不同礦物組分的泥巖干濕循環(huán)崩解特性研究

許志東， 項(xiàng)彥茂， 陳園園， 李 俊， 徐 峰

(1.廣州市北二環(huán)交通科技有限公司， 廣州 510030； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

泥巖是主要的軟巖之一，廣泛分布在我國西南和中原地區(qū)，具有強(qiáng)度小、易風(fēng)化、遇水易軟化、工程穩(wěn)定性差等特性，常引起路基塌陷、邊坡失穩(wěn)等問題[1-3]。而遇水易崩解是泥巖作為工程巖體最主要的問題之一，近年來，工程界對泥巖的崩解性開展了諸多研究[4-6]。

泥巖的礦物成分及含量因不同地質(zhì)年代及分布地區(qū)存在著較大差異，其中礦物成分對泥巖崩解特性起著決定性作用[7-9]。吳道祥等[10]對紅層軟巖的崩解性進(jìn)行了室內(nèi)干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膠結(jié)物的類別和粘土礦物含量是決定紅層泥巖崩解性的主要因素。柴肇云等[11]則根據(jù)泥巖礦物組成中蒙脫石的含量，將泥巖的崩解機(jī)理分為了2類，并統(tǒng)計(jì)了泥巖耐崩解性與礦物組成之間的關(guān)系。申培武等[12]對巴東組紫紅色泥巖在干濕循環(huán)過程中的分形特征進(jìn)行了研究，并分析了礦物成分在其崩解過程中的作用機(jī)制。李昆鵬等[13]研究了酸雨對粉砂質(zhì)泥巖崩解性的化學(xué)損傷機(jī)制，分析了礦物成分在酸性環(huán)境下微觀結(jié)構(gòu)的變化。

但是在目前關(guān)于泥巖礦物組分對其崩解特性的研究中，學(xué)者們大多是對1種或2種泥巖進(jìn)行試驗(yàn)分析，并沒有多種不同礦物組分泥巖崩解特性之間的對比，研究成果還是缺乏普適性。本文對不同礦物組成的泥巖進(jìn)行了多次干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)，分析了泥巖的崩解現(xiàn)象和顆粒粒徑變化，總結(jié)了泥巖的崩解規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 巖樣

為充分研究礦物組成對泥巖崩解特性的影響，泥巖試樣總共分為4種，即三疊系中統(tǒng)砂質(zhì)泥巖、石炭系下統(tǒng)粉砂質(zhì)泥巖、侏羅系中統(tǒng)泥巖和白堊系下統(tǒng)泥巖。巖樣成分如表1所示。

表1 泥巖巖樣成分

1.2 自由浸水崩解試驗(yàn)

自由浸水條件下的崩解試驗(yàn)主要是將天然狀態(tài)下巖樣置入水中，觀察其形態(tài)變化[14-15]。計(jì)劃對4種不同礦物組成的泥巖進(jìn)行自由浸水24 h的循環(huán)崩解試驗(yàn)，具體試驗(yàn)步驟如下：

1) 每種泥巖選擇10塊質(zhì)量為40 g～60 g左右的天然巖樣，并分別稱取質(zhì)量。

2) 將巖樣放入水槽中，向水槽中注水至完全淹沒巖樣，巖樣浸水24 h后整體帶水過0.25 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，隨后連同篩子放入105 ℃的烘干箱中烘干24 h，隨后取出放入干燥室冷卻至室溫，稱取其質(zhì)量。

3) 將所有收集到的巖樣用5 mm、2 mm、0.5 mm和0.25 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并記錄不同粒徑崩解物的質(zhì)量，此為一次干濕循環(huán)。

4) 將所有粒徑大于0.25 mm的崩解物放入水槽中，重復(fù)2)、3)操作，直至巖樣崩解完全，記錄此時的干濕循環(huán)次數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 泥巖崩解特征分析

在干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)中，泥巖1在經(jīng)歷了3次干濕循環(huán)后也未發(fā)生崩解，因此結(jié)束崩解試驗(yàn)；泥巖2在第1次干濕循環(huán)中并未發(fā)生崩解，只是在巖塊表面出現(xiàn)了大量的細(xì)長裂紋，在第2次干濕循環(huán)中發(fā)生塊狀崩解，在第5次干濕循環(huán)后崩解完全；粘土礦物含量最高的泥巖3在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)后就完全崩解；粘土礦物含量次之的泥巖4經(jīng)歷了10次干濕循環(huán)才崩解完全。不同干濕循環(huán)次數(shù)下4種泥巖的崩解現(xiàn)象和崩解物形態(tài)如表2所示。

表2 不同礦物組分泥巖干濕循環(huán)崩解特征

從不同礦物組成泥巖的干濕循環(huán)崩解現(xiàn)象可以看出，粘土礦物含量較高的泥巖3和4崩解的程度和速度要遠(yuǎn)高于泥巖1和2，并且前者的崩解物粒徑較小，崩解物呈顆粒狀和碎片狀，幾乎跟沙土一般，而石英、長石含量高，粘土礦物含量低的泥巖1和泥巖2基本不發(fā)生崩解，就算崩解也只是整體崩解成2～3塊，崩解物粒徑較大。

2.2 泥巖崩解礦物組成及顆粒分析

試驗(yàn)得到的不同礦物組分泥巖崩解物粒徑隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖1所示。從圖1中可歸納出以下規(guī)律：

1) 石英、長石類礦物含量高的泥巖崩解性最弱，如泥巖1和泥巖2，幾乎不發(fā)生崩解，粒徑>5 mm的顆粒含量在97%以上。

2) 粘土礦物含量最高的泥巖3崩解性最大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粒徑>0.25 mm的顆粒含量均呈下降趨勢，特別是在第2次干濕循環(huán)后，粒徑>5 mm的顆粒含量呈斷崖式下降，在第3次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定，含量幾乎為0。

3) 粘土礦物含量次之的泥巖4崩解性同樣較強(qiáng)，粒徑>5 mm的顆粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低并趨于穩(wěn)定，下降速率要小于泥巖3；泥巖4的粒徑主要集中在0.5 mm～5 mm之間，其中粒徑為2 mm～5 mm的顆粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而迅速增加，隨后緩慢降低，粒徑為0.5 mm～2 mm、0.25 mm～0.5 mm、<0.25 mm的顆粒含量均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，不過粒徑為0.5 mm～2 mm的顆粒含量變化速率要高于粒徑為0.25 mm～0.5 mm和<0.25 mm的顆粒含量變化速率。

4) 泥巖粘土礦物含量越高，石英、長石類礦物含量越低，則泥巖崩解性越強(qiáng)，崩解物顆粒粒徑越小，變化曲線越為陡峭。

(a) 粒徑>5 mm

2.3 泥巖崩解特征分級

根據(jù)4種泥巖在干濕循環(huán)下的崩解現(xiàn)象和崩解物粒徑分析，將不同礦物組分泥巖崩解的強(qiáng)弱程度分為了不崩解、弱崩解、中崩解和強(qiáng)崩解4個等級[10]。

1) 不崩解：巖樣在經(jīng)歷若干次干濕循環(huán)后均不發(fā)生崩解，僅有部分泥狀顆粒從巖樣表面脫落，如泥巖1。

2) 弱崩解：巖樣在浸水24 h后不發(fā)生崩解，僅有少量微裂紋出現(xiàn)，但在經(jīng)歷1～2次干濕循環(huán)后整體呈塊狀崩解，常為一塊巖樣崩解為3～4塊較大的碎塊，如泥巖2。

3) 中崩解：巖樣在浸水10 min后開始崩解，崩解物主要呈碎塊狀、層狀，第1次干濕循環(huán)后便崩解完全，在經(jīng)歷3、4次干濕循環(huán)后仍有較多塊狀崩解物，如泥巖4。

4) 強(qiáng)崩解：巖樣在剛浸水時便快速地發(fā)生整體的垮落，在浸水30 min后便幾乎完全崩解，崩解物主要呈泥狀、細(xì)顆粒狀，在經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)后巖樣便基本崩解成粒徑很小的顆粒狀，如泥巖3。

泥巖的礦物成分及崩解強(qiáng)弱程度的比較如表3所示。

表3 泥巖崩解強(qiáng)弱程度與礦物含量及成分的關(guān)系 %

3 結(jié)論

1) 礦物成分和含量對泥巖的崩解性起著決定性的作用。石英、長石類礦物含量越高，粘土礦物含量越低，泥巖越不容易崩解，粘土礦物含量高的泥巖崩解物粒徑較小，以細(xì)顆粒狀、泥狀、圓片狀為主，并且在干濕循環(huán)過程中極易整體崩塌，迅速發(fā)生崩解。

2) 粘土礦物含量越高，泥巖崩解物顆粒粒徑變化曲線越為陡峭，粒徑<0.25 mm的顆粒含量越高。

3) 按崩解現(xiàn)象、顆粒粒徑分布、礦物組成和含量將泥巖崩解性分為不崩解、弱崩解、中崩解和強(qiáng)崩解4個等級。