含水率对坝基泥岩膨胀性能的影响研究

2022-10-26冯红春

水利技术监督 2022年10期

冯红春，杨通

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010)

泥岩的强度和变形特性是边坡工程中关心的重要问题。不同地区泥岩的强度及变形特性表现出极大的差异性，泥岩按照工程分类的主要指标包括泥质含量、岩石单轴抗压强度和结构面数量[1]。膨胀性岩土是指含有较多高膨胀性的黏土矿物，并在较低的应力水平条件下容易产生变形的工程岩体[2]。而膨胀性的分级指标又包括自由膨胀率、蒙脱石的含量及干燥饱和吸水率[3]。矿物成分分析、膨胀性指标和强度参数对于泥岩的力学特性研究和工程参数选取具有重要意义。

泥岩的膨胀性系岩体在水或荷载作用下可以产生体积膨胀的性质。膨胀性因膨胀机理的不同可以被分为内部膨胀、外部膨胀和扩容性膨胀[4]。内部膨胀指水分子进入岩体内部晶胞层间而发生的膨胀现象。外部膨胀指水分子进入岩土体的颗粒间的孔隙而产生的膨胀变形。扩容性膨胀也称应力扩容膨胀，是指岩土体受力的作用，内在裂隙扩展、连通而产生的体积变形[5- 7]。在实际工程中，泥岩膨胀变形是3种膨胀变形机制的综合反应，在低应力水平条件下，泥岩以内部膨胀和外部膨胀机制为主；高荷载作用时，泥岩的膨胀变是扩容膨胀和内部、外部膨胀多种机制共同作用的结果[8]。

对于泥岩这种特殊的低强度岩体，水的作用是其力学和变形特性发生巨大变异性的重要因素，也是工程中泥岩边坡失稳的常见原因[9- 11]。本文设计了不同含水率紫红色和黄褐色2种泥岩试样的膨胀力试验和自由膨胀率试验，以期获得含水率对膨胀性参数的影响规律，为边坡的稳定性分析和滑坡防治工作提供参考。

1 试验材料与试验方法

本研究的泥岩试样取自于桂林市小溶江水利枢纽工程的边坡，取样后用保鲜膜进行密封以保持其天然含水率，本边坡的泥岩主要分为2种：紫红色泥岩和黄褐色泥岩，易破碎，节理裂隙发育，呈坚硬状，遇水易崩解泥化。分别对2种试样进行分析研究。在试样进行膨胀性能测试前，先对该泥岩试样的天然含水率、干密度、比重、渗透系数、液塑限和压缩系数等物理性质指标进行测试，得到的结果见表1。由表1可知，通过X衍射实验得到该泥岩的主要岩石矿物由蒙脱石、伊利石、白云石、石英和长石，主要区别在于紫红色泥岩的白云石只有0.2%，而黄褐色泥岩达到了5.1%。

表1 泥岩的基本物理性质和矿物组成

分别采用浸水饱和法和干燥法对2种泥岩进行颗分试验。得到的2种土的颗粒分布分布曲线如图1所示，由不同方法得到的颗分曲线有明显差别，干燥法得2两种泥岩最大的粒径均大于20mm，浸水饱和后试样吸水膨胀，粗颗粒快速崩解成细颗粒，黄褐色的泥岩试样在0.075mm以下的颗粒占比从4.1%增大到20.8%，紫红色的泥岩试样0.075mm以下的细颗粒从13.0%急剧增至67.6%。

图1 泥岩颗粒分析曲线

对泥岩进行了X射线衍射试验和扫描电子显微镜试验，获得了该泥岩试样的化学物质组成和微观结构特征。天然状态下泥岩扫描电子显微镜(SEM)图片可以看出试样内部颗粒大多呈片状和扁平状，部分为粒状如图2所示。片状或扁平状的结构相互堆叠，排列紧密，颗粒之间形成面-面接触，粒间孔隙的分布比较不均匀，部分孔隙间相互连通，形成泥岩吸水膨胀的入渗通道。丰富的微裂隙有利于水分子进入泥岩内部颗粒的晶体层中，从而扩大晶层之间的间距，使矿物颗粒自产生膨胀变形[12- 13]。泥岩中矿物成分的组成和含量、粒度以及天然含水率等是决定其膨胀潜势的重要因素[14- 15]。

图2 泥岩的SEM图像

2 泥岩膨胀试验

2.1 试样制备

进行膨胀试验的试样选用直径61.8mm、高度20mm的压实试样。制样步骤为：先将取回的试样进行风干，并碾碎过2mm的标准筛，过筛的土样取回备用；测得2种泥岩风干后的含水率约为8.5%，试验中设计4种含水率(12.0%、16.0%、20.0%、24.0%)，根据预定的含水率在风干样中加入相应质量的蒸馏水，拌合均匀之后用保鲜膜密封并静置48h，使土样中的水分均匀分布。然后保持试样的干密度不变的前提下，称取适当质量的土，并倒入模具，用千斤顶施加荷载压制成相应规格的环刀样。

2.2 膨胀试验的方法

2.2.1自由膨胀率试验

岩石的自由膨胀率测试是岩试在无侧限压力状态下，测量其轴向和横向自由膨胀率的试验。采用XOP- 1自由膨胀仪开展试验。试验方法为：先将制备好的试样放置在自由膨胀仪的有机玻璃容器中央；再将1个千分表装置在岩样轴向的端部，另外4个千分表对称装在岩样侧面；最后在样盒中加水至试样被水盖过，按照每15、30、60min的间隔读取千分表的读数，直到24h后读数基本稳定。

试验中按式(1)计算岩石的轴向和横向自由膨胀率:

(1)

(2)

式中，vH—岩石的轴向自由膨胀率，%;vD—岩石的径向自由膨胀率，%;ΔH—轴向变形值，mm;H—试样的高度，mm;ΔD—试样的平均径向变形值，mm;D—试样直径，mm。

2.2.2膨胀力试验

岩石膨胀力的试验在YRP- 2型压力膨胀仪上开展。试验中，先将试样安装在仪器上，安装完成后归零千分表，并加水至盖过试样，保持千分表读数稳定后读取试样膨胀力的大小，岩石的膨胀力计算公式为式(3):

(3)

式中，Ps—岩石膨胀力，MPa；F—轴向荷载大小，N;A—试样的截面积，mm2。

2.3 膨胀试验结果

按照上述试验方法和过程对紫红色和黄褐色泥岩各4组含水率的试样进行膨胀力和自由膨胀率试验，每种试验对3个试样开展试样，得到结果见表2。由表2可以看出紫红泥岩膨胀力范围在13.181～33.812kP之间，均值为24.5kPa;黄褐色泥岩膨胀力范围是7.807～18.912kP，均值为14.15kPa，轴向自由膨胀率范围是1.374%～2.079%，均值为1.6%，轴向自由膨胀率范围为0.795%～0.98%，平均值为0.89%;黄褐色泥岩膨胀力范围在8.807～18.912kP之间，均值为14.5kPa;轴向自由膨胀率范围是0.795%～0.980%，均值为0.86%，径向自由膨胀率范围为0.083%～0.201%之间，均值为0.153%。已知该岩样的单轴抗压强度小于25MPa，黏土矿物含量在21%～28%且自由膨胀率均小于10%。综合以上试验结果判断2种颜色的泥岩均属弱膨胀性软岩。不同含水率试样的组别膨胀特征参数的直方图如图3所示，其中1、2、3、4表示含水率为12%、16%、20%、24%的试样，从图中可以看出膨胀力和自由膨胀率随含水率有一定变化规律：含水率越大，膨胀力与轴向自由膨胀率越小。从2种颜色泥岩的试验结果直方图还可以看出紫红色泥岩的膨胀性质指标明显高于黄褐色泥岩，体现了不同泥岩膨胀性质的差异性，也从侧面反映了外观颜色是泥岩内部物理性质的外在表现。

表2 膨胀特性试验结果

图3 膨胀力和自由膨胀率的实验结果

另外，在泥岩试样膨胀力试验前后还分别记录观察了试样的外观特征。从中发现：当膨胀力小于15kPa时，在试验结束后泥岩有泥化现象且有新裂隙产生，总体上试样得破坏程度相对较轻；当泥岩的膨胀力大于15kPa后，试样在试验结束后出现崩解趋势，破坏比较明显；尤其当膨胀力大于30kPa时，崩解破碎得现象非常明显。通过对实验前后形态特点进行观测不难发现试样受到的膨胀力越大，对泥岩的破坏程度就越高。

3 膨胀试验结果的分析

3.1 轴向膨胀率与膨胀力的关系

从上面的试验研究知道该岩样属于弱膨胀性的软岩，膨胀力和自由膨胀率之间具有一定的数学关系，也存在一定离散性，总体上，该泥岩试样的膨胀力随自由膨胀率增加而提高，如图4所示，膨胀力与轴向膨胀率之间的线性关系比较明显。从图4不难看出泥岩膨胀力PS随着轴向自由膨胀率的增大而增加，属于正线性相关。经过线性拟合，得到了如下的线性数学方程：

Ps=a+b·vH

(4)

式中，a、b—方程的拟合参数，由试验数据拟合得到泥岩的a=18.17，b=3.66。

由线性拟合得到的相关系数为0.953，说明膨胀力Ps和轴向膨胀力vH之间存在较好的线性关系。

图4 轴向膨胀率与膨胀力的关系

3.2 膨胀力与初始含水量之间的关系

如图5所示，试样膨胀力随初始含水率w的增大而减小，与含水率存在线性反比例关系，通过最小二乘法的数据线性回归可得到膨胀力PS与初始含水率w存在如下近似方程:

Ps=c-d·w

(5)

式中，c、d—方程的拟合参数，由试验数据拟合得到紫红色泥岩的c=53.4，d=1.62；黄褐色泥岩的c=28.7，d=0.82。

图5 含水率与膨胀力的关系

由线性拟合得到的相关系数为0.962和0.982，表示膨胀力Ps和含水率之间存在较好的线性关系。

膨胀力Ps和初始含水率w存在负线性关系，这是因为泥岩的膨胀势与孔隙结构随初始含水率增加而表现出来的宏观效果。当初始含水率w较低时，岩样在压制过程中的阻力较大，而样品中大孔隙的比例较高，平均孔隙直径较大。当试样吸水膨胀时，由于外界压力限制作用使得内部孔隙为黏土颗粒吸水膨胀提供了入渗通道，黏土颗粒的分布在吸水膨胀后重新排列，颗粒间距减小从而减小内部的孔隙尺寸。在宏观上表现为膨胀潜势部分消失，这种现象可以被看作黏土颗粒在吸水膨胀后引起大孔隙的塑性变形。初始含水率增加导致内部孔隙趋于均匀，平均孔径减小，颗粒吸水膨胀的空间随之减小，使得泥岩内部的颗粒膨胀潜势减小。当初始含水率较小时，黏土颗粒结合水膜较薄，分子结合水能力较强，即使泥岩内部的膨胀潜势更大，但总体上地含水率的试样膨胀力更大。