降雨-干燥交替作用下泥質巖耐崩解性試驗研究

張 磊

(開封市建設工程質量檢測站，開封 475000)

在巖土工程中的堤壩、邊坡、隧道開挖、礦業工程等方面都涉及水的影響，如降雨、地下水等。隨著含水量的變化，很多巖土材料的力學性能也隨之發生變化，特別是對水非常敏感的軟巖[1-2]。受到自然界中降雨與干燥交替作用的頻繁影響，裸露在自然環境中的泥質巖發生崩解，對已有結構的穩定性與耐久性產生較大影響。且泥質巖的分化崩解會造成水土流失、滑坡、崩塌等一系列地質災害，是產生地質災害的重要原因。因此，研究泥質巖在自然環境中的崩解性質具有重要的理論與實際意義。

泥質巖造成的工程問題與地質災害受到了全世界巖土力學與工程界專家學者的極大關注[3]。自然界的干濕變化及巖石本身的巖性是導致巖石崩解的重要因素[4-7]，大部分研究者認為濕度變化是巖石物理風化的主要控制因素[8-9]。已有的大量成果從水對泥質巖力學特性的影響[10]、泥巖吸水特性[11]、泥巖脹縮性和微觀結構特性等方面[12]進行了詳細的研究。然而，現有研究中對于不同塊度對泥質巖崩解性質影響的研究較為不足。

考慮到泥質巖地區所存在的自然災害及工程問題，采用自行設計的試驗裝置模擬自然界中降雨的實際環境，對江西省贛南地區的泥質巖制成80～70、70～60、60～50、50～40 mm 4種不同塊度的試樣，開展干濕循環作用下的室內崩解試驗研究，并對泥質巖崩解之后不同粒徑顆粒百分含量、各粒組顆粒百分含量、各粒組累計百分含量、以及崩解物耐崩解性指數進行深入研究。

1 降雨-干燥交替作用下泥質巖耐崩解試驗

1.1 泥質巖基本物理力學性質

試驗采用的泥質巖取自江西省贛南地區，現場取樣后密封保存，運輸至實驗室后立即加工成所需試樣開展室內試驗研究。取5組泥質巖試樣研制成粉末，進行X粉末射線衍射試驗，測定該泥質巖的礦物成分。

圖1為從5組XRD(X-rays diffraction)試驗中所選取其中1組泥質巖XRD衍射試驗結果。對試驗結果分析可得，本研究所采用泥質巖的礦組成分分別為：石英31.28%～37.23%，方解石7.11%～11.12%，云母20.77%～23.85%，赤鐵15.62%～18.63%，鈉長石13.86%～15.95%，蒙脫石 0.89%～1.33%，伊利石1.12%～2.21%，高嶺石1.35%～1.65%。取3組泥質巖試樣，加工成所需尺寸的試樣后進行單軸抗壓強度試驗，得泥質巖的單軸抗壓強度平均值為10.18 MPa。此外，測得泥質巖天然含水率平均值為1.43%，干密度為 2.38 g/cm3。

圖1 泥質巖X射線衍射結果分析Fig.1 X-ray diffraction analysis of mudstone

圖2 泥質巖放大2 000倍SEM圖Fig.2 Magnified 2 000 times SEM image of mudstone

圖2為泥質巖放大2 000倍的電鏡掃描scanning electron microscope(SEM)圖像，由圖可知，贛南地區泥質巖微孔隙較為發育，微孔隙的分布非常明顯，這種結構導致了水分容易沿著泥質巖內部的孔裂隙逐漸浸入泥質巖內部，從而產生崩解。

1.2 試驗方案與試驗方法

巖石耐崩解試驗依據DZ/T 0276.9—2015巖石物理力學性質試驗規程進行[13]。試驗設計4組不同塊度的泥質巖試樣，依據上述規范將每個泥質巖試樣加工成渾圓狀，每組各10塊泥質巖試樣。試樣編號依次為DL-1、DL-2、DL-3、DL- 4，對應的塊度區間分別為80～70、70～60、60～50、50～40 mm。試樣的尺寸采用游標卡尺進行測定，塊度區間由單塊試樣的短軸確定。

試驗采用模擬自然環境中降雨的試驗條件，即在試樣的上部安裝多個噴淋裝置，使得水噴灑到試樣表面，每個噴淋裝置的噴射速度與噴射范圍均調整相同，在噴灑水的環境下模擬降雨使泥質巖發生崩解。試驗步驟：將制備好的天然巖樣置于烘箱內烘干至恒重(不少于24 h)，在干燥器內冷卻至室溫。然后，采用模擬降雨的試驗條件使試樣發生崩解，模擬降雨過程不少于24 h。將崩解以后的泥質巖試樣放于恒溫烘箱之中干燥至恒重(不少于 24 h)。最后，采用粒徑為80、60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的圓孔標準篩過篩。重復上述試驗步驟，完成14次干濕循環崩解試驗。

2 泥質巖耐崩解試驗結果及分析

2.1 泥質巖崩解物不同粒徑顆粒百分含量分析

圖3為泥質巖崩解物各粒組百分含量與循環次數的關系曲線，由圖3可知，不同粒徑百分含量關系曲線呈現出三種變化趨勢：①隨著循環次數的增加，不同粒徑百分含量不斷減小(由DL-1～DL- 4，該粒組范圍分別為>5、>10、>10、>20 mm)；②隨著循環次數的增加，不同粒徑百分含量先增大后減小(由DL-1～DL- 4，該粒組范圍分別為 0.5～5、1～10 mm、>1～10 mm、>20～5 mm)；③隨著循環次數的增加，不同粒徑百分含量不斷增大(由DL-1～DL- 4，該粒組范圍分別為 <0.5、<1、<1、<5 mm)。

2.2 泥質巖崩解物各粒組顆粒含量分析

圖4為不同干濕循環次數情況下上述不同塊度泥質巖試樣各粒組百分含量關系曲線。圖4中橫坐標為各粒組范圍，由于各粒組范圍取值較多，為了方便顯示，部分粒組(20～40、5～10、0.25～0.5 mm)未在圖中標記，但留有顯示的刻度。由圖4 可知，DL-1、DL-2、DL-3試樣曲線的形狀比較相似，而DL- 4試樣圖形的形狀則稍有不同，但4組試樣各粒組級百分含量曲線整體上均表現出大量相似的變化規律：不同循環次數條件下，曲線都存在一個明顯的峰值，曲線基本表現出先增加至峰值，而后減小的變化趨勢，且隨著循環次數的增加，峰值逐漸向粒徑減小的方向發生移動。在峰值前，隨著循環次數的增加，曲線的位置逐漸向下移動；而在峰值后，隨著循環次數的增加，曲線的位置則逐漸的向上移動。隨著循環次數的增加，各曲線之間的間距逐漸減小，且最后4次干濕循環條件下各粒組百分含量曲線非常接近，表明崩解逐漸趨于穩定。

2.3 泥質巖崩解物各粒組累計百分含量分析

依據上述不同塊度泥質巖室內淋雨崩解特性試驗，以小于某粒徑累計百分含量為縱坐標，以粒徑為橫坐標，繪制不同塊度泥質巖崩解物各粒組累計百分含量與循環次數的關系曲線，如圖5所示。由圖5可知，DL-1、DL-2、DL-3試樣曲線的形狀比較相似，曲線的形狀呈現出“S”形；而 DL- 4 試樣圖形的形狀則稍有不同，曲線的形狀呈現出雙曲線形，表現出塊度較大的泥質巖崩解后各粒組累計百分含量與粒徑的關系曲線呈現出“S”形，而塊度較小的泥質巖崩解后則為雙曲線形。

圖3 泥質巖崩解物各粒組百分含量與循環次數的關系曲線Fig.3 Relationships between percentage of each group and cycle number of mudstone disintegration

圖4 泥質巖崩解物各粒組百分含量Fig.4 Percentage of each group for mudstone disintegration

圖5 泥質巖崩解物各粒組累計百分含量與循環次數的關系曲線Fig.5 Relationships between accumulated percentage and particle size of mudstone disintegration

4組泥質巖試樣各粒組累計百分含量與粒徑的關系曲線整體上均表現出大量相似的變化規律，總結如下：隨著干濕循環次數的不斷增加，泥質巖崩解物各粒組累計百分含量關系曲線逐漸向著較小粒徑的方向整體發生移動；各曲線之間的空隙不斷減小，最后基本重合，反映出泥質巖的崩解速率逐漸減小且最后趨于穩定。

3 泥質巖崩解物耐崩解性指數分析

耐崩解性指數的定義為

(1)

式(1)中：Md為試樣總質量；MN為泥質巖崩解物第N次干濕循環時粒徑大于2 mm的殘留樣質量。

張巨峰等[14]分析了優化級配方程對崩解顆粒級配描述的適用性，小于某粒徑d的累計百分含量p的優化級配方程為[15-17]

(2)

式(2)中：m、b為級配參數。

由式(2)求得不同循環次數下各試樣的級配參數如表1所示。由表1可知，級配方程適用于描述研究中泥質巖崩解物的粒徑級配特征。

將式(2) 代入式(1)求得基于優化級配方程的相對耐崩解性指數計算公式為

(3)

由式(1)、式(3)求得不同循環次數下各試樣的耐崩解性指數與相對耐崩解性指數見表2。

表1 級配參數m、bTable 1 Gradation parameters m and b

表2 各試樣耐崩解性指數(Id)與相對耐崩解性指數(Id0)Table 2 Slake durability index and relative slake durability index of each sample

由表2、圖6可知，推導的基于優化級配方程的相對耐崩解性指數與從試驗結果中求得的耐崩解性指數非常接近，從而驗證了模型的正確性；隨著試樣塊度的不斷增大，其耐崩解性指數與相對耐崩解性指數均不斷減小。

圖6 各試樣Id、Id0與循環次數關系曲線Fig.6 Relationships between，Id、Id0 and cycle number for each sample

4 結論

(1) 不同粒徑百分含量關系曲線呈現出三種變化趨勢。隨著循環次數的增加，不同粒徑百分含量不斷減小、先增大后減小以及不斷增大。

(2) 不同循環次數條件下，各粒組百分含量曲線都存在一個明顯的峰值，曲線基本表現出先增加至峰值，而后減小的變化趨勢。在峰值前，隨著循環次數的增加，曲線的位置逐漸向下移動；而在峰值后，隨著循環次數的增加，曲線的位置則逐漸的向上移動。

(3) 塊度較大的泥質巖崩解后各粒組累計百分含量與粒徑的關系曲線呈現出“S”形，而塊度較小的泥質巖崩解后則為雙曲線形。

(4) 隨著干濕循環次數的不斷增加，泥質巖崩解物各粒組累計百分含量關系曲線逐漸向著較小粒徑的方向整體發生移動；各曲線之間的空隙不斷減小，最后基本重合，反映出泥質巖的崩解速率逐漸減小且最后趨于穩定。

(5) 推導的基于優化級配方程的相對耐崩解性指數與從試驗結果中求得的耐崩解性指數非常接近，從而驗證了模型的正確性。隨著試樣塊度的不斷增大，其耐崩解性指數與相對耐崩解性指數均不斷減小。