泥质岩崩解性状的模型试验研究

朱士东，曹雪山，刘 扬

(1. 苏交科集团股份有限公司，南京 210019；2. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098)

泥质岩是含有黏土矿物成分的沉积岩[1]，包括泥质砂岩、砂质泥岩和泥岩。干湿循环条件对泥质岩的性质影响很大，会加速泥质岩吸水崩解、泥化的过程，不仅加强了冲刷，还导致岩体强度降低，可能引发工程建设中的工程安全问题[2]。因此，明确泥质岩在干湿循环条件下的崩解特性、量化其崩解速率是非常必要的。

泥质岩崩解的多数研究成果是以耐崩解性试验方法为基础的。耐崩解性试验方法由Franlin 和Chandra[3]于1972年提出，后经国际岩石力学学会(ISRM)推广，目前在国际上被广泛应用[4]。耐崩解性试验的成果是可以得到二次干湿循环条件下的耐崩解性指数，然而，泥质岩对环境水分变化的敏感性与岩石的渗透率、矿物成分与组成、结构与构造、微裂隙存在等状态相关，仅用一个参数表征弱岩体中非常复杂的崩解是不全面的[5]。同时，现有的研究成果多集中于干湿循环条件对岩块崩解的影响，或是现场的雨量与温度对岩坡面冲刷的影响，而未见现场泥质岩在干湿循环过程中的崩解性状研究。泥质岩的现场崩解行为有别于常规室内试验，原因不仅在于气候条件的影响，还在于现场泥质岩的岩性状态；岩性不同，泥质岩的崩解方式及崩解时间均会有很大的差异。除此之外，泥质岩现场崩解行为的影响因素还包括现场沉积岩的结构、构造、裂隙发育、冲刷和剥蚀等。基于此，本文以某工程试验为依托，利用强崩解性泥质岩对气候变化敏感的特点，进行了边坡泥质岩崩解的模型试验研究，获得4次浇水- 风干模型试验的数据，定性分析崩解现象；定量分析岩面竖向变化、裂隙变化；并从多个方面阐述了泥质岩现场演化规律，为泥质岩边坡的治理方法研究提供了必要的参数。

1 试验方法

1.1 试样岩性

安徽某工程地质勘察中揭露出白垩系(K)泥质砂岩、泥岩互层存在有一定膨胀性的泥质基岩，泥质岩的矿物成分与含量如表1所示，岩样基本参数如表2所示，泥质岩的颗粒组成如表3所示。

表1 泥质岩的矿物成分与含量 (%)

表2 岩样基本参数

表3 泥质岩的颗粒组成

由表2可知，Id2[岩石(二次循环)耐崩解性指数]均小于3%，根据1972年由Franlin 和Chandra提出的岩石分类标准[3]，场地内泥质岩的耐崩解性很低。

1.2 室内模型制作

在边坡开挖现场取方块样，在室内制作大型模型试验箱，通过浇水-风干循环作用模拟现场降雨-水分蒸发引起的干湿循环，分析干湿循环作用对边坡崩解性的影响以及裂隙发展规律。

现场选取完整性好的方样，尺寸为400 mm×400 mm×400 mm。崩解模型的四周与底板均采用钢板焊接，底面尺寸为300 mm×300 mm，有透水孔，便于排出岩石裂隙水分，模型坡度为1∶3。对崩解模型进行修样并装箱，在模型坡上方1/4位置处装上百分表；加热灯用于温度控制，确保干燥条件稳定。室内崩解模型试验装置如图1所示。

1.3 室内模型试验方法

1.3.1 试验过程

试验进行4次浇水-风干循环，其中湿化采用坡面浇水方式，流量20 cm3/s，持时5 min冲刷坡面；风干温度30 ℃，风干第1、2、4次(简称风干1、2、4，下同)持时9 d，风干第3次(简称风干3，下同)持时18 d。试验过程中用百分表测试试样变形情况；拍照记录裂隙发育情况，并计算裂隙度；采用GTJ-FKY裂缝观测仪(分辨率0.02 mm)在模型框做好标记，定点测量裂缝宽度。试验共耗时45 d。

1.3.2 对比试验与平行测试

选取泥质砂岩模型试样与泥岩模型试样各一个，每个试样设置两个平行观测点，分别为泥质砂岩S1、泥质砂岩S2、泥岩N1、泥岩N2，目的是观察岩性与测试位置不同对泥质岩崩解性的影响。

2 试验结果分析

2.1 崩解现象分析

泥质砂岩的崩解过程如图2所示，干湿循环作用下泥岩的崩解过程如图3所示。

从图2和图3可以看出，在4次浇水-风干作用过程中，泥质砂岩表面平整，裂缝不明显。泥岩在风干1过程中即出现明显裂缝，表面出现高低不平的沟槽，风干后凹沟裂缝更密集；第2次浇水后沟槽加深，风干2后裂缝数量增多，裂缝密度加大；第3次浇水后沟壁崩解被冲蚀，形成平台，风干3后平台处裂隙不发育；风干4后裂缝再增多。

根据4次浇水-风干作用过程中的崩解现象可知，泥质岩的崩解特性有：①岩面竖向变化特征是泥质砂岩面平整，泥岩岩面凹凸不平；②岩面裂隙发育特征是泥质砂岩的收缩裂隙不明显，而泥岩收缩裂隙显著。

2.2 岩面竖向变化分析

2.2.1 泥质砂岩的崩解演化规律

泥质砂岩崩解、膨胀、收缩全过程曲线如图4所示。

由图4可知，每次浇水后，泥质砂岩就会发生崩解，颗粒被冲刷、掉落，进而导致岩面降低；但各次各点的崩解情况均不同，这表明泥质岩被浇水时具有显著的崩解性，同时各次浇水过程存在崩解差异性。

泥质砂岩在各次风干过程中的岩面膨胀与收缩位移如图5所示。从图5可以看出浇水过程结束后泥质砂岩在风干过程中所表现出的性状。浇水初期，岩面均有少量抬升，说明泥质砂岩吸水后仍有一个膨胀的过程；岩面逐渐下降，说明风干进程中水分蒸发，泥质砂岩收缩，导致岩面略有降低，并逐渐稳定。

综上可知，在每次浇水-风干的作用下，泥质砂岩的崩解演化规律有3个发展过程：浇水时崩解、冲刷；吸水后膨胀、疏松；风干时失水收缩。其中，浇水时崩解、冲刷表现突出。由图5可知，泥质砂岩的结构差异致使浇水次数及测试点位置不同时的颗粒崩解量均不同。在4次浇水-风干过程中，测点1前3 d岩面变化量呈增长趋势，测点2前3 d岩面变化量变化不大，但总体岩面累计变化量呈增长趋势；从收缩变化来看，第1次风干过程中收缩量小，岩面最大降低值为0.17 mm，但第2次风干过程中收缩量较大，岩面最大降低值达1.01 mm，第3次和第4次风干过程中岩面最大降低值为0.6～0.7 mm。由此可得，第1次和第2次风干过程中岩面降低值的平均值接近第3次和第4次风干过程的值，可见岩面降低值在每次风干过程变化量也是有差异的。

2.2.2 泥岩的崩解演化规律

泥岩崩解、膨胀、收缩全过程曲线如图6所示。

由图6可知，在浇水1后，泥岩膨胀剧烈，崩解、冲刷不明显，岩面抬高，微观机理研究表明泥岩中存在明显的膨胀裂隙[5]；之后的风干过程中膨胀不显著，而崩解、冲刷仍显著，岩面降低与测点间的差异，反映了崩解的不均匀性。

泥岩在各次风干过程中的岩面膨胀与收缩位移如图7所示。

由图7可知，第1次风干过程初期岩面抬升显著，因此风干过程中收缩量不大，仍表现为膨胀状态；其他几次风干以风干初始岩面为参考，泥岩吸水后有微弱的膨胀过程，继而在风干进程中水分蒸发，泥岩收缩、开裂，导致岩面略有降低并逐渐稳定。

在每次浇水-风干作用下，泥岩崩解演化规律也同样表现为3个发展过程：浇水时崩解、冲刷；吸水后膨胀、开裂、疏松；风干失水时收缩、开裂。在第1次浇水-风干过程中膨胀特性表现更为显著，其他各次的浇水-风干过程岩面仍是崩解、冲刷表现突出，收缩过程开裂显著。

泥岩在性状差异方面与泥质砂岩相近，特点是当浇水次数及测试点位置不同，冲刷颗粒脱落量也不同。在4次浇水-风干过程中，测点1的测试结果显示岩面变化量不变、增大、减小的情况均存在；测点2测试结果显示前4 d均岩面变化量呈增长趋势，总体岩面累计变化量呈递增趋势。

2.2.3 岩性与崩解特性关系

根据泥岩和泥质砂岩的崩解演化规律可知，在自然气候条件下，泥质岩崩解演化规律有3个发展过程：遇水时崩解、冲刷；吸水后膨胀、疏松；风干失水时收缩、开裂。总体而言，随着干湿循环次数增多，岩面不断降低，岩面累计变化量呈增长趋势；而各个过程的变化程度与岩性关系密切。

泥质砂岩的组成以粉细砂颗粒为主，粉粒泥质矿物次之，黏粒、胶粉很少；粉细砂泥质胶结黏结力小，于是在浇水1后即出现崩解、冲刷现象，此后每次浇水时均发生崩解、冲刷，这与耐崩解性指数小的特性相呼应；泥质砂岩的蒙脱石含量为10.85%，自由膨胀率为12%，因此试验过程中膨胀不明显，无明显裂隙产生，收缩也不大。经过4次浇水-风干作用后，泥质砂岩崩解、冲刷深度达14.70 mm，测试值相差6%。

泥岩的成分以蒙脱石和白云母组成的黏土矿物为主，颗粒仍以粉晶(大小约0.005～0.075 mm)形式存在，黏粒、胶粉含量很少，泥质胶结，黏结力大；蒙脱石含量为20.81%，自由膨胀率为50%，具有弱膨胀潜势，在第1次浇水时膨胀显著，风干时裂隙发育；在崩解、冲刷方面，第1次浇水时无明显的冲刷现象，但在随后的浇水过程中崩解现象显著；累计冲刷量与泥质砂岩相近；不考虑第1次浇水的性状，泥岩的膨胀性状与泥质砂岩相近。经历4次浇水-风干作用后，泥岩崩解、冲刷深度达15.29 mm，测试值相差15.4%。

试验结果显示，泥岩的收缩量明显大于泥质砂岩，因此现场施工期内泥质岩崩解、冲刷不是主要问题；但从长远角度看，泥质砂岩崩解集中于表层，需采取封闭措施；泥岩崩解发生在岩坡面表面及裂隙内部，应采取裂隙补强的措施。

2.3 裂隙演化规律

2.3.1 裂隙宽度演化规律

风干4过程中泥质岩裂隙宽度与时间的关系如图8所示。

泥质砂岩裂隙宽度约为0.2 mm；泥岩裂隙宽度约为0.9 mm。浇水过程中，裂隙因矿物膨胀而封闭，风干作用开始后，含水率下降，黏土矿物开始收缩，裂隙逐渐显现。裂隙宽度发展分为两个阶段，即快速增长期和缓慢稳定期，裂隙宽度演化规律如表4所示。快速增长期裂隙宽度增长很快、时间短。例如，泥质砂岩的稳定时间约为10 h，宽度完成70%，泥岩稳定时间为24 h，宽度完成80%；缓慢稳定期持续时间长。

表4 裂隙宽度演化规律 (mm)

2.3.2 裂隙度演化规律

从试验开始至试验结束的45 d内，泥岩与泥质砂岩的裂隙度变化全过程如图9所示。

由图9可知，与4次浇水-风干过程相对应，裂隙度增大的过程也有4次，每次浇水时裂隙度减至极小值，但在风干过程中逐渐增大。浇水3后的风干时间加长了1倍，风干4过程中裂隙度增加速度也相应加快，裂隙度也相应增大较多。此外，裂隙在泥质砂岩、泥岩中表现的特征有很大区别：泥质砂岩裂隙不明显，裂隙度小；泥岩裂隙显著，裂隙度大。

各次风干过程中的泥质砂岩裂隙度发育过程如图10所示。由图10可知，泥质砂岩的裂隙度小，与风干时间呈线性关系。如图10(a)所示，泥质砂岩在前3次风干过程中裂隙没有显著变化，裂隙度与浇水-风干次数关系几乎呈水平直线，说明在8 d内泥质砂岩裂隙度均值<1.35%时，裂隙度与浇水-风干次数无关；但图10(b)中，泥质砂岩第3次风干时间加长1倍，裂隙度在9～18 d内从1.35%增大到2.71%，增长了1.36%，约1倍；于是风干4过程中裂隙度加倍增大。这说明风干时间延长对裂隙度的增长影响很大，可大大提高干湿循环效果。

各次风干过程中的泥岩裂隙度发展过程如图11所示。

由图11可知，泥岩裂隙度发展特征与泥质砂岩相比，有差异也有共同点。差异是泥岩裂隙度的发展呈非线性，分初期(3 d)快速增大阶段和后期(5 d)缓慢增大阶段；共同点是如图11(a)中泥岩在前3次浇水-风干过程中裂隙仍基本相近，体现了裂隙度与浇水-风干次数无关；图11(b)中，泥岩第3次风干时间加长1倍，裂隙度在9～18 d内继续增大，裂隙度也从6.21%增大至7.49%，增长了1.28%；同样造成了风干4过程中3 d内裂隙度为8.98%，随后缓慢增加。这说明虽然泥岩的裂隙率及增大规律不同于泥质砂岩，但对干湿循环效应的反应是一致的。

3 结论

(1) 泥质砂岩表面平整，收缩裂隙不明显；泥岩岩面凹凸不平，收缩裂隙显著。

(2) 在自然气候条件下，泥质岩崩解演化规律存在3个发展过程：遇水时崩解、冲刷；吸水后膨胀、开裂、疏松；风干失水时收缩、开裂；总体上随着干湿循环次数，岩面不断降低，呈增长趋势。

(3) 风干过程中泥质岩裂隙度与风干时间的变化规律与岩性相关。泥质砂岩的裂隙度与风干时间呈线性相关，泥岩的裂隙度与风干时间呈非线性相关，分初期快速增大阶段和后期缓慢增大阶段。

(4) 风干时间长短与裂隙度受干湿循环影响的程度关联较大。短时间内，裂隙度能保持相同的波动状态，但干燥时间超过临界值后，后期裂隙度会有较大增加，进而加剧干湿循环对裂隙的影响效果。

(5) 现场施工期内泥质岩崩解、冲刷不是主要问题，将表面封闭即可；而泥岩崩解发生在岩坡面表面及裂隙内部，为降低其负面影响应采取裂隙的补强措施。