軟巖膨脹巖軟化崩解特性

陳志敏， 趙吉萬*， 龔軍， 陳宇飛， 李增印， 孫勝旗

(1. 蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣州 511458)

軟巖在隧道施工中是一種較為常見的巖體，在施工過程中其原始狀態(tài)容易受到擾動，進(jìn)而會與大氣和水相遇發(fā)生軟化和崩解，尤其是在西部山嶺地區(qū)，隧道的埋深往往會很大，隧道圍巖受山嶺地質(zhì)構(gòu)造影響顯著，通常具有較高的應(yīng)力水平，在這種高應(yīng)力軟巖條件下，掌子面開挖時隧道的圍巖具有流變特性，開挖會導(dǎo)致其出現(xiàn)嚴(yán)重的壓縮、變形，甚至?xí)霈F(xiàn)塌陷和其他災(zāi)難。膨脹巖是一種特殊性軟巖，在遇水時極易發(fā)生軟化崩解現(xiàn)象[1]。青海省內(nèi)寧纏公路隧道，其穿越極高地應(yīng)力復(fù)雜互層軟巖區(qū)域，且隧道斷面大、圍巖極其軟弱，具有明顯的膨脹性和崩解性。因此在施工過程中，經(jīng)常會遇到軟巖膨脹巖遇水軟化崩解，進(jìn)而導(dǎo)致一系列的工程問題。

軟巖膨脹巖及其引發(fā)的工程問題一直吸引著全球行業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者的極大注意力。梁冰等[2]、柴肇云等[3]利用X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)試驗(yàn)分析了巖樣的礦物組成，認(rèn)為泥巖崩解機(jī)理的差異性主要是由于礦物組成的影響。曹雪山等[4]做了多次的泥巖干濕循環(huán)試驗(yàn)，指出泥巖崩解過程中的各個物理指標(biāo)在第7次循環(huán)作用時會達(dá)到一個臨界值，前7次變化較為明顯，后7次基本不變化。王浪等[5]在室內(nèi)崩解試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出了泥巖在不同耐崩程度下的顆粒粒徑變化規(guī)律。張曉媛等[6]、夏振堯等[7]做了不同初始含水率下的崩解試驗(yàn)，指出軟巖在不同的浸泡時間下具有不同的崩解速率，并具有一定的規(guī)律性。黃明等[8]、劉曉明等[9]在紅砂巖崩解試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出了計(jì)算紅砂巖能量的方法。劉長武等[10]利用X射線衍射儀等儀器對泥巖微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，給出了崩解前后的變化規(guī)律。吳道祥等[11]在多次干濕循環(huán)作用的基礎(chǔ)上，研究了紅層軟巖在崩解過程中顆粒級配的變化情況，將崩解性能進(jìn)行了分級。趙明華等[12]、劉曉明等[13]分別進(jìn)行了室內(nèi)崩解試驗(yàn)和大氣條件下的漸進(jìn)崩解試驗(yàn)，引入了分形理論，得到了崩解過程中可以進(jìn)行定量描述的指標(biāo)。申培武等[14]開展了紅層泥巖崩解試驗(yàn)，得出了崩解過程中分形維數(shù)的變化規(guī)律。曾志雄等[15]開展了干濕循環(huán)作用下膨脹巖的崩解試驗(yàn)，引入了標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)熵。鄭明新等[16]進(jìn)行了泥質(zhì)粉砂巖的崩解試驗(yàn)，從能量耗散的角度分析了其崩解規(guī)律。付宏淵等[17]從宏觀角度對崩解現(xiàn)象進(jìn)行了規(guī)律分析，并且研究了崩解、荷載和分形維數(shù)之間的影響關(guān)系。鄭明新等[18]認(rèn)為0.5～5 mm 粒徑的顆粒含量能較為清楚地反映煤系軟巖崩解進(jìn)程。毋庸置疑，前人的這些成果為后續(xù)的研究提供了重要的線索和思路。但是，這些研究往往聚焦于崩解過程中規(guī)律的探索，或是對其規(guī)律進(jìn)行籠統(tǒng)的描述，大部分的研究都是從宏觀角度來進(jìn)行的，缺乏對其現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行深層次的分析與探究，對軟巖崩解性的強(qiáng)弱往往簡單地用崩解指數(shù)來劃分，并未考慮礦物組成對崩解強(qiáng)弱的影響，對不同膠結(jié)類型的巖樣的崩解機(jī)制鮮有學(xué)者進(jìn)行對比分析。

因此，針對西部地區(qū)極高地應(yīng)力軟巖膨脹巖的崩解特性研究亟待完善，其崩解影響因素和崩解機(jī)制研究對后續(xù)西部地區(qū)極高地應(yīng)力軟巖下的隧道施工具有重要意義。現(xiàn)通過選取寧纏隧道具有代表性的巖樣進(jìn)行崩解性試驗(yàn)，研究軟巖膨脹巖的崩解規(guī)律，探討不同膠結(jié)類型巖樣的崩解機(jī)制，并對崩解過程中所展現(xiàn)的規(guī)律和差異進(jìn)行深入的剖析。

1 軟巖膨脹巖崩解性研究

1.1 概述

寧纏隧道大變形段掌子面開挖后揭露地層巖性為石炭系下統(tǒng)鈣質(zhì)粉砂巖與泥碳質(zhì)粉砂巖互層，夾碳質(zhì)泥巖和碳質(zhì)頁巖，為較軟巖和軟巖，局部夾極軟巖(碳質(zhì)泥巖)，強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖(夾煤線)與粉砂巖互層。掌子面圍巖以及巖樣細(xì)部狀態(tài)如圖1和圖2所示。圍巖呈疊瓦狀構(gòu)造，新地層(石炭系)逆沖于老新地層(泥盆系)之上，且石炭系圍巖內(nèi)揉皺、小褶皺發(fā)育，產(chǎn)狀凌亂。該互層圍巖整體呈層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀34°～46°，各組分主要依靠礦物顆粒的膠結(jié)作用，因而其節(jié)理較為分明、裂隙極發(fā)育，強(qiáng)度較低，巖體大多破碎。

圖1 掌子面互層圍巖圖Fig.1 Interbedded surrounding rock map of palm surface

圖2 巖樣局部圖Fig.2 Partial view of rock sample

現(xiàn)有膠結(jié)類型的分類主要針對所有的巖石，內(nèi)容籠統(tǒng)而廣泛，不能很好地反映軟巖膨脹巖的特性。在前人的基礎(chǔ)上，依據(jù)巖樣膠結(jié)物的含量及碎屑顆粒的接觸關(guān)系，對軟巖膨脹巖的膠結(jié)類型進(jìn)行了新的分類，主要為以下3種：①接觸型；②填充型；③基質(zhì)型，如圖3所示。

1.2 崩解試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)[19]進(jìn)行崩解試驗(yàn)，并對每一次崩解過后的耐崩解指數(shù)進(jìn)行記錄。將每次循環(huán)崩解后的試樣烘干、篩分，獲得巖樣多個循環(huán)后粒徑組成及含量。

圖3 膠結(jié)類型Fig.3 Types of cementation

1.2.2 耐崩解指數(shù)

巖石的耐崩解性是指巖石在遇水軟化或崩解時表現(xiàn)出來的抵抗能力，通常用耐崩解性指數(shù)確定，按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)[19]進(jìn)行計(jì)算，公式為

(1)

式(1)中：Id為耐崩解指數(shù)；mr為巖樣崩解后烘干的殘余質(zhì)量；ms為巖樣崩解前的烘干質(zhì)量。

對巖樣2和巖樣3進(jìn)行崩解試驗(yàn)，每種巖樣選取3組作為平行對照，得出其崩解指數(shù)和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線圖，如圖4和圖5所示。可以看出，同一巖樣不同組的崩解曲線具有相似性，不同巖樣的崩解曲線具有明顯的差異。

圖4 巖樣2耐崩解指數(shù)和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between the disintegration resistance index and the number of cycles of rock sample 2

圖5 巖樣3耐崩解指數(shù)和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between the disintegration resistance index and the number of cycles of rock sample 3

3種巖樣耐崩解指數(shù)和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系的曲線如圖6所示。

可以發(fā)現(xiàn)，3種巖樣的耐崩解指數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加都會不斷地下降，并且下降的幅度趨于平緩。對3種巖樣的耐崩解指數(shù)的變化趨勢可用式(2)進(jìn)行擬合，即

Id=Ae-B

(2)

式(2)中：A、B為擬合參數(shù)。

巖樣的具體擬合情況如表1所示。

3種巖樣礦物成分的衍射分析結(jié)果如表2所示。

圖6 耐崩解指數(shù)和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between disintegration resistance index and number of cycles

表1 擬合參數(shù)和相關(guān)系數(shù)Table 1 Fitting parameters and correlation coefficient

表2 巖樣礦物組成分析結(jié)果Table 2 Rock sample mineral composition analysis results

可以明顯看出，巖樣1蒙脫石和綠泥石的含量遠(yuǎn)小于巖樣2和巖樣3，此種巖樣的膠結(jié)方式主要為接觸型，這種膠結(jié)類型的巖體顆粒之間通常具有很大的孔隙，缺乏膠結(jié)物的填充，顆粒之間硬性接觸，無基質(zhì)物起到緩沖作用，在崩解時呈塊狀分布，并且?guī)r樣1的崩解指數(shù)在經(jīng)過多次循環(huán)之后的降幅仍然很小，因此在整個試驗(yàn)過程中展現(xiàn)了較弱的崩解性。巖樣2在崩解過程也展現(xiàn)出了較強(qiáng)的崩解性，但由于巖樣2黏土礦物的含量低于巖樣3，且膠結(jié)類型為填充型，在其影響下，巖樣2的崩解指數(shù)要低于巖樣3。巖樣3由于含有大量的蒙脫石、高嶺石、伊利石等，此類礦物具有良好的親水性并且在吸水時會產(chǎn)生膨脹，易引起巖石的軟化及崩解，膠結(jié)方式以基質(zhì)型為主，因此在崩解過程中，巖樣3的崩解速度明顯大于巖樣1和巖樣2，并且崩解性也是最強(qiáng)的。

從巖樣的崩解結(jié)果可以看出，巖樣1經(jīng)過多次循環(huán)之后只發(fā)生很小的崩解，具有較弱的崩解性。巖樣2與巖樣3礦物組成相似，具有相似的崩解曲線，崩解性介于巖樣1和巖樣3之間。巖樣3的崩解性最強(qiáng)，1次循環(huán)后耐崩解指數(shù)為45.7%，表明第一次循環(huán)后已崩解大半，崩解后形態(tài)大多為針狀和片狀，并有很小量泥化現(xiàn)象。第2次循環(huán)后耐崩解指數(shù)為23.58%，說明遇水崩解特性顯著，崩解后形態(tài)大塊片狀崩解物明顯減少，針狀崩解物增多，泥化現(xiàn)象明顯。第3、第4次循環(huán)后分別為12.53%和10.87%，經(jīng)過4次以上循環(huán)崩解后巖樣崩解物大部分呈泥糊狀，極少有塊狀，說明巖塊在經(jīng)過4次循環(huán)已基本完全崩解。巖樣3的崩解過程如圖7所示。

圖7 巖樣3崩解實(shí)驗(yàn)過程Fig.7 Disintegration experiment process of rock sample 3

綜上所述，軟巖膨脹巖在整個崩解過程中，基質(zhì)型崩解性較強(qiáng)，其崩解性一般是接觸型的7～8倍，填充型的2～3倍；接觸型崩解性較弱，其崩解性一般是填充型的1/3～1/2；填充型的崩解性介于兩者之間。

1.2.3 崩解物顆粒分析

為了進(jìn)一步對軟巖膨脹巖的崩解特性進(jìn)行分析，在每一次崩解之后，將其殘留物烘干，用5、2、0.5和0.25 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，統(tǒng)計(jì)了不同循環(huán)次數(shù)下各個粒徑組的含量，得到了各個粒徑組顆粒含量和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線圖，如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，巖樣1開始發(fā)生崩解時，只有小于0.25 mm的粒徑組開始逐漸增加，其余粒徑組的含量基本沒有變化，可見接觸型巖樣的崩解物主要是小于0.25 mm的砂粒。巖樣3在開始崩解之后，大于5 mm的粒徑組含量經(jīng)過急劇下降之后開始趨于平穩(wěn)；0.5～5 mm的粒徑組一開始會隨著循環(huán)次數(shù)逐漸增加，但是這種增長會在1～3次時達(dá)到一個頂峰，之后又開始緩慢降低，逐漸趨于一個穩(wěn)定值；小于0.5 mm的粒徑組含量不斷穩(wěn)定上升，在達(dá)到一個臨界值時趨于平緩。可以看出，在其完全崩解的過程中，小于0.5 mm的粒徑顆粒的剝落是基質(zhì)巖崩解的主要形式。

崩解性強(qiáng)的巖樣，曲線變化的峰值和最終穩(wěn)定狀態(tài)一般早于崩解性較弱的巖樣，并且曲線變化的幅度更加明顯。

接觸型和基質(zhì)型巖樣在崩解的過程中，它們每個粒徑組的變化曲線展現(xiàn)出了巨大的差異性，從而使它們在崩解過程中具有不同的崩解速度和崩解程度。

3種巖樣在不同循環(huán)次數(shù)下各個粒徑組的變化曲線如圖9所示。

可以看出，巖樣1在整個崩解過程中，大于5 mm的粒徑組含量發(fā)生了輕微的降低，小于0.25 mm的粒徑組含量一直在平穩(wěn)上升，其余粒徑組含量基本不變化，可見巖樣1的崩解物主要是小于0.25 mm的顆粒。巖樣3大于0.5 mm的粒徑組含量在經(jīng)過一次急劇的下降之后開始趨于平穩(wěn)，而小于0.5 mm的粒徑組變化一直較為平穩(wěn)，無明顯的起伏，表明隨著崩解物顆粒的不斷變小，其崩解性也在逐漸減小。另外在崩解過程中，小于0.25 mm的粒徑組含量隨著循環(huán)次數(shù)的增長速度明顯大于0.25～0.5 mm的粒徑組。由參考文獻(xiàn)[20-21]可以看出，不同軟巖在干濕循環(huán)作用下，小于0.25 mm和大于5 mm的粒徑組在崩解過程中同樣地展現(xiàn)出了極大的差異性，因此在判斷軟巖膨脹巖的崩解性時可以將小于0.25 mm和大于5 mm的粒徑組含量變化作為評估標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 不同粒徑組的變化曲線Fig.8 Variation curve of different particle size groups

圖9 不同巖樣粒徑組的變化曲線Fig.9 Variation curves of particle size groups of different rock samples

2 軟巖膨脹巖崩解機(jī)理

由崩解試驗(yàn)的結(jié)果可知，3種巖樣具有不同的崩解性，接觸型巖樣的崩解性最弱，在多次循環(huán)作用下只發(fā)生很小的崩解；而填充型和基質(zhì)型的崩解性較強(qiáng)，尤其是基質(zhì)型，在整個循環(huán)試驗(yàn)中發(fā)生了極為強(qiáng)烈的崩解。結(jié)合3種巖樣礦物成分的衍射分析結(jié)果可以看出，礦物組成的類型和含量對軟巖膨脹巖的崩解性具有主導(dǎo)作用。

由圖5可以明顯看出，巖樣1的崩解性遠(yuǎn)小于巖樣2和巖樣3，經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，巖樣1的親水性黏土礦物含量極少，顆粒粒徑較大，有較多的空隙和裂隙，膠結(jié)類型為接觸型，此種巖樣在遇水崩解時，表面上的孔裂隙會對水分子產(chǎn)生極強(qiáng)的吸附作用，當(dāng)這些水分子滲入巖體內(nèi)部時，會使顆粒之間由于空氣的排出而產(chǎn)生相互作用，這種作用力會使巖體內(nèi)的膠結(jié)鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象，使巖體變成碎塊狀結(jié)構(gòu)，但無法繼續(xù)崩解下去，因此導(dǎo)致巖樣1的崩解性遠(yuǎn)小于巖樣2和巖樣3。

巖樣3含有較多的親水性黏土礦物，如蒙脫石、高嶺石、綠泥石等，此類巖樣的膠結(jié)類型一般為基質(zhì)型，在試驗(yàn)過程中展現(xiàn)了極強(qiáng)的崩解性。在其遇水崩解時，由于黏土礦物晶格構(gòu)造的特殊性，顆粒會吸水產(chǎn)生膨脹，這種膨脹會使巖體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，導(dǎo)致顆粒發(fā)生碎裂，最終誘發(fā)巖樣的崩解。填充型的崩解機(jī)制類似于基質(zhì)型，但由于黏土礦物含量低于基質(zhì)型，因此崩解速度和程度都弱于基質(zhì)型。

綜上所述，軟巖膨脹巖不同的礦物組成和膠結(jié)類型會使其崩解產(chǎn)生差異，巖體礦物組成的類型和含量是影響其崩解性強(qiáng)弱的主要因素。

3 結(jié)論

(1)軟巖膨脹巖的耐崩解指數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加會依據(jù)負(fù)指數(shù)函數(shù)的形式降低，并且耐崩解指數(shù)曲線會由于膠結(jié)類型的不同而具有差異性。

(2)軟巖膨脹巖礦物組成的類型和含量是影響其崩解性強(qiáng)弱的主要因素。基質(zhì)型巖樣由于含有較高含量的黏土礦物，如蒙托石、伊利石等，因此其崩解性最大，此類巖樣的崩解是由于親水性礦物吸水膨脹，使顆粒發(fā)生碎裂所誘發(fā)的，崩解性普遍較強(qiáng)。接觸型巖樣一般不含或含有少量蒙脫石，這類巖體的崩解是由于孔裂隙中水分子的進(jìn)入，導(dǎo)致空氣排出，使得顆粒之間產(chǎn)生互相作用力，造成膠結(jié)鍵的斷裂而引起的，具有較弱的崩解性。

(3)在整個崩解試驗(yàn)過程中，基質(zhì)型巖樣大于0.5 mm的粒徑組含量在經(jīng)過一次急劇的下降之后開始趨于平穩(wěn)，0.5～5 mm的粒徑組含量一開始會隨著循環(huán)次數(shù)逐漸增加，但這種增長會在1～3次時達(dá)到頂峰，之后開始緩慢降低，逐漸趨于一個穩(wěn)定值；小于0.5 mm的粒徑組含量不斷穩(wěn)定上升，在達(dá)到臨界值時趨于平緩。接觸型巖樣在崩解過程中，小于0.25 mm的粒徑組含量一直處于穩(wěn)定上升的趨勢，其余粒徑組含量變化極小。表明在崩解過程中，小于0.25 mm顆粒的剝落和黏性礦物的溶解是崩解的主要形式。

(4)從3種巖樣崩解試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，不同巖樣的崩解過程中大于5 mm和小于0.25 mm 的粒徑組變化曲線表現(xiàn)出了極大的差異性，因此，可以將小于0.25 mm和大于5 mm的粒徑組含量變化作為評估軟巖膨脹巖崩解性強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)。