引江濟淮試驗工程泥質軟巖崩解性與強度關系研究

李 峰 曹雪山 額力素 李國維 吳建濤

（1.安徽省投資控股集團有限公司 安慶 246000 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室南京 210098 3.河海大學道路與鐵道研究所 南京 210098）

1 引言

崩解特性對泥質軟巖邊坡穩(wěn)定具有重要影響。在目前的工程設計中，強度參數的變化規(guī)律對邊坡設計、預測邊坡長期穩(wěn)定至關重要。一般描述巖石的強度參數可用新鮮巖石試樣的點荷載強度表征。盡管巖石點荷載強度的使用已經很普遍，但在實際工程應用中仍有一些問題，如點荷載強度由新鮮巖石試樣測試而得，但其變化很大。現有成果多數為關于軟巖的崩解和強度受含水率變化影響的研究，少有涉及研究崩解與強度關系，未見對崩解、強度與含水率系統(tǒng)研究的成果。因此本文依托引江濟淮試驗工程，通過耐崩解性試驗、點荷載試驗，分析巖石的耐崩解指數隨含水率的變化規(guī)律、點荷載強度隨含水率的變化規(guī)律，進而確定耐崩解指數與點荷載強度的關系。研究成果為泥質軟巖邊坡設計提供了新的思路。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

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”。為指導優(yōu)化引江濟淮工程膨脹土（巖）段河道工程的設計，開展試驗工程膨脹土（巖）項目研究意義重大。試驗工程位于安徽省蜀山區(qū)小廟鎮(zhèn)，緊臨312國道。試驗工程河道全長1.5km，地質勘察顯示，河道下部揭露的是白堊系（K）的泥質粉砂巖、粉砂質泥巖。試驗選取試驗工程場地的4種代表性軟巖：中風化砂巖、中風化泥巖，強風化砂巖、強風化泥巖。取樣深度為距河岸頂部以下10～17m，出露于河岸一級坡中位置。

結合X衍射分析，發(fā)現砂巖中蒙脫石含量明顯比泥巖要少，蒙脫石含量9.43%，而泥巖在20.12%，根據《巖石與巖體鑒定和描述標準》（CECS 239-2008）6.2.5 規(guī)定，該工程中砂巖具有非膨脹勢，泥巖具有弱(中)膨脹勢，這與現場檢測的砂巖自由膨脹率為11%～12.5%，泥巖的自由膨脹率為30%～40%相互對應。軟巖含鐵質氧化物1.77%～3%而呈暗紅色、紫紅色。

2.2 試驗方法

2.2.1 耐崩解試驗

根據《工程巖體試驗方法標準規(guī)范》（GBT 50266-2013）的試驗方法，耐崩解試驗測定一、二次循環(huán)耐崩解指數。試驗步驟為：①制樣。中風化砂巖、泥巖，強風化砂巖、泥巖等4種巖樣各1組，試件10個，試件規(guī)格為40～60g，渾圓狀。②試樣烘干稱量。將各組巖樣放入圓柱形篩筒內，在100℃～105℃的溫度下烘干至恒量后在干燥器內冷卻至室溫稱量。③浸水崩解及烘干循環(huán)。將裝有試件的篩筒放在水槽內，向水槽內注入純水使水位在轉動軸下約20mm，開動耐崩解儀，以20r/min的轉速轉動，10min后將篩筒和殘留試件在105℃～110℃的溫度下再烘干，直至恒量后在干燥器內冷卻至室溫稱量，即為耐崩解試驗中一次干濕循環(huán)過程。

不同失水率下的耐崩解試驗是為研究不同風化巖失水率對崩解性的影響。巖樣從飽和含水率依次分梯度2%～3%進行遞減。每一失水率下的試樣個數為10個，測定各組失水率下一次循環(huán)的耐崩解指數。

2.2.2 點荷載強度試驗

不同失水率下的點荷載強度試驗。試樣制作與不同失水率下的耐崩解試驗相同。對4種巖石各取4組，每組試件個數為10，采用磨石機和切土刀制成直徑50mm，高度50mm的圓柱樣。試驗結果可揭示點荷強度隨含水率的變化規(guī)律。

3 試驗結果及分析

3.1 含水率變化對軟巖耐崩解能力的影響

所謂巖石的失水率是初始狀態(tài)的含水率與巖石含水率之差值，崩解臨界失水率的物理意義是當失水率大于臨界失水率時便開始崩解。為了理解失水率對軟巖耐崩解能力的影響，本文確定了失水率及相對失水率的計算公式，如式（1）、式（2）。

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圖1 耐崩解性指數與相對失水率的關系圖

圖2 點荷載強度與相對失水率的關系圖

圖3 干燥泥巖、砂巖的點荷載強與耐崩解指數關系圖

式中：

Wl—巖石以初始狀態(tài)的含水率為基準的失水率（%）；

Wr—巖石以初始狀態(tài)的含水率為基準的相對失水率（%）；

w0—巖石在初始狀態(tài)的含水率（%）；

wi—巖石遇水崩解前的含水率（%）。

圖1為巖石耐崩解性指數與相對失水率的關系，這反映了不同失水率時軟巖所具有的耐崩解能力。對試驗結果進行線性擬合，耐崩解指數與相對失水率擬合曲線表達式為：

式中：Id—一次干濕循環(huán)耐崩解性指數（%）；

研究認為膨脹紅砂巖膨脹力隨吸水率增大而增大。軟巖的失水率愈大，浸水后吸水率也愈大，膨脹力愈大，產生的表面自由能愈大，最后導致的崩解程度愈大，相應的耐崩解指數愈小，相對失水率與耐崩解性指數近似成線性負相關（如圖1所示）。并且，風化程度愈強烈，耐崩解性指數因失水效應而降低愈劇烈。

巖石耐崩解性能力與巖石狀態(tài)相關。開挖揭露前巖石處于“原狀”的飽和狀態(tài)，初始含水率即為飽和含水率，此時巖石不會崩解；開挖揭露后，即使無失水作用，保持初始含水率不變，但仍有卸荷回彈變形，引發(fā)結構產生不同程度的擾動效應，改變巖石狀態(tài)，相應的飽和含水率也發(fā)生改變，進而引起不同程度的崩解。對于強度高，抵抗卸荷回彈變形能力大的巖石，例如圖1的中風化泥巖，由于擾動效應小，遇水后保持耐崩解性指數高，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。將此巖原狀樣放在水中浸泡時間接近2年也不崩解。然而，對強度低、抵抗卸荷回彈變形能力弱的巖石，由于擾動效應大，即使不失水，遇水后仍有崩解產生。如圖1所示的中風化砂，因含砂粒含量豐富，砂粒鑲嵌在泥質膠結物上，削弱了泥質膠結強度，同時增大巖石的孔隙率；強風化砂巖與強風化泥巖的強度不高，所以這三種巖石即使無失水作用，仍存在一定崩解能力；并且中風化砂巖的耐崩解性指數明顯大于強風化砂巖和強風化泥巖。

3.2 含水率變化對巖石強度的影響

軟巖強度受含水率影響很大，圖2表示了不同巖樣的相對失水率與點荷載強度關系的試驗結果。點荷載強度與相對失水率擬合曲線表達式為：

式中：

Is（s0）—點荷載強度指數，MPa ；

c，d—點荷載強度指數與相對失水率的回歸參數。

由圖2可知：（1）相對失水率愈大，點荷載強度指數愈大。根據非飽和土力學理論，含水率愈低，土體中吸力愈大，強度愈高。（2）巖石的點荷載強度的對數與相對失水率成線性正相關。本文認為軟巖的點荷載強度的對數與相對含水率呈直線關系，相關性更佳，強風化巖相關性比中風化巖要好。（3）相對含水率對點荷載強度影響程度分析。強風化巖較中風化巖受失水影響更明顯，砂巖較泥巖受失水影響更明顯，而巖樣的強度值受其初始含水率的影響。埋藏于地下深處的泥質巖因水文地質條件復雜，含水率變化差異大，開挖揭露后表現的強度必然差異很大，進而增加了軟巖強度取值的復雜性。

3.3 軟巖強度對崩解性的影響

受軟巖含水率的影響，耐崩解性指數及強度取值難度加大，變化規(guī)律復雜。為此，考慮規(guī)范二次干濕循環(huán)耐崩解性指數反映的是二次烘干～浸水循環(huán)后巖樣所具有的耐崩解能力，于是強度也取烘干狀態(tài)值，以消除巖樣含水率對試驗結果的影響。規(guī)范二次干濕循環(huán)耐崩解性指數與干燥巖石的點荷載強度指數的關系如圖3所示，可知：

（1）強度愈高，耐崩解能力愈大。耐崩解性指數反映的是巖樣對水的敏感，吸水后膨脹并釋放較大的表面自由能；而強度高的巖樣顆粒連接相對緊密，抵抗外界環(huán)境的擾動能力相對強，可抑制膨脹效應，削弱表面自由能，從而增大巖樣的耐崩解能力。即對粉砂質板巖、板巖、粉砂巖的試驗數據顯示干燥單軸抗壓強度或飽和抗壓強度愈高，耐崩解性指數愈小。

（2）干燥風化巖石的點荷載強度與二次干濕循環(huán)耐崩解指數近似成線性正相關。本文提出了干燥風化巖樣的點荷載強度，消除了含水率對強度的影響，減少強度的分散性，通過數據擬合，確定線性相關系數R2大于0.92。

4 結論

（1）揭示了巖樣的耐崩解性指數隨含水率而變化規(guī)律。相對失水率愈大，耐崩解性指數愈小；巖石的相對失水率與耐崩解指數近似成線性負相關；引發(fā)巖石產生崩解的臨界失水率與巖石狀態(tài)密切相關。

（2）揭示了巖樣的強度隨含水率而變化規(guī)律。相對失水率愈大，巖樣的點荷載強度愈高；巖石的點荷載強度的對數與相對失水率近似成線性正相關。但巖樣的強度值還受其初始含水率的影響。埋藏于地下深處的泥質巖因水文地質條件復雜，初始含水率變化差異大，開挖揭露后表現的強度必然差異很大，進而增加了軟巖強度取值的復雜性。

（3）揭示了巖石的耐崩解能力隨巖石強度的變化規(guī)律。巖樣的強度愈高，耐崩解能力愈大；干燥風化巖石的點荷載強度與二次干濕循環(huán)耐崩解指數近似成線性正相關■