降雨-干燥交替作用下泥质岩耐崩解性试验研究

2020-06-30张磊

科学技术与工程 2020年15期

张磊

(开封市建设工程质量检测站，开封 475000)

在岩土工程中的堤坝、边坡、隧道开挖、矿业工程等方面都涉及水的影响，如降雨、地下水等。随着含水量的变化，很多岩土材料的力学性能也随之发生变化，特别是对水非常敏感的软岩[1-2]。受到自然界中降雨与干燥交替作用的频繁影响，裸露在自然环境中的泥质岩发生崩解，对已有结构的稳定性与耐久性产生较大影响。且泥质岩的分化崩解会造成水土流失、滑坡、崩塌等一系列地质灾害，是产生地质灾害的重要原因。因此，研究泥质岩在自然环境中的崩解性质具有重要的理论与实际意义。

泥质岩造成的工程问题与地质灾害受到了全世界岩土力学与工程界专家学者的极大关注[3]。自然界的干湿变化及岩石本身的岩性是导致岩石崩解的重要因素[4-7]，大部分研究者认为湿度变化是岩石物理风化的主要控制因素[8-9]。已有的大量成果从水对泥质岩力学特性的影响[10]、泥岩吸水特性[11]、泥岩胀缩性和微观结构特性等方面[12]进行了详细的研究。然而，现有研究中对于不同块度对泥质岩崩解性质影响的研究较为不足。

考虑到泥质岩地区所存在的自然灾害及工程问题，采用自行设计的试验装置模拟自然界中降雨的实际环境，对江西省赣南地区的泥质岩制成80～70、70～60、60～50、50～40 mm 4种不同块度的试样，开展干湿循环作用下的室内崩解试验研究，并对泥质岩崩解之后不同粒径颗粒百分含量、各粒组颗粒百分含量、各粒组累计百分含量、以及崩解物耐崩解性指数进行深入研究。

1 降雨-干燥交替作用下泥质岩耐崩解试验

1.1 泥质岩基本物理力学性质

试验采用的泥质岩取自江西省赣南地区，现场取样后密封保存，运输至实验室后立即加工成所需试样开展室内试验研究。取5组泥质岩试样研制成粉末，进行X粉末射线衍射试验，测定该泥质岩的矿物成分。

图1为从5组XRD(X-rays diffraction)试验中所选取其中1组泥质岩XRD衍射试验结果。对试验结果分析可得，本研究所采用泥质岩的矿组成分分别为：石英31.28%～37.23%，方解石7.11%～11.12%，云母20.77%～23.85%，赤铁15.62%～18.63%，钠长石13.86%～15.95%，蒙脱石 0.89%～1.33%，伊利石1.12%～2.21%，高岭石1.35%～1.65%。取3组泥质岩试样，加工成所需尺寸的试样后进行单轴抗压强度试验，得泥质岩的单轴抗压强度平均值为10.18 MPa。此外，测得泥质岩天然含水率平均值为1.43%，干密度为 2.38 g/cm3。

图1 泥质岩X射线衍射结果分析Fig.1 X-ray diffraction analysis of mudstone

图2 泥质岩放大2 000倍SEM图Fig.2 Magnified 2 000 times SEM image of mudstone

图2为泥质岩放大2 000倍的电镜扫描scanning electron microscope(SEM)图像，由图可知，赣南地区泥质岩微孔隙较为发育，微孔隙的分布非常明显，这种结构导致了水分容易沿着泥质岩内部的孔裂隙逐渐浸入泥质岩内部，从而产生崩解。

1.2 试验方案与试验方法

岩石耐崩解试验依据DZ/T 0276.9—2015岩石物理力学性质试验规程进行[13]。试验设计4组不同块度的泥质岩试样，依据上述规范将每个泥质岩试样加工成浑圆状，每组各10块泥质岩试样。试样编号依次为DL-1、DL-2、DL-3、DL- 4，对应的块度区间分别为80～70、70～60、60～50、50～40 mm。试样的尺寸采用游标卡尺进行测定，块度区间由单块试样的短轴确定。

试验采用模拟自然环境中降雨的试验条件，即在试样的上部安装多个喷淋装置，使得水喷洒到试样表面，每个喷淋装置的喷射速度与喷射范围均调整相同，在喷洒水的环境下模拟降雨使泥质岩发生崩解。试验步骤：将制备好的天然岩样置于烘箱内烘干至恒重(不少于24 h)，在干燥器内冷却至室温。然后，采用模拟降雨的试验条件使试样发生崩解，模拟降雨过程不少于24 h。将崩解以后的泥质岩试样放于恒温烘箱之中干燥至恒重(不少于 24 h)。最后，采用粒径为80、60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的圆孔标准筛过筛。重复上述试验步骤，完成14次干湿循环崩解试验。

2 泥质岩耐崩解试验结果及分析

2.1 泥质岩崩解物不同粒径颗粒百分含量分析

图3为泥质岩崩解物各粒组百分含量与循环次数的关系曲线，由图3可知，不同粒径百分含量关系曲线呈现出三种变化趋势：①随着循环次数的增加，不同粒径百分含量不断减小(由DL-1～DL- 4，该粒组范围分别为>5、>10、>10、>20 mm)；②随着循环次数的增加，不同粒径百分含量先增大后减小(由DL-1～DL- 4，该粒组范围分别为 0.5～5、1～10 mm、>1～10 mm、>20～5 mm)；③随着循环次数的增加，不同粒径百分含量不断增大(由DL-1～DL- 4，该粒组范围分别为 <0.5、<1、<1、<5 mm)。

2.2 泥质岩崩解物各粒组颗粒含量分析

图4为不同干湿循环次数情况下上述不同块度泥质岩试样各粒组百分含量关系曲线。图4中横坐标为各粒组范围，由于各粒组范围取值较多，为了方便显示，部分粒组(20～40、5～10、0.25～0.5 mm)未在图中标记，但留有显示的刻度。由图4 可知，DL-1、DL-2、DL-3试样曲线的形状比较相似，而DL- 4试样图形的形状则稍有不同，但4组试样各粒组级百分含量曲线整体上均表现出大量相似的变化规律：不同循环次数条件下，曲线都存在一个明显的峰值，曲线基本表现出先增加至峰值，而后减小的变化趋势，且随着循环次数的增加，峰值逐渐向粒径减小的方向发生移动。在峰值前，随着循环次数的增加，曲线的位置逐渐向下移动；而在峰值后，随着循环次数的增加，曲线的位置则逐渐的向上移动。随着循环次数的增加，各曲线之间的间距逐渐减小，且最后4次干湿循环条件下各粒组百分含量曲线非常接近，表明崩解逐渐趋于稳定。

2.3 泥质岩崩解物各粒组累计百分含量分析

依据上述不同块度泥质岩室内淋雨崩解特性试验，以小于某粒径累计百分含量为纵坐标，以粒径为横坐标，绘制不同块度泥质岩崩解物各粒组累计百分含量与循环次数的关系曲线，如图5所示。由图5可知，DL-1、DL-2、DL-3试样曲线的形状比较相似，曲线的形状呈现出“S”形；而 DL- 4 试样图形的形状则稍有不同，曲线的形状呈现出双曲线形，表现出块度较大的泥质岩崩解后各粒组累计百分含量与粒径的关系曲线呈现出“S”形，而块度较小的泥质岩崩解后则为双曲线形。