基于膨胀崩解试验的泥岩水理特性研究*

杨能辉 邹晨阳 陈 芳

(1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

1 项目背景介绍

廖坊水利枢纽灌区开挖工程由于泥岩的影响，已出现十几处不同程度的工程失稳现象，严重影响工程进度，存在重大安全隐患。该渠道工程岩石亲水性强，具有重塑性、胀缩性、崩解性、流变性和大变形等特点，开挖时容易引起边坡失稳和破坏。为避免工程建设时出现类似工程问题，有必要对此类泥质的膨胀崩解特性进行研究，以期改善和提高其施工期稳定性。

近年来，国内外学者对软岩的水理特性开展了大量研究。吴道祥等[1]根据室内浸水崩解试验对红层软岩进行了崩解性分类；魏永幸等[2]利用膨胀率试验对红层泥岩工程特性进行了分析；赵明华等[3]对红层软岩的物理力学性质、崩解特性进行了试验研究；申培武等[4]研究了泥岩干-湿循环条件下的崩解特性。本文以廖坊水利枢纽灌区渠道工程泥岩为研究对象，通过开展室内物理性质，膨胀性及崩解性试验， 了解该类泥岩的水敏特性，以期为此类岩石的水理特性研究提供参考，并为该类工程施工设计提供建议。

2 岩石物理性质试验

2.1 岩石物质成分

为进一步分析该类泥岩的物质成分，对获取的样品进行了化学成分分析和X射线粉晶衍射分析，其中化学分析采用X荧光分析仪，X射线粉晶衍射分析采用X射线衍射仪。 泥岩物质成分分析结果见表1。

表1 泥岩物质成分分析结果 单位：%

从表1可知，构成该类泥岩的非黏土矿物主要有石英、斜长石、方解石、白云石、方沸石；黏土矿物的含量占全岩的20.5%～31.3%。

2.2 试验方法

为获取该类泥岩的基本物理性质指标，对本次采集的岩石试样开展了块体密度、颗粒密度、含水率、孔隙率、吸水率及饱和吸水率试验。试验按照《水利水电工程岩石试验规程》(SL 264—2001)的要求进行，其中岩石块体密度采用量积法；颗粒密度采用比重瓶法；含水率采用烘干法；吸水率采用自由浸水法；孔隙率依据试样的密度与含水率进行计算。为确保每项试验指标的准确性和真实性，每组试验结果取3个试件平均值。

2.3 试验结果分析

共测定了9组泥岩的块体密度、颗粒密度、含水率、孔隙率、吸水率等物理性质指标，试验结果见表2。

表2 灰质泥岩物理性质试验结果

从表2可知，选取的泥岩块体密度为2.34～2.63g/cm3，颗粒密度为2.68～2.76g/cm3，含水率为2.50%～5.36%，孔隙率为4.53%～15.05%，吸水率为1.52%～9.16%。

3 岩石膨胀性试验研究

3.1 试件制备

考虑到泥岩遇水崩解，岩石膨胀性试验主要进行了岩石侧向约束轴向膨胀率试验和体积不变条件下膨胀压力试验，且现场获取试样后保持其天然含水率，并进行膨胀试样加工。其中侧向约束轴向膨胀率及膨胀压力试验的试件高度均为20mm，直径均为50mm，试验共测定了9组泥岩的侧向约束轴向膨胀率及膨胀压力，每组试样3个。

3.2 侧向约束轴向膨胀率试验

3.2.1 试验方法与设备

3.2.1.1 侧向约束轴向膨胀率

侧向约束轴向膨胀率试验是为了测定岩石在侧向约束作用下的膨胀率，试验在YC-2型岩石侧向约束膨胀试验仪上进行，见图1。试件安装完成后先将千分表清零，然后加水，通过千分表观察试件在水的作用下轴向发生的膨胀变形。侧向约束轴向膨胀率按照式(1)计算：

Vhp=(Uhp/H)×100

(1)

式中Vhp——侧向约束轴向膨胀率，%；

Uhp——侧向约束轴向变形值，mm；

H——试件高度，mm。

图1 试样侧向约束膨胀加载

3.2.1.2 岩石膨胀压力

岩石膨胀压力试验是为了测定岩石的膨胀压力，试验在YYP-40型岩石膨胀压力试验仪上进行，见图2。试件安装完成后先将压力表清零，然后加水，调整压力保持压力表读数不变，测定试件的膨胀压力。膨胀压力按照式(2)计算：

ps=P/A

(2)

式中ps——岩石膨胀压力，MPa；

P——轴向荷载，N；

A——试件截面积，mm2。

图2 试样压力膨胀加载

3.2.2 试验结果

岩石侧向约束膨胀率及压力膨胀试验结果见表3，其中吸水率数据取自表2。

表3 膨胀性-吸水率试验结果

为进一步寻找该类泥岩吸水率与侧向约束轴向膨胀率及膨胀压力的关系，综合表2和表3结果，对9组不同吸水率作用下侧向约束轴向膨胀率及膨胀压力的结果进行拟合，得出侧向约束轴向膨胀率、侧向约束轴向膨胀率与吸水率的关系曲线，见图3、图4。

图3 侧向约束轴向膨胀率与吸水率关系曲线

图4 膨胀力于吸水率关系曲线

由图3、图4可知，不同吸水率作用下的侧向约束轴向膨胀率及膨胀压力均可以用以下对数函数表示：

Vhp= 0.0037lnωa+ 0.0004

(3)

ps=10.221lnωa+ 8.4969

(4)

3.2.3 试验结果分析

a.由表3可知，该类泥岩侧向约束膨胀率为0.307%～0.8167%，膨胀压力为19.59～31.07kPa。

b.由图3、图4可知，该类泥岩侧向约束轴向膨胀率、膨胀力随吸水率的增加而增大，当吸水率在1.52%～6.32%之间时侧向约束轴向膨胀率变化较大，随后当吸水率逐渐增加时，侧向约束轴向膨胀率变化趋于稳定；当吸水率在1.52%～7.08%之间时膨胀压力变化率较大，随后当吸水率逐渐增加时，膨胀压力趋于稳定。因此，遇该类泥岩涉水工程，将泥岩的吸水率控制在7.08%以上时，由于吸水而产生的岩石侧向约束轴向膨胀及膨胀压力就不会过大，且膨胀率也不会过大。

4 崩解试验研究

4.1 试验方法与设备

崩解试验是评判岩石水敏性能的重要指标，为分析该类泥岩遇水崩解特性，选取4组试样在NBJ-II型岩石崩解试验仪上进行耐崩解试验，见图5。将烘干并冷却至室温的试样放入水槽内，循环2次后称取圆柱形筛筒和残留试件质量。耐崩解性指数按式(5)计算：

(5)

式中I2d——二次循环后岩石耐崩解性指数，%；

md——原试件烘干质量，g；

mr——残留试件烘干质量，g。

图5 试样崩解试验

4.2 试验结果及分析

对选取的4组泥岩耐崩解性指数进行2次干湿循环试验，并分别求得其崩解性指数，试验结果见表4。

表4 岩石二次耐崩解性试验结果

由试验结果可知，该类泥岩的耐崩解性指数均介于65%～95%之间，个别组泥岩的耐崩解性较低，如序号1的耐崩解性指数为65.06%，泥岩存在一定的崩解特性，渠道各段崩解特性差异性较大。

5 结 语

a.该类泥岩的物理性质差异较大，其中块体密度及颗粒密度变化较小，孔隙率及吸水率变化最大。

b.该类泥岩具有弱膨胀趋势，渠道工程部分段泥岩遇水崩解情况较为严重，工程设计施工中应考虑耐崩解指数较低的岩石崩解特性。

c.岩体的侧向膨胀压力直接作用在水工结构物上，对建筑物可能形成破坏作用，因此在水工结构设计和施工时，应考虑膨胀力因素的影响，采取合理的措施消除或降低岩石膨胀对渠道工程的影响。