陽(yáng)個(gè)小　張黎明　莫鵬　駱俊暉

摘要：廣西分布大量炭質(zhì)泥巖，邊坡開挖出露后在風(fēng)化浸水的作用下易軟化導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。為分析風(fēng)化浸水作用下炭質(zhì)泥巖軟化效應(yīng)，文章以巴馬至平果高速公路沿線的炭質(zhì)泥巖為研究對(duì)象，采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)方法測(cè)定風(fēng)化浸水軟化后巖樣的強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)X射線衍射試驗(yàn)（XRD），分析總有機(jī)質(zhì)炭含量，進(jìn)行不同TOC含量浸水試驗(yàn)，研究TOC含量與強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)果表明：炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度隨風(fēng)化時(shí)間增加而下降，強(qiáng)度下降過(guò)程分為三個(gè)階段，即加速期、急劇下降期、平緩期;通過(guò)XRD分析炭質(zhì)巖礦物成分，TOC總有機(jī)質(zhì)炭含量為0.998%～6.706%，不同TOC含量炭質(zhì)泥巖吸水特性不同，軟化速率不同，TOC含量高的炭質(zhì)泥巖吸水速率、軟化速率更快，TOC、浸水時(shí)長(zhǎng)與強(qiáng)度軟化呈較好的正向相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：炭質(zhì)泥巖;點(diǎn)荷載試驗(yàn);浸水軟化;TOC含量;XRD試驗(yàn)

中國(guó)分類號(hào)：U416.03文章標(biāo)識(shí)碼：A110423

0 引言

炭質(zhì)巖可分為炭質(zhì)泥巖、頁(yè)巖及灰?guī)r，性質(zhì)易受環(huán)境的影響，具有浸水軟化、碎裂崩解、裸露風(fēng)化等性質(zhì)，對(duì)工程建設(shè)影響較大[1]。炭質(zhì)巖邊坡崩塌是一項(xiàng)極易發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，且炭質(zhì)巖在廣西大范圍的存在，廣西區(qū)內(nèi)多條在建或擬建重要公路都有穿過(guò)炭質(zhì)巖區(qū)[2]，因此需要對(duì)開挖出露后的炭質(zhì)巖浸水軟化效應(yīng)進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)其強(qiáng)度，及時(shí)采取合理措施進(jìn)行防治。

郭延輝等[3]對(duì)南部礦山炭質(zhì)千枚巖進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明炭質(zhì)千枚巖屬于中膨脹性軟巖，具有較強(qiáng)的吸水性、易軟化和崩解破壞。劉卓華等[4]對(duì)廣西地區(qū)隧道炭質(zhì)圍巖位移、滲壓等失穩(wěn)特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用Singh-Mithel模型對(duì)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行研究，分析炭質(zhì)巖的破壞蠕變特性，并預(yù)測(cè)車輛通行對(duì)炭質(zhì)圍巖隧道的影響。劉欽等[5]取炭質(zhì)軟弱隧道圍巖試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，通過(guò)炭質(zhì)巖應(yīng)變軟化蠕變模型構(gòu)建本構(gòu)方程，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析軟弱炭質(zhì)巖的穩(wěn)定性。劉林潔等[6]通過(guò)對(duì)炭質(zhì)泥巖不同浸水時(shí)長(zhǎng)的抗壓和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，得出炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度隨著浸泡時(shí)長(zhǎng)增多而急劇下降的結(jié)論，并以貴州某填土方邊坡為例分析炭質(zhì)泥巖樣浸水軟化特性。曾鈴等[7]采用三軸CT試驗(yàn)對(duì)炭質(zhì)泥巖的細(xì)觀應(yīng)力變形及損傷演化規(guī)律進(jìn)行研究，為進(jìn)一步深入分析炭質(zhì)泥巖物理力學(xué)特性提供了新的方法。戴毅[8]基于炭質(zhì)泥巖軟弱夾層試樣軟化機(jī)理展開室內(nèi)試驗(yàn)，研究驗(yàn)證了炭質(zhì)泥巖軟弱夾層的蠕變特性對(duì)邊坡穩(wěn)定具有較大影響。Ganesh等[9]通過(guò)試驗(yàn)揭示了礦物學(xué)特征與沉積巖及火成碎屑巖耐崩解特性的內(nèi)在聯(lián)系。

炭質(zhì)泥巖在開挖出露后，遇水風(fēng)化效應(yīng)明顯，是造成邊坡災(zāi)變的關(guān)鍵因素。TOC含量是炭質(zhì)泥巖軟化關(guān)鍵因素，現(xiàn)有對(duì)于炭質(zhì)泥巖的不同TOC含量浸水軟化力學(xué)性能尚未見研究。本文通過(guò)XRD試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)，分析討論炭質(zhì)泥巖不同風(fēng)化時(shí)長(zhǎng)、不同TOC含量浸水時(shí)長(zhǎng)軟化效應(yīng)。

1 炭質(zhì)泥巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

由于炭質(zhì)泥巖浸水易軟化、崩解，對(duì)在其分布地區(qū)進(jìn)行的工程影響巨大，其自身特性難以制成標(biāo)準(zhǔn)巖石抗壓樣[10]。因此針對(duì)炭質(zhì)泥巖開展點(diǎn)荷載試驗(yàn)，基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)對(duì)炭質(zhì)泥巖的風(fēng)化和浸水軟化特性進(jìn)行了分析與研究。試驗(yàn)主要選用STDZ-3型巖石點(diǎn)荷載儀，由加載系統(tǒng)和壓力傳感器組成，壓力傳感器的最大量程為100 kN。

首先用游標(biāo)卡尺測(cè)量記錄過(guò)試件中心點(diǎn)的最小截面的寬度。然后將試件放入點(diǎn)荷載儀圓錐狀壓板與可移動(dòng)底板之間，使試件與點(diǎn)荷載儀兩端緊密接觸。試件安裝后，將壓力傳感器歸零，并按下測(cè)量按鈕，以10～60 s內(nèi)能使試件破壞的加荷速度勻速加荷，直到試件破壞，記下壓力傳感器顯示的峰值壓力。巖石破壞后，測(cè)量并記錄巖石破壞面加載點(diǎn)之間的間距D。每個(gè)巖石樣進(jìn)行5組試驗(yàn)。由于試驗(yàn)所選樣品數(shù)量有限，試驗(yàn)去掉每組測(cè)試的3組最高和最低值，計(jì)算其平均值，作為該組巖石的點(diǎn)荷載測(cè)試值。

1.2 炭質(zhì)泥巖試樣制備

對(duì)廣西巴馬至平果高速公路K42+200段炭質(zhì)泥巖邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，將取回的大塊巖石樣加工成如圖1所示試塊，并且使每個(gè)試樣的質(zhì)量控制在40～60 g，長(zhǎng)度與寬度在2∶1左右，每組試樣的數(shù)量在20個(gè)以上。為研究TOC含量對(duì)炭質(zhì)泥巖吸水的影響。將巖石樣進(jìn)行XRD分析，分析其炭含量，得到巴平路炭質(zhì)巖的TOC含量范圍在0.998%～6.706%。

1.3 試驗(yàn)方案

為研究炭質(zhì)泥巖風(fēng)化時(shí)長(zhǎng)對(duì)強(qiáng)度的影響，分別取現(xiàn)場(chǎng)開挖出露后風(fēng)化0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d的巖樣進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取20個(gè)巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，去掉3個(gè)最高值、3個(gè)最低值，其余試驗(yàn)值取平均值，換算得到不同風(fēng)化程度下的炭質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度。分別對(duì)大塊完整的巖石進(jìn)行取樣，采用XRD分析巖石的TOC含量，分別取典型TOC含量為0.998%、2.456%、6.706%的大塊巖石加工成試驗(yàn)用的試樣，對(duì)不同TOC含量的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行浸水試驗(yàn)，浸水時(shí)長(zhǎng)0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d，記錄炭質(zhì)泥巖各個(gè)時(shí)段吸水率，將浸水后的試樣進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，分析其TOC含量與吸水特性和強(qiáng)度的關(guān)系。

2 軟化效應(yīng)分析

2.1 不同風(fēng)化程度炭質(zhì)泥巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度

將開挖出露后不同風(fēng)化時(shí)長(zhǎng)下巖石進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，得到的強(qiáng)度參數(shù)如圖2所示。

炭質(zhì)泥巖開挖出露后，在自然風(fēng)化作用下，總體上炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度隨出露時(shí)間增加而下降，強(qiáng)度下降過(guò)程分為三個(gè)階段：（1）在開挖出露后1～2 d，強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降速率較緩，主要是開挖后巖面結(jié)構(gòu)密實(shí)，水分等進(jìn)入較少，軟化速率較慢;（2）出露2～15 d，強(qiáng)度下降曲線斜率變大，強(qiáng)度快速下降，這一階段的巖石表面結(jié)構(gòu)開始劣化，產(chǎn)生許多新的微孔隙，水分向巖體內(nèi)部遷移作用明顯，加速?gòu)?qiáng)度下降;（3）出露15～30 d，強(qiáng)度下降趨勢(shì)放緩，曲率慢慢變得平直。

2.2 不同TOC含量炭質(zhì)泥巖吸水特性

將不同TOC含量的炭質(zhì)泥巖浸水0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d，浸水后的巖石吸水速率如下頁(yè)圖3所示。

由圖3可知，隨著TOC含量增加，炭質(zhì)泥巖吸水率增加，吸水速率與TOC含量呈現(xiàn)正相關(guān)性，TOC含量越高，在短時(shí)間內(nèi)吸水率上升越快，隨后達(dá)到峰值;隨著TOC含量的增加，吸水率峰值越高，且峰值出現(xiàn)越晚，6.706%TOC含量下，吸水率在13 d趨于平緩，TOC含量與炭質(zhì)泥巖的最終吸水率及吸水速度呈現(xiàn)正相關(guān)性。

2.3 不同TOC含量下炭質(zhì)泥巖浸水后力學(xué)強(qiáng)度

將不同TOC含量下的炭質(zhì)泥巖在浸水下進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，獲得隨浸水時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)的強(qiáng)度變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著浸水時(shí)長(zhǎng)的增加，炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，對(duì)于TOC含量為0.998%的炭質(zhì)泥巖，強(qiáng)度下降曲線為上凸型，開始浸水階段強(qiáng)度降低較為平穩(wěn)，中期強(qiáng)度下降趨勢(shì)開始加速，15 d之后強(qiáng)度降低趨勢(shì)放緩;對(duì)于TOC含量為2.456%的炭質(zhì)泥巖，強(qiáng)度下降曲線呈現(xiàn)中間下凹型，1 d開始，強(qiáng)度開始快速下降，10 d后，強(qiáng)度降低放緩;對(duì)于TOC含量為6.706%的炭質(zhì)泥巖，強(qiáng)度下降趨勢(shì)整體呈現(xiàn)下凹型，試驗(yàn)開始階段強(qiáng)度下降較快，試驗(yàn)過(guò)程始終保持較大的下降幅度，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍存在較大下降趨勢(shì)。

分析原因，結(jié)合前文不同TOC含量吸水速率結(jié)果可知，主要是由于有機(jī)炭吸水性強(qiáng)，浸水時(shí)隨著炭含量的增加，迅速吸水導(dǎo)致含炭部分結(jié)構(gòu)的軟化，水分滲入孔隙，水巖相互作用使巖體中的黏土礦物軟化、膨脹，粘粒流失從而孔隙進(jìn)一步擴(kuò)張，水巖接觸面積增大，加速了炭質(zhì)泥巖的軟化，后因溶于水造成質(zhì)量損失，轉(zhuǎn)運(yùn)到巖石表面造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，填充到裂隙強(qiáng)烈發(fā)育處，阻礙水進(jìn)一步浸入，造成巖石整體的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)特性的劣化，故隨著TOC含量增加，浸水后的強(qiáng)度降低幅度、降低速率均有所增大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)電鏡掃描和點(diǎn)荷載試驗(yàn)，對(duì)炭質(zhì)泥巖物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)XDR對(duì)采樣炭質(zhì)泥巖進(jìn)行元素分析，得到巖樣TOC含量在0.998%～6.706%。

（2）將開挖出露后不同風(fēng)化時(shí)長(zhǎng)炭質(zhì)泥巖進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，隨著風(fēng)化時(shí)長(zhǎng)的增加，炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度變化呈現(xiàn)平緩期、加速期、平緩期。

（3）炭質(zhì)泥巖浸水軟化強(qiáng)度與TOC含量、浸水時(shí)長(zhǎng)呈現(xiàn)正相關(guān)性，擬合得到不同炭含量下炭質(zhì)泥巖吸水特性、力學(xué)強(qiáng)度與含炭量曲線關(guān)系，為炭質(zhì)泥巖風(fēng)化及浸水邊坡防護(hù)工程實(shí)踐提供參考。

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