软岩膨胀岩软化崩解特性

陈志敏， 赵吉万*， 龚军， 陈宇飞， 李增印， 孙胜旗

(1. 兰州交通大学土木工程学院， 兰州 730070； 2. 中铁隧道局集团有限公司， 广州 511458)

软岩在隧道施工中是一种较为常见的岩体，在施工过程中其原始状态容易受到扰动，进而会与大气和水相遇发生软化和崩解，尤其是在西部山岭地区，隧道的埋深往往会很大，隧道围岩受山岭地质构造影响显著，通常具有较高的应力水平，在这种高应力软岩条件下，掌子面开挖时隧道的围岩具有流变特性，开挖会导致其出现严重的压缩、变形，甚至会出现塌陷和其他灾难。膨胀岩是一种特殊性软岩，在遇水时极易发生软化崩解现象[1]。青海省内宁缠公路隧道，其穿越极高地应力复杂互层软岩区域，且隧道断面大、围岩极其软弱，具有明显的膨胀性和崩解性。因此在施工过程中，经常会遇到软岩膨胀岩遇水软化崩解，进而导致一系列的工程问题。

软岩膨胀岩及其引发的工程问题一直吸引着全球行业内专家和学者的极大注意力。梁冰等[2]、柴肇云等[3]利用X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)试验分析了岩样的矿物组成，认为泥岩崩解机理的差异性主要是由于矿物组成的影响。曹雪山等[4]做了多次的泥岩干湿循环试验，指出泥岩崩解过程中的各个物理指标在第7次循环作用时会达到一个临界值，前7次变化较为明显，后7次基本不变化。王浪等[5]在室内崩解试验的基础上，给出了泥岩在不同耐崩程度下的颗粒粒径变化规律。张晓媛等[6]、夏振尧等[7]做了不同初始含水率下的崩解试验，指出软岩在不同的浸泡时间下具有不同的崩解速率，并具有一定的规律性。黄明等[8]、刘晓明等[9]在红砂岩崩解试验的基础上，得出了计算红砂岩能量的方法。刘长武等[10]利用X射线衍射仪等仪器对泥岩微观结构进行了研究，给出了崩解前后的变化规律。吴道祥等[11]在多次干湿循环作用的基础上，研究了红层软岩在崩解过程中颗粒级配的变化情况，将崩解性能进行了分级。赵明华等[12]、刘晓明等[13]分别进行了室内崩解试验和大气条件下的渐进崩解试验，引入了分形理论，得到了崩解过程中可以进行定量描述的指标。申培武等[14]开展了红层泥岩崩解试验，得出了崩解过程中分形维数的变化规律。曾志雄等[15]开展了干湿循环作用下膨胀岩的崩解试验，引入了标准基础熵。郑明新等[16]进行了泥质粉砂岩的崩解试验，从能量耗散的角度分析了其崩解规律。付宏渊等[17]从宏观角度对崩解现象进行了规律分析，并且研究了崩解、荷载和分形维数之间的影响关系。郑明新等[18]认为0.5～5 mm 粒径的颗粒含量能较为清楚地反映煤系软岩崩解进程。毋庸置疑，前人的这些成果为后续的研究提供了重要的线索和思路。但是，这些研究往往聚焦于崩解过程中规律的探索，或是对其规律进行笼统的描述，大部分的研究都是从宏观角度来进行的，缺乏对其现象产生的原因进行深层次的分析与探究，对软岩崩解性的强弱往往简单地用崩解指数来划分，并未考虑矿物组成对崩解强弱的影响，对不同胶结类型的岩样的崩解机制鲜有学者进行对比分析。

因此，针对西部地区极高地应力软岩膨胀岩的崩解特性研究亟待完善，其崩解影响因素和崩解机制研究对后续西部地区极高地应力软岩下的隧道施工具有重要意义。现通过选取宁缠隧道具有代表性的岩样进行崩解性试验，研究软岩膨胀岩的崩解规律，探讨不同胶结类型岩样的崩解机制，并对崩解过程中所展现的规律和差异进行深入的剖析。

1 软岩膨胀岩崩解性研究

1.1 概述

宁缠隧道大变形段掌子面开挖后揭露地层岩性为石炭系下统钙质粉砂岩与泥碳质粉砂岩互层，夹碳质泥岩和碳质页岩，为较软岩和软岩，局部夹极软岩(碳质泥岩)，强风化、中风化炭质页岩(夹煤线)与粉砂岩互层。掌子面围岩以及岩样细部状态如图1和图2所示。围岩呈叠瓦状构造，新地层(石炭系)逆冲于老新地层(泥盆系)之上，且石炭系围岩内揉皱、小褶皱发育，产状凌乱。该互层围岩整体呈层状构造，岩层产状34°～46°，各组分主要依靠矿物颗粒的胶结作用，因而其节理较为分明、裂隙极发育，强度较低，岩体大多破碎。

图1 掌子面互层围岩图Fig.1 Interbedded surrounding rock map of palm surface

图2 岩样局部图Fig.2 Partial view of rock sample

现有胶结类型的分类主要针对所有的岩石，内容笼统而广泛，不能很好地反映软岩膨胀岩的特性。在前人的基础上，依据岩样胶结物的含量及碎屑颗粒的接触关系，对软岩膨胀岩的胶结类型进行了新的分类，主要为以下3种：①接触型；②填充型；③基质型，如图3所示。

1.2 崩解试验

1.2.1 试验方法

根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)[19]进行崩解试验，并对每一次崩解过后的耐崩解指数进行记录。将每次循环崩解后的试样烘干、筛分，获得岩样多个循环后粒径组成及含量。

图3 胶结类型Fig.3 Types of cementation

1.2.2 耐崩解指数

岩石的耐崩解性是指岩石在遇水软化或崩解时表现出来的抵抗能力，通常用耐崩解性指数确定，按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)[19]进行计算，公式为

(1)

式(1)中：Id为耐崩解指数；mr为岩样崩解后烘干的残余质量；ms为岩样崩解前的烘干质量。

对岩样2和岩样3进行崩解试验，每种岩样选取3组作为平行对照，得出其崩解指数和循环次数的关系曲线图，如图4和图5所示。可以看出，同一岩样不同组的崩解曲线具有相似性，不同岩样的崩解曲线具有明显的差异。

图4 岩样2耐崩解指数和循环次数的关系曲线Fig.4 The relationship between the disintegration resistance index and the number of cycles of rock sample 2

图5 岩样3耐崩解指数和循环次数的关系曲线Fig.5 The relationship between the disintegration resistance index and the number of cycles of rock sample 3

3种岩样耐崩解指数和循环次数的关系的曲线如图6所示。

可以发现，3种岩样的耐崩解指数随着循环次数的增加都会不断地下降，并且下降的幅度趋于平缓。对3种岩样的耐崩解指数的变化趋势可用式(2)进行拟合，即

Id=Ae-B

(2)

式(2)中：A、B为拟合参数。

岩样的具体拟合情况如表1所示。

3种岩样矿物成分的衍射分析结果如表2所示。

图6 耐崩解指数和循环次数的关系曲线Fig.6 Relationship curve between disintegration resistance index and number of cycles

表1 拟合参数和相关系数Table 1 Fitting parameters and correlation coefficient

表2 岩样矿物组成分析结果Table 2 Rock sample mineral composition analysis results

可以明显看出，岩样1蒙脱石和绿泥石的含量远小于岩样2和岩样3，此种岩样的胶结方式主要为接触型，这种胶结类型的岩体颗粒之间通常具有很大的孔隙，缺乏胶结物的填充，颗粒之间硬性接触，无基质物起到缓冲作用，在崩解时呈块状分布，并且岩样1的崩解指数在经过多次循环之后的降幅仍然很小，因此在整个试验过程中展现了较弱的崩解性。岩样2在崩解过程也展现出了较强的崩解性，但由于岩样2黏土矿物的含量低于岩样3，且胶结类型为填充型，在其影响下，岩样2的崩解指数要低于岩样3。岩样3由于含有大量的蒙脱石、高岭石、伊利石等，此类矿物具有良好的亲水性并且在吸水时会产生膨胀，易引起岩石的软化及崩解，胶结方式以基质型为主，因此在崩解过程中，岩样3的崩解速度明显大于岩样1和岩样2，并且崩解性也是最强的。

从岩样的崩解结果可以看出，岩样1经过多次循环之后只发生很小的崩解，具有较弱的崩解性。岩样2与岩样3矿物组成相似，具有相似的崩解曲线，崩解性介于岩样1和岩样3之间。岩样3的崩解性最强，1次循环后耐崩解指数为45.7%，表明第一次循环后已崩解大半，崩解后形态大多为针状和片状，并有很小量泥化现象。第2次循环后耐崩解指数为23.58%，说明遇水崩解特性显著，崩解后形态大块片状崩解物明显减少，针状崩解物增多，泥化现象明显。第3、第4次循环后分别为12.53%和10.87%，经过4次以上循环崩解后岩样崩解物大部分呈泥糊状，极少有块状，说明岩块在经过4次循环已基本完全崩解。岩样3的崩解过程如图7所示。

图7 岩样3崩解实验过程Fig.7 Disintegration experiment process of rock sample 3

综上所述，软岩膨胀岩在整个崩解过程中，基质型崩解性较强，其崩解性一般是接触型的7～8倍，填充型的2～3倍；接触型崩解性较弱，其崩解性一般是填充型的1/3～1/2；填充型的崩解性介于两者之间。

1.2.3 崩解物颗粒分析

为了进一步对软岩膨胀岩的崩解特性进行分析，在每一次崩解之后，将其残留物烘干，用5、2、0.5和0.25 mm的标准筛进行筛分，统计了不同循环次数下各个粒径组的含量，得到了各个粒径组颗粒含量和循环次数的关系曲线图，如图8所示，可以发现，岩样1开始发生崩解时，只有小于0.25 mm的粒径组开始逐渐增加，其余粒径组的含量基本没有变化，可见接触型岩样的崩解物主要是小于0.25 mm的砂粒。岩样3在开始崩解之后，大于5 mm的粒径组含量经过急剧下降之后开始趋于平稳；0.5～5 mm的粒径组一开始会随着循环次数逐渐增加，但是这种增长会在1～3次时达到一个顶峰，之后又开始缓慢降低，逐渐趋于一个稳定值；小于0.5 mm的粒径组含量不断稳定上升，在达到一个临界值时趋于平缓。可以看出，在其完全崩解的过程中，小于0.5 mm的粒径颗粒的剥落是基质岩崩解的主要形式。

崩解性强的岩样，曲线变化的峰值和最终稳定状态一般早于崩解性较弱的岩样，并且曲线变化的幅度更加明显。

接触型和基质型岩样在崩解的过程中，它们每个粒径组的变化曲线展现出了巨大的差异性，从而使它们在崩解过程中具有不同的崩解速度和崩解程度。

3种岩样在不同循环次数下各个粒径组的变化曲线如图9所示。

可以看出，岩样1在整个崩解过程中，大于5 mm的粒径组含量发生了轻微的降低，小于0.25 mm的粒径组含量一直在平稳上升，其余粒径组含量基本不变化，可见岩样1的崩解物主要是小于0.25 mm的颗粒。岩样3大于0.5 mm的粒径组含量在经过一次急剧的下降之后开始趋于平稳，而小于0.5 mm的粒径组变化一直较为平稳，无明显的起伏，表明随着崩解物颗粒的不断变小，其崩解性也在逐渐减小。另外在崩解过程中，小于0.25 mm的粒径组含量随着循环次数的增长速度明显大于0.25～0.5 mm的粒径组。由参考文献[20-21]可以看出，不同软岩在干湿循环作用下，小于0.25 mm和大于5 mm的粒径组在崩解过程中同样地展现出了极大的差异性，因此在判断软岩膨胀岩的崩解性时可以将小于0.25 mm和大于5 mm的粒径组含量变化作为评估标准。

图8 不同粒径组的变化曲线Fig.8 Variation curve of different particle size groups

图9 不同岩样粒径组的变化曲线Fig.9 Variation curves of particle size groups of different rock samples

2 软岩膨胀岩崩解机理

由崩解试验的结果可知，3种岩样具有不同的崩解性，接触型岩样的崩解性最弱，在多次循环作用下只发生很小的崩解；而填充型和基质型的崩解性较强，尤其是基质型，在整个循环试验中发生了极为强烈的崩解。结合3种岩样矿物成分的衍射分析结果可以看出，矿物组成的类型和含量对软岩膨胀岩的崩解性具有主导作用。

由图5可以明显看出，岩样1的崩解性远小于岩样2和岩样3，经过分析可以发现，岩样1的亲水性黏土矿物含量极少，颗粒粒径较大，有较多的空隙和裂隙，胶结类型为接触型，此种岩样在遇水崩解时，表面上的孔裂隙会对水分子产生极强的吸附作用，当这些水分子渗入岩体内部时，会使颗粒之间由于空气的排出而产生相互作用，这种作用力会使岩体内的胶结键发生断裂，产生劈裂现象，使岩体变成碎块状结构，但无法继续崩解下去，因此导致岩样1的崩解性远小于岩样2和岩样3。

岩样3含有较多的亲水性黏土矿物，如蒙脱石、高岭石、绿泥石等，此类岩样的胶结类型一般为基质型，在试验过程中展现了极强的崩解性。在其遇水崩解时，由于黏土矿物晶格构造的特殊性，颗粒会吸水产生膨胀，这种膨胀会使岩体内部产生不均匀应力，导致颗粒发生碎裂，最终诱发岩样的崩解。填充型的崩解机制类似于基质型，但由于黏土矿物含量低于基质型，因此崩解速度和程度都弱于基质型。

综上所述，软岩膨胀岩不同的矿物组成和胶结类型会使其崩解产生差异，岩体矿物组成的类型和含量是影响其崩解性强弱的主要因素。

3 结论

(1)软岩膨胀岩的耐崩解指数随着循环次数的增加会依据负指数函数的形式降低，并且耐崩解指数曲线会由于胶结类型的不同而具有差异性。

(2)软岩膨胀岩矿物组成的类型和含量是影响其崩解性强弱的主要因素。基质型岩样由于含有较高含量的黏土矿物，如蒙托石、伊利石等，因此其崩解性最大，此类岩样的崩解是由于亲水性矿物吸水膨胀，使颗粒发生碎裂所诱发的，崩解性普遍较强。接触型岩样一般不含或含有少量蒙脱石，这类岩体的崩解是由于孔裂隙中水分子的进入，导致空气排出，使得颗粒之间产生互相作用力，造成胶结键的断裂而引起的，具有较弱的崩解性。

(3)在整个崩解试验过程中，基质型岩样大于0.5 mm的粒径组含量在经过一次急剧的下降之后开始趋于平稳，0.5～5 mm的粒径组含量一开始会随着循环次数逐渐增加，但这种增长会在1～3次时达到顶峰，之后开始缓慢降低，逐渐趋于一个稳定值；小于0.5 mm的粒径组含量不断稳定上升，在达到临界值时趋于平缓。接触型岩样在崩解过程中，小于0.25 mm的粒径组含量一直处于稳定上升的趋势，其余粒径组含量变化极小。表明在崩解过程中，小于0.25 mm颗粒的剥落和黏性矿物的溶解是崩解的主要形式。

(4)从3种岩样崩解试验过程中发现，不同岩样的崩解过程中大于5 mm和小于0.25 mm 的粒径组变化曲线表现出了极大的差异性，因此，可以将小于0.25 mm和大于5 mm的粒径组含量变化作为评估软岩膨胀岩崩解性强弱的标准。