張建升 曹雪山 額力素 李國維 吳建濤

（1.中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司 海淀 100089 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 100084 3.河海大學(xué)道路與鐵道研究所 南京 210098）

1 引言

引江濟(jì)淮工程被列為國家1號工程，號稱“安徽版南水北調(diào)工程”。為優(yōu)化指導(dǎo)引江濟(jì)淮工程全線膨脹土（巖）段渠道工程的設(shè)計(jì)，開展膨脹土（巖）研究。試驗(yàn)工程位于安徽省蜀山區(qū)小廟鎮(zhèn)，緊臨312國道。試驗(yàn)工程地質(zhì)勘察顯示，渠道下部揭露第三系（E）、白堊系（K）和侏羅系（J）的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖等。

關(guān)于泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖等的研究，已經(jīng)有了不少的成果。余宏明等研究了工作區(qū)內(nèi)紫紅色泥巖的膨脹崩解特性，認(rèn)為其具有微弱的膨脹以及沿微裂面快速崩解的特性。劉長武認(rèn)為紅層軟巖的崩解是由于軟巖中親水性較強(qiáng)的粘土礦物與水接觸后，引起礦物體積膨脹，使巖石內(nèi)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力以及部分膠結(jié)物被稀釋、軟化或溶解引起的。譚羅榮分析了國內(nèi)大量工程的軟巖崩解試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為膨脹性礦物含量對軟巖崩解有直接關(guān)系，研究還得到了粘土巖類軟弱巖層的泥化或浸水崩解的條件。Franlin和Chandra提出巖石耐崩解性試驗(yàn)方法及其對應(yīng)崩解等級的分類標(biāo)準(zhǔn)。由于工程場地所在區(qū)域氣候條件差異，巖石所處狀態(tài)不同，水分對巖石的作用也必然存在差異，進(jìn)而影響巖石的崩解性。因此，本文結(jié)合引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程，通過耐崩解性試驗(yàn)及現(xiàn)場崩解試驗(yàn)共同對該地區(qū)的基巖的崩解等級展開研究。

2 研究方法

2.1 干濕循環(huán)的耐崩解性試驗(yàn)

巖石的耐崩解性指數(shù)表征了巖石在氣候濕度變化過程中巖石強(qiáng)度軟化、結(jié)構(gòu)解體的潛在能力?，F(xiàn)行規(guī)范推薦采用干濕循環(huán)耐崩解性試驗(yàn)測試巖石的耐崩解性指數(shù)。試樣質(zhì)量為40～60g的渾圓狀巖塊，試件每組不少于10個(gè)。試驗(yàn)開始時(shí)，將試件裝入耐崩解試驗(yàn)儀的圓柱形篩筒內(nèi)，在105℃～110℃的溫度下烘干至恒量后，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱量；然后將裝有試件的篩筒放入水槽內(nèi)，向水槽注水，水位在轉(zhuǎn)動(dòng)軸下約20mm，使篩筒以20r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)10min后，將篩筒和殘留試件在105℃～110℃的溫度下烘干至恒量后，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱量，完成一個(gè)循環(huán)。通過計(jì)算二次干濕循環(huán)后殘留試件烘干質(zhì)量與原試件烘干質(zhì)量之比，計(jì)算公式如下：

式中：Id2—巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)（%）；mr—原試件烘干質(zhì)量（g）；ms—?dú)埩粼嚰娓少|(zhì)量（g）。

2.2 現(xiàn)場崩解性試驗(yàn)

浸水崩解是含粘土礦物軟巖的一個(gè)重要特性，其崩解速度與基巖的耐崩解性密切相關(guān)。現(xiàn)場崩解試驗(yàn)所用試樣取自引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程，為具有崩解性的泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖等軟巖巖芯，取樣采用現(xiàn)場鉆孔取樣法，試樣直徑5.0～9.0cm，柱長10～15cm。對于需做干燥狀態(tài)崩解性試驗(yàn)的樣品，選取合適巖芯曬干或自然風(fēng)干（3d以上）后，完全浸水，即開動(dòng)秒表開始試驗(yàn)記錄，崩解量按體積法目測估算確定，誤差應(yīng)控制在±10%以內(nèi)；對于需做天然狀態(tài)崩解性的樣品，應(yīng)防止巖芯水分散失，盡快完成試驗(yàn)過程。試驗(yàn)過程中，及時(shí)做好試驗(yàn)記錄，對于正常崩解的巖石，分別按3h、12h和24h記錄崩解量（%）；對崩解速度較快的巖石，分別記錄崩解量達(dá)50%和100%時(shí)所需時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束后，對試樣崩解性等級進(jìn)行劃分：（1）1h內(nèi)達(dá)到100%崩解的，為極強(qiáng)崩解性；（2）24h崩解量超過50%的，為強(qiáng)崩解性；（3）24h崩解量10%～50%的，為中等崩解性；（4）24h崩解量小于10%的，為弱崩解性；（5）24h崩解量小于等于3%的，為微崩解性。

3 試驗(yàn)分析

3.1 干濕循環(huán)的耐崩解指數(shù)及其分類

巖石的二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)Id2是通過規(guī)范推薦的干濕循環(huán)的耐崩解試驗(yàn)方法確定的，根據(jù)1972年由Franlin和Chandra提出的巖石分類標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Id2場小于25%時(shí)，其耐崩解性很低。當(dāng)?shù)貎?nèi)紅層軟巖耐崩解試驗(yàn)測試成果顯示其0≤Id2≤2.28%，其耐崩解性很低，說明工程存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

表1 巖芯初始狀態(tài)下現(xiàn)場崩解性試驗(yàn)表

表2 巖芯風(fēng)干狀態(tài)下現(xiàn)場崩解性試驗(yàn)表

3.2 現(xiàn)場崩解性試驗(yàn)

巖芯初始狀態(tài)下現(xiàn)場崩解性試驗(yàn)結(jié)果表明見表1，初始狀態(tài)下基巖崩解等級一般為微，僅有1個(gè)粉砂巖試樣為中等。巖芯風(fēng)干3d狀態(tài)下現(xiàn)場崩解性試驗(yàn)結(jié)果表明見表2，風(fēng)干狀態(tài)下基巖的崩解性等級為“強(qiáng)”的有7段次，占53.8%，各種巖類均有；崩解性等級為“中等”的有4段次，占30.8%，均為粉砂巖；崩解性等級為“弱”的有2段次，占15.4%，均為粉砂巖。由此可知：（1）巖石風(fēng)干狀態(tài)的崩解性遠(yuǎn)強(qiáng)于初始狀態(tài)；（2）由于場地內(nèi)粉砂巖樣較多，泥巖或泥質(zhì)粉砂巖偏少，粉砂巖的崩解性具有一定的分散性。

4 討論

干濕循環(huán)的耐崩解試驗(yàn)與現(xiàn)場崩解性試驗(yàn)的結(jié)果差異較大。干濕循環(huán)的耐崩解試驗(yàn)所確定的二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)Id2均小于2.5%，說明工程存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。但是現(xiàn)場崩解性試驗(yàn)顯示，基巖初始含水狀態(tài)下微—偏中崩解，大部分試驗(yàn)顯示24h內(nèi)崩解量為零，而風(fēng)干3d后，崩解性顯著增加，達(dá)到中等—強(qiáng)崩解，崩解率100%。對此，需要作進(jìn)一步的討論。

4.1 粘土礦物含量

粘土礦物膨脹是導(dǎo)致巖石崩解的內(nèi)在因素。Moriwaki、劉長武等認(rèn)為紅層軟巖的崩解是由于軟巖中親水性較強(qiáng)的粘土礦物與水接觸后，引起礦物體積膨脹，使巖石內(nèi)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力以及部分膠結(jié)物被稀釋、軟化或溶解引起的。表3顯示，在粉砂巖及泥巖中粘土礦物含量很高，粉砂巖大于30%，泥巖大于52%。初始狀態(tài)時(shí)泥巖因粘聚力大，崩解等級低，當(dāng)經(jīng)歷風(fēng)干失水后，泥巖的崩解性比粉砂巖要?jiǎng)×业枚唷?/p>

4.2 易溶鹽含量

易溶鹽溶解導(dǎo)致崩解。Kayabali等研究崩解過程中水溶液的pH值效應(yīng)及巖石表面形態(tài)變化。泥巖離子含量合計(jì)約313 mg/kg，粉砂巖約295 mg/kg，泥巖中易溶鹽含量比粉砂巖要高。巖體中的易溶鹽含量高，當(dāng)鹽分遇水溶解形成微孔洞，膠結(jié)強(qiáng)度減弱，也會(huì)進(jìn)一步增大巖體的崩解性。

4.3 失水率對崩解性影響

Gamble指出引起巖石崩解的主要原因是由于巖石含水量的變化?；鶐r崩解與含水率變化關(guān)系密切。泥巖的耐崩解指數(shù)與失水率關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，巖石的失水率與耐崩解指數(shù)近似成線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。巖石的失水率愈大，巖石的耐崩解性愈低；反之，失水率愈小，耐崩解性愈強(qiáng)。由此可推論，當(dāng)含水率變化很小時(shí)，接近為零，巖石無崩解性，這與初始狀態(tài)下鉆芯軟巖失水率少或基本不失水，浸水后無崩解或弱崩解現(xiàn)象一致。而風(fēng)干3d后失水率較大，崩解增加。對耐崩解性試驗(yàn)，試樣烘干，完全失水，崩解程度更高。這就是崩解差異的原因。

表3 軟巖礦物成分表

圖1 泥巖的耐崩解指數(shù)與失水率的關(guān)系圖

綜上，影響巖石崩解性的因素很多，粘土礦物含量、易溶鹽含量是巖石崩解的內(nèi)在因素，而場地氣候條件的水分變化是巖石崩解的誘發(fā)因素，具有重要的影響。因此，盡管現(xiàn)場基巖耐久性很低，易產(chǎn)生安全隱患，但現(xiàn)場崩解試驗(yàn)成果表明，只要在具體工程中采取工程措施維持巖石穩(wěn)定的水分，就能降低巖石的崩解等級，進(jìn)而減弱甚至消除巖石崩解所帶來的工程隱患。

5 軟巖崩解處理措施

5.1 施工措施

在河道開挖過程中，軟巖出露失水，渠水、雨水將浸泡、沖刷巖體，逐漸會(huì)使其軟化崩解，因此開挖過程建議預(yù)留保護(hù)層開挖，預(yù)防建基面巖石表面崩解；同時(shí)當(dāng)開挖至建基面后，應(yīng)及時(shí)噴護(hù)混凝土保護(hù)建基面，防止巖石水分蒸發(fā)。

5.2 設(shè)計(jì)防護(hù)措施

考慮河道運(yùn)行過程，由于渠水位的上下波動(dòng)及船行波的作用，引發(fā)崩解性巖石水分損失，導(dǎo)致軟化崩解，使巖體逐漸脫離母巖，產(chǎn)生“脫皮剝落”現(xiàn)象，久而久之，可能會(huì)掏空坡腳，造成邊坡失穩(wěn)。因此，對水位變動(dòng)區(qū)崩解性軟巖采用鋼筋混凝土面板護(hù)砌進(jìn)行防護(hù)。

6 結(jié)論

（1）確定了現(xiàn)場崩解試驗(yàn)的方法及崩解等級劃分標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場崩解實(shí)驗(yàn)等級劃分考慮了現(xiàn)場水分作用條件，具有更強(qiáng)的工程針對性。

（2）崩解試驗(yàn)方法不同，所測試的崩解等級也不同。耐崩解性試驗(yàn)結(jié)果顯示，場地紅層軟巖的耐崩解性指數(shù)很低，初始狀態(tài)的基巖崩解很弱，風(fēng)干后崩解等級達(dá)到中—強(qiáng)。

（3）確定了崩解等級差異的原因。場地基巖的粘土礦物含量大是強(qiáng)崩解的物質(zhì)基礎(chǔ)；易溶鹽含量高是加劇基巖崩解的重要原因；而失水率不同是試驗(yàn)結(jié)果差異的根本原因。

（4）提出了設(shè)計(jì)施工措施。針對基巖崩解較強(qiáng)的場地，提出處理預(yù)留保護(hù)層的開挖施工措施，噴護(hù)混凝土及鋼筋混凝土面板襯砌的設(shè)計(jì)措施