强风化泥岩颗粒破碎对其渗透系数的影响

喻成，何昌荣，雷茂鑫，詹传妮

(四川大学水利水电学院，四川成都610065)

我国西南部地区有广泛的泥岩分布。泥岩由于抗水性差、易软化，越来越多的工程实践都涉及到了泥岩的破碎问题，特别是遇水软化以后因其强度的变化，在碾压、振动或击实的作用下很容易破碎，而破碎带来的级配等一系列物理力学性质的变化是需要我们重视的。

在通常的室内渗透试验中，一般只测定了试验前试样的颗粒级配［1］，没有考虑试验过程中试样级配的变化。本文中的这种强风化泥岩，不仅会在试验的装样过程中就会因为击实作用而发生颗粒破碎，并且在试验中由于物化反应也会产生颗粒破碎现象，进而影响试验的结果。本文就这一问题，研究了西南地区某强风化泥岩的颗粒破碎对其渗透性的影响。

1 泥岩的基本特性

我国《建筑地基基础设计规范》(GBJ 7－89)对岩石坚固性的划分，泥岩属于软质岩石［2］。泥岩是陆源碎屑沉积的最细粒部分，其组分泥质细粒通常是以水力悬浮方式由河流搬运到沉积盆地，大多数泥质悬浮物是以集合粒(絮凝团)沉淀的。泥岩可形成于多种地质环境，其成岩作用以压实为主，在压实作用下，孔隙水被排除，沉积物重新排列。

常见或主要的泥岩［3］都呈较稳定的层状，常与砂岩、粉沙岩共生或互层，或者以背影沉积的形式处在相对孤立的中粗碎屑岩体之间，有时可以与粉沙岩一起构成单调的细碎屑沉积序列。岩石中沉积顶层还受到冲刷而与中粗碎屑岩呈冲刷接触，较强的压实后更容易产生页理。

泥岩的成分很复杂，主要是高岭石(K)、伊利石(I)、蒙脱石(S)、绿泥石(C)和混层黏土矿物等［4］。此外还有粉沙粒级或泥粒级大小的石英、长石和云母碎屑以及其他自生成分，如方解石、自生石英、铁铝氧化物、有机质等。泥岩的固结机制主要是压实。伴随着成岩作用的进行还广泛出现黏土矿物的转化、颗粒定向排列和各种沉积成分的溶解、成岩矿物的沉淀和有机质的降解。而且成岩过程中伴随胶结物的胶结，包括强氧化条件下的铁质胶结，强还原条件下的有机质胶结。

2 颗粒破碎的量化指标

粗颗粒土颗粒破碎的量化指标，可以采用能定量地反映试验前后粗颗粒土级配变化的某一参数来表示。目前，常用的参数有:

(1)Marsal［5］提出的颗粒破碎率Bg。该参数可以表征相应压力下颗粒破碎的程度，其定义为试验前后颗粒各粒组含量之差的正值之和，即:

式中:Wki为试验前级配曲线上某级粒组的含量;Wkf为试验后级配曲线上相同粒组的含量。

(2)施洪洋提出的粗度系数Kc。该参数可以用来描述堆石料的级配特征，其数学表达式为:

式中:d为粗细料的平均粒径;dc为粗细料的分界粒径，dc=5 mm;P5为粗料的质量分数。

(3)中国水利水电科学研究院提出的堆石受荷前后的控制粒径之差B。该参数可以用来度量颗粒的破碎程度，其数学表达式为:

式中:d60为受荷前的控制粒径;d60f为受荷后的控制粒径。

(4)Hardin［6］提出的破碎量Bf和相对破碎率Br。Hardin根据颗粒分布曲线的变化，定义试验前后颗粒分布曲线与粒径d=0.074 mm竖线所围面积分别为Bpi和Bpf，并认为粒径小于0.074 mm的细颗粒对颗粒破碎的影响不大，其中

Bt为破碎量。同时，Hardin［6］还定义了相对破碎率Br，即

本文采用Marsal［5］提出的颗粒破碎率Bg来描述粗颗粒材料的颗粒破碎情况。

3 试验装置及试验内容

3.1 试验装置

本次试验渗透仪采用试验室自制渗透变形仪，包括仪器筒，底座，透水板。渗透仪高35 cm，直径为30 cm。试验的水流由下向上，试样顶面为自由面;透水板孔径为5 mm。供水设备包括供水箱，提升架。供水箱上设有溢流口，能保持常水头。量测设备包括测压管、量筒、秒表、温度计。为准确量测试样中的水力梯度，在试样室对称的两侧分别安装了上、下共四根测压管，下测压管距离仪器底5 cm，上下测压管间距18 cm。其试验装置如图1所示。

图1 试验装置示意

3.2 试验内容

本次试验所用土料岩性为强风化泥岩，取于四川省金堂县东风水库堤岸，在西南地区非常常见，具有很强的代表性。试样总共1组，对其反复地进行了4次渗透试验，每次试验完成后将试样自然风干，然后重新进行同样条件下的渗透试验，测定每次试验的渗透系数及试验前后的试样级配，第一次试验后所测的试样级配数据作为第二次试验开始时的试样级配数据，以此类推，因此得到5组不同的试样级配组成，分别命为1－5号，其级配颗粒组成表和级配曲线详见表1和图2。

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4 试验结果及分析

4.1 各次试验的颗粒破碎结果对比

为了研究每次试验过程中试样的颗粒破碎情况，对每次试验前后的试样级配均进行了测定，颗粒破碎对比结果如表1所示。

图2 试样颗粒累积曲线图

从测定和计算结果来看，随着每次试验的进行，泥岩的颗粒破碎率逐渐减小，颗粒破碎程度变得越来越不明显。这是由于在每次试验前，不仅装样时的压实作用让泥岩发生了颗粒破碎，而且在每次试验过程中，泥岩的水化作用也对颗粒破碎带来了影响，而装样时泥岩遇水后的压实对颗粒的破碎影响明显。所以每次试验后泥岩都会发生颗粒破碎现象，并且颗粒破碎率随着大粒径颗粒含量的减少而减小。

4.2 各次试验的渗透系数结果对比及分析

在每次渗透试验中，控制每个试样具有相同的干密度和压实度，并且每次试验保持相同的高水头渗流。在保证其他条件不变的情况下，得出了每次试验的渗透系数和颗粒破碎率之间的关系。各次试验的渗透系数结果如表2所示。

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从表2可以看出，随着每次试验的进行，泥岩的渗透系数在逐渐减小，但是变化较小，均在10－6范围内。从表3也可看出，渗透系数的变化率随着颗粒破碎率的变小也在变小的。比如第一次试验的颗粒破碎率最大，导致第二次试验时的渗透系数变化了59.64%，而第二次试验中的颗粒破碎率小于第一次，其对应的第三次试验的渗透系数相对于第二次变化了46.72%，小于59.64%。以此类推，第三次试验和第四次试验也是这样，所以说颗粒破碎越明显对渗透系数的影响就越大。这是因为随着颗粒破碎现象的发生，大粒径颗粒含量的减少而相对次一级粒径颗粒含量的增加，粗料孔隙完全被细料填充，甚至粗料颗粒被细料撑开，这时细料颗粒也参与骨架作用，大小颗粒互相紧密接触，细料不易被渗透水流带出，因此渗透系数逐渐减小。当细料含量到达一定程度，渗透系数变化也趋于稳定甚至很小。

5 结论

(1)泥岩是一种抗水性差的特殊材料，特别是强风化泥岩，在遇水后不稳定且强度会发生很大的变化，并且由此带来的颗粒破碎现象明显。在通常的泥岩渗透试验中，装样时的压实作用对泥岩的颗粒破碎影响较大，特别是强风化泥岩水化作用下的压实，颗粒破碎率较大，并且试验过程中，高水头作用下，泥岩发生的水化作用对颗粒破碎也有影响，进而改变了试验过程中试样的真正级配。

(2)本实验中的这种强风化泥岩的渗透系数大概在10－6范围内，随着颗粒破碎现象的发生，其渗透系数逐渐变小，并且颗粒破碎越明显其渗透系数变化就越大，但是总体变化相对较小。

［1］SL 237－1999土工试验规程［S］

［2］GBJ 7－89建筑地基基础设计规范［S］

［3］路凤香，桑隆康．岩石学［M］．北京:地质出版社，2002

［4］杨进良．土力学［M］．北京:中国水利水电出版社，2000

［5］MARSAL R J．Mechanical poperties of rockfill embankment dam engineering［M］．New York:Wiley，1973:109－200

［6］HARDIN C S．Crushing of soil particles［J］．Journal of Geotechnical Engineering，American Society of Civil Engineers，1985，111(10):1177－1192