強風化泥巖顆粒破碎對其滲透系數的影響

喻成，何昌榮，雷茂鑫，詹傳妮

(四川大學水利水電學院，四川成都610065)

我國西南部地區有廣泛的泥巖分布。泥巖由于抗水性差、易軟化，越來越多的工程實踐都涉及到了泥巖的破碎問題，特別是遇水軟化以后因其強度的變化，在碾壓、振動或擊實的作用下很容易破碎，而破碎帶來的級配等一系列物理力學性質的變化是需要我們重視的。

在通常的室內滲透試驗中，一般只測定了試驗前試樣的顆粒級配［1］，沒有考慮試驗過程中試樣級配的變化。本文中的這種強風化泥巖，不僅會在試驗的裝樣過程中就會因為擊實作用而發生顆粒破碎，并且在試驗中由于物化反應也會產生顆粒破碎現象，進而影響試驗的結果。本文就這一問題，研究了西南地區某強風化泥巖的顆粒破碎對其滲透性的影響。

1 泥巖的基本特性

我國《建筑地基基礎設計規范》(GBJ 7－89)對巖石堅固性的劃分，泥巖屬于軟質巖石［2］。泥巖是陸源碎屑沉積的最細粒部分，其組分泥質細粒通常是以水力懸浮方式由河流搬運到沉積盆地，大多數泥質懸浮物是以集合粒(絮凝團)沉淀的。泥巖可形成于多種地質環境，其成巖作用以壓實為主，在壓實作用下，孔隙水被排除，沉積物重新排列。

常見或主要的泥巖［3］都呈較穩定的層狀，常與砂巖、粉沙巖共生或互層，或者以背影沉積的形式處在相對孤立的中粗碎屑巖體之間，有時可以與粉沙巖一起構成單調的細碎屑沉積序列。巖石中沉積頂層還受到沖刷而與中粗碎屑巖呈沖刷接觸，較強的壓實后更容易產生頁理。

泥巖的成分很復雜，主要是高嶺石(K)、伊利石(I)、蒙脫石(S)、綠泥石(C)和混層黏土礦物等［4］。此外還有粉沙粒級或泥粒級大小的石英、長石和云母碎屑以及其他自生成分，如方解石、自生石英、鐵鋁氧化物、有機質等。泥巖的固結機制主要是壓實。伴隨著成巖作用的進行還廣泛出現黏土礦物的轉化、顆粒定向排列和各種沉積成分的溶解、成巖礦物的沉淀和有機質的降解。而且成巖過程中伴隨膠結物的膠結，包括強氧化條件下的鐵質膠結，強還原條件下的有機質膠結。

2 顆粒破碎的量化指標

粗顆粒土顆粒破碎的量化指標，可以采用能定量地反映試驗前后粗顆粒土級配變化的某一參數來表示。目前，常用的參數有:

(1)Marsal［5］提出的顆粒破碎率Bg。該參數可以表征相應壓力下顆粒破碎的程度，其定義為試驗前后顆粒各粒組含量之差的正值之和，即:

式中:Wki為試驗前級配曲線上某級粒組的含量;Wkf為試驗后級配曲線上相同粒組的含量。

(2)施洪洋提出的粗度系數Kc。該參數可以用來描述堆石料的級配特征，其數學表達式為:

式中:d為粗細料的平均粒徑;dc為粗細料的分界粒徑，dc=5 mm;P5為粗料的質量分數。

(3)中國水利水電科學研究院提出的堆石受荷前后的控制粒徑之差B。該參數可以用來度量顆粒的破碎程度，其數學表達式為:

式中:d60為受荷前的控制粒徑;d60f為受荷后的控制粒徑。

(4)Hardin［6］提出的破碎量Bf和相對破碎率Br。Hardin根據顆粒分布曲線的變化，定義試驗前后顆粒分布曲線與粒徑d=0.074 mm豎線所圍面積分別為Bpi和Bpf，并認為粒徑小于0.074 mm的細顆粒對顆粒破碎的影響不大，其中

Bt為破碎量。同時，Hardin［6］還定義了相對破碎率Br，即

本文采用Marsal［5］提出的顆粒破碎率Bg來描述粗顆粒材料的顆粒破碎情況。

3 試驗裝置及試驗內容

3.1 試驗裝置

本次試驗滲透儀采用試驗室自制滲透變形儀，包括儀器筒，底座，透水板。滲透儀高35 cm，直徑為30 cm。試驗的水流由下向上，試樣頂面為自由面;透水板孔徑為5 mm。供水設備包括供水箱，提升架。供水箱上設有溢流口，能保持常水頭。量測設備包括測壓管、量筒、秒表、溫度計。為準確量測試樣中的水力梯度，在試樣室對稱的兩側分別安裝了上、下共四根測壓管，下測壓管距離儀器底5 cm，上下測壓管間距18 cm。其試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意

3.2 試驗內容

本次試驗所用土料巖性為強風化泥巖，取于四川省金堂縣東風水庫堤岸，在西南地區非常常見，具有很強的代表性。試樣總共1組，對其反復地進行了4次滲透試驗，每次試驗完成后將試樣自然風干，然后重新進行同樣條件下的滲透試驗，測定每次試驗的滲透系數及試驗前后的試樣級配，第一次試驗后所測的試樣級配數據作為第二次試驗開始時的試樣級配數據，以此類推，因此得到5組不同的試樣級配組成，分別命為1－5號，其級配顆粒組成表和級配曲線詳見表1和圖2。

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4 試驗結果及分析

4.1 各次試驗的顆粒破碎結果對比

為了研究每次試驗過程中試樣的顆粒破碎情況，對每次試驗前后的試樣級配均進行了測定，顆粒破碎對比結果如表1所示。

圖2 試樣顆粒累積曲線圖

從測定和計算結果來看，隨著每次試驗的進行，泥巖的顆粒破碎率逐漸減小，顆粒破碎程度變得越來越不明顯。這是由于在每次試驗前，不僅裝樣時的壓實作用讓泥巖發生了顆粒破碎，而且在每次試驗過程中，泥巖的水化作用也對顆粒破碎帶來了影響，而裝樣時泥巖遇水后的壓實對顆粒的破碎影響明顯。所以每次試驗后泥巖都會發生顆粒破碎現象，并且顆粒破碎率隨著大粒徑顆粒含量的減少而減小。

4.2 各次試驗的滲透系數結果對比及分析

在每次滲透試驗中，控制每個試樣具有相同的干密度和壓實度，并且每次試驗保持相同的高水頭滲流。在保證其他條件不變的情況下，得出了每次試驗的滲透系數和顆粒破碎率之間的關系。各次試驗的滲透系數結果如表2所示。

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從表2可以看出，隨著每次試驗的進行，泥巖的滲透系數在逐漸減小，但是變化較小，均在10－6范圍內。從表3也可看出，滲透系數的變化率隨著顆粒破碎率的變小也在變小的。比如第一次試驗的顆粒破碎率最大，導致第二次試驗時的滲透系數變化了59.64%，而第二次試驗中的顆粒破碎率小于第一次，其對應的第三次試驗的滲透系數相對于第二次變化了46.72%，小于59.64%。以此類推，第三次試驗和第四次試驗也是這樣，所以說顆粒破碎越明顯對滲透系數的影響就越大。這是因為隨著顆粒破碎現象的發生，大粒徑顆粒含量的減少而相對次一級粒徑顆粒含量的增加，粗料孔隙完全被細料填充，甚至粗料顆粒被細料撐開，這時細料顆粒也參與骨架作用，大小顆粒互相緊密接觸，細料不易被滲透水流帶出，因此滲透系數逐漸減小。當細料含量到達一定程度，滲透系數變化也趨于穩定甚至很小。

5 結論

(1)泥巖是一種抗水性差的特殊材料，特別是強風化泥巖，在遇水后不穩定且強度會發生很大的變化，并且由此帶來的顆粒破碎現象明顯。在通常的泥巖滲透試驗中，裝樣時的壓實作用對泥巖的顆粒破碎影響較大，特別是強風化泥巖水化作用下的壓實，顆粒破碎率較大，并且試驗過程中，高水頭作用下，泥巖發生的水化作用對顆粒破碎也有影響，進而改變了試驗過程中試樣的真正級配。

(2)本實驗中的這種強風化泥巖的滲透系數大概在10－6范圍內，隨著顆粒破碎現象的發生，其滲透系數逐漸變小，并且顆粒破碎越明顯其滲透系數變化就越大，但是總體變化相對較小。

［1］SL 237－1999土工試驗規程［S］

［2］GBJ 7－89建筑地基基礎設計規范［S］

［3］路鳳香，桑隆康．巖石學［M］．北京:地質出版社，2002

［4］楊進良．土力學［M］．北京:中國水利水電出版社，2000

［5］MARSAL R J．Mechanical poperties of rockfill embankment dam engineering［M］．New York:Wiley，1973:109－200

［6］HARDIN C S．Crushing of soil particles［J］．Journal of Geotechnical Engineering，American Society of Civil Engineers，1985，111(10):1177－1192