引江济淮试验工程粉砂岩崩解性等级划分方法研究

张建升 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 海淀 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1号工程，号称“安徽版南水北调工程”。为优化指导引江济淮工程全线膨胀土（岩）段渠道工程的设计，开展膨胀土（岩）研究。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，渠道下部揭露第三系（E）、白垩系（K）和侏罗系（J）的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩等。

关于泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩等的研究，已经有了不少的成果。余宏明等研究了工作区内紫红色泥岩的膨胀崩解特性，认为其具有微弱的膨胀以及沿微裂面快速崩解的特性。刘长武认为红层软岩的崩解是由于软岩中亲水性较强的粘土矿物与水接触后，引起矿物体积膨胀，使岩石内产生不均匀的应力以及部分胶结物被稀释、软化或溶解引起的。谭罗荣分析了国内大量工程的软岩崩解试验结果，认为膨胀性矿物含量对软岩崩解有直接关系，研究还得到了粘土岩类软弱岩层的泥化或浸水崩解的条件。Franlin和Chandra提出岩石耐崩解性试验方法及其对应崩解等级的分类标准。由于工程场地所在区域气候条件差异，岩石所处状态不同，水分对岩石的作用也必然存在差异，进而影响岩石的崩解性。因此，本文结合引江济淮试验工程，通过耐崩解性试验及现场崩解试验共同对该地区的基岩的崩解等级展开研究。

2 研究方法

2.1 干湿循环的耐崩解性试验

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。试验开始时，将试件装入耐崩解试验仪的圆柱形筛筒内，在105℃～110℃的温度下烘干至恒量后，在干燥器内冷却至室温称量；然后将装有试件的筛筒放入水槽内，向水槽注水，水位在转动轴下约20mm，使筛筒以20r/min的转速转动10min后，将筛筒和残留试件在105℃～110℃的温度下烘干至恒量后，在干燥器内冷却至室温称量，完成一个循环。通过计算二次干湿循环后残留试件烘干质量与原试件烘干质量之比，计算公式如下：

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 现场崩解性试验

浸水崩解是含粘土矿物软岩的一个重要特性，其崩解速度与基岩的耐崩解性密切相关。现场崩解试验所用试样取自引江济淮试验工程，为具有崩解性的泥岩、粉砂岩和细砂岩等软岩岩芯，取样采用现场钻孔取样法，试样直径5.0～9.0cm，柱长10～15cm。对于需做干燥状态崩解性试验的样品，选取合适岩芯晒干或自然风干（3d以上）后，完全浸水，即开动秒表开始试验记录，崩解量按体积法目测估算确定，误差应控制在±10%以内；对于需做天然状态崩解性的样品，应防止岩芯水分散失，尽快完成试验过程。试验过程中，及时做好试验记录，对于正常崩解的岩石，分别按3h、12h和24h记录崩解量（%）；对崩解速度较快的岩石，分别记录崩解量达50%和100%时所需时间。试验结束后，对试样崩解性等级进行划分：（1）1h内达到100%崩解的，为极强崩解性；（2）24h崩解量超过50%的，为强崩解性；（3）24h崩解量10%～50%的，为中等崩解性；（4）24h崩解量小于10%的，为弱崩解性；（5）24h崩解量小于等于3%的，为微崩解性。

3 试验分析

3.1 干湿循环的耐崩解指数及其分类

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场小于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其0≤Id2≤2.28%，其耐崩解性很低，说明工程存在巨大的安全风险。

表1 岩芯初始状态下现场崩解性试验表

表2 岩芯风干状态下现场崩解性试验表

3.2 现场崩解性试验

岩芯初始状态下现场崩解性试验结果表明见表1，初始状态下基岩崩解等级一般为微，仅有1个粉砂岩试样为中等。岩芯风干3d状态下现场崩解性试验结果表明见表2，风干状态下基岩的崩解性等级为“强”的有7段次，占53.8%，各种岩类均有；崩解性等级为“中等”的有4段次，占30.8%，均为粉砂岩；崩解性等级为“弱”的有2段次，占15.4%，均为粉砂岩。由此可知：（1）岩石风干状态的崩解性远强于初始状态；（2）由于场地内粉砂岩样较多，泥岩或泥质粉砂岩偏少，粉砂岩的崩解性具有一定的分散性。

4 讨论

干湿循环的耐崩解试验与现场崩解性试验的结果差异较大。干湿循环的耐崩解试验所确定的二次循环耐崩解性指数Id2均小于2.5%，说明工程存在巨大的安全风险。但是现场崩解性试验显示，基岩初始含水状态下微—偏中崩解，大部分试验显示24h内崩解量为零，而风干3d后，崩解性显著增加，达到中等—强崩解，崩解率100%。对此，需要作进一步的讨论。

4.1 粘土矿物含量

粘土矿物膨胀是导致岩石崩解的内在因素。Moriwaki、刘长武等认为红层软岩的崩解是由于软岩中亲水性较强的粘土矿物与水接触后，引起矿物体积膨胀，使岩石内产生不均匀的应力以及部分胶结物被稀释、软化或溶解引起的。表3显示，在粉砂岩及泥岩中粘土矿物含量很高，粉砂岩大于30%，泥岩大于52%。初始状态时泥岩因粘聚力大，崩解等级低，当经历风干失水后，泥岩的崩解性比粉砂岩要剧烈得多。

4.2 易溶盐含量

易溶盐溶解导致崩解。Kayabali等研究崩解过程中水溶液的pH值效应及岩石表面形态变化。泥岩离子含量合计约313 mg/kg，粉砂岩约295 mg/kg，泥岩中易溶盐含量比粉砂岩要高。岩体中的易溶盐含量高，当盐分遇水溶解形成微孔洞，胶结强度减弱，也会进一步增大岩体的崩解性。

4.3 失水率对崩解性影响

Gamble指出引起岩石崩解的主要原因是由于岩石含水量的变化。基岩崩解与含水率变化关系密切。泥岩的耐崩解指数与失水率关系如图1所示。由图1可知，岩石的失水率与耐崩解指数近似成线性负相关关系。岩石的失水率愈大，岩石的耐崩解性愈低；反之，失水率愈小，耐崩解性愈强。由此可推论，当含水率变化很小时，接近为零，岩石无崩解性，这与初始状态下钻芯软岩失水率少或基本不失水，浸水后无崩解或弱崩解现象一致。而风干3d后失水率较大，崩解增加。对耐崩解性试验，试样烘干，完全失水，崩解程度更高。这就是崩解差异的原因。

表3 软岩矿物成分表

图1 泥岩的耐崩解指数与失水率的关系图

综上，影响岩石崩解性的因素很多，粘土矿物含量、易溶盐含量是岩石崩解的内在因素，而场地气候条件的水分变化是岩石崩解的诱发因素，具有重要的影响。因此，尽管现场基岩耐久性很低，易产生安全隐患，但现场崩解试验成果表明，只要在具体工程中采取工程措施维持岩石稳定的水分，就能降低岩石的崩解等级，进而减弱甚至消除岩石崩解所带来的工程隐患。

5 软岩崩解处理措施

5.1 施工措施

在河道开挖过程中，软岩出露失水，渠水、雨水将浸泡、冲刷岩体，逐渐会使其软化崩解，因此开挖过程建议预留保护层开挖，预防建基面岩石表面崩解；同时当开挖至建基面后，应及时喷护混凝土保护建基面，防止岩石水分蒸发。

5.2 设计防护措施

考虑河道运行过程，由于渠水位的上下波动及船行波的作用，引发崩解性岩石水分损失，导致软化崩解，使岩体逐渐脱离母岩，产生“脱皮剥落”现象，久而久之，可能会掏空坡脚，造成边坡失稳。因此，对水位变动区崩解性软岩采用钢筋混凝土面板护砌进行防护。

6 结论

（1）确定了现场崩解试验的方法及崩解等级划分标准。现场崩解实验等级划分考虑了现场水分作用条件，具有更强的工程针对性。

（2）崩解试验方法不同，所测试的崩解等级也不同。耐崩解性试验结果显示，场地红层软岩的耐崩解性指数很低，初始状态的基岩崩解很弱，风干后崩解等级达到中—强。

（3）确定了崩解等级差异的原因。场地基岩的粘土矿物含量大是强崩解的物质基础；易溶盐含量高是加剧基岩崩解的重要原因；而失水率不同是试验结果差异的根本原因。

（4）提出了设计施工措施。针对基岩崩解较强的场地，提出处理预留保护层的开挖施工措施，喷护混凝土及钢筋混凝土面板衬砌的设计措施