炭质泥岩风化浸水软化效应试验研究

阳个小　张黎明　莫鹏　骆俊晖

摘要：广西分布大量炭质泥岩，边坡开挖出露后在风化浸水的作用下易软化导致边坡失稳。为分析风化浸水作用下炭质泥岩软化效应，文章以巴马至平果高速公路沿线的炭质泥岩为研究对象，采用点荷载试验方法测定风化浸水软化后岩样的强度，同时通过X射线衍射试验（XRD），分析总有机质炭含量，进行不同TOC含量浸水试验，研究TOC含量与强度的关系。结果表明：炭质泥岩强度随风化时间增加而下降，强度下降过程分为三个阶段，即加速期、急剧下降期、平缓期;通过XRD分析炭质岩矿物成分，TOC总有机质炭含量为0.998%～6.706%，不同TOC含量炭质泥岩吸水特性不同，软化速率不同，TOC含量高的炭质泥岩吸水速率、软化速率更快，TOC、浸水时长与强度软化呈较好的正向相关性。

关键词：炭质泥岩;点荷载试验;浸水软化;TOC含量;XRD试验

中国分类号：U416.03文章标识码：A110423

0 引言

炭质岩可分为炭质泥岩、页岩及灰岩，性质易受环境的影响，具有浸水软化、碎裂崩解、裸露风化等性质，对工程建设影响较大[1]。炭质岩边坡崩塌是一项极易发生的地质灾害，且炭质岩在广西大范围的存在，广西区内多条在建或拟建重要公路都有穿过炭质岩区[2]，因此需要对开挖出露后的炭质岩浸水软化效应进行研究，预测其强度，及时采取合理措施进行防治。

郭延辉等[3]对南部矿山炭质千枚岩进行室内试验，结果表明炭质千枚岩属于中膨胀性软岩，具有较强的吸水性、易软化和崩解破坏。刘卓华等[4]对广西地区隧道炭质围岩位移、渗压等失稳特征进行实时监测，采用Singh-Mithel模型对监测值进行研究，分析炭质岩的破坏蠕变特性，并预测车辆通行对炭质围岩隧道的影响。刘钦等[5]取炭质软弱隧道围岩试样进行室内试验研究，通过炭质岩应变软化蠕变模型构建本构方程，并与试验结果对比分析软弱炭质岩的稳定性。刘林洁等[6]通过对炭质泥岩不同浸水时长的抗压和抗剪强度进行分析，得出炭质泥岩强度随着浸泡时长增多而急剧下降的结论，并以贵州某填土方边坡为例分析炭质泥岩样浸水软化特性。曾铃等[7]采用三轴CT试验对炭质泥岩的细观应力变形及损伤演化规律进行研究，为进一步深入分析炭质泥岩物理力学特性提供了新的方法。戴毅[8]基于炭质泥岩软弱夹层试样软化机理展开室内试验，研究验证了炭质泥岩软弱夹层的蠕变特性对边坡稳定具有较大影响。Ganesh等[9]通过试验揭示了矿物学特征与沉积岩及火成碎屑岩耐崩解特性的内在联系。

炭质泥岩在开挖出露后，遇水风化效应明显，是造成边坡灾变的关键因素。TOC含量是炭质泥岩软化关键因素，现有对于炭质泥岩的不同TOC含量浸水软化力学性能尚未见研究。本文通过XRD试验、点荷载试验，分析讨论炭质泥岩不同风化时长、不同TOC含量浸水时长软化效应。

1 炭质泥岩点荷载试验

1.1 试验仪器

由于炭质泥岩浸水易软化、崩解，对在其分布地区进行的工程影响巨大，其自身特性难以制成标准岩石抗压样[10]。因此针对炭质泥岩开展点荷载试验，基于点荷载试验對炭质泥岩的风化和浸水软化特性进行了分析与研究。试验主要选用STDZ-3型岩石点荷载仪，由加载系统和压力传感器组成，压力传感器的最大量程为100 kN。

首先用游标卡尺测量记录过试件中心点的最小截面的宽度。然后将试件放入点荷载仪圆锥状压板与可移动底板之间，使试件与点荷载仪两端紧密接触。试件安装后，将压力传感器归零，并按下测量按钮，以10～60 s内能使试件破坏的加荷速度匀速加荷，直到试件破坏，记下压力传感器显示的峰值压力。岩石破坏后，测量并记录岩石破坏面加载点之间的间距D。每个岩石样进行5组试验。由于试验所选样品数量有限，试验去掉每组测试的3组最高和最低值，计算其平均值，作为该组岩石的点荷载测试值。

1.2 炭质泥岩试样制备

对广西巴马至平果高速公路K42+200段炭质泥岩边坡进行现场取样，将取回的大块岩石样加工成如图1所示试块，并且使每个试样的质量控制在40～60 g，长度与宽度在2∶1左右，每组试样的数量在20个以上。为研究TOC含量对炭质泥岩吸水的影响。将岩石样进行XRD分析，分析其炭含量，得到巴平路炭质岩的TOC含量范围在0.998%～6.706%。

1.3 试验方案

为研究炭质泥岩风化时长对强度的影响，分别取现场开挖出露后风化0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d的岩样进行点荷载试验，每组试验取20个岩样进行试验，去掉3个最高值、3个最低值，其余试验值取平均值，换算得到不同风化程度下的炭质泥岩单轴抗压强度。分别对大块完整的岩石进行取样，采用XRD分析岩石的TOC含量，分别取典型TOC含量为0.998%、2.456%、6.706%的大块岩石加工成试验用的试样，对不同TOC含量的炭质泥岩进行浸水试验，浸水时长0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d，记录炭质泥岩各个时段吸水率，将浸水后的试样进行点荷载试验，分析其TOC含量与吸水特性和强度的关系。

2 软化效应分析

2.1 不同风化程度炭质泥岩点荷载强度

将开挖出露后不同风化时长下岩石进行点荷载试验，得到的强度参数如图2所示。

炭质泥岩开挖出露后，在自然风化作用下，总体上炭质泥岩强度随出露时间增加而下降，强度下降过程分为三个阶段：（1）在开挖出露后1～2 d，强度呈现下降趋势，下降速率较缓，主要是开挖后岩面结构密实，水分等进入较少，软化速率较慢;（2）出露2～15 d，强度下降曲线斜率变大，强度快速下降，这一阶段的岩石表面结构开始劣化，产生许多新的微孔隙，水分向岩体内部迁移作用明显，加速强度下降;（3）出露15～30 d，强度下降趋势放缓，曲率慢慢变得平直。

2.2 不同TOC含量炭质泥岩吸水特性

将不同TOC含量的炭质泥岩浸水0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d，浸水后的岩石吸水速率如下页图3所示。

由图3可知，随着TOC含量增加，炭质泥岩吸水率增加，吸水速率与TOC含量呈现正相关性，TOC含量越高，在短时间内吸水率上升越快，随后达到峰值;随着TOC含量的增加，吸水率峰值越高，且峰值出现越晚，6.706%TOC含量下，吸水率在13 d趋于平缓，TOC含量与炭质泥岩的最终吸水率及吸水速度呈现正相关性。

2.3 不同TOC含量下炭质泥岩浸水后力学强度

将不同TOC含量下的炭质泥岩在浸水下进行点荷载试验，获得随浸水时长增长的强度变化如图4所示。

由图4可知，随着浸水时长的增加，炭质泥岩的无侧限抗压强度呈现降低的趋势，对于TOC含量为0.998%的炭质泥岩，强度下降曲线为上凸型，开始浸水阶段强度降低较为平稳，中期强度下降趋势开始加速，15 d之后强度降低趋势放缓;对于TOC含量为2.456%的炭质泥岩，强度下降曲线呈现中间下凹型，1 d开始，强度开始快速下降，10 d后，强度降低放缓;对于TOC含量为6.706%的炭质泥岩，强度下降趋势整体呈现下凹型，试验开始阶段强度下降较快，试验过程始终保持较大的下降幅度，试验结束时仍存在较大下降趋势。

分析原因，结合前文不同TOC含量吸水速率结果可知，主要是由于有机炭吸水性强，浸水时随着炭含量的增加，迅速吸水导致含炭部分结构的软化，水分渗入孔隙，水岩相互作用使岩体中的黏土矿物软化、膨胀，粘粒流失从而孔隙进一步扩张，水岩接触面积增大，加速了炭质泥岩的软化，后因溶于水造成质量损失，转运到岩石表面造成岩石内部结构松散，填充到裂隙强烈发育处，阻碍水进一步浸入，造成岩石整体的强度结构特性的劣化，故随着TOC含量增加，浸水后的强度降低幅度、降低速率均有所增大。

3 结语

本文通过电镜扫描和点荷载试验，对炭质泥岩物理力学性质进行分析，得出以下结论：

（1）通过XDR对采样炭质泥岩进行元素分析，得到岩样TOC含量在0.998%～6.706%。

（2）将开挖出露后不同风化时长炭质泥岩进行点荷载试验，随着风化时长的增加，炭质泥岩强度变化呈现平缓期、加速期、平缓期。

（3）炭質泥岩浸水软化强度与TOC含量、浸水时长呈现正相关性，拟合得到不同炭含量下炭质泥岩吸水特性、力学强度与含炭量曲线关系，为炭质泥岩风化及浸水边坡防护工程实践提供参考。

参考文献：

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[2]刘赛豪.地震荷载作用下炭质页岩边坡稳定性分析[D].长沙：长沙理工大学，2018.

[3]郭延辉，侯克鹏.深埋炭质千枚岩巷道松动圈测试及主被动联合支护研究[J].地下空间与工程学报，2021，17（1）：214-221.

[4]刘卓华，黄小桂，骆俊晖.Singh-Mitchell蠕变模型在炭质岩隧道围岩变形分析中的应用[J].中外公路，2020，40（3）：210-213.

[5]刘 钦，李术才，李利平，等.软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究[J].岩土力学，2012，33（S2）：21-28.

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[7]曾 铃，付宏渊，贺 炜，等.三轴CT条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验[J].中南大学学报（自然科学版），2014，45（3）：925-931.

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[9]GANESH D，TESURO Y，MASAJI K，et al.Slake Durability and Mineralogical Properties of some pyroclastic and Sedimentary Rocks[J].Engineering Geology，2002（65）：31-45.

[10]马慧君，骆俊晖.炭质岩路基填筑新技术及沉降计算分析[J].西部交通科技，2019（10）：7-9，76.

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