權 全，劉 揚，曹雪山,，李國維,，袁俊平，吳建濤，張坤勇

引江濟淮試驗工程軟巖崩解特性及其影響因素試驗研究

權 全1，劉 揚2，曹雪山2,3，李國維2,3，袁俊平3，吳建濤2，張坤勇3

（1.安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230601；2.河海大學 道路與鐵道研究所，江蘇 南京 210098；3.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 100084）

以引江濟淮試驗工程為依托，開展砂巖與泥巖的崩解特性試驗研究。通過靜態(tài)烘干-浸水崩解試驗，研究不同風化程度的軟巖在干濕循環(huán)作用下的崩解性狀，同時進行耐崩解試驗以及點荷載強度試驗，揭示崩解性與強度、失水率的相關變化規(guī)律。試驗表明：干濕循環(huán)作用和風化作用均會減弱巖石耐崩解能力；風化巖石的耐崩解指數(shù)與干燥巖石點荷載強度成正相關，與巖石的失水率成線性負相關；巖石的耐崩解性與巖石結構類型關系密切。

軟巖；崩解性；點荷載強度；失水率；干濕循環(huán)

在水利[1]、道路、采礦[2]建設等巖土工程中，經(jīng)常會遇到軟巖的崩解問題。巖石崩解會導致巖石強度軟化降低，給工程建設帶來安全問題。目前在干濕循環(huán)作用、巖石強度和巖石的失水率三個方面對軟巖的崩解特性有了一定的研究。C.W.Badger[3]認為干燥頁巖遇水后受水、氣共同作用產(chǎn)生氣致崩解(air breakage)效應。巖土體在水、氣相互作用下易產(chǎn)生不均勻內(nèi)應力[4-9]，當不均勻內(nèi)應力大于巖石抗拉強度時，發(fā)生開裂、崩解。多次干濕循環(huán)引起巖石含水率的重復變化，是泥質(zhì)巖漸進式崩解的主要原因[10-11]。在干濕循環(huán)過程中，巖石內(nèi)部粘土礦物不斷產(chǎn)生水化膨脹、離子交換吸附、易溶性礦物溶解等[12]，進而破壞巖石微結構[12-14]，產(chǎn)生崩解。對于軟巖強度，West[15]和康紅普[16]認為巖石單軸抗壓強度與含水率呈線性相關，Erguler等[17]則認為兩者是負指數(shù)函數(shù)關系。畢忠偉[18]認為崩解性越強，強度越低，耐崩解性與黏土礦物含量有關。

綜上，影響巖石崩解性的因素多且復雜，但主要影響因素為干濕循環(huán)作用、巖石強度和巖石的失水率。巖石崩解特性因巖石種類不同或周邊條件不同，表現(xiàn)的崩解現(xiàn)象及物理力學性狀相差很大[19]。因此本文依托引江濟淮試驗工程，深入地分析了干濕循環(huán)作用、軟巖的強度、軟巖含水率變化與崩解性的關系。為引江濟淮工程的崩解性軟巖合理的處理措施提供技術支持。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

選取現(xiàn)場具有代表性的軟巖4種：中風化砂巖、泥巖、強風化砂巖、泥巖作為試驗對象。該試驗工程位于引江濟淮工程江淮溝通段K40+700～K42+200，合肥市肥西縣小廟鎮(zhèn)西南角G312國道以南，河道全長1.5 km，上覆地層主要為全新統(tǒng)粉質(zhì)壤土、上更新統(tǒng)粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土、砂性土，下伏基巖主要為白堊系砂巖、泥巖等軟巖。

針對2種巖性（砂巖與泥巖）進行X衍射分析。首先在現(xiàn)場擬取樣區(qū)域內(nèi)取5～10個采樣點，每個點取樣量應均勻，總量為100～200 g；采用四分法將土樣量進行縮減，直至所取土樣質(zhì)量為10～20 g，再將土樣全部過0.075 mm的篩，進行礦物鑒定。首先樣品Mg+飽和后，用甘油水溶液處理，制成定向薄膜，進行X衍射分析。

根據(jù)表1，試驗區(qū)內(nèi)砂巖中蒙脫石含量明顯比泥巖要少，蒙脫石含量約小于10%，而泥巖在20%左右，根據(jù)《巖石與巖體鑒定和描述標準》（CECS 239-2008）6.2.5 規(guī)定，判定本工程中砂巖具有非膨脹勢，而泥巖具有弱(中)膨脹勢，這與現(xiàn)場檢測的砂巖自由膨脹率為11%～12.5%，泥巖的自由膨脹率為30%～40%相互對應。

表1 軟巖的礦物成分分析結果 (單位：%)Tab.1 Result of mineral composition analysis of the soft rock

1.2 試驗方法

試驗方法主要有靜態(tài)烘干-浸水循環(huán)崩解試驗，耐崩解試驗與點荷載強度試驗三種。靜態(tài)烘干-浸水循環(huán)崩解試驗是自行設計的崩解試驗，是為消除規(guī)范的耐崩解試驗中機械擾動因素，研究干濕循環(huán)次數(shù)與不同風化巖的耐崩解度的關系；耐崩解試驗測定巖石的耐崩解能力；點荷載強度試驗測定巖石點荷載強度。

1.21 靜態(tài)烘干-浸水循環(huán)崩解試驗

試驗步驟為： (1)制樣。中風化砂巖、泥巖，強風化砂巖、泥巖4種巖樣各取10件，采用磨石機和切土刀制成40～60 g渾圓狀試樣。（2）烘干稱量。將巖樣放置2 mm標準篩上，將整體放在100℃～105℃的溫度下烘干24 h，然后取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱量。（3）浸入水中24 h后，放入烘箱內(nèi)烘干，該崩解過程為一次干濕循環(huán)。對每組巖樣進行多次步驟（3）浸水崩解烘干試驗。

1.2.2 耐崩解試驗

規(guī)范的耐崩解試驗測定二次循環(huán)耐崩解指數(shù)。試驗步驟為：（1）制樣。中風化砂巖、泥巖、強風化砂巖、泥巖4種巖樣各1組，試件10個，試件規(guī)格為40～60 g，渾圓狀。（2）試樣烘干稱量。將各組巖樣放入圓柱形篩筒內(nèi)，在100℃～105℃溫度下烘干至恒量后在干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱量。（3）浸水崩解及烘干循環(huán)，測定二次循環(huán)耐崩解指數(shù)。

1.2.3 點荷載強度試驗

干燥巖樣點荷載強度試驗。不同含水率下巖石的強度是不同的[15-16]。本試驗的試樣為干燥巖樣，消除了含水率差異對巖樣強度的影響。對4種巖石各取4組，每組試件個數(shù)為10，采用磨石機和切土刀制成直徑50 mm，高度50 mm的圓柱樣。巖樣采用低溫烘干，然后將試樣裝入點荷載儀中，測定不同風化巖的點荷載強度。試驗結果與二次耐崩解指數(shù)進行對比分析，揭示崩解性與強度的相關規(guī)律。

2 試驗結果及分析

2.1 干濕循環(huán)效應對崩解性的影響

參考規(guī)范耐崩解試驗[20-21]中耐崩解性指數(shù)的計算方法，采用式(1)計算各次干濕循環(huán)的耐崩解度，評價崩解特性的強弱。

式中：Di為第i次干濕循環(huán)時巖石耐崩解度（%）；si為第i次干濕循環(huán)大于2 mm粒徑的巖樣質(zhì)量（g）；st為巖樣總質(zhì)量（g）。

圖1反映了靜態(tài)浸水崩解試驗成果，揭示了不同風化程度巖石的耐崩解度隨著干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律。

由圖1可知，一次干濕循環(huán)耐崩解度與軟巖風化程度相關。巖性相同時，風化程度愈高的巖石，強度愈小。圖1顯示，中風化巖石一次循環(huán)耐崩解度明顯高于強風化巖石。中風化巖強度高，對水的敏感性相對弱；強風化巖則對水的敏感性強；當軟巖遇水后發(fā)生水化膨脹時，軟巖顆粒間強度起到約束作用。

圖1 風化巖的耐崩解度與干濕循環(huán)的關系Fig.1 Correlation between slake-durability degree and dryingwetting cycles for weathered soft rock

耐崩解度與干濕循環(huán)次數(shù)相關。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的耐崩解度逐漸減小。中風化砂巖經(jīng)歷8次干濕循環(huán)次數(shù)崩解完全；中風化泥巖經(jīng)歷8次干濕循環(huán)次數(shù)，崩解還未完全，耐崩解指數(shù)仍接近50%，而強風化砂巖與泥巖在經(jīng)歷2～4次干濕循環(huán)次數(shù)后均崩解完全。

耐崩解度的變化規(guī)律與巖石類型相關。干濕循環(huán)初期，中風化砂巖裂隙不發(fā)育，強度整體好均勻分布，崩解只是發(fā)生在表面淺層，崩解度相對較??；中風化泥巖一次崩解度很小，原因是裂隙還未發(fā)育；二、三次干濕循環(huán)時，裂隙發(fā)育加劇，表面與內(nèi)部的強度均受到破壞，于是當水通過裂隙侵入內(nèi)部后，巖石的表面及內(nèi)部均有崩解發(fā)生，所以干濕循環(huán)初期砂巖耐崩解性強于泥巖。干濕循環(huán)后期，砂巖隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，結構已經(jīng)破壞，剩余凝聚力很小，接近0，且本身的滲透性較高，水很容易侵入巖石內(nèi)部，于是整體崩解發(fā)生，而泥巖由于小塊體積脹縮變形較均勻，內(nèi)外差異變形小，裂隙不易發(fā)育，顆粒間凝聚力變化不大，滲透性較低，水難以侵入巖塊內(nèi)部，于是崩解速率變緩。因此隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，中風化砂巖耐崩解特征先衰減慢，再衰減快，最后成松散砂狀；而中風化泥巖則先衰減快，再衰減慢，受顆粒間強度影響較大。

2.2 軟巖強度對崩解性的影響

通過常規(guī)的耐崩解試驗與干燥巖石的點荷載強度試驗，研究崩解性與強度的相關變化規(guī)律。試驗結果如圖2所示。

圖2 風化軟巖的耐崩解指數(shù)與點荷載強度的關系Fig.2 Relationship between slake-durability index and point load strength of weathered soft rock

由圖2可知：干燥風化巖石的點荷載強度與耐崩解指數(shù)近似成線性遞增關系。干燥狀態(tài)下，巖石的耐崩解指數(shù)反映巖石內(nèi)部親水性礦物極限收縮后所具有的耐崩解能力；此時含水率為0，巖石點荷載強度決定于對水不敏感的鈣質(zhì)膠結力及顆粒間咬合力。強風化砂巖與泥巖耐崩解指數(shù)低，強度低，在干燥狀態(tài)下崩解性強。

2.3 相對失水率對崩解性與強度交叉影響

王幼麟等[22]在對膨脹性巖體吸濕崩解研究中提出崩解臨界失水率大約為2%～3%。所謂巖石的失水率是指巖樣以飽和狀態(tài)的含水率為基準，含水率損失的百分數(shù)，取用失水率作為評價崩解性受失水作用的影響程度，失水率及相對失水率的計算公式如式（2）、式（3）。

式中：Wi為巖石以飽和狀態(tài)的含水率為基準的失水率（%）；Wr為巖石以飽和狀態(tài)的含水率為基準的相對失水率（%）；wsat為巖石在飽和狀態(tài)的含水率（%）；wi為巖石遇水崩解前的含水率（%）。

巖石的強度和相對失水率都是影響崩解性的主要因素，同時相對失水率對巖石的強度也有明顯的影響。試驗結果如圖3所示。

耐崩解指數(shù)與相對失水率擬合曲線表達式為

式中：Id1為一次干濕循環(huán)耐崩解性指數(shù)（%）；a、b為耐崩解指數(shù)與相對失水率的回歸參數(shù)。

點荷載強度與相對失水率擬合曲線表達式為

式中：Is(50)為點荷載強度指數(shù)（MPa）；c、d為點荷載強度指數(shù)數(shù)與相對失水率的回歸參數(shù)。

從圖3以及表2、表3中相關系數(shù)R2可知，巖石的相對失水率與耐崩解指數(shù)近似成線性負相關，與點荷載強度近似呈線性正相關。由于軟巖結構特點差異，特別是軟巖內(nèi)部結構面存在與分布情況對巖石崩解試驗結果與強度試驗結果均較大的影響，因此圖3中線性相關系數(shù)0.83以上還是比較好的。

巖石的相對失水率愈大，巖石的耐崩解性愈低；反之，相對失水率愈小，耐崩解性愈強。當含水率變化很小，接近為0時，巖石無明顯的崩解現(xiàn)象，這與實際工程中將新開挖軟巖立即浸入水中時，即使浸泡許多天仍保持原狀無明顯崩解現(xiàn)象相一致[22]。

相對失水率增加，強度增加，耐崩解性減小?？傮w上，所有巖石的強度均受相對失水率影響。相對失水率增加時，巖石的非飽和度增大，強度增長，這與非飽和巖土強度組成有基質(zhì)吸力貢獻[4-8]相吻合；強度增大率1～12倍，耐崩解指數(shù)減弱0.1～1倍。所以耐崩解性對水的敏感性弱于強度對水的敏感性。

表2 一次干濕循環(huán)耐崩解指數(shù)與相對失水率的回歸參數(shù)表Tab.2 Regression parameters table of slake-durability index and loss of relative moisture in a drying-wetting cycle

表3 點荷載強度指數(shù)與相對失水率的回歸參數(shù)表Tab.3 Regression parameter table of point load strength index and loss of relative moisture

圖3 相對失水率對耐崩解指數(shù)與點荷載強度的影響關系Fig.3 Relationship among the loss of relative moisture, slakedurability index and point load strength for weathered soft rock

巖石的耐崩解能力與巖石結構類型相關。如表4所示，中風化巖的耐崩解指數(shù)減小幅度明顯小于強風化巖，原因是中風化砂巖強度高，受相對失水率影響要弱些，于是耐崩解指數(shù)減小幅度要??；而中風化泥巖及強風化砂巖、強風化泥巖，含粘土礦物成分多或強度較低，受相對失水率影響顯著，耐崩解指數(shù)減小率要大。因此，圖3(a)中耐崩解指數(shù)降低平緩，而圖3(b)～圖3(d)中耐崩解指數(shù)降低顯著。

表4 失水程度對風化軟巖的耐崩解指數(shù)統(tǒng)計Tab.4 Slake-durability index of the weathered soft rock by the loss of relative moisture

3 結論

1）干濕循環(huán)作用和風化作用均會減弱巖石耐崩解能力。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，耐崩解度逐漸減??；巖石的風化程度越高，崩解性越強。

2）風化巖石的耐崩解指數(shù)與干燥強度成正相關，與巖石的失水率成線性負相關。巖石的強度越高，崩解性越弱；隨著失水率增加，巖石的耐崩解指數(shù)逐漸減小，而巖石強度逐漸增加。

3）巖石的耐崩解性與巖石結構類型有關，即中風化砂巖，強度高，受相對失水率影響要弱些，耐崩解指數(shù)減小幅度率要低；中風化泥巖及強風化砂巖、強風化泥巖，粘土礦物成分含量大或強度低，受相對失水率影響顯著，耐崩解指數(shù)減小幅度要大。

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Experimental research on disintegration characteristics and influence factors of the soft rock in the diversion project of water from Yangtze to Huaihe River

QUAN Quan1，LIU Yang2，CAO Xueshan2,3，LI Guowei2,3，YUAN Junping3，WU Jiantao2，ZHANG Kunyong3
(1.Anhui Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Co Ltd，Hefei，Anhui，230601，China；2. College of Civil Engineering and Transporation Engineering，Hohai University，Jiangsu Nanjing 210098，China；3. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering， Hohai University，Nanjing 210098，China)

soft rock；disintegration；point load strength；the loss of moisture；drying and wetting cycles

TU45

A

1673-9469（2017）03-0010-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.003

2017-06-22

國家重點研發(fā)計劃重點專項（2017YFC0404800）；引江濟淮試驗工程項目（20168011716）

權全（1979-），男，安徽皖壽人，工程師，主要從事渠道邊坡研究。

Absract：Experimental study on the disintegration characteristics of sandstone and mudstone is investigated based on the diversion project of water from Yangtze to Huaihe River. The disintegration characteristics of soft rock with different weathering degree under drying and wetting cycles are studied by drying-immersion static rock slaking test. At the same time, the rock slake-durability tests and point load strength test are carried out to reveal the correlation law between disintegration and strength, the loss of moisture. The results show that the effect of drying and wetting cycles and weathering could weaken the rock slake-durability; and the rock slakedurability index increases approximately linear with the point load strength and decreases approximately linear with the loss of moisture of the rock. The slake-durability of rocks is related to rock structure types.