引江济淮试验工程泥质粉砂岩崩解特性实验

雷耀军 曹雪山 额力素 李国维 吴建涛

（1.中铁二十局集团第二工程有限公司 北京 100089 2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室 南京 100084 3.河海大学道路与铁道研究所 南京 210098）

1 引言

引江济淮工程被列为国家近期加快推进的172项重大水利工程中的1号工程，号称“安徽版南水北调工程”。为指导优化引江济淮工程膨胀土（岩）段河道工程的设计，开展试验工程膨胀土（岩）项目研究工作意义重大。试验工程位于安徽省蜀山区小庙镇，紧临312国道。试验工程地质勘察显示，河道下部揭露的是第三系（E）、白垩系（K）和侏罗系（J）的红层泥质岩，如粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩等。

关于红层泥质岩的研究，虽然已经有了一定的成果，但泥质岩受到扰动后力学反应非常复杂，仍是工程安全的威胁。泥质岩一旦浸水，其力学强度就会降低，发生软化；渗流加剧，使岩土环境进一步复杂化、恶劣化。因此开展红层泥质岩崩解特性研究，确保引江济淮工程河道边坡安全，意义重大。

本文结合引江济淮试验工程，通过规范的岩石耐崩解试验以及自主设计的静态崩解试验研究该区域的泥质岩崩解特性，揭示泥质岩的崩解特性。

2 试验样品与研究方法

2.1 试验试样

试样为泥质岩。试样取自于引江济淮试验工程K42+040，渠道中部位置，深度12～13m，呈红色夹灰白色，含砂泥状结构，密实，具有明显的水平层理，结构面光滑，密闭，较发育，不规则，节理面上有黑色的铁锰结核膜，薄层～厚层。

2.2 研究方法

2.2.1 岩石耐崩解试验

岩石的耐崩解性指数表征了岩石在气候湿度变化过程中岩石强度软化、结构解体的潜在能力。现行规范推荐采用干湿循环耐崩解性试验测试岩石的耐崩解性指数。试样质量为40～60g的浑圆状岩块，试件每组不少于10个，在105℃～110℃的温度下烘干至恒量，放入干燥器内冷却至室温，称量后置于耐崩解性试验仪中进行耐崩解试验。对崩解物进行筛分试验。取粒径大于2mm的崩解物做下一次循环试验。通过计算二次干湿循环后崩解残物试件烘干质量与原试件烘干质量之比，如下式所示，确定岩石的耐崩解性能力。

式中：Id2—岩石二次循环耐崩解性指数（%）；mr—原试件烘干质量（g）；ms—残留试件烘干质量（g）。

2.2.2 干湿循环条件下静态崩解试验

通过干湿循环条件下静态崩解试验研究烘干岩石在浸水饱和条件下崩解机理。具体步骤如表1所示。

3 成果分析

3.1 岩石的二次循环耐崩解性指数及其分类

表1 静态崩解试验步骤表

岩石的二次循环耐崩解性指数Id2是通过规范推荐的干湿循环的耐崩解试验方法确定的，根据1972年由Franlin和Chandra提出的岩石分类标准，当Id2小于25%时，其耐崩解性很低。当地内红层软岩耐崩解试验测试成果显示0≤Id2≤2.28%，其耐崩解性很低。根据岩样耐崩解性指数与强度的关系，可以推测岩样的强度很低，这与岩样位于强风化岩层相一致。因此泥质岩的崩解作用作为物理风化过程的主要形式，控制着岩石构造、胶结及力学性状，在工程建设过程中必须加以重视。

3.2 干湿循环条件下静态崩解现象

3.2.1 崩解过程

初始岩样烘干质量D0=277.08g，整体良好。烘前与烘干后差别不大，无可视裂缝。浸水后，岩样开始崩解。具体现象如下：

（1）刚浸入水中，在试件表面开始出现裂缝，裂缝快速张开，同时伴随大量气泡，试样四周部分向下快速塌落，堆积于试样四周，于是试件周围的水开始混浊。

（2）30s后，试件四周继续向下塌落，仍伴随大量气泡，试件周边的水变得更加浑浊，试件脚部崩解物摊铺面积更大，厚度加大。

（3）1min后，试样上部因崩塌面积逐渐减小，试样已经向四周摊开，形成台体，但仍伴随少量气泡，继续有颗粒向下掉落，崩解物厚度继续加大。

（4）5min后，试样继续向四周摊开，呈泥状，仍有少量气泡产生，试件顶部仍少量未塌落，试验四周仍伴随少量颗粒向下掉落，此时试样已经近似为锥体。

（5）30min后，试样经过中部崩解，逐渐坍塌，铺开呈成饼状，已稳定。

（6）由于岩样风化程度太高，崩解性极强，不需等24h稳定，浸入水中30min后即可开始带水过筛。

（7）将筛上的试样，烘干进入二次循坏。此时2mm筛上的质量只有4g，进入二次循环，2mm筛上没有残余，试验结束。3.2.2崩解试验分析

试样特性分析。泥质岩试样烘干前后差别不大，说明试样收缩率不大。由于烘干作用没有引起大幅度的收缩变形，试样表面无可视裂隙产生。通过自由膨胀率试验，测试试样成分在纯水中膨胀稳定后的体积增量与原体积之比，可知其自由膨胀率为30%，小于40%，膨胀潜势属于非膨胀性。所以试样胀缩性不大，因此烘干前后裂隙不发育。

崩解机理分析。试验初期，试样刚浸入水中，在试件表面开始出现裂缝，并且裂缝快速张开。这是崩解试验过程中常见的现象。刘长武等认为岩体间的裂隙是引发其崩解的原因。但赵明华等观点，软岩组成颗粒遇水膨胀导致颗粒之间的松动，岩石颗粒嵌锁力丧失。本文认为二者观点基本一致，前者是崩解形成的原因，后者是崩解完成的结果。在该试验中，干燥试样浸水后，除了急剧膨胀引起不均匀变形导致颗粒松动，产生裂缝外，孔隙内气体受到压缩、气压增大，推动颗粒，从孔隙中溢出形成气泡的过程对颗粒也是一种扰动，也会加速颗粒嵌锁力丧失，因此气致崩馈机制也是合理的，但这也只是崩解前期的一个原因。

崩解过程分析。试验初期，试样为四方体，随着试样四周塌落加剧，变成台体；然后再成锥体，最后中部崩解，铺开呈成饼状。这个崩解过程产生的力学机理是颗粒重力作用，所以试件四周及上部的颗粒首先脱离母体的，最后才是中部崩解，导致坍落。赵明华等对软岩岩块崩解的过程和崩解物的状态将软岩分三类：I类岩崩解性强，一次浸泡即完全崩解；II类岩崩解性较差，一次浸泡不会完全崩解；III类岩不崩解。因此本文泥质岩为强崩解岩。这与耐崩解性试验结果相同，说明耐崩解性指数能描述岩石的耐崩解能力。

崩解残物分析。干燥崩解残物最大含量粒组颗粒粒径dmax=0.25mm，占89.47%；小于0.075mm粒径所占的百分比达13.345%，大于10%。根据张巍等对崩解残物颗粒研究成果，非膨胀为dmax＞2mm，微膨胀为dmax=1～0.5mm，弱膨胀为dmax=1～0.075mm，强膨胀为dmax=0.25～0.075mm，因此本文试样为强膨胀。这一结论与岩样的自由膨胀率结果不一致。分析原因，自由膨胀率表明了岩土材料在水溶液内无约束条件下自由膨胀的特征，而崩解残物颗粒组成的影响因素除了自由膨胀率，还与岩样的强度、胶结物特征等相关。刘晓明等（2011）对崩解前后的红砂岩成分分析表明红砂岩的崩解前后方解石（CaCO3）有流失现象。方解石的流失使岩样中钙质胶结减弱，加剧其崩解性。这说明崩解性与膨胀性的关系复杂，仍需要研究。

4 结论

为引江济淮工程全线膨胀土（岩）段渠道工程的设计提供指导、优化作用，开展了试验工程研究。试验工程段渠道底部分布大量的红层泥质岩，崩解性强，对边坡的稳定性构成极大的威胁。为了强化泥质岩的崩解特性认识，开展耐崩解试验、静态浸水崩解试验研究。结论如下：

（1）泥质岩的崩解性。尽管岩石的自由膨胀率不高，低于40%，但岩石的耐崩解试验与静态崩解试验均表明岩样为强崩解性，因此应重视崩解性对岩石边坡的稳定性影响。

（2）岩石的崩解机理。静态崩解试验表明，干燥试样浸水后，除了急剧膨胀引起不均匀变形导致颗粒松动，产生裂缝外，孔隙内气体受到压缩、气压增大，推动颗粒，从孔隙中溢出形成气泡的过程对颗粒也是一种扰动，也会加速颗粒嵌锁力的丧失。因此导致崩解原因是复杂多样的，而崩解的结果是裂缝产生与崩坍，脱离母体。

（3）自由膨胀率表明了岩土材料在水溶液内无约束条件下自由膨胀的特征，而崩解残物颗粒组成的影响因素除了自由膨胀率，还与岩样的强度、胶结物特征等相关。这说明崩解性与膨胀性的关系复杂，仍需要研究■