炭質泥巖風化浸水軟化效應試驗研究

陽個小　張黎明　莫鵬　駱俊暉

摘要：廣西分布大量炭質泥巖，邊坡開挖出露后在風化浸水的作用下易軟化導致邊坡失穩。為分析風化浸水作用下炭質泥巖軟化效應，文章以巴馬至平果高速公路沿線的炭質泥巖為研究對象，采用點荷載試驗方法測定風化浸水軟化后巖樣的強度，同時通過X射線衍射試驗（XRD），分析總有機質炭含量，進行不同TOC含量浸水試驗，研究TOC含量與強度的關系。結果表明：炭質泥巖強度隨風化時間增加而下降，強度下降過程分為三個階段，即加速期、急劇下降期、平緩期;通過XRD分析炭質巖礦物成分，TOC總有機質炭含量為0.998%～6.706%，不同TOC含量炭質泥巖吸水特性不同，軟化速率不同，TOC含量高的炭質泥巖吸水速率、軟化速率更快，TOC、浸水時長與強度軟化呈較好的正向相關性。

關鍵詞：炭質泥巖;點荷載試驗;浸水軟化;TOC含量;XRD試驗

中國分類號：U416.03文章標識碼：A110423

0 引言

炭質巖可分為炭質泥巖、頁巖及灰巖，性質易受環境的影響，具有浸水軟化、碎裂崩解、裸露風化等性質，對工程建設影響較大[1]。炭質巖邊坡崩塌是一項極易發生的地質災害，且炭質巖在廣西大范圍的存在，廣西區內多條在建或擬建重要公路都有穿過炭質巖區[2]，因此需要對開挖出露后的炭質巖浸水軟化效應進行研究，預測其強度，及時采取合理措施進行防治。

郭延輝等[3]對南部礦山炭質千枚巖進行室內試驗，結果表明炭質千枚巖屬于中膨脹性軟巖，具有較強的吸水性、易軟化和崩解破壞。劉卓華等[4]對廣西地區隧道炭質圍巖位移、滲壓等失穩特征進行實時監測，采用Singh-Mithel模型對監測值進行研究，分析炭質巖的破壞蠕變特性，并預測車輛通行對炭質圍巖隧道的影響。劉欽等[5]取炭質軟弱隧道圍巖試樣進行室內試驗研究，通過炭質巖應變軟化蠕變模型構建本構方程，并與試驗結果對比分析軟弱炭質巖的穩定性。劉林潔等[6]通過對炭質泥巖不同浸水時長的抗壓和抗剪強度進行分析，得出炭質泥巖強度隨著浸泡時長增多而急劇下降的結論，并以貴州某填土方邊坡為例分析炭質泥巖樣浸水軟化特性。曾鈴等[7]采用三軸CT試驗對炭質泥巖的細觀應力變形及損傷演化規律進行研究，為進一步深入分析炭質泥巖物理力學特性提供了新的方法。戴毅[8]基于炭質泥巖軟弱夾層試樣軟化機理展開室內試驗，研究驗證了炭質泥巖軟弱夾層的蠕變特性對邊坡穩定具有較大影響。Ganesh等[9]通過試驗揭示了礦物學特征與沉積巖及火成碎屑巖耐崩解特性的內在聯系。

炭質泥巖在開挖出露后，遇水風化效應明顯，是造成邊坡災變的關鍵因素。TOC含量是炭質泥巖軟化關鍵因素，現有對于炭質泥巖的不同TOC含量浸水軟化力學性能尚未見研究。本文通過XRD試驗、點荷載試驗，分析討論炭質泥巖不同風化時長、不同TOC含量浸水時長軟化效應。

1 炭質泥巖點荷載試驗

1.1 試驗儀器

由于炭質泥巖浸水易軟化、崩解，對在其分布地區進行的工程影響巨大，其自身特性難以制成標準巖石抗壓樣[10]。因此針對炭質泥巖開展點荷載試驗，基于點荷載試驗對炭質泥巖的風化和浸水軟化特性進行了分析與研究。試驗主要選用STDZ-3型巖石點荷載儀，由加載系統和壓力傳感器組成，壓力傳感器的最大量程為100 kN。

首先用游標卡尺測量記錄過試件中心點的最小截面的寬度。然后將試件放入點荷載儀圓錐狀壓板與可移動底板之間，使試件與點荷載儀兩端緊密接觸。試件安裝后，將壓力傳感器歸零，并按下測量按鈕，以10～60 s內能使試件破壞的加荷速度勻速加荷，直到試件破壞，記下壓力傳感器顯示的峰值壓力。巖石破壞后，測量并記錄巖石破壞面加載點之間的間距D。每個巖石樣進行5組試驗。由于試驗所選樣品數量有限，試驗去掉每組測試的3組最高和最低值，計算其平均值，作為該組巖石的點荷載測試值。

1.2 炭質泥巖試樣制備

對廣西巴馬至平果高速公路K42+200段炭質泥巖邊坡進行現場取樣，將取回的大塊巖石樣加工成如圖1所示試塊，并且使每個試樣的質量控制在40～60 g，長度與寬度在2∶1左右，每組試樣的數量在20個以上。為研究TOC含量對炭質泥巖吸水的影響。將巖石樣進行XRD分析，分析其炭含量，得到巴平路炭質巖的TOC含量范圍在0.998%～6.706%。

1.3 試驗方案

為研究炭質泥巖風化時長對強度的影響，分別取現場開挖出露后風化0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d的巖樣進行點荷載試驗，每組試驗取20個巖樣進行試驗，去掉3個最高值、3個最低值，其余試驗值取平均值，換算得到不同風化程度下的炭質泥巖單軸抗壓強度。分別對大塊完整的巖石進行取樣，采用XRD分析巖石的TOC含量，分別取典型TOC含量為0.998%、2.456%、6.706%的大塊巖石加工成試驗用的試樣，對不同TOC含量的炭質泥巖進行浸水試驗，浸水時長0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d，記錄炭質泥巖各個時段吸水率，將浸水后的試樣進行點荷載試驗，分析其TOC含量與吸水特性和強度的關系。

2 軟化效應分析

2.1 不同風化程度炭質泥巖點荷載強度

將開挖出露后不同風化時長下巖石進行點荷載試驗，得到的強度參數如圖2所示。

炭質泥巖開挖出露后，在自然風化作用下，總體上炭質泥巖強度隨出露時間增加而下降，強度下降過程分為三個階段：（1）在開挖出露后1～2 d，強度呈現下降趨勢，下降速率較緩，主要是開挖后巖面結構密實，水分等進入較少，軟化速率較慢;（2）出露2～15 d，強度下降曲線斜率變大，強度快速下降，這一階段的巖石表面結構開始劣化，產生許多新的微孔隙，水分向巖體內部遷移作用明顯，加速強度下降;（3）出露15～30 d，強度下降趨勢放緩，曲率慢慢變得平直。

2.2 不同TOC含量炭質泥巖吸水特性

將不同TOC含量的炭質泥巖浸水0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d，浸水后的巖石吸水速率如下頁圖3所示。

由圖3可知，隨著TOC含量增加，炭質泥巖吸水率增加，吸水速率與TOC含量呈現正相關性，TOC含量越高，在短時間內吸水率上升越快，隨后達到峰值;隨著TOC含量的增加，吸水率峰值越高，且峰值出現越晚，6.706%TOC含量下，吸水率在13 d趨于平緩，TOC含量與炭質泥巖的最終吸水率及吸水速度呈現正相關性。

2.3 不同TOC含量下炭質泥巖浸水后力學強度

將不同TOC含量下的炭質泥巖在浸水下進行點荷載試驗，獲得隨浸水時長增長的強度變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著浸水時長的增加，炭質泥巖的無側限抗壓強度呈現降低的趨勢，對于TOC含量為0.998%的炭質泥巖，強度下降曲線為上凸型，開始浸水階段強度降低較為平穩，中期強度下降趨勢開始加速，15 d之后強度降低趨勢放緩;對于TOC含量為2.456%的炭質泥巖，強度下降曲線呈現中間下凹型，1 d開始，強度開始快速下降，10 d后，強度降低放緩;對于TOC含量為6.706%的炭質泥巖，強度下降趨勢整體呈現下凹型，試驗開始階段強度下降較快，試驗過程始終保持較大的下降幅度，試驗結束時仍存在較大下降趨勢。

分析原因，結合前文不同TOC含量吸水速率結果可知，主要是由于有機炭吸水性強，浸水時隨著炭含量的增加，迅速吸水導致含炭部分結構的軟化，水分滲入孔隙，水巖相互作用使巖體中的黏土礦物軟化、膨脹，粘粒流失從而孔隙進一步擴張，水巖接觸面積增大，加速了炭質泥巖的軟化，后因溶于水造成質量損失，轉運到巖石表面造成巖石內部結構松散，填充到裂隙強烈發育處，阻礙水進一步浸入，造成巖石整體的強度結構特性的劣化，故隨著TOC含量增加，浸水后的強度降低幅度、降低速率均有所增大。

3 結語

本文通過電鏡掃描和點荷載試驗，對炭質泥巖物理力學性質進行分析，得出以下結論：

（1）通過XDR對采樣炭質泥巖進行元素分析，得到巖樣TOC含量在0.998%～6.706%。

（2）將開挖出露后不同風化時長炭質泥巖進行點荷載試驗，隨著風化時長的增加，炭質泥巖強度變化呈現平緩期、加速期、平緩期。

（3）炭質泥巖浸水軟化強度與TOC含量、浸水時長呈現正相關性，擬合得到不同炭含量下炭質泥巖吸水特性、力學強度與含炭量曲線關系，為炭質泥巖風化及浸水邊坡防護工程實踐提供參考。

參考文獻：

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