四川攀西地區(qū)紅層泥巖強度特性試驗研究

上官力，馬顯春，谷明成

(1．中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081;2．中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

四川攀西地區(qū)紅層泥巖強度特性試驗研究

上官力1，馬顯春2，谷明成2

(1．中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081;2．中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

以白堊系下統(tǒng)小壩組粉砂質紅層泥巖為研究對象，通過試驗測定其天然含水率、單軸抗壓強度、直接剪切強度、礦物成分含量，并分析了巖石物理力學參數(shù)之間的相關性。試驗結果表明:隨著粉砂質泥巖天然含水率增大，天然和飽和單軸抗壓強度、黏聚力和內摩擦角均呈冪指數(shù)減小;隨著巖石中石英含量的升高，巖石單軸抗壓強度、黏聚力和內摩擦角升高;隨著巖石中黏土礦物含量的升高，巖石單軸抗壓強度、黏聚力和內摩擦角降低。

攀西地區(qū) 紅層 含水率 礦物成分 強度

紅層是一種外觀以紅色為主的中、新生代陸相碎屑巖沉積地層，主要出現(xiàn)在侏羅系、白堊系以及第三系。我國的紅層主要分布于西北、西南及華南地區(qū)，尤以四川分布最為廣泛，也最為連續(xù)和典型［1］。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進，西南地區(qū)鐵路、公路、水利水電等基礎設施工程建設方興未艾，這些工程的興建都不可避免地穿越紅層巖體［2］，因此研究四川紅層巖體的物理力學性質及其與工程建設的關系十分必要。

本文通過大量試驗，總結出了攀西地區(qū)紅層泥巖天然含水率和巖石強度的關系，以期更直接地了解巖石的強度，為后續(xù)工程興建提供依據(jù)。

1 工程概況

攀西地區(qū)包括攀枝花市和涼山彝族自治州，北接川西高原，南跨云南高原北緣，東抵四川盆地，西靠橫斷山系。區(qū)內地貌多樣，以低中山、中山為主，山地占全區(qū)總面積的70%以上，山脈在一系列南北向深大斷裂及褶皺的控制下呈南北向展布。

攀西地區(qū)在大地構造上屬于揚子準地臺和松潘—甘孜地槽系，大致以金礦—木里深大斷裂為界，以西屬于活動的松潘—甘孜地槽系，以東屬于揚子準地臺［3］。攀西地區(qū)地層以沉積地層分布面積最廣，出露有震旦系、三疊系、侏羅系、白堊系和第四系地層，缺失寒武系、志留系、泥盆系地層，火山地層、變質地層零星出露于境內西部。

2 試樣制備及試驗方法

本文以白堊系下統(tǒng)小壩組(K1x)粉砂質紅層泥巖為研究對象，通過室內試驗研究其物理力學性質，取樣地點為喜德縣依洛鄉(xiāng)依洛村，現(xiàn)場共采集粉砂質泥巖試樣14組。根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》將現(xiàn)場采集的14組巖樣分別加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體試件42塊(每組3塊)和50 mm×50 mm×50 mm立方體試件60塊(每組5塊)，對不同天然含水率的試樣進行分組試驗。

巖石的強度特性試驗，主要是通過天然及飽和狀態(tài)下的單軸抗壓與剪切試驗研究巖石的抗壓強度和抗剪強度，并通過比較巖石的強度獲得巖石軟化性能指標。單軸抗壓強度利用RMT-150B型巖石機進行試驗，采用電液伺服控制加載，加載速率為0.002 mm/s;巖石直剪試驗使用YZW50型微機控制電動應力式直剪儀，測定天然狀態(tài)的黏聚力和內摩擦角。

3 試驗結果與分析

3.1 單軸抗壓強度試驗

取制備好的42塊圓柱體試件(每組3塊)，做巖石單軸抗壓強度試驗，試驗結果見表1。

通過對表1數(shù)據(jù)進行相關性分析，得到天然單軸抗壓強度、飽和單軸抗壓強度與巖石天然含水率關系曲線見圖1。

從圖1(a)可以看出巖石天然單軸抗壓強度σc隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者的相關系數(shù)是0.94，為冪指數(shù)關系，關系式為

表1 各組巖樣的單軸抗壓強度試驗結果

圖1 巖石單軸抗壓強度和天然含水率關系曲線

從圖1(b)可見，巖石飽和單軸抗壓強度σ'c隨著天然含水率增大而減小。兩者的相關系數(shù)是0.96，為冪指數(shù)關系，關系式為

3.2 直剪試驗

取制備好的60塊立方體試件(每組5塊)，做巖石直剪試驗，試驗結果見表2。

表2 巖樣天然狀態(tài)直剪試驗結果

通過對表2數(shù)據(jù)進行相關性分析，得到巖石的黏聚力、內摩擦角與天然含水率關系曲線，見圖2。

從圖2(a)可見，巖石黏聚力c隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者相關系數(shù)為0.93，為冪指數(shù)關系。關系式為

從圖2(b)可見，巖石內摩擦角φ隨著天然含水率ω的增大而減小。兩者相關系數(shù)為0.93，為冪指數(shù)關系。關系式為

3.3 巖石礦物成分測試

在采集的巖樣中選取4組進行巖石樣品的XRD礦物分析。巖樣的X射線衍射圖譜見圖3，巖樣的礦物成分及含量見表3，具體試驗方法參考相關文獻［4］。

1)單軸抗壓強度與礦物成分含量的關系

粉砂質泥巖天然單軸抗壓強度、飽和單軸抗壓強度隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小，見圖4。

圖2 巖石抗剪強度與天然含水率關系曲線

圖3 巖樣的X射線衍射圖譜

表3 巖樣的礦物成分及含量

圖4 巖石單軸抗壓強度與礦物成分含量的關系曲線

巖石作為一種天然的地質體，其物理力學性質主要取決于巖石的礦物成分和顆粒間的聯(lián)結以及內部的微裂隙［5］。巖石中礦物成分的含量直接影響巖石的力學性質。石英屬于礦物成分中硬度較大的，其含量愈高，巖石的強度愈高。巖石中的黏土礦物遇水易膨脹和軟化，如蒙脫石易分解為斑脫土，遇水軟化，其含量愈高，巖石強度愈低［6-7］。因此，粉砂質泥巖礦物成分中石英含量越高，單軸抗壓強度越大;黏土含量越高，單軸抗壓強度越小。

2)抗剪強度與礦物成分含量的關系

石英和黏土的含量與抗剪強度指標的關系見圖5。可見，粉砂質泥巖黏聚力、內摩擦角都隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小。

圖5 巖石礦物成分和抗剪強度關系曲線

3.4 巖石軟化性能

用巖石飽和單軸抗壓強度比天然單軸抗壓強度，作為巖石軟化性能指標η，即

由試驗數(shù)據(jù)，整理得出巖石軟化性能指標。巖石天然含水率和軟化性能指標的關系見圖6。

圖6 巖石軟化性能指標和天然含水率關系曲線

由圖6可見，巖石的軟化性能指標和天然含水率之間沒有直接的相關性，但巖石天然含水率保持在0.5% ～3.5%之間時，巖石的軟化性能指標在63% ～80%，其中以70%附近居多。巖石受水侵蝕后，強度和穩(wěn)定性發(fā)生變化，這主要取決于巖石的礦物成分、結構和構造特征。

4 結論

1)隨著天然含水率的增加，粉砂質泥巖天然和飽和單軸抗壓強度均呈冪指數(shù)減小。

2)隨著天然含水率的增加，粉砂質泥巖的黏聚力和內摩擦角均呈冪指數(shù)減小。

3)粉砂質泥巖單軸抗壓強度、黏聚力和內摩擦角均隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小。

［1］李廷勇，王建力．中國的紅層及發(fā)育的地貌類型［J］．四川師范大學學報(自然科學版)，2002(4):427-431．

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［3］傅維洲，吳玉寶．攀西裂谷帶及其鄰區(qū)的現(xiàn)代構造應力場特征［J］．長春地質學院學報，1986(3):95-102．

［4］國家能源局．SY/T 5163—2010 沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法［S］．北京:石油工業(yè)出版社，2010．

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［6］王文星．巖體力學［M］．長沙:中南大學出版社，2004．

［7］吳益平，余宏明，胡艷新．巴東新城區(qū)紫紅色泥巖工程地質性質研究［J］．巖土力學，2006(7):1201-1203．

TU446

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．30

1003-1995(2015)07-0107-04

2015-02-10;

2015-05-10

上官力(1988— )，男，陜西商洛人，碩士研究生。

(責任審編 葛全紅)