破碎軟巖的水理特性研究

徐 航,陳 剛,石 婷

（1.黑龍江科技大學 礦業工程學院,黑龍江 哈爾濱 150020；2.黑龍江科技大學 礦業工程學院采礦工程實驗室,黑龍江 哈爾濱 150020；3.黑龍江科技大學 建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱 150020）

引言

由于砂巖工程性質較差,被視為具有膨脹性、流變性和崩解性的松散軟弱巖層[1]其在天然狀態下較為完整、堅硬,它具有良好的力學性能,但在破碎后遇水后,在短時間內快速膨脹、崩解和軟化會對巖體造成機械損傷,這也會導致其力學性能的快速大幅降低,這是邊坡、基坑、隧道等變形、損壞或潛在安全隱患的關鍵。[2]軟巖的軟工程特性與新建工程的安全性之間的矛盾日益突出,因此對破碎度的研究砂巖軟巖的水力特性非常重要。Michael[3]對軟巖進行了大量的崩解試驗與強度測試試驗,對試驗數據進行分析比對后,結果表明,軟巖的強度隨著崩解過程的進行而降低。Terzaghi 和Peckl[4]在研究軟巖的構造后,提出巖石孔隙中的空氣會導致軟巖的崩解。在自然環境狀態下,膨脹性軟巖在失水后內部孔隙會存留大量空氣,同時在失水后具備很強的吸水能力。遇到降雨條件時,軟巖會迅速吸水,而巖體孔隙或裂隙中的空氣則沒有時間排出,會向巖塊內部逐漸施壓,最終由于氣體沿巖石的薄弱結構面溢出而導致巖石破裂。馮啟言[5]等人使用了材料檢測手段對紅層軟巖進行了材料分析。在分析了紅層軟巖強度、孔隙結構與崩解性之間的關系后,認為膠結物強度與孔隙率均會影響軟巖的崩解。其中,紅層軟巖中水泥的強度越低或微孔越多,軟巖的崩解現象越明顯,崩解破碎速度越快。

以上研究在一定程度上揭示了軟巖的物理化學性質和工程特性,但對于中砂巖、粉細砂破碎后遇水軟化的水理性質及水巖作用規律研究仍有待加強,鑒于此,本研究選取黑龍江省鶴崗中段砂巖、七臺河中段砂巖和雞西粉質細砂巖,從微觀結構、礦物組成和崩解特征三個方面對其特征進行了研究,并對實驗結果進行討論,揭示中砂巖、粉細砂巖軟化機理,為黑龍江軟巖地區的工程建設提供參考。

1 實驗過程與結果

1.1 試樣成分分析

選取黑龍江鶴崗、七臺河地區的中砂巖以及雞西地區的粉細砂巖對試樣進行X 射線衍射分析,結果見表1。

表1 試樣礦物組成%

從表1 可知：試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的黏土礦物含量分別達到68%、70%、69%,且巖性礦物含量分別為32%、30%、31%。粘土礦物約占礦物總量的2/3。粘土礦物約占礦物總量的2/3。粘土礦物的水巖反應會削弱砂巖塊體邊緣的鈍化作用,降低砂體的完整性,降低單個塊體和巖體的穩定性。隨著粘土礦物含量的增加,巖體蠕變加劇,巖石水穩定性降低,巖石吸水程度增加。受暴雨影響,使砂巖的吸水率變得更大,從而使強度變低[6]。可見砂巖中黏土礦物含量很大程度上影響著砂巖的水理性質而水理性質對工程建設、礦山安全以及邊坡穩定有不可忽略的影響[7]。

1.2 含水率實驗

巖石遇水或吸水時會吸水。因此,膨脹空氣的濕度越大,膨脹變形越大,這是因為圍巖吸收的水越多。其規模遠遠大于巖石的彈塑性變形和擠壓變形之和,以及由此產生的膨脹變形壓力,這是軟巖巷道支護失效的重要原因之一[8]。

采用干燥法測定礦石和巖石的含水量；新鮮巖樣在105～110 ℃的電動恒溫烘箱中干燥至恒定量。干燥前后巖樣質量差與干燥前質量之比為礦巖含水量。測試步驟包括：

（1） 取巖樣15～30 g,放入稱量箱。立即蓋上稱量箱并記錄稱量箱和新巖樣的重量。打開盒蓋,將樣品和稱量箱放入烤箱中,在105～110 ℃恒溫烘烤8～10 h。

（2） 取出干燥的巖樣和稱量箱,蓋上箱蓋,放入干燥器中冷卻至室溫,取出并記錄稱量箱和干燥巖樣的質量,精確至0.01 g。通過公式（1）計算含水率

式中,w- 含水率, 精確至0.1%;m1- 稱量盒加新鮮巖樣

質量,g;m2- 稱量盒加干巖樣質量,g;m0- 稱量盒質量,g[9]。

含水率實驗數據：

由于粘土礦物粒度細,粘土強度主要由束縛水維持,泥質巖具有宏觀力學特征,易失穩。由于含水量的增加,粘土顆粒結合水膜厚度增加,抗剪強度降低,泥質巖的水穩定性較差。砂巖含水率試驗結果見表2。

表2 砂巖自然含水率實驗結果

由表2 可看出,3 種砂巖自然含水率為0.64%～0.95%。一般來說,巖石的吸水性會導致自重增加,保溫性能降低,強度和耐久性都會有不同程度的下降。為了進一步探究破碎砂巖的水理特性,將對三種試樣在不同含水率的情況下進行直剪試驗。

1.3 直剪試驗

1.3.1 試驗儀器

常規直剪試驗是在Z-4 型四聯直剪儀上進行的。試驗裝置為應變控制直剪裝置。位移計的量程為10 mm,最小刻度值為0.01 mm,使用的環形切割器內徑為61.8 mm,高度為20 mm,體積為60 cm3。

1.3.2 試樣的制備及試驗過程

首先,取三種砂巖,放在通風處風干。將風干的砂巖放在橡膠板上,用木磨機研磨。通過直徑為2 mm的篩網后,取足夠數量的砂巖樣品,測量三種砂巖的含水量。然后,根據設計含水量0%、10%、15%、20%、25%,計算出各含水量下的加水量,噴灑細水霧直至完全混合,然后密封在塑料袋中浸泡一天一夜備用。最后,制作壓實度為95%的環切砂巖樣品（壓實度由質量控制方法控制）。每個含水率下制作5 個環切砂巖樣品,共60 個砂巖樣品,每個環切樣品的質量誤差控制在2 g 以內。樣品制備完成后,立即用保鮮膜包裹,防止水分蒸發。由于本研究是為了模擬砂巖的松散不排水和快速剪切破壞,所以進行了快速剪切試驗。樣品制作過程應嚴格遵守巖土工程試驗規范的相關規定。砂巖樣品的實際含水量應在直剪試驗完成后測量,分別為黑龍江鶴崗中砂巖:0%,11.21%,15.32%,20.16%,25.48%。七臺河中砂巖:0%,10.21%,15.52%,20.26%,25.36%。雞西粉細砂巖：0%,10.61%,14.92%,20.16%,25.76%。

在快速剪切試驗中,將制備好的砂巖樣品放入直剪儀的剪切箱中。砂巖樣品的上下側為濕濾紙和透水石,濕濾紙的含水量應盡可能接近樣品的含水量。安裝樣品后,對每組試驗的五個土壤樣品施加100、150、200、250 kPa 的垂直壓力,并以0.8 mm/min 的速度剪切,以便在3～5 min 內剪切樣品。如果測功機讀數達到穩定水平或出現明顯后退,則表明砂巖樣品已被剪切。通常,建議剪切它們,直到剪切變形達到4 mm。如果測功機的讀數繼續增加,應將其剪切,直到剪切變形達到6 mm,記錄試樣在各種垂直載荷下的最大剪切應力,見表3～表5。

表3 黑龍江鶴崗中砂巖不同含水率試樣在不同垂直壓力下的剪切強度

表4 七臺河中砂巖不同含水率試樣在不同垂直壓力下的剪切強度

表5 雞西粉細砂巖不同含水率試樣在不同垂直壓力下的剪切強度

圖1 C 值與含水率關系

1.4 實驗結果分析

碎屑巖的性質與土壤相似,土壤的粘聚力由顆粒之間的重力和排斥力決定,這取決于顆粒之間的水膜附著力和某些膠結材料的影響。隨著含水量的增加,顆粒間的水分膜的厚度也開始增加,這降低了內聚力,使土壤顆粒更容易相對移動。此外,隨著含水量的增加,碎屑巖中的一些膠結物開始逐漸溶解,這是粘聚力隨含水量增加而增加的原因,也是含水率增減的重要原因之一。

樣品為含粗顆粒的碎屑巖。與極細顆粒土樣相比,含水量的變化不會引起顆粒物性的顯著變化,而φ值主要由顆粒密實度、粒徑等物理性質決定。因此,隨著含水量的增加,內摩擦角不會發生顯著變化。

2 結論

(1) 黑龍江省七臺河、鶴崗的砂巖和雞西的粉砂巖中含有大量的粘土礦物,達到69%,這對煤礦和邊坡的水力特性產生重要影響,降低其水穩定性,從而影響煤礦巷道的穩定性。

(2) 隨著含水量的增加,破碎砂巖碎屑巖的抗剪強度降低。由于暴雨和地下水的長期浸泡,破碎邊坡的含水量不斷增加,從而降低其強度并導致其破壞。

(3) 破碎軟砂巖的安全系數與含水量呈負相關。邊坡達到極限平衡狀態是當含水量為7.39 左右時。邊坡被破壞的條件是當含水量大于該值時。

(4) 由于破碎的巖石和土壤質量的性質是相似的,不考慮結構的影響,所以含水量的影響非常大。此外,本研究側重于含水量的影響,未考慮地下水位、滲流等因素,可能會偏離實際情況。

(5) 用三個地區的巖石樣品測試了砂巖的軟化特性。結果表明,砂巖和粉砂巖的軟化系數隨含水量的增加而減小。

(6) 研究發現,泥巖和泥質砂巖在崩解循環試驗的作用下都有較強的崩解作用,泥巖的崩解程度較大。本研究是基于對實踐中遇到的特殊巖土問題的分析,對煤礦工程實踐具有良好的指導意義。