滕州地區砂質泥巖與砂巖物理力學性能對比分析

石妍茹，趙根生，孫春剛，李 晉，左 珅，畢崇禎

（1.山東交通學院，山東 濟南 250357；2.山東魯橋建設有限公司，山東 濟南 250021）

引言

墨子湖明挖湖底隧道位于山東省滕州市，隧道采用明挖法施工，隧道位于湖底部1.5 m，箱體頂部距離水面約有7 m。隧道施工開挖基坑的地質條件較為復雜，經勘察鑒別和室內土工試驗分析，按地基土成因類型、地質特征，將當地地基土劃分為7 層，由上至下分別為耕土、粉土、細砂、粉質黏土、中粗砂、砂質泥巖與砂巖，其中砂質泥巖和砂巖在當地大量分布。由于既要考慮到明挖隧道的綜合防水，又要考慮回填的質量和經濟效益，從而利用當地地基土作為回填材料尤為重要。鑒于砂質泥巖和砂巖廣泛分布于滕州地區，因此，基于該地區特點及工程背景開展砂質泥巖、砂巖的物理力學性能研究，對于充分利用現有材料，保證工程質量和節省工程成本具有重要意義。

一直以來，許多學者對各類地基巖土已開展了廣泛的研究。其中，劉長武、黃宏偉等[1-2]從微觀分析了泥巖遇水軟化的機理；湯傳金、姚強嶺等[3]根據黏聚力、內摩擦角與干燥-飽和循環次數的關系，建立了砂質泥巖Mohr-Coulomb 模型；付宏淵等[4]分析了粉砂質泥巖在不同溫、濕度作用下的單軸力學指標的變化規律；李宇翔[5]分析了不同徑高比對細砂巖壓縮破壞特征；俞縉、張欣等[6]研究了水化學與凍融循環共同作用下砂巖力學性能劣化特征；李克鋼等[7]分析了干濕循環對砂巖力學性能的影響規律；張豫川、潘增志等[8]從滲透性能入手，對砂巖與砂質泥巖進行試驗研究；寧蟠龍、王海林等[9]選取工程項目所在區域泥巖和砂巖進行室內試驗分析，研究得出其抗剪強度與其巖性、含水率等有關。他們研究主要是對單一種類巖石或巖石單一性能，而對不同種類巖石物理力學性能差異性分析的研究則較少。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及試樣制備

所用砂質泥巖和砂巖采自山東省滕州市墨子湖明挖隧道建設項目料源。砂質泥巖主要以黏土礦物為主，含少量砂質成分，呈灰綠色或灰褐色；砂巖成分主要以石英、長石為主，呈灰色或灰白色，巖芯較完整，呈柱狀。經實驗室分析，兩類巖樣的礦物成分組成見表1、表2。將天然狀態和飽和狀態下的砂巖、砂質泥巖用切石機等儀器分別制作成12 個直徑50 mm，高100 mm 的圓柱體試件；6 個直徑50 mm，高50 mm 的圓柱體式件；6 個50 mm×50 mm×250 mm的圓柱體試件，試驗前對試件的側面及端部進行仔細研磨，使其不平行度和不垂直度均小于0.05 mm，端面對試樣軸線垂直度偏差小于0.25°。

表1 砂巖礦物組成及其含量

表2 砂質泥巖礦物組成及其含量

1.2 試驗方法

按照《工程巖體試驗方法標準》（GB/T50266—2013）和《公路工程巖石試驗規程》（JTG E41—2005）中規定，對砂巖和砂質泥巖進行相關物理試驗和力學試驗。

1.2.1 物理性質試驗

對兩類巖樣天然狀態下的含水率、顆粒密度、毛體積密度、吸水性進行實驗。含水率試驗均采取烘干法，烘箱溫度設為105℃，烘干12 h 后取出，放入干燥器中冷卻5 min 至室溫。含水率的測定見公式（1）。顆粒密度均用比重瓶法測定，毛體積密度均用量積法測定，吸水性試驗均用自由吸水法測得吸水率。

式中：i—巖樣類型； wi—巖樣的含水率，%；mi—砂巖、砂質泥巖巖樣烘干之前的質量，g；mid—砂巖、砂質泥巖巖樣烘干之后的質量，g。

1.2.2 力學性質試驗

砂巖和砂質泥巖單軸抗壓強度測試采用MTS-810 萬能材料試驗機。選擇直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試件。為使其加載過程中受力均勻，將試件放置于試驗機的承壓板正中央，對正上、下成壓板，以0.8 MPa/s 的速率進行加載直至破壞，將破壞荷載值記錄。

單軸壓縮變形試驗采用千分表法，試件尺寸選擇直徑50 mm，高100 mm 的圓柱體試件。對砂巖進行試驗時，為測量橫、縱向變形，直接將測量表架安裝在試件上；對砂質泥巖進行試驗時，在試驗機下承壓板上安裝磁性表架，使縱、橫向測表表頭分別與上承板邊緣、試件接觸，兩對互相垂直的縱、橫向測表分別安裝在對稱位置上。

采取間接法測得劈裂強度，儀器采用MTS-810萬能材料試驗機，試件尺寸選擇直徑50 mm，高50 mm的圓柱體式件。選用寬5 mm 的膠木板為墊條，將兩根墊條沿加載基線（沿軸線方向）固定在試件兩端，為試件能夠均勻收到荷載，試件置于試驗機成壓板中心，調節球座，墊條與試件位于同一加荷軸線上，以0.4 MPa/s 的速率保持連續均勻加荷直至破壞，記錄破壞荷載。其中，砂巖和砂質泥巖試驗數量各24個，每種巖樣進行的單軸抗壓、單軸壓縮變形、劈裂、抗折試驗數量見表3。

表3 常規力學試驗數量

2 試驗結果與分析

2.1 物理指標分析

經室內試驗及公式計算整理物理指標，取平均值，見表4。可知，砂巖的天然含水率、顆粒密度、孔隙率均大于砂質泥巖值。對于吸水率而言，砂巖值小于砂質泥巖值。且在試驗過程中發現，砂質泥巖的孔隙率最大值與最小值相差較大，考慮是由于取巖樣時深度不一的原因，同一位置的砂質泥巖巖樣會隨所在深度的增加孔隙率呈減小變化趨勢，且砂質泥巖透水性好，為軟巖，隨著上覆巖土厚度的增加，巖體受到的上部壓力也隨之增大，導致巖體沉積更加密實，進而下部巖體的孔隙率會偏小。

表4 兩類巖樣的物理參數

2.2 力學指標分析

經公式計算整理力學性質試驗結果，得到力學指標見表5，兩類巖樣三種狀態下的力學指標折線見圖1、圖2。

表5 兩類巖樣的力學參數

圖1 砂質泥巖三種狀態下的力學指標折線

圖2 砂巖三種狀態下力學指標折線

對兩類巖樣在干燥、天然及飽和狀態下分別進行單軸抗壓強度、單軸壓縮試驗。由表5 可知，不論是干燥、天然或是飽和狀態下，砂巖單向抗壓至破壞的能力均大于砂質泥巖。由軟化系數得知，砂巖和砂質泥巖Kp 都小于0.75，兩者同屬軟化巖，砂巖的耐水性好于砂質泥巖。兩類巖樣的彈性模量比較而言，砂巖大于砂質泥巖，即砂巖材料剛度大，抗變形能力強。從劈裂強度看，砂質泥巖抵抗拉應力的能力也小于砂巖。

由圖1、圖2 可知，砂質泥巖和砂巖在三種不同狀態下的單軸抗壓強度、彈性模量相差較大，主要原因是不同狀態下巖樣受不同含水率的影響。不同狀態下兩類巖樣抗壓強度、彈性模量比較均為干燥狀態＞天然狀態＞飽和狀態。

3 不同含水率對兩類巖樣力學指標的影響關系

根據研究[1-2，10-12]，巖石在浸水條件下，受含水率變化的影響導致其微觀結構變化，進一步會導致力學性能的變化。因此，巖石含水率的變化可以與力學性能之間建立一定的關聯。砂質泥巖、砂巖的含水率與單軸抗壓強度、彈性模量的關系見圖3、圖4。

圖3 砂質泥巖和砂巖單軸抗壓強度與含水率的關系

由圖3 可以看出，隨含水率的增大，兩類巖樣單軸抗壓強度呈降低趨勢。砂巖的單軸抗壓強度總體大于砂質泥巖，砂質泥巖隨含水率的增大，其單軸抗壓強度變化幅度大于砂巖變化幅度。砂質泥巖和砂巖的含水率與單軸抗壓強度變化關系用多項式表示，經曲線擬合：

式中：x—含水率（4.2%～7.6%）；y—單軸抗壓強度，MPa。

由圖4 可知，砂巖和砂質泥巖的彈性模量隨著含水量的不斷增加，其值呈下降趨勢。兩類巖樣的彈性模量隨著含水率的變化關系符合指數函數的分布，曲線擬合可得：

圖4 砂質泥巖和砂巖彈性模量與含水率的關系

式中：x—含水率（4.2%～7.6%）；y—彈性模量，GPa。

4 結語

（1）在物理性質方面，砂質泥巖的天然含水率、孔隙率小于砂巖，砂質泥巖較砂巖更易于吸水，透水性好；在力學性質方面，砂巖單軸抗壓強度較砂質泥巖大；二者同為軟巖，砂巖的耐水性好于砂質泥巖；與砂質泥巖相比，砂巖彈性模量較大，抗變形能力強，且抵抗拉應力的能力也大于砂質泥巖。（2）在不同含水率條件下，兩類巖樣的單軸抗壓強度、彈性模量與含水率呈現明顯的相關性，單軸抗壓強度和彈性模量均隨著含水量的的增大而降低。（3）砂質泥巖與砂巖物理力學性能比較而言，砂巖更適合作為回填材料。