和自由膨脹率試驗(yàn)，以期獲得含水率對膨脹性參數(shù)的影響規(guī)律，為邊坡的穩(wěn)定性分析和滑坡防治工作提供參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

本研究的泥巖試樣取自于桂林市小溶江水利樞紐工程的邊坡，取樣后用保鮮膜進(jìn)行密封以保持其天然含水率，本邊坡的泥巖主要分為2種：紫紅色泥巖和黃褐色泥巖，易破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈堅(jiān)硬狀，遇水易崩解泥化。分別對2種試樣進(jìn)行分析研究。在試樣進(jìn)行膨脹性能測試前，先對該泥巖試樣的天然含水率、干密度、比重、滲透系數(shù)、液塑限和壓縮系數(shù)等物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測試，得到的結(jié)果見表1。由表1可知，通過X衍射實(shí)驗(yàn)得到該泥巖的主要巖石礦物由蒙脫石、伊利石、白云石、石英和長石，主要區(qū)別在于紫紅色泥巖的白云石只有0.2%，而黃褐色泥巖達(dá)到了5.1%。

表1 泥巖的基本物理性質(zhì)和礦物組成

分別采用浸水飽和法和干燥法對2種泥巖進(jìn)行顆分試驗(yàn)。得到的2種土的顆粒分布分布曲線如圖1所示，由不同方法得到的顆分曲線有明顯差別，干燥法得2兩種泥巖最大的粒徑均大于20mm，浸水飽和后試樣吸水膨脹，粗顆?？焖俦澜獬杉?xì)顆粒，黃褐色的泥巖試樣在0.075mm以下的顆粒占比從4.1%增大到20.8%，紫紅色的泥巖試樣0.075mm以下的細(xì)顆粒從13.0%急劇增至67.6%。

圖1 泥巖顆粒分析曲線

對泥巖進(jìn)行了X射線衍射試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡試驗(yàn)，獲得了該泥巖試樣的化學(xué)物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)特征。天然狀態(tài)下泥巖掃描電子顯微鏡(SEM)圖片可以看出試樣內(nèi)部顆粒大多呈片狀和扁平狀，部分為粒狀如圖2所示。片狀或扁平狀的結(jié)構(gòu)相互堆疊，排列緊密，顆粒之間形成面-面接觸，粒間孔隙的分布比較不均勻，部分孔隙間相互連通，形成泥巖吸水膨脹的入滲通道。豐富的微裂隙有利于水分子進(jìn)入泥巖內(nèi)部顆粒的晶體層中，從而擴(kuò)大晶層之間的間距，使礦物顆粒自產(chǎn)生膨脹變形[12- 13]。泥巖中礦物成分的組成和含量、粒度以及天然含水率等是決定其膨脹潛勢的重要因素[14- 15]。

圖2 泥巖的SEM圖像

2 泥巖膨脹試驗(yàn)

2.1 試樣制備

進(jìn)行膨脹試驗(yàn)的試樣選用直徑61.8mm、高度20mm的壓實(shí)試樣。制樣步驟為：先將取回的試樣進(jìn)行風(fēng)干，并碾碎過2mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，過篩的土樣取回備用；測得2種泥巖風(fēng)干后的含水率約為8.5%，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)4種含水率(12.0%、16.0%、20.0%、24.0%)，根據(jù)預(yù)定的含水率在風(fēng)干樣中加入相應(yīng)質(zhì)量的蒸餾水，拌合均勻之后用保鮮膜密封并靜置48h，使土樣中的水分均勻分布。然后保持試樣的干密度不變的前提下，稱取適當(dāng)質(zhì)量的土，并倒入模具，用千斤頂施加荷載壓制成相應(yīng)規(guī)格的環(huán)刀樣。

2.2 膨脹試驗(yàn)的方法

2.2.1自由膨脹率試驗(yàn)

巖石的自由膨脹率測試是巖試在無側(cè)限壓力狀態(tài)下，測量其軸向和橫向自由膨脹率的試驗(yàn)。采用XOP- 1自由膨脹儀開展試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：先將制備好的試樣放置在自由膨脹儀的有機(jī)玻璃容器中央；再將1個(gè)千分表裝置在巖樣軸向的端部，另外4個(gè)千分表對稱裝在巖樣側(cè)面；最后在樣盒中加水至試樣被水蓋過，按照每15、30、60min的間隔讀取千分表的讀數(shù)，直到24h后讀數(shù)基本穩(wěn)定。

試驗(yàn)中按式(1)計(jì)算巖石的軸向和橫向自由膨脹率:

(1)

(2)

式中，vH—巖石的軸向自由膨脹率，%;vD—巖石的徑向自由膨脹率，%;ΔH—軸向變形值，mm;H—試樣的高度，mm;ΔD—試樣的平均徑向變形值，mm;D—試樣直徑，mm。

2.2.2膨脹力試驗(yàn)

巖石膨脹力的試驗(yàn)在YRP- 2型壓力膨脹儀上開展。試驗(yàn)中，先將試樣安裝在儀器上，安裝完成后歸零千分表，并加水至蓋過試樣，保持千分表讀數(shù)穩(wěn)定后讀取試樣膨脹力的大小，巖石的膨脹力計(jì)算公式為式(3):

(3)

式中，Ps—巖石膨脹力，MPa；F—軸向荷載大小，N;A—試樣的截面積，mm2。

2.3 膨脹試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)方法和過程對紫紅色和黃褐色泥巖各4組含水率的試樣進(jìn)行膨脹力和自由膨脹率試驗(yàn)，每種試驗(yàn)對3個(gè)試樣開展試樣，得到結(jié)果見表2。由表2可以看出紫紅泥巖膨脹力范圍在13.181～33.812kP之間，均值為24.5kPa;黃褐色泥巖膨脹力范圍是7.807～18.912kP，均值為14.15kPa，軸向自由膨脹率范圍是1.374%～2.079%，均值為1.6%，軸向自由膨脹率范圍為0.795%～0.98%，平均值為0.89%;黃褐色泥巖膨脹力范圍在8.807～18.912kP之間，均值為14.5kPa;軸向自由膨脹率范圍是0.795%～0.980%，均值為0.86%，徑向自由膨脹率范圍為0.083%～0.201%之間，均值為0.153%。已知該巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa，黏土礦物含量在21%～28%且自由膨脹率均小于10%。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果判斷2種顏色的泥巖均屬弱膨脹性軟巖。不同含水率試樣的組別膨脹特征參數(shù)的直方圖如圖3所示，其中1、2、3、4表示含水率為12%、16%、20%、24%的試樣，從圖中可以看出膨脹力和自由膨脹率隨含水率有一定變化規(guī)律：含水率越大，膨脹力與軸向自由膨脹率越小。從2種顏色泥巖的試驗(yàn)結(jié)果直方圖還可以看出紫紅色泥巖的膨脹性質(zhì)指標(biāo)明顯高于黃褐色泥巖，體現(xiàn)了不同泥巖膨脹性質(zhì)的差異性，也從側(cè)面反映了外觀顏色是泥巖內(nèi)部物理性質(zhì)的外在表現(xiàn)。

表2 膨脹特性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 膨脹力和自由膨脹率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

另外，在泥巖試樣膨脹力試驗(yàn)前后還分別記錄觀察了試樣的外觀特征。從中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)膨脹力小于15kPa時(shí)，在試驗(yàn)結(jié)束后泥巖有泥化現(xiàn)象且有新裂隙產(chǎn)生，總體上試樣得破壞程度相對較輕；當(dāng)泥巖的膨脹力大于15kPa后，試樣在試驗(yàn)結(jié)束后出現(xiàn)崩解趨勢，破壞比較明顯；尤其當(dāng)膨脹力大于30kPa時(shí)，崩解破碎得現(xiàn)象非常明顯。通過對實(shí)驗(yàn)前后形態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行觀測不難發(fā)現(xiàn)試樣受到的膨脹力越大，對泥巖的破壞程度就越高。

3 膨脹試驗(yàn)結(jié)果的分析

3.1 軸向膨脹率與膨脹力的關(guān)系

從上面的試驗(yàn)研究知道該巖樣屬于弱膨脹性的軟巖，膨脹力和自由膨脹率之間具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，也存在一定離散性，總體上，該泥巖試樣的膨脹力隨自由膨脹率增加而提高，如圖4所示，膨脹力與軸向膨脹率之間的線性關(guān)系比較明顯。從圖4不難看出泥巖膨脹力PS隨著軸向自由膨脹率的增大而增加，屬于正線性相關(guān)。經(jīng)過線性擬合，得到了如下的線性數(shù)學(xué)方程：

Ps=a+b·vH

(4)

式中，a、b—方程的擬合參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到泥巖的a=18.17，b=3.66。

由線性擬合得到的相關(guān)系數(shù)為0.953，說明膨脹力Ps和軸向膨脹力vH之間存在較好的線性關(guān)系。

圖4 軸向膨脹率與膨脹力的關(guān)系

3.2 膨脹力與初始含水量之間的關(guān)系

如圖5所示，試樣膨脹力隨初始含水率w的增大而減小，與含水率存在線性反比例關(guān)系，通過最小二乘法的數(shù)據(jù)線性回歸可得到膨脹力PS與初始含水率w存在如下近似方程:

Ps=c-d·w

(5)

式中，c、d—方程的擬合參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到紫紅色泥巖的c=53.4，d=1.62；黃褐色泥巖的c=28.7，d=0.82。

圖5 含水率與膨脹力的關(guān)系

由線性擬合得到的相關(guān)系數(shù)為0.962和0.982，表示膨脹力Ps和含水率之間存在較好的線性關(guān)系。

膨脹力Ps和初始含水率w存在負(fù)線性關(guān)系，這是因?yàn)槟鄮r的膨脹勢與孔隙結(jié)構(gòu)隨初始含水率增加而表現(xiàn)出來的宏觀效果。當(dāng)初始含水率w較低時(shí)，巖樣在壓制過程中的阻力較大，而樣品中大孔隙的比例較高，平均孔隙直徑較大。當(dāng)試樣吸水膨脹時(shí)，由于外界壓力限制作用使得內(nèi)部孔隙為黏土顆粒吸水膨脹提供了入滲通道，黏土顆粒的分布在吸水膨脹后重新排列，顆粒間距減小從而減小內(nèi)部的孔隙尺寸。在宏觀上表現(xiàn)為膨脹潛勢部分消失，這種現(xiàn)象可以被看作黏土顆粒在吸水膨脹后引起大孔隙的塑性變形。初始含水率增加導(dǎo)致內(nèi)部孔隙趨于均勻，平均孔徑減小，顆粒吸水膨脹的空間隨之減小，使得泥巖內(nèi)部的顆粒膨脹潛勢減小。當(dāng)初始含水率較小時(shí)，黏土顆粒結(jié)合水膜較薄，分子結(jié)合水能力較強(qiáng)，即使泥巖內(nèi)部的膨脹潛勢更大，但總體上地含水率的試樣膨脹力更大。

4 總結(jié)

為了進(jìn)一步了解水利工程邊坡泥巖膨脹性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了不同含水率泥巖試樣的軸向和徑向自由膨脹性試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到了如下結(jié)論:

(1)根據(jù)泥巖膨脹特性的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)紫紅色泥巖的膨脹力和自由膨脹率均大于黃褐色泥巖。由物性試驗(yàn)和膨脹試樣的結(jié)果結(jié)合工程軟巖的定義，判斷該地區(qū)2種泥巖均為弱膨脹性軟巖。

(2)從膨脹力試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)泥巖受到的膨脹力越大，泥巖受荷破壞的程度越高，且發(fā)現(xiàn)膨脹力和軸向自由膨脹率之間有明顯的正線性關(guān)系。

(3)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2種泥巖的膨脹力和初始含水率存在明顯的負(fù)線性關(guān)系，試樣的初始含水率越低，其吸水能力越強(qiáng)，盡管低含水率試樣的顆粒膨脹潛勢損失較大，但由于結(jié)合水能力強(qiáng)，總體上表現(xiàn)為膨脹力較大。