滕州地区砂质泥岩与砂岩物理力学性能对比分析

石妍茹，赵根生，孙春刚，李 晋，左 珅，毕崇祯

（1.山东交通学院，山东 济南 250357；2.山东鲁桥建设有限公司，山东 济南 250021）

引言

墨子湖明挖湖底隧道位于山东省滕州市，隧道采用明挖法施工，隧道位于湖底部1.5 m，箱体顶部距离水面约有7 m。隧道施工开挖基坑的地质条件较为复杂，经勘察鉴别和室内土工试验分析，按地基土成因类型、地质特征，将当地地基土划分为7 层，由上至下分别为耕土、粉土、细砂、粉质黏土、中粗砂、砂质泥岩与砂岩，其中砂质泥岩和砂岩在当地大量分布。由于既要考虑到明挖隧道的综合防水，又要考虑回填的质量和经济效益，从而利用当地地基土作为回填材料尤为重要。鉴于砂质泥岩和砂岩广泛分布于滕州地区，因此，基于该地区特点及工程背景开展砂质泥岩、砂岩的物理力学性能研究，对于充分利用现有材料，保证工程质量和节省工程成本具有重要意义。

一直以来，许多学者对各类地基岩土已开展了广泛的研究。其中，刘长武、黄宏伟等[1-2]从微观分析了泥岩遇水软化的机理；汤传金、姚强岭等[3]根据黏聚力、内摩擦角与干燥-饱和循环次数的关系，建立了砂质泥岩Mohr-Coulomb 模型；付宏渊等[4]分析了粉砂质泥岩在不同温、湿度作用下的单轴力学指标的变化规律；李宇翔[5]分析了不同径高比对细砂岩压缩破坏特征；俞缙、张欣等[6]研究了水化学与冻融循环共同作用下砂岩力学性能劣化特征；李克钢等[7]分析了干湿循环对砂岩力学性能的影响规律；张豫川、潘增志等[8]从渗透性能入手，对砂岩与砂质泥岩进行试验研究；宁蟠龙、王海林等[9]选取工程项目所在区域泥岩和砂岩进行室内试验分析，研究得出其抗剪强度与其岩性、含水率等有关。他们研究主要是对单一种类岩石或岩石单一性能，而对不同种类岩石物理力学性能差异性分析的研究则较少。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及试样制备

所用砂质泥岩和砂岩采自山东省滕州市墨子湖明挖隧道建设项目料源。砂质泥岩主要以黏土矿物为主，含少量砂质成分，呈灰绿色或灰褐色；砂岩成分主要以石英、长石为主，呈灰色或灰白色，岩芯较完整，呈柱状。经实验室分析，两类岩样的矿物成分组成见表1、表2。将天然状态和饱和状态下的砂岩、砂质泥岩用切石机等仪器分别制作成12 个直径50 mm，高100 mm 的圆柱体试件；6 个直径50 mm，高50 mm 的圆柱体式件；6 个50 mm×50 mm×250 mm的圆柱体试件，试验前对试件的侧面及端部进行仔细研磨，使其不平行度和不垂直度均小于0.05 mm，端面对试样轴线垂直度偏差小于0.25°。

表1 砂岩矿物组成及其含量

表2 砂质泥岩矿物组成及其含量

1.2 试验方法

按照《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266—2013）和《公路工程岩石试验规程》（JTG E41—2005）中规定，对砂岩和砂质泥岩进行相关物理试验和力学试验。

1.2.1 物理性质试验

对两类岩样天然状态下的含水率、颗粒密度、毛体积密度、吸水性进行实验。含水率试验均采取烘干法，烘箱温度设为105℃，烘干12 h 后取出，放入干燥器中冷却5 min 至室温。含水率的测定见公式（1）。颗粒密度均用比重瓶法测定，毛体积密度均用量积法测定，吸水性试验均用自由吸水法测得吸水率。

式中：i—岩样类型； wi—岩样的含水率，%；mi—砂岩、砂质泥岩岩样烘干之前的质量，g；mid—砂岩、砂质泥岩岩样烘干之后的质量，g。

1.2.2 力学性质试验

砂岩和砂质泥岩单轴抗压强度测试采用MTS-810 万能材料试验机。选择直径50 mm，高100 mm的圆柱体试件。为使其加载过程中受力均匀，将试件放置于试验机的承压板正中央，对正上、下成压板，以0.8 MPa/s 的速率进行加载直至破坏，将破坏荷载值记录。

单轴压缩变形试验采用千分表法，试件尺寸选择直径50 mm，高100 mm 的圆柱体试件。对砂岩进行试验时，为测量横、纵向变形，直接将测量表架安装在试件上；对砂质泥岩进行试验时，在试验机下承压板上安装磁性表架，使纵、横向测表表头分别与上承板边缘、试件接触，两对互相垂直的纵、横向测表分别安装在对称位置上。

采取间接法测得劈裂强度，仪器采用MTS-810万能材料试验机，试件尺寸选择直径50 mm，高50 mm的圆柱体式件。选用宽5 mm 的胶木板为垫条，将两根垫条沿加载基线（沿轴线方向）固定在试件两端，为试件能够均匀收到荷载，试件置于试验机成压板中心，调节球座，垫条与试件位于同一加荷轴线上，以0.4 MPa/s 的速率保持连续均匀加荷直至破坏，记录破坏荷载。其中，砂岩和砂质泥岩试验数量各24个，每种岩样进行的单轴抗压、单轴压缩变形、劈裂、抗折试验数量见表3。

表3 常规力学试验数量

2 试验结果与分析

2.1 物理指标分析

经室内试验及公式计算整理物理指标，取平均值，见表4。可知，砂岩的天然含水率、颗粒密度、孔隙率均大于砂质泥岩值。对于吸水率而言，砂岩值小于砂质泥岩值。且在试验过程中发现，砂质泥岩的孔隙率最大值与最小值相差较大，考虑是由于取岩样时深度不一的原因，同一位置的砂质泥岩岩样会随所在深度的增加孔隙率呈减小变化趋势，且砂质泥岩透水性好，为软岩，随着上覆岩土厚度的增加，岩体受到的上部压力也随之增大，导致岩体沉积更加密实，进而下部岩体的孔隙率会偏小。

表4 两类岩样的物理参数

2.2 力学指标分析

经公式计算整理力学性质试验结果，得到力学指标见表5，两类岩样三种状态下的力学指标折线见图1、图2。

表5 两类岩样的力学参数

图1 砂质泥岩三种状态下的力学指标折线

图2 砂岩三种状态下力学指标折线

对两类岩样在干燥、天然及饱和状态下分别进行单轴抗压强度、单轴压缩试验。由表5 可知，不论是干燥、天然或是饱和状态下，砂岩单向抗压至破坏的能力均大于砂质泥岩。由软化系数得知，砂岩和砂质泥岩Kp 都小于0.75，两者同属软化岩，砂岩的耐水性好于砂质泥岩。两类岩样的弹性模量比较而言，砂岩大于砂质泥岩，即砂岩材料刚度大，抗变形能力强。从劈裂强度看，砂质泥岩抵抗拉应力的能力也小于砂岩。

由图1、图2 可知，砂质泥岩和砂岩在三种不同状态下的单轴抗压强度、弹性模量相差较大，主要原因是不同状态下岩样受不同含水率的影响。不同状态下两类岩样抗压强度、弹性模量比较均为干燥状态＞天然状态＞饱和状态。

3 不同含水率对两类岩样力学指标的影响关系

根据研究[1-2，10-12]，岩石在浸水条件下，受含水率变化的影响导致其微观结构变化，进一步会导致力学性能的变化。因此，岩石含水率的变化可以与力学性能之间建立一定的关联。砂质泥岩、砂岩的含水率与单轴抗压强度、弹性模量的关系见图3、图4。

图3 砂质泥岩和砂岩单轴抗压强度与含水率的关系

由图3 可以看出，随含水率的增大，两类岩样单轴抗压强度呈降低趋势。砂岩的单轴抗压强度总体大于砂质泥岩，砂质泥岩随含水率的增大，其单轴抗压强度变化幅度大于砂岩变化幅度。砂质泥岩和砂岩的含水率与单轴抗压强度变化关系用多项式表示，经曲线拟合：

式中：x—含水率（4.2%～7.6%）；y—单轴抗压强度，MPa。

由图4 可知，砂岩和砂质泥岩的弹性模量随着含水量的不断增加，其值呈下降趋势。两类岩样的弹性模量随着含水率的变化关系符合指数函数的分布，曲线拟合可得：

图4 砂质泥岩和砂岩弹性模量与含水率的关系

式中：x—含水率（4.2%～7.6%）；y—弹性模量，GPa。

4 结语

（1）在物理性质方面，砂质泥岩的天然含水率、孔隙率小于砂岩，砂质泥岩较砂岩更易于吸水，透水性好；在力学性质方面，砂岩单轴抗压强度较砂质泥岩大；二者同为软岩，砂岩的耐水性好于砂质泥岩；与砂质泥岩相比，砂岩弹性模量较大，抗变形能力强，且抵抗拉应力的能力也大于砂质泥岩。（2）在不同含水率条件下，两类岩样的单轴抗压强度、弹性模量与含水率呈现明显的相关性，单轴抗压强度和弹性模量均随着含水量的的增大而降低。（3）砂质泥岩与砂岩物理力学性能比较而言，砂岩更适合作为回填材料。