田巍巍
(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆烏魯木齊 830091)
在水利、隧道等工程實踐中經(jīng)常會遇到軟巖邊坡的問題,尤其是巖體崩解破壞時常發(fā)生。在天然情況下巖體很少有崩解,但是經(jīng)過干濕循環(huán)變化或者經(jīng)風化等外部環(huán)境發(fā)生了變化就容易引起巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物成分發(fā)生改變,進而巖體發(fā)生崩解[1]。
通過前人研究發(fā)現(xiàn),軟巖的崩解性主要是在外部環(huán)境和內(nèi)部崩解機制共同作用下發(fā)生。蘇永華(2005)、曹運江(2006)、吳道祥(2010)等[2-4]通過室內(nèi)崩解性試驗發(fā)現(xiàn),軟巖浸水后所表現(xiàn)出來的不同崩解特征與軟巖的成因、成分以及膠結(jié)狀態(tài)密切相關(guān)。他們認為影響軟巖崩解性大小的因素主要有伊利石、高嶺石、蒙脫石等黏土礦物含量的多少,含量越多崩解性就明顯較大;泥質(zhì)膠結(jié)物崩解性較高,鈣質(zhì)膠結(jié)物崩解性較弱。通常情況下,泥巖主要為泥狀結(jié)構(gòu)其崩解性較強,粒狀碎屑結(jié)構(gòu)的砂巖崩解性能較弱,這與它們泥化物含量的多少有關(guān)。曹運江(2006)[4]發(fā)現(xiàn)軟巖泥質(zhì)含量的多寡影響其崩解性,即泥質(zhì)含量越多崩解性就越好,崩解速度也就越快;劉長武等(2000)[5]利用電子掃描鏡進一步的研究泥巖遇水崩解軟化的機理,從掃描圖上可以看出泥巖遇水崩解前后內(nèi)部結(jié)構(gòu)及空隙的變化,即空隙體積和孔隙度減少,而空隙表面積增加了,從而泥巖遇水出現(xiàn)膨脹崩解。黃國展(1998)[6]對那吉水利樞紐壩基第三系軟巖進行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)泥巖濕化后易崩解,在空間暴露后失水極易干裂,遇水易軟化崩解。
在風化作用下,對軟巖的崩解性研究較少。因此將通過干濕環(huán)境的變化,來分析不同風化程度下泥質(zhì)粉砂巖的崩解特性及其變化規(guī)律,對今后軟巖工程特性的研究及邊坡工程的防護將具有重要意義。
取不同風化程度的泥質(zhì)粉砂巖進行了鏡下薄片觀測,巖石為泥質(zhì)粉砂狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,其礦物成分主要有碎屑物質(zhì)和黏土礦物組成,不同風化程度的巖石顆粒組見表1。
表1 不同風化程度的巖石顆粒組成
從表1可以看出,微-新鮮巖石的細砂屑d=0.06~0.2 mm,占5%,粉砂屑 d=0.06~0.005 mm占60%,泥質(zhì)物d<0.005 mm占35%。隨著風化程度的加重,粉砂屑有所下降,細砂屑含量極少,泥質(zhì)物含量隨著風化程度的加劇而增加,泥質(zhì)程度增高。
黏土礦物主要有伊利石,其次為蒙脫石、高嶺石。通過電子顯微鏡和X射線衍射看出,伊利石占50%~60%,蒙脫石占10%左右,高嶺石占10%~20%,長石、石英占了15%左右。
試驗是在參照SL264-2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》及前人試驗研究方法的基礎(chǔ)上,對工程軟巖進行室內(nèi)干濕浸水試驗研究。
試驗取強風化、弱風化、微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖渾圓狀天然巖塊試樣各20塊,每塊重40~60 g。試件用105~110℃的恒溫烘干到恒量后,在干燥器內(nèi)冷卻至室溫并稱量。在每個鋁盒內(nèi)放置一塊試樣,注清水至淹沒試樣,觀察記錄崩解情況。第一次烘干浸水循環(huán)后,進行級配為5 mm、2 mm、0.5 mm、0.25 mm篩分試驗,對粒徑大于2 mm的崩解物重復做下一次的循環(huán)試驗直至穩(wěn)定。計算巖石的耐崩解性指數(shù)。試驗結(jié)果如表2~表4所示。
表2 強風化泥質(zhì)粉砂巖室內(nèi)浸水試驗結(jié)果表
表3 弱風化泥質(zhì)粉砂巖室內(nèi)浸水試驗結(jié)果表
表4 微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖室內(nèi)浸水試驗結(jié)果表
室內(nèi)浸水崩解試驗下,微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖在首次循環(huán)時基本沒有崩解發(fā)生,在第二次循環(huán)后開始出現(xiàn)裂紋,水中有少量粉細砂和泥質(zhì)物,第三次循環(huán)后基本穩(wěn)定??梢娢?新鮮泥質(zhì)粉砂巖崩解性較小,其耐崩解性指數(shù)Id為93.1;弱風化泥質(zhì)粉砂巖第一次循環(huán)出現(xiàn)細微的崩解,第二次循環(huán)后開始加速崩解,到第五次循環(huán)后崩解成顆粒狀、細粒狀和泥狀,小于0.25 mm的粉細砂沉積變多,大于2 mm的顆粒主要是云母、石英、細小的礫石,耐崩解性指數(shù)Id為75.2;強風化泥質(zhì)粉砂巖在第一次干濕循環(huán)后就出現(xiàn)較大的崩解,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,大于5 mm的顆粒崩解很快,小于0.25 mm的粉細砂也迅速增加,到第四次循環(huán)時基本完全崩解成顆粒狀、細粒狀和泥狀,大于2 mm的顆粒主要是云母、石英、細小的礫石,耐崩解性指數(shù)Id為64.3。
為了更好的分析巖石顆粒含量的變化規(guī)律,對不同風化程度的泥質(zhì)粉砂巖進行對比,結(jié)果表如圖1~圖5。
圖1 粒徑大于5 mm顆粒含量變化曲線
圖2 粒徑2~5 mm顆粒含量變化曲線
圖3 粒徑0.5~2 mm顆粒含量變化曲線圖
圖4 粒徑0.25~0.5 mm顆粒含量變化曲線
圖5 粒徑小于0.25 mm顆粒含量變化曲線
從圖1中可以看出,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,不同風化程度的泥質(zhì)粉砂巖粒徑大于5 mm的顆粒含量都呈現(xiàn)下降的趨勢,強風化和弱風化泥質(zhì)粉砂巖下降較快,微-新鮮的下降緩慢。這是由于微-新鮮的巖石崩解性較弱,強風化泥質(zhì)粉砂巖崩解性較強,所以其顆粒含量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐步增加,呈現(xiàn)出下降的趨勢。圖2~圖5中發(fā)現(xiàn)不同風化程度的泥質(zhì)粉砂巖隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,不同粒徑的顆粒含量變化趨勢相同,都呈現(xiàn)出上升的趨勢。但是微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖的顆粒含量增長較慢且含量較低,2~5 mm和小于0.25 mm的粒徑的顆粒居多。從圖2和圖5還可以看出弱風化的顆粒含量高于強風化的顆粒含量,更高于微-新鮮的顆粒含量。這是由于強風化泥質(zhì)粉砂巖的崩解性較高且崩解速度較快,增加了小于0.25 mm的顆粒含量,而弱風化泥質(zhì)粉砂巖和微-新鮮泥質(zhì)粉砂巖崩解性較小,2~5 mm的顆粒含量也就增加了。
泥質(zhì)粉砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)物,主要成分為比表面積大、具有很強吸水性的黏土礦物,浸水后水分子容易被吸引,加之泥質(zhì)粉砂巖為孔隙式膠結(jié),為水浸入巖石提供了通道。泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)的伊利石、蒙脫石、高嶺石等粘土礦物顆粒較小,親水性強,當水進入巖石的孔隙時,就會在通道內(nèi)運動,引起巖石的膨脹、軟化、崩解。同時細小巖粒的吸附水膜增厚,也加劇了巖石崩解。
此外,泥質(zhì)粉砂巖含有的碎屑物質(zhì)主要為粉砂屑,透水性較強,巖石在干燥時候失水較快,引起巖體表面收縮開裂,進而出現(xiàn)崩解,并以剝離的形式出現(xiàn)。
因此,礦物成分含量、膠結(jié)物類型等對軟巖崩解性能影響較大,風化作用對泥質(zhì)粉砂巖的崩解性能也存在很大的影響。
1)通過崩解性試驗研究,發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)干濕浸水狀態(tài)下,干濕環(huán)境對泥質(zhì)粉砂的崩解性有很大的影響,而風化作用一定程度上促進了泥質(zhì)粉砂巖的崩解。不同風化程度的泥質(zhì)粉砂巖,循環(huán)崩解后不同粒徑的含量都成呈上升趨勢,但是強風化泥質(zhì)粉砂巖崩解量均高于風化程度較輕的巖石。
2)風化作用促進了粘土礦物含量的增加,改變了原有結(jié)構(gòu),加速了軟巖的崩解。
3)對于泥質(zhì)粉砂巖等巖性的軟巖,應(yīng)采取一定防護的措施,避免風化和降雨的侵蝕,有助于降低軟巖的崩解。本文對微觀崩解機制研究還存在一定的不足,需進一步深入的分析。