干濕循環下不同風化程度泥質粉砂巖崩解特性試驗研究

田巍巍

(新疆水利水電勘測設計研究院， 新疆 烏魯木齊 830091)

1 研究背景

軟巖巖體在天然情況下很少發生崩解，但是經過反復干燥、淋水和風化作用等外部環境的變化，改變了巖石結構和礦物成分，促使巖石產生崩解[1]。在水利工程中經常遇到軟巖邊坡的崩解、軟化等問題，因此對工程軟巖進行崩解特性研究具有重要的意義。

近年來，在軟巖崩解特性方面有較多的研究成果。柴肇云等[2]研究了泥巖耐崩解性和礦物組成的相關性，發現泥巖的耐崩解特性與其孔裂隙的結構特征和礦物組成有著密切關系；梁冰等[3]研究了干濕循環和凍融循環作用對泥質巖崩解特性的影響，發現凍融循環作用比干濕循環作用產生更為明顯的影響；張巍等[4]研究了泥質膨脹巖崩解物粒徑分布與膨脹性之間的關系，研究發現膨脹巖膨脹性的強弱和膨脹巖崩解物的最大含量粒組的顆粒粒徑、有效粒徑和耐崩解性指數呈負相關；郭永春等[5]利用巖石熱物理學和毛細作用原理研究了溫度、水等因素的水熱交替對紅層泥巖崩解的影響，發現水熱交替是導致泥巖快速崩解的主要動力；黃明等[6]和鄧濤等[7-8]對酸堿環境中泥質頁巖的崩解規律進行了研究，發現酸性環境對泥質頁巖的崩解性影響較大，加速了軟巖的崩解，堿性環境對崩解性影響較小。蘇永華等[9]和吳道祥等[10]研究發現在與水接觸后軟巖所呈現的崩解特性和軟巖的成分、膠結的狀態、成因等密切相關。曹運江等[11]研究發現泥質物含量多少對軟巖的崩解特性有很大影響，泥質物含量和崩解特性、崩解的速度呈正相關；楊建林等[12]研究了泥巖飽水過程中崩解的微觀機制，泥巖的崩解主要在飽水過程中產生的次生孔隙和表面受到的拉應力共同作用的影響；劉長武等[13]研究泥巖遇水崩解軟化的機理，認為空隙體積降低，但表面積卻增大了，致使泥巖在遇水后顯現崩解和膨脹。黃宏偉等[14]認為泥巖遇水后出現微孔隙及其吸附效應，破壞了巖石內部的結構體系，從而出現軟化崩解現象。

以上針對軟巖崩解的內外部環境、軟巖的結構組成、微觀機理等方面進行了大量研究，本文將在前人研究基礎上，通過干濕環境的變化，模擬不同風化程度下泥質粉砂巖在淋水和干燥循環條件下的崩解特性及其變化規律，將對軟巖邊坡的工程特性研究及其防護發揮重要的作用。

2 研究對象概況

以新疆肯斯瓦特水利樞紐工程泥質粉砂巖為研究對象，該工程巖性基本為褐色泥質粉砂巖，偶有夾雜灰綠顏色粉砂質泥巖，中厚狀單層巖石的厚度為0.5～2.0 m。開挖邊坡后，由于巖體卸荷及風化等外力作用，巖體出現大面積崩解[15]，出現很多的碎裂結構面(圖1)。

圖1 邊坡開挖后碎裂結構面

對該工程泥質粉砂巖進行電鏡測試，發現巖石為泥質粉砂狀的結構，塊狀形構造，礦物成分主要為碎屑物質和黏土礦物組成。巖石的碎屑粒徑較細，且大部分為粉砂質碎屑。碎屑的成分由石英、長石及巖屑等組成，膠結類型為孔隙式膠結，膠結的物質為泥質物。有較大部分的深色有機質在粉砂質碎屑之間不均勻分布。圖2為不同風化程度的泥質粉砂巖顆粒組成。從圖2可以看出，不同風化程度的泥質粉砂巖顆粒組成發生了改變，粉砂屑d=0.005～0.06 mm含量逐步降低，細砂屑d=0.06～0.2 mm含量變化不大，泥質物d<0.005 mm隨著風化程度的加劇明顯增多。

圖2 不同風化程度的泥質粉砂巖顆粒組成

3 研究方法及結果

3.1 研究方法

巖石崩解特性的主要指標表現為耐崩解性指數，是巖石樣在承受干濕循環下抵抗軟化及崩解作用的能力。分別取不同風化程度的渾圓狀天然巖塊試件各20塊，每一個巖塊稱重約40 g。在室內環境下，模擬巖石受到降雨等淋水狀態下的崩解特性。將自然狀態下的巖樣進行風干，進行淋水崩解試驗，隨時觀察和記錄，首次干濕淋水循環試驗后，以5、2、0.5、0.25 mm等4種粒徑的顆分篩進行篩析試驗，將大于2 mm粒徑的顆粒反復進行干濕淋水循環測試直到不再崩解。試驗結束后計算耐崩解性指數Id。Id為崩解穩定后大于2 mm的殘余崩解物重量與試驗前巖樣重量之比。

為了更好地研究不同風化程度的泥質粉砂巖的崩解特性，同時取樣對其抗壓強度和變形模量等力學性能進行了試驗研究。

3.2 結果與分析

3.2.1 室內崩解特性試驗 在室內干濕淋水崩解試驗下，不同風化程度的泥質粉砂巖表現出不同的崩解特性，其耐崩解指數Id也出現較大差異。

微-新鮮泥質粉砂巖在首次干濕淋水循環下幾乎未產生崩解，經過第2次的循環試驗后發現有裂紋顯現，水中可以看到少許泥質物與粉砂，經過3次干濕淋水循環試驗基本趨于穩定。其耐崩解性指數Id為98.7；弱風化作用下的泥質粉砂巖在首次干濕淋水循環后有輕微的崩解，在第2次的循環中出現快速崩解，經過5次循環后達到穩定，粒徑大于2 mm的物質主要為石英、云母及較細礫石等，耐崩解性指數Id為80.2；強風化作用下泥質粉砂巖在首次干濕淋水循環后產生較大量的崩解，隨著干濕循環的繼續，大于5 mm的顆粒物崩解很快，水中的粉細砂較多的出現，在4次循環后，完全崩解為泥質狀和顆粒狀，經過5次循環達到穩定，粒徑大于2 mm的物質主要為石英、云母及較細礫石等，耐崩解性指數Id為69.8。

3.2.2 崩解物顆粒分析 為了研究泥質粉砂巖在崩解后顆粒含量的變化規律，對不同風化程度的泥質粉砂巖顆粒級配進行對比分析，結果見表1～5。

表1 粒徑大于5 mm顆粒含量變化 %

表2 粒徑5～2 mm顆粒含量變化 %

表3 粒徑2～0.5 mm顆粒含量變化 %

表4 粒徑0.5～0.25 mm顆粒含量變化 %

表5 粒徑<0.25 mm顆粒含量變化 %

從表1可以看出，大于5 mm的顆粒含量隨著循環次數的增加，呈現下降的趨勢，而新鮮巖石大于5 mm顆粒含量變化不大，表明強風化作用后崩解較快，新鮮巖石崩解速度緩慢并很快趨于穩定。從表2～5可以看出，風化作用后的泥質粉砂巖在循環崩解后各粒徑含量都呈現增加趨勢，尤其是粒徑在2～5 mm和小于0.25 mm的顆粒含量呈現較快的增長，粒徑0.5～2 mm和0.25～0.5 mm的顆粒含量增長較慢。新鮮泥質粉砂巖在整個崩解過程中各粒徑含量呈較小的變化。

3.2.3 力學特性分析 為了更好地研究影響泥質粉砂巖崩解特性的機制，對不同風化類型的泥質粉砂巖進行力學特性試驗，試驗結果如表6所示。由試驗結果可知，泥質粉砂巖在天然狀態下，抗壓強度均較高，浸水飽和后，抗壓強度損失較大；風化后泥質粉砂巖抵抗變形的能力減弱，尤其是強風化作用飽和狀態下抵御變形的能力下降較快。這是由于風化作用改變了泥質粉砂巖的原生結構，使得泥質物和黏土礦物含量增加，遇水后極易出現軟化和崩解，導致其強度和抵抗變形的能力降低。力學性質的改變也會對泥質粉砂巖崩解性產生很大的影響，從側面加速了泥質粉砂巖的崩解。

表6 不同風化程度的泥質粉砂巖力學性質

4 崩解機制分析

已有研究發現軟巖的崩解性能主要與軟巖的結構、礦物成分、膠結物類型等性質有關[6-8]，通過對肯斯瓦特水利樞紐工程3種風化作用下的泥質粉砂巖進行SEM掃描電鏡觀測，發現強風化作用下的泥質粉砂巖黏土礦物含量較多，弱風化和微-新鮮巖石的礦物含量依次減少(見表7所示)。黏土礦物中伊利石占主要成分，其次為高嶺石和蒙脫石，隨著風化程度的加劇其各自含量也在增長。因此泥質粉砂巖受到風化后會表現出不同程度的崩解特性。

表7 不同風化程度的泥質粉砂巖礦物成分

由試驗結果可知，泥質粉砂巖主要礦物成分為伊利石、蒙脫石、高嶺石等，膠結物為泥質物，其主要成分也為黏土礦物，具有比表面積大且吸水性很強，加上孔隙式膠結的泥質粉砂巖，為水進入巖石內部提供了通道。當水分在巖石孔隙內運移時，引起泥質粉砂巖的軟化、膨脹、崩解等。細小的巖石顆粒吸附的水膜增大，一定程度上也加速了巖石的崩解。

此外，泥質粉砂巖中的粉砂屑容易失水，在干燥環境下失水引起收縮開裂，使巖石出現剝離崩解。風化作用促使泥質粉砂巖的泥質物含量增加，力學特性出現顯著的降低，使其強度和抵抗變形的能力減弱，干燥環境時表面易出現裂紋，遇水時發生軟化，對泥質粉砂巖的崩解特性起到一定的促進作用。

因此，礦物成分的含量和膠結物質類型等對泥質粉砂巖的崩解特性產生很大影響，在崩解發生過程中發揮著主導作用。風化作用對泥質粉砂巖的崩解性能起著外在誘導作用，是崩解發生的外部因素，不同風化類型的泥質粉砂巖表現出崩解特性的差異性。對于軟巖邊坡，應采取保護措施，避免外部環境的侵蝕，有助于降低軟巖的崩解特性和保持原有的強度。

5 結論及建議

(1)通過崩解性試驗研究，發現在室內干濕淋水狀態下，不同風化程度的泥質粉砂巖的耐崩解性逐步減弱。

(2)在干濕循環作用后，小于5 mm的顆粒物不同粒徑含量均呈上升趨勢，但是強風化作用下崩解含量高于其他風化程度較輕的泥質粉砂巖。粒徑在2～5 mm和小于0.25 mm的顆粒含量呈現較快的增長，中間粒徑顆粒含量增長較慢。新鮮泥質粉砂巖在整個崩解過程中各粒徑含量變化較小。

(3)風化作用促進了泥質物和黏土礦物含量的增加，改變了原生結構。風化作用也使其飽和抗壓強度迅速降低，抵御變形能力減弱，從而加速崩解。因此不同風化類型的泥質粉砂巖表現出崩解性差異。

(4)影響軟巖崩解特性的環境因素很多，凍融條件、濕熱條件、水化條件等環境因素對軟巖的崩解特性具有不同的影響。本次試驗在微觀崩解機制研究上還存在一定的不足，故在今后的研究中將會對影響軟巖崩解性的各種環境條件和微觀機制進行深入的研究和分析。