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        不同礦物組分的泥巖干濕循環(huán)崩解特性研究

        2022-11-04 05:38:20許志東項(xiàng)彥茂陳園園
        公路交通技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:粘土礦巖樣泥巖

        許志東, 項(xiàng)彥茂, 陳園園, 李 俊, 徐 峰

        (1.廣州市北二環(huán)交通科技有限公司, 廣州 510030; 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)

        泥巖是主要的軟巖之一,廣泛分布在我國(guó)西南和中原地區(qū),具有強(qiáng)度小、易風(fēng)化、遇水易軟化、工程穩(wěn)定性差等特性,常引起路基塌陷、邊坡失穩(wěn)等問題[1-3]。而遇水易崩解是泥巖作為工程巖體最主要的問題之一,近年來,工程界對(duì)泥巖的崩解性開展了諸多研究[4-6]。

        泥巖的礦物成分及含量因不同地質(zhì)年代及分布地區(qū)存在著較大差異,其中礦物成分對(duì)泥巖崩解特性起著決定性作用[7-9]。吳道祥等[10]對(duì)紅層軟巖的崩解性進(jìn)行了室內(nèi)干濕循環(huán)崩解試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)膠結(jié)物的類別和粘土礦物含量是決定紅層泥巖崩解性的主要因素。柴肇云等[11]則根據(jù)泥巖礦物組成中蒙脫石的含量,將泥巖的崩解機(jī)理分為了2類,并統(tǒng)計(jì)了泥巖耐崩解性與礦物組成之間的關(guān)系。申培武等[12]對(duì)巴東組紫紅色泥巖在干濕循環(huán)過程中的分形特征進(jìn)行了研究,并分析了礦物成分在其崩解過程中的作用機(jī)制。李昆鵬等[13]研究了酸雨對(duì)粉砂質(zhì)泥巖崩解性的化學(xué)損傷機(jī)制,分析了礦物成分在酸性環(huán)境下微觀結(jié)構(gòu)的變化。

        但是在目前關(guān)于泥巖礦物組分對(duì)其崩解特性的研究中,學(xué)者們大多是對(duì)1種或2種泥巖進(jìn)行試驗(yàn)分析,并沒有多種不同礦物組分泥巖崩解特性之間的對(duì)比,研究成果還是缺乏普適性。本文對(duì)不同礦物組成的泥巖進(jìn)行了多次干濕循環(huán)崩解試驗(yàn),分析了泥巖的崩解現(xiàn)象和顆粒粒徑變化,總結(jié)了泥巖的崩解規(guī)律。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 巖樣

        為充分研究礦物組成對(duì)泥巖崩解特性的影響,泥巖試樣總共分為4種,即三疊系中統(tǒng)砂質(zhì)泥巖、石炭系下統(tǒng)粉砂質(zhì)泥巖、侏羅系中統(tǒng)泥巖和白堊系下統(tǒng)泥巖。巖樣成分如表1所示。

        表1 泥巖巖樣成分

        1.2 自由浸水崩解試驗(yàn)

        自由浸水條件下的崩解試驗(yàn)主要是將天然狀態(tài)下巖樣置入水中,觀察其形態(tài)變化[14-15]。計(jì)劃對(duì)4種不同礦物組成的泥巖進(jìn)行自由浸水24 h的循環(huán)崩解試驗(yàn),具體試驗(yàn)步驟如下:

        1) 每種泥巖選擇10塊質(zhì)量為40 g~60 g左右的天然巖樣,并分別稱取質(zhì)量。

        2) 將巖樣放入水槽中,向水槽中注水至完全淹沒巖樣,巖樣浸水24 h后整體帶水過0.25 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,隨后連同篩子放入105 ℃的烘干箱中烘干24 h,隨后取出放入干燥室冷卻至室溫,稱取其質(zhì)量。

        3) 將所有收集到的巖樣用5 mm、2 mm、0.5 mm和0.25 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分試驗(yàn),并記錄不同粒徑崩解物的質(zhì)量,此為一次干濕循環(huán)。

        4) 將所有粒徑大于0.25 mm的崩解物放入水槽中,重復(fù)2)、3)操作,直至巖樣崩解完全,記錄此時(shí)的干濕循環(huán)次數(shù)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 泥巖崩解特征分析

        在干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)中,泥巖1在經(jīng)歷了3次干濕循環(huán)后也未發(fā)生崩解,因此結(jié)束崩解試驗(yàn);泥巖2在第1次干濕循環(huán)中并未發(fā)生崩解,只是在巖塊表面出現(xiàn)了大量的細(xì)長(zhǎng)裂紋,在第2次干濕循環(huán)中發(fā)生塊狀崩解,在第5次干濕循環(huán)后崩解完全;粘土礦物含量最高的泥巖3在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)后就完全崩解;粘土礦物含量次之的泥巖4經(jīng)歷了10次干濕循環(huán)才崩解完全。不同干濕循環(huán)次數(shù)下4種泥巖的崩解現(xiàn)象和崩解物形態(tài)如表2所示。

        表2 不同礦物組分泥巖干濕循環(huán)崩解特征

        從不同礦物組成泥巖的干濕循環(huán)崩解現(xiàn)象可以看出,粘土礦物含量較高的泥巖3和4崩解的程度和速度要遠(yuǎn)高于泥巖1和2,并且前者的崩解物粒徑較小,崩解物呈顆粒狀和碎片狀,幾乎跟沙土一般,而石英、長(zhǎng)石含量高,粘土礦物含量低的泥巖1和泥巖2基本不發(fā)生崩解,就算崩解也只是整體崩解成2~3塊,崩解物粒徑較大。

        2.2 泥巖崩解礦物組成及顆粒分析

        試驗(yàn)得到的不同礦物組分泥巖崩解物粒徑隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖1所示。從圖1中可歸納出以下規(guī)律:

        1) 石英、長(zhǎng)石類礦物含量高的泥巖崩解性最弱,如泥巖1和泥巖2,幾乎不發(fā)生崩解,粒徑>5 mm的顆粒含量在97%以上。

        2) 粘土礦物含量最高的泥巖3崩解性最大,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,粒徑>0.25 mm的顆粒含量均呈下降趨勢(shì),特別是在第2次干濕循環(huán)后,粒徑>5 mm的顆粒含量呈斷崖式下降,在第3次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定,含量幾乎為0。

        3) 粘土礦物含量次之的泥巖4崩解性同樣較強(qiáng),粒徑>5 mm的顆粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低并趨于穩(wěn)定,下降速率要小于泥巖3;泥巖4的粒徑主要集中在0.5 mm~5 mm之間,其中粒徑為2 mm~5 mm的顆粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而迅速增加,隨后緩慢降低,粒徑為0.5 mm~2 mm、0.25 mm~0.5 mm、<0.25 mm的顆粒含量均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加,不過粒徑為0.5 mm~2 mm的顆粒含量變化速率要高于粒徑為0.25 mm~0.5 mm和<0.25 mm的顆粒含量變化速率。

        4) 泥巖粘土礦物含量越高,石英、長(zhǎng)石類礦物含量越低,則泥巖崩解性越強(qiáng),崩解物顆粒粒徑越小,變化曲線越為陡峭。

        (a) 粒徑>5 mm

        2.3 泥巖崩解特征分級(jí)

        根據(jù)4種泥巖在干濕循環(huán)下的崩解現(xiàn)象和崩解物粒徑分析,將不同礦物組分泥巖崩解的強(qiáng)弱程度分為了不崩解、弱崩解、中崩解和強(qiáng)崩解4個(gè)等級(jí)[10]。

        1) 不崩解:巖樣在經(jīng)歷若干次干濕循環(huán)后均不發(fā)生崩解,僅有部分泥狀顆粒從巖樣表面脫落,如泥巖1。

        2) 弱崩解:巖樣在浸水24 h后不發(fā)生崩解,僅有少量微裂紋出現(xiàn),但在經(jīng)歷1~2次干濕循環(huán)后整體呈塊狀崩解,常為一塊巖樣崩解為3~4塊較大的碎塊,如泥巖2。

        3) 中崩解:巖樣在浸水10 min后開始崩解,崩解物主要呈碎塊狀、層狀,第1次干濕循環(huán)后便崩解完全,在經(jīng)歷3、4次干濕循環(huán)后仍有較多塊狀崩解物,如泥巖4。

        4) 強(qiáng)崩解:巖樣在剛浸水時(shí)便快速地發(fā)生整體的垮落,在浸水30 min后便幾乎完全崩解,崩解物主要呈泥狀、細(xì)顆粒狀,在經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)后巖樣便基本崩解成粒徑很小的顆粒狀,如泥巖3。

        泥巖的礦物成分及崩解強(qiáng)弱程度的比較如表3所示。

        表3 泥巖崩解強(qiáng)弱程度與礦物含量及成分的關(guān)系 %

        3 結(jié)論

        1) 礦物成分和含量對(duì)泥巖的崩解性起著決定性的作用。石英、長(zhǎng)石類礦物含量越高,粘土礦物含量越低,泥巖越不容易崩解,粘土礦物含量高的泥巖崩解物粒徑較小,以細(xì)顆粒狀、泥狀、圓片狀為主,并且在干濕循環(huán)過程中極易整體崩塌,迅速發(fā)生崩解。

        2) 粘土礦物含量越高,泥巖崩解物顆粒粒徑變化曲線越為陡峭,粒徑<0.25 mm的顆粒含量越高。

        3) 按崩解現(xiàn)象、顆粒粒徑分布、礦物組成和含量將泥巖崩解性分為不崩解、弱崩解、中崩解和強(qiáng)崩解4個(gè)等級(jí)。

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