上官力，馬顯春，谷明成

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

四川攀西地區(qū)紅層泥巖強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

上官力1，馬顯春2，谷明成2

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

以白堊系下統(tǒng)小壩組粉砂質(zhì)紅層泥巖為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定其天然含水率、單軸抗壓強(qiáng)度、直接剪切強(qiáng)度、礦物成分含量，并分析了巖石物理力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著粉砂質(zhì)泥巖天然含水率增大，天然和飽和單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈冪指數(shù)減小;隨著巖石中石英含量的升高，巖石單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角升高;隨著巖石中黏土礦物含量的升高，巖石單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角降低。

攀西地區(qū) 紅層 含水率 礦物成分 強(qiáng)度

紅層是一種外觀以紅色為主的中、新生代陸相碎屑巖沉積地層，主要出現(xiàn)在侏羅系、白堊系以及第三系。我國(guó)的紅層主要分布于西北、西南及華南地區(qū)，尤以四川分布最為廣泛，也最為連續(xù)和典型［1］。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，西南地區(qū)鐵路、公路、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)方興未艾，這些工程的興建都不可避免地穿越紅層巖體［2］，因此研究四川紅層巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及其與工程建設(shè)的關(guān)系十分必要。

本文通過(guò)大量試驗(yàn)，總結(jié)出了攀西地區(qū)紅層泥巖天然含水率和巖石強(qiáng)度的關(guān)系，以期更直接地了解巖石的強(qiáng)度，為后續(xù)工程興建提供依據(jù)。

1 工程概況

攀西地區(qū)包括攀枝花市和涼山彝族自治州，北接川西高原，南跨云南高原北緣，東抵四川盆地，西靠橫斷山系。區(qū)內(nèi)地貌多樣，以低中山、中山為主，山地占全區(qū)總面積的70%以上，山脈在一系列南北向深大斷裂及褶皺的控制下呈南北向展布。

攀西地區(qū)在大地構(gòu)造上屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和松潘—甘孜地槽系，大致以金礦—木里深大斷裂為界，以西屬于活動(dòng)的松潘—甘孜地槽系，以東屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)［3］。攀西地區(qū)地層以沉積地層分布面積最廣，出露有震旦系、三疊系、侏羅系、白堊系和第四系地層，缺失寒武系、志留系、泥盆系地層，火山地層、變質(zhì)地層零星出露于境內(nèi)西部。

2 試樣制備及試驗(yàn)方法

本文以白堊系下統(tǒng)小壩組(K1x)粉砂質(zhì)紅層泥巖為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究其物理力學(xué)性質(zhì)，取樣地點(diǎn)為喜德縣依洛鄉(xiāng)依洛村，現(xiàn)場(chǎng)共采集粉砂質(zhì)泥巖試樣14組。根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》將現(xiàn)場(chǎng)采集的14組巖樣分別加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體試件42塊(每組3塊)和50 mm×50 mm×50 mm立方體試件60塊(每組5塊)，對(duì)不同天然含水率的試樣進(jìn)行分組試驗(yàn)。

巖石的強(qiáng)度特性試驗(yàn)，主要是通過(guò)天然及飽和狀態(tài)下的單軸抗壓與剪切試驗(yàn)研究巖石的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，并通過(guò)比較巖石的強(qiáng)度獲得巖石軟化性能指標(biāo)。單軸抗壓強(qiáng)度利用RMT-150B型巖石機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，采用電液伺服控制加載，加載速率為0.002 mm/s;巖石直剪試驗(yàn)使用YZW50型微機(jī)控制電動(dòng)應(yīng)力式直剪儀，測(cè)定天然狀態(tài)的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

取制備好的42塊圓柱體試件(每組3塊)，做巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到天然單軸抗壓強(qiáng)度、飽和單軸抗壓強(qiáng)度與巖石天然含水率關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

從圖1(a)可以看出巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度σc隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者的相關(guān)系數(shù)是0.94，為冪指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

表1 各組巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度和天然含水率關(guān)系曲線

從圖1(b)可見(jiàn)，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度σ'c隨著天然含水率增大而減小。兩者的相關(guān)系數(shù)是0.96，為冪指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

3.2 直剪試驗(yàn)

取制備好的60塊立方體試件(每組5塊)，做巖石直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 巖樣天然狀態(tài)直剪試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到巖石的黏聚力、內(nèi)摩擦角與天然含水率關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2。

從圖2(a)可見(jiàn)，巖石黏聚力c隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者相關(guān)系數(shù)為0.93，為冪指數(shù)關(guān)系。關(guān)系式為

從圖2(b)可見(jiàn)，巖石內(nèi)摩擦角φ隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者相關(guān)系數(shù)為0.93，為冪指數(shù)關(guān)系。關(guān)系式為

3.3 巖石礦物成分測(cè)試

在采集的巖樣中選取4組進(jìn)行巖石樣品的XRD礦物分析。巖樣的X射線衍射圖譜見(jiàn)圖3，巖樣的礦物成分及含量見(jiàn)表3，具體試驗(yàn)方法參考相關(guān)文獻(xiàn)［4］。

1)單軸抗壓強(qiáng)度與礦物成分含量的關(guān)系

粉砂質(zhì)泥巖天然單軸抗壓強(qiáng)度、飽和單軸抗壓強(qiáng)度隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小，見(jiàn)圖4。

圖2 巖石抗剪強(qiáng)度與天然含水率關(guān)系曲線

圖3 巖樣的X射線衍射圖譜

表3 巖樣的礦物成分及含量

圖4 巖石單軸抗壓強(qiáng)度與礦物成分含量的關(guān)系曲線

巖石作為一種天然的地質(zhì)體，其物理力學(xué)性質(zhì)主要取決于巖石的礦物成分和顆粒間的聯(lián)結(jié)以及內(nèi)部的微裂隙［5］。巖石中礦物成分的含量直接影響巖石的力學(xué)性質(zhì)。石英屬于礦物成分中硬度較大的，其含量愈高，巖石的強(qiáng)度愈高。巖石中的黏土礦物遇水易膨脹和軟化，如蒙脫石易分解為斑脫土，遇水軟化，其含量愈高，巖石強(qiáng)度愈低［6-7］。因此，粉砂質(zhì)泥巖礦物成分中石英含量越高，單軸抗壓強(qiáng)度越大;黏土含量越高，單軸抗壓強(qiáng)度越小。

2)抗剪強(qiáng)度與礦物成分含量的關(guān)系

石英和黏土的含量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系見(jiàn)圖5。可見(jiàn)，粉砂質(zhì)泥巖黏聚力、內(nèi)摩擦角都隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小。

圖5 巖石礦物成分和抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線

3.4 巖石軟化性能

用巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度比天然單軸抗壓強(qiáng)度，作為巖石軟化性能指標(biāo)η，即

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理得出巖石軟化性能指標(biāo)。巖石天然含水率和軟化性能指標(biāo)的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 巖石軟化性能指標(biāo)和天然含水率關(guān)系曲線

由圖6可見(jiàn)，巖石的軟化性能指標(biāo)和天然含水率之間沒(méi)有直接的相關(guān)性，但巖石天然含水率保持在0.5% ～3.5%之間時(shí)，巖石的軟化性能指標(biāo)在63% ～80%，其中以70%附近居多。巖石受水侵蝕后，強(qiáng)度和穩(wěn)定性發(fā)生變化，這主要取決于巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。

4 結(jié)論

1)隨著天然含水率的增加，粉砂質(zhì)泥巖天然和飽和單軸抗壓強(qiáng)度均呈冪指數(shù)減小。

2)隨著天然含水率的增加，粉砂質(zhì)泥巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈冪指數(shù)減小。

3)粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小。

［1］李廷勇，王建力．中國(guó)的紅層及發(fā)育的地貌類型［J］．四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002(4):427-431．

［2］郭永春，謝強(qiáng)，文江泉．我國(guó)紅層分布特征及主要工程地質(zhì)問(wèn)題［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007(6):67-71．

［3］傅維洲，吳玉寶．攀西裂谷帶及其鄰區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征［J］．長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1986(3):95-102．

［4］國(guó)家能源局．SY/T 5163—2010 沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X射線衍射分析方法［S］．北京:石油工業(yè)出版社，2010．

［5］韓鐵林，師俊平，陳蘊(yùn)生，等．化學(xué)腐蝕對(duì)砂巖物理力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究［J］．西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(1):34-39．

［6］王文星．巖體力學(xué)［M］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2004．

［7］吳益平，余宏明，胡艷新．巴東新城區(qū)紫紅色泥巖工程地質(zhì)性質(zhì)研究［J］．巖土力學(xué)，2006(7):1201-1203．

TU446

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．30

1003-1995(2015)07-0107-04

2015-02-10;

2015-05-10

上官力(1988— )，男，陜西商洛人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 葛全紅)