引江濟淮試驗工程粉砂巖崩解性等級劃分方法研究

張建升 曹雪山 額力素 李國維 吳建濤

（1.中鐵二十局集團第二工程有限公司 海淀 100089 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室 南京 100084 3.河海大學道路與鐵道研究所 南京 210098）

1 引言

引江濟淮工程被列為國家1號工程，號稱“安徽版南水北調工程”。為優化指導引江濟淮工程全線膨脹土（巖）段渠道工程的設計，開展膨脹土（巖）研究。試驗工程位于安徽省蜀山區小廟鎮，緊臨312國道。試驗工程地質勘察顯示，渠道下部揭露第三系（E）、白堊系（K）和侏羅系（J）的泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖等。

關于泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖等的研究，已經有了不少的成果。余宏明等研究了工作區內紫紅色泥巖的膨脹崩解特性，認為其具有微弱的膨脹以及沿微裂面快速崩解的特性。劉長武認為紅層軟巖的崩解是由于軟巖中親水性較強的粘土礦物與水接觸后，引起礦物體積膨脹，使巖石內產生不均勻的應力以及部分膠結物被稀釋、軟化或溶解引起的。譚羅榮分析了國內大量工程的軟巖崩解試驗結果，認為膨脹性礦物含量對軟巖崩解有直接關系，研究還得到了粘土巖類軟弱巖層的泥化或浸水崩解的條件。Franlin和Chandra提出巖石耐崩解性試驗方法及其對應崩解等級的分類標準。由于工程場地所在區域氣候條件差異，巖石所處狀態不同，水分對巖石的作用也必然存在差異，進而影響巖石的崩解性。因此，本文結合引江濟淮試驗工程，通過耐崩解性試驗及現場崩解試驗共同對該地區的基巖的崩解等級展開研究。

2 研究方法

2.1 干濕循環的耐崩解性試驗

巖石的耐崩解性指數表征了巖石在氣候濕度變化過程中巖石強度軟化、結構解體的潛在能力。現行規范推薦采用干濕循環耐崩解性試驗測試巖石的耐崩解性指數。試樣質量為40～60g的渾圓狀巖塊，試件每組不少于10個。試驗開始時，將試件裝入耐崩解試驗儀的圓柱形篩筒內，在105℃～110℃的溫度下烘干至恒量后，在干燥器內冷卻至室溫稱量；然后將裝有試件的篩筒放入水槽內，向水槽注水，水位在轉動軸下約20mm，使篩筒以20r/min的轉速轉動10min后，將篩筒和殘留試件在105℃～110℃的溫度下烘干至恒量后，在干燥器內冷卻至室溫稱量，完成一個循環。通過計算二次干濕循環后殘留試件烘干質量與原試件烘干質量之比，計算公式如下：

式中：Id2—巖石二次循環耐崩解性指數（%）；mr—原試件烘干質量（g）；ms—殘留試件烘干質量（g）。

2.2 現場崩解性試驗

浸水崩解是含粘土礦物軟巖的一個重要特性，其崩解速度與基巖的耐崩解性密切相關。現場崩解試驗所用試樣取自引江濟淮試驗工程，為具有崩解性的泥巖、粉砂巖和細砂巖等軟巖巖芯，取樣采用現場鉆孔取樣法，試樣直徑5.0～9.0cm，柱長10～15cm。對于需做干燥狀態崩解性試驗的樣品，選取合適巖芯曬干或自然風干（3d以上）后，完全浸水，即開動秒表開始試驗記錄，崩解量按體積法目測估算確定，誤差應控制在±10%以內；對于需做天然狀態崩解性的樣品，應防止巖芯水分散失，盡快完成試驗過程。試驗過程中，及時做好試驗記錄，對于正常崩解的巖石，分別按3h、12h和24h記錄崩解量（%）；對崩解速度較快的巖石，分別記錄崩解量達50%和100%時所需時間。試驗結束后，對試樣崩解性等級進行劃分：（1）1h內達到100%崩解的，為極強崩解性；（2）24h崩解量超過50%的，為強崩解性；（3）24h崩解量10%～50%的，為中等崩解性；（4）24h崩解量小于10%的，為弱崩解性；（5）24h崩解量小于等于3%的，為微崩解性。

3 試驗分析

3.1 干濕循環的耐崩解指數及其分類

巖石的二次循環耐崩解性指數Id2是通過規范推薦的干濕循環的耐崩解試驗方法確定的，根據1972年由Franlin和Chandra提出的巖石分類標準，當Id2場小于25%時，其耐崩解性很低。當地內紅層軟巖耐崩解試驗測試成果顯示其0≤Id2≤2.28%，其耐崩解性很低，說明工程存在巨大的安全風險。

表1 巖芯初始狀態下現場崩解性試驗表

表2 巖芯風干狀態下現場崩解性試驗表

3.2 現場崩解性試驗

巖芯初始狀態下現場崩解性試驗結果表明見表1，初始狀態下基巖崩解等級一般為微，僅有1個粉砂巖試樣為中等。巖芯風干3d狀態下現場崩解性試驗結果表明見表2，風干狀態下基巖的崩解性等級為“強”的有7段次，占53.8%，各種巖類均有；崩解性等級為“中等”的有4段次，占30.8%，均為粉砂巖；崩解性等級為“弱”的有2段次，占15.4%，均為粉砂巖。由此可知：（1）巖石風干狀態的崩解性遠強于初始狀態；（2）由于場地內粉砂巖樣較多，泥巖或泥質粉砂巖偏少，粉砂巖的崩解性具有一定的分散性。

4 討論

干濕循環的耐崩解試驗與現場崩解性試驗的結果差異較大。干濕循環的耐崩解試驗所確定的二次循環耐崩解性指數Id2均小于2.5%，說明工程存在巨大的安全風險。但是現場崩解性試驗顯示，基巖初始含水狀態下微—偏中崩解，大部分試驗顯示24h內崩解量為零，而風干3d后，崩解性顯著增加，達到中等—強崩解，崩解率100%。對此，需要作進一步的討論。

4.1 粘土礦物含量

粘土礦物膨脹是導致巖石崩解的內在因素。Moriwaki、劉長武等認為紅層軟巖的崩解是由于軟巖中親水性較強的粘土礦物與水接觸后，引起礦物體積膨脹，使巖石內產生不均勻的應力以及部分膠結物被稀釋、軟化或溶解引起的。表3顯示，在粉砂巖及泥巖中粘土礦物含量很高，粉砂巖大于30%，泥巖大于52%。初始狀態時泥巖因粘聚力大，崩解等級低，當經歷風干失水后，泥巖的崩解性比粉砂巖要劇烈得多。

4.2 易溶鹽含量

易溶鹽溶解導致崩解。Kayabali等研究崩解過程中水溶液的pH值效應及巖石表面形態變化。泥巖離子含量合計約313 mg/kg，粉砂巖約295 mg/kg，泥巖中易溶鹽含量比粉砂巖要高。巖體中的易溶鹽含量高，當鹽分遇水溶解形成微孔洞，膠結強度減弱，也會進一步增大巖體的崩解性。

4.3 失水率對崩解性影響

Gamble指出引起巖石崩解的主要原因是由于巖石含水量的變化。基巖崩解與含水率變化關系密切。泥巖的耐崩解指數與失水率關系如圖1所示。由圖1可知，巖石的失水率與耐崩解指數近似成線性負相關關系。巖石的失水率愈大，巖石的耐崩解性愈低；反之，失水率愈小，耐崩解性愈強。由此可推論，當含水率變化很小時，接近為零，巖石無崩解性，這與初始狀態下鉆芯軟巖失水率少或基本不失水，浸水后無崩解或弱崩解現象一致。而風干3d后失水率較大，崩解增加。對耐崩解性試驗，試樣烘干，完全失水，崩解程度更高。這就是崩解差異的原因。

表3 軟巖礦物成分表

圖1 泥巖的耐崩解指數與失水率的關系圖

綜上，影響巖石崩解性的因素很多，粘土礦物含量、易溶鹽含量是巖石崩解的內在因素，而場地氣候條件的水分變化是巖石崩解的誘發因素，具有重要的影響。因此，盡管現場基巖耐久性很低，易產生安全隱患，但現場崩解試驗成果表明，只要在具體工程中采取工程措施維持巖石穩定的水分，就能降低巖石的崩解等級，進而減弱甚至消除巖石崩解所帶來的工程隱患。

5 軟巖崩解處理措施

5.1 施工措施

在河道開挖過程中，軟巖出露失水，渠水、雨水將浸泡、沖刷巖體，逐漸會使其軟化崩解，因此開挖過程建議預留保護層開挖，預防建基面巖石表面崩解；同時當開挖至建基面后，應及時噴護混凝土保護建基面，防止巖石水分蒸發。

5.2 設計防護措施

考慮河道運行過程，由于渠水位的上下波動及船行波的作用，引發崩解性巖石水分損失，導致軟化崩解，使巖體逐漸脫離母巖，產生“脫皮剝落”現象，久而久之，可能會掏空坡腳，造成邊坡失穩。因此，對水位變動區崩解性軟巖采用鋼筋混凝土面板護砌進行防護。

6 結論

（1）確定了現場崩解試驗的方法及崩解等級劃分標準。現場崩解實驗等級劃分考慮了現場水分作用條件，具有更強的工程針對性。

（2）崩解試驗方法不同，所測試的崩解等級也不同。耐崩解性試驗結果顯示，場地紅層軟巖的耐崩解性指數很低，初始狀態的基巖崩解很弱，風干后崩解等級達到中—強。

（3）確定了崩解等級差異的原因。場地基巖的粘土礦物含量大是強崩解的物質基礎；易溶鹽含量高是加劇基巖崩解的重要原因；而失水率不同是試驗結果差異的根本原因。

（4）提出了設計施工措施。針對基巖崩解較強的場地，提出處理預留保護層的開挖施工措施，噴護混凝土及鋼筋混凝土面板襯砌的設計措施