李 峰 曹雪山 額力素 李國維 吳建濤

（1.安徽省投資控股集團(tuán)有限公司 安慶 246000 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 210098 3.河海大學(xué)道路與鐵道研究所 南京 210098）

1 引言

崩解特性對(duì)泥質(zhì)軟巖邊坡穩(wěn)定具有重要影響。在目前的工程設(shè)計(jì)中，強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律對(duì)邊坡設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定至關(guān)重要。一般描述巖石的強(qiáng)度參數(shù)可用新鮮巖石試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度表征。盡管巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度的使用已經(jīng)很普遍，但在實(shí)際工程應(yīng)用中仍有一些問題，如點(diǎn)荷載強(qiáng)度由新鮮巖石試樣測(cè)試而得，但其變化很大。現(xiàn)有成果多數(shù)為關(guān)于軟巖的崩解和強(qiáng)度受含水率變化影響的研究，少有涉及研究崩解與強(qiáng)度關(guān)系，未見對(duì)崩解、強(qiáng)度與含水率系統(tǒng)研究的成果。因此本文依托引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程，通過耐崩解性試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)，分析巖石的耐崩解指數(shù)隨含水率的變化規(guī)律、點(diǎn)荷載強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律，進(jìn)而確定耐崩解指數(shù)與點(diǎn)荷載強(qiáng)度的關(guān)系。研究成果為泥質(zhì)軟巖邊坡設(shè)計(jì)提供了新的思路。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

引江濟(jì)淮工程被列為國家1號(hào)工程，號(hào)稱“安徽版南水北調(diào)工程”。為指導(dǎo)優(yōu)化引江濟(jì)淮工程膨脹土（巖）段河道工程的設(shè)計(jì)，開展試驗(yàn)工程膨脹土（巖）項(xiàng)目研究意義重大。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)工程河道全長(zhǎng)1.5km，地質(zhì)勘察顯示，河道下部揭露的是白堊系（K）的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。試驗(yàn)選取試驗(yàn)工程場(chǎng)地的4種代表性軟巖：中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化泥巖，強(qiáng)風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖。取樣深度為距河岸頂部以下10～17m，出露于河岸一級(jí)坡中位置。

結(jié)合X衍射分析，發(fā)現(xiàn)砂巖中蒙脫石含量明顯比泥巖要少，蒙脫石含量9.43%，而泥巖在20.12%，根據(jù)《巖石與巖體鑒定和描述標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 239-2008）6.2.5 規(guī)定，該工程中砂巖具有非膨脹勢(shì)，泥巖具有弱(中)膨脹勢(shì)，這與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(duì)應(yīng)。軟巖含鐵質(zhì)氧化物1.77%～3%而呈暗紅色、紫紅色。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 耐崩解試驗(yàn)

根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（GBT 50266-2013）的試驗(yàn)方法，耐崩解試驗(yàn)測(cè)定一、二次循環(huán)耐崩解指數(shù)。試驗(yàn)步驟為：①制樣。中風(fēng)化砂巖、泥巖，強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖等4種巖樣各1組，試件10個(gè)，試件規(guī)格為40～60g，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℃的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)。將裝有試件的篩筒放在水槽內(nèi)，向水槽內(nèi)注入純水使水位在轉(zhuǎn)動(dòng)軸下約20mm，開動(dòng)耐崩解儀，以20r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，10min后將篩筒和殘留試件在105℃～110℃的溫度下再烘干，直至恒量后在干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱量，即為耐崩解試驗(yàn)中一次干濕循環(huán)過程。

不同失水率下的耐崩解試驗(yàn)是為研究不同風(fēng)化巖失水率對(duì)崩解性的影響。巖樣從飽和含水率依次分梯度2%～3%進(jìn)行遞減。每一失水率下的試樣個(gè)數(shù)為10個(gè)，測(cè)定各組失水率下一次循環(huán)的耐崩解指數(shù)。

2.2.2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)

不同失水率下的點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣制作與不同失水率下的耐崩解試驗(yàn)相同。對(duì)4種巖石各取4組，每組試件個(gè)數(shù)為10，采用磨石機(jī)和切土刀制成直徑50mm，高度50mm的圓柱樣。試驗(yàn)結(jié)果可揭示點(diǎn)荷強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 含水率變化對(duì)軟巖耐崩解能力的影響

所謂巖石的失水率是初始狀態(tài)的含水率與巖石含水率之差值，崩解臨界失水率的物理意義是當(dāng)失水率大于臨界失水率時(shí)便開始崩解。為了理解失水率對(duì)軟巖耐崩解能力的影響，本文確定了失水率及相對(duì)失水率的計(jì)算公式，如式（1）、式（2）。

再后來的我，半夜躺在床上鬧著胃病，就算心里想著那些年的炸串兒想得直流口水，也不能沖動(dòng)起身披上衣服揣上鑰匙出門去好好吃上一頓，因?yàn)槲咐狭?，受不了折騰了。

圖1 耐崩解性指數(shù)與相對(duì)失水率的關(guān)系圖

圖2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度與相對(duì)失水率的關(guān)系圖

圖3 干燥泥巖、砂巖的點(diǎn)荷載強(qiáng)與耐崩解指數(shù)關(guān)系圖

式中：

Wl—巖石以初始狀態(tài)的含水率為基準(zhǔn)的失水率（%）；

Wr—巖石以初始狀態(tài)的含水率為基準(zhǔn)的相對(duì)失水率（%）；

w0—巖石在初始狀態(tài)的含水率（%）；

wi—巖石遇水崩解前的含水率（%）。

圖1為巖石耐崩解性指數(shù)與相對(duì)失水率的關(guān)系，這反映了不同失水率時(shí)軟巖所具有的耐崩解能力。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，耐崩解指數(shù)與相對(duì)失水率擬合曲線表達(dá)式為：

式中：Id—一次干濕循環(huán)耐崩解性指數(shù)（%）；

研究認(rèn)為膨脹紅砂巖膨脹力隨吸水率增大而增大。軟巖的失水率愈大，浸水后吸水率也愈大，膨脹力愈大，產(chǎn)生的表面自由能愈大，最后導(dǎo)致的崩解程度愈大，相應(yīng)的耐崩解指數(shù)愈小，相對(duì)失水率與耐崩解性指數(shù)近似成線性負(fù)相關(guān)（如圖1所示）。并且，風(fēng)化程度愈強(qiáng)烈，耐崩解性指數(shù)因失水效應(yīng)而降低愈劇烈。

巖石耐崩解性能力與巖石狀態(tài)相關(guān)。開挖揭露前巖石處于“原狀”的飽和狀態(tài)，初始含水率即為飽和含水率，此時(shí)巖石不會(huì)崩解；開挖揭露后，即使無失水作用，保持初始含水率不變，但仍有卸荷回彈變形，引發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)效應(yīng)，改變巖石狀態(tài)，相應(yīng)的飽和含水率也發(fā)生改變，進(jìn)而引起不同程度的崩解。對(duì)于強(qiáng)度高，抵抗卸荷回彈變形能力大的巖石，例如圖1的中風(fēng)化泥巖，由于擾動(dòng)效應(yīng)小，遇水后保持耐崩解性指數(shù)高，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。將此巖原狀樣放在水中浸泡時(shí)間接近2年也不崩解。然而，對(duì)強(qiáng)度低、抵抗卸荷回彈變形能力弱的巖石，由于擾動(dòng)效應(yīng)大，即使不失水，遇水后仍有崩解產(chǎn)生。如圖1所示的中風(fēng)化砂，因含砂粒含量豐富，砂粒鑲嵌在泥質(zhì)膠結(jié)物上，削弱了泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)增大巖石的孔隙率；強(qiáng)風(fēng)化砂巖與強(qiáng)風(fēng)化泥巖的強(qiáng)度不高，所以這三種巖石即使無失水作用，仍存在一定崩解能力；并且中風(fēng)化砂巖的耐崩解性指數(shù)明顯大于強(qiáng)風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化泥巖。

3.2 含水率變化對(duì)巖石強(qiáng)度的影響

軟巖強(qiáng)度受含水率影響很大，圖2表示了不同巖樣的相對(duì)失水率與點(diǎn)荷載強(qiáng)度關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果。點(diǎn)荷載強(qiáng)度與相對(duì)失水率擬合曲線表達(dá)式為：

式中：

Is（s0）—點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)，MPa ；

c，d—點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)與相對(duì)失水率的回歸參數(shù)。

由圖2可知：（1）相對(duì)失水率愈大，點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)愈大。根據(jù)非飽和土力學(xué)理論，含水率愈低，土體中吸力愈大，強(qiáng)度愈高。（2）巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與相對(duì)失水率成線性正相關(guān)。本文認(rèn)為軟巖的點(diǎn)荷載強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與相對(duì)含水率呈直線關(guān)系，相關(guān)性更佳，強(qiáng)風(fēng)化巖相關(guān)性比中風(fēng)化巖要好。（3）相對(duì)含水率對(duì)點(diǎn)荷載強(qiáng)度影響程度分析。強(qiáng)風(fēng)化巖較中風(fēng)化巖受失水影響更明顯，砂巖較泥巖受失水影響更明顯，而巖樣的強(qiáng)度值受其初始含水率的影響。埋藏于地下深處的泥質(zhì)巖因水文地質(zhì)條件復(fù)雜，含水率變化差異大，開挖揭露后表現(xiàn)的強(qiáng)度必然差異很大，進(jìn)而增加了軟巖強(qiáng)度取值的復(fù)雜性。

3.3 軟巖強(qiáng)度對(duì)崩解性的影響

受軟巖含水率的影響，耐崩解性指數(shù)及強(qiáng)度取值難度加大，變化規(guī)律復(fù)雜。為此，考慮規(guī)范二次干濕循環(huán)耐崩解性指數(shù)反映的是二次烘干～浸水循環(huán)后巖樣所具有的耐崩解能力，于是強(qiáng)度也取烘干狀態(tài)值，以消除巖樣含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。規(guī)范二次干濕循環(huán)耐崩解性指數(shù)與干燥巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)的關(guān)系如圖3所示，可知：

（1）強(qiáng)度愈高，耐崩解能力愈大。耐崩解性指數(shù)反映的是巖樣對(duì)水的敏感，吸水后膨脹并釋放較大的表面自由能；而強(qiáng)度高的巖樣顆粒連接相對(duì)緊密，抵抗外界環(huán)境的擾動(dòng)能力相對(duì)強(qiáng)，可抑制膨脹效應(yīng)，削弱表面自由能，從而增大巖樣的耐崩解能力。即對(duì)粉砂質(zhì)板巖、板巖、粉砂巖的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示干燥單軸抗壓強(qiáng)度或飽和抗壓強(qiáng)度愈高，耐崩解性指數(shù)愈小。

（2）干燥風(fēng)化巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與二次干濕循環(huán)耐崩解指數(shù)近似成線性正相關(guān)。本文提出了干燥風(fēng)化巖樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，消除了含水率對(duì)強(qiáng)度的影響，減少強(qiáng)度的分散性，通過數(shù)據(jù)擬合，確定線性相關(guān)系數(shù)R2大于0.92。

4 結(jié)論

（1）揭示了巖樣的耐崩解性指數(shù)隨含水率而變化規(guī)律。相對(duì)失水率愈大，耐崩解性指數(shù)愈小；巖石的相對(duì)失水率與耐崩解指數(shù)近似成線性負(fù)相關(guān)；引發(fā)巖石產(chǎn)生崩解的臨界失水率與巖石狀態(tài)密切相關(guān)。

（2）揭示了巖樣的強(qiáng)度隨含水率而變化規(guī)律。相對(duì)失水率愈大，巖樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度愈高；巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與相對(duì)失水率近似成線性正相關(guān)。但巖樣的強(qiáng)度值還受其初始含水率的影響。埋藏于地下深處的泥質(zhì)巖因水文地質(zhì)條件復(fù)雜，初始含水率變化差異大，開挖揭露后表現(xiàn)的強(qiáng)度必然差異很大，進(jìn)而增加了軟巖強(qiáng)度取值的復(fù)雜性。

（3）揭示了巖石的耐崩解能力隨巖石強(qiáng)度的變化規(guī)律。巖樣的強(qiáng)度愈高，耐崩解能力愈大；干燥風(fēng)化巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與二次干濕循環(huán)耐崩解指數(shù)近似成線性正相關(guān)■