強風化泥巖顆粒破碎對其滲透系數(shù)的影響

喻成，何昌榮，雷茂鑫，詹傳妮

(四川大學水利水電學院，四川成都610065)

我國西南部地區(qū)有廣泛的泥巖分布。泥巖由于抗水性差、易軟化，越來越多的工程實踐都涉及到了泥巖的破碎問題，特別是遇水軟化以后因其強度的變化，在碾壓、振動或擊實的作用下很容易破碎，而破碎帶來的級配等一系列物理力學性質(zhì)的變化是需要我們重視的。

在通常的室內(nèi)滲透試驗中，一般只測定了試驗前試樣的顆粒級配［1］，沒有考慮試驗過程中試樣級配的變化。本文中的這種強風化泥巖，不僅會在試驗的裝樣過程中就會因為擊實作用而發(fā)生顆粒破碎，并且在試驗中由于物化反應(yīng)也會產(chǎn)生顆粒破碎現(xiàn)象，進而影響試驗的結(jié)果。本文就這一問題，研究了西南地區(qū)某強風化泥巖的顆粒破碎對其滲透性的影響。

1 泥巖的基本特性

我國《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GBJ 7－89)對巖石堅固性的劃分，泥巖屬于軟質(zhì)巖石［2］。泥巖是陸源碎屑沉積的最細粒部分，其組分泥質(zhì)細粒通常是以水力懸浮方式由河流搬運到沉積盆地，大多數(shù)泥質(zhì)懸浮物是以集合粒(絮凝團)沉淀的。泥巖可形成于多種地質(zhì)環(huán)境，其成巖作用以壓實為主，在壓實作用下，孔隙水被排除，沉積物重新排列。

常見或主要的泥巖［3］都呈較穩(wěn)定的層狀，常與砂巖、粉沙巖共生或互層，或者以背影沉積的形式處在相對孤立的中粗碎屑巖體之間，有時可以與粉沙巖一起構(gòu)成單調(diào)的細碎屑沉積序列。巖石中沉積頂層還受到?jīng)_刷而與中粗碎屑巖呈沖刷接觸，較強的壓實后更容易產(chǎn)生頁理。

泥巖的成分很復雜，主要是高嶺石(K)、伊利石(I)、蒙脫石(S)、綠泥石(C)和混層黏土礦物等［4］。此外還有粉沙粒級或泥粒級大小的石英、長石和云母碎屑以及其他自生成分，如方解石、自生石英、鐵鋁氧化物、有機質(zhì)等。泥巖的固結(jié)機制主要是壓實。伴隨著成巖作用的進行還廣泛出現(xiàn)黏土礦物的轉(zhuǎn)化、顆粒定向排列和各種沉積成分的溶解、成巖礦物的沉淀和有機質(zhì)的降解。而且成巖過程中伴隨膠結(jié)物的膠結(jié)，包括強氧化條件下的鐵質(zhì)膠結(jié)，強還原條件下的有機質(zhì)膠結(jié)。

2 顆粒破碎的量化指標

粗顆粒土顆粒破碎的量化指標，可以采用能定量地反映試驗前后粗顆粒土級配變化的某一參數(shù)來表示。目前，常用的參數(shù)有:

(1)Marsal［5］提出的顆粒破碎率Bg。該參數(shù)可以表征相應(yīng)壓力下顆粒破碎的程度，其定義為試驗前后顆粒各粒組含量之差的正值之和，即:

式中:Wki為試驗前級配曲線上某級粒組的含量;Wkf為試驗后級配曲線上相同粒組的含量。

(2)施洪洋提出的粗度系數(shù)Kc。該參數(shù)可以用來描述堆石料的級配特征，其數(shù)學表達式為:

式中:d為粗細料的平均粒徑;dc為粗細料的分界粒徑，dc=5 mm;P5為粗料的質(zhì)量分數(shù)。

(3)中國水利水電科學研究院提出的堆石受荷前后的控制粒徑之差B。該參數(shù)可以用來度量顆粒的破碎程度，其數(shù)學表達式為:

式中:d60為受荷前的控制粒徑;d60f為受荷后的控制粒徑。

(4)Hardin［6］提出的破碎量Bf和相對破碎率Br。Hardin根據(jù)顆粒分布曲線的變化，定義試驗前后顆粒分布曲線與粒徑d=0.074 mm豎線所圍面積分別為Bpi和Bpf，并認為粒徑小于0.074 mm的細顆粒對顆粒破碎的影響不大，其中

Bt為破碎量。同時，Hardin［6］還定義了相對破碎率Br，即

本文采用Marsal［5］提出的顆粒破碎率Bg來描述粗顆粒材料的顆粒破碎情況。

3 試驗裝置及試驗內(nèi)容

3.1 試驗裝置

本次試驗滲透儀采用試驗室自制滲透變形儀，包括儀器筒，底座，透水板。滲透儀高35 cm，直徑為30 cm。試驗的水流由下向上，試樣頂面為自由面;透水板孔徑為5 mm。供水設(shè)備包括供水箱，提升架。供水箱上設(shè)有溢流口，能保持常水頭。量測設(shè)備包括測壓管、量筒、秒表、溫度計。為準確量測試樣中的水力梯度，在試樣室對稱的兩側(cè)分別安裝了上、下共四根測壓管，下測壓管距離儀器底5 cm，上下測壓管間距18 cm。其試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意

3.2 試驗內(nèi)容

本次試驗所用土料巖性為強風化泥巖，取于四川省金堂縣東風水庫堤岸，在西南地區(qū)非常常見，具有很強的代表性。試樣總共1組，對其反復地進行了4次滲透試驗，每次試驗完成后將試樣自然風干，然后重新進行同樣條件下的滲透試驗，測定每次試驗的滲透系數(shù)及試驗前后的試樣級配，第一次試驗后所測的試樣級配數(shù)據(jù)作為第二次試驗開始時的試樣級配數(shù)據(jù)，以此類推，因此得到5組不同的試樣級配組成，分別命為1－5號，其級配顆粒組成表和級配曲線詳見表1和圖2。

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4 試驗結(jié)果及分析

4.1 各次試驗的顆粒破碎結(jié)果對比

為了研究每次試驗過程中試樣的顆粒破碎情況，對每次試驗前后的試樣級配均進行了測定，顆粒破碎對比結(jié)果如表1所示。

圖2 試樣顆粒累積曲線圖

從測定和計算結(jié)果來看，隨著每次試驗的進行，泥巖的顆粒破碎率逐漸減小，顆粒破碎程度變得越來越不明顯。這是由于在每次試驗前，不僅裝樣時的壓實作用讓泥巖發(fā)生了顆粒破碎，而且在每次試驗過程中，泥巖的水化作用也對顆粒破碎帶來了影響，而裝樣時泥巖遇水后的壓實對顆粒的破碎影響明顯。所以每次試驗后泥巖都會發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象，并且顆粒破碎率隨著大粒徑顆粒含量的減少而減小。

4.2 各次試驗的滲透系數(shù)結(jié)果對比及分析

在每次滲透試驗中，控制每個試樣具有相同的干密度和壓實度，并且每次試驗保持相同的高水頭滲流。在保證其他條件不變的情況下，得出了每次試驗的滲透系數(shù)和顆粒破碎率之間的關(guān)系。各次試驗的滲透系數(shù)結(jié)果如表2所示。

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從表2可以看出，隨著每次試驗的進行，泥巖的滲透系數(shù)在逐漸減小，但是變化較小，均在10－6范圍內(nèi)。從表3也可看出，滲透系數(shù)的變化率隨著顆粒破碎率的變小也在變小的。比如第一次試驗的顆粒破碎率最大，導致第二次試驗時的滲透系數(shù)變化了59.64%，而第二次試驗中的顆粒破碎率小于第一次，其對應(yīng)的第三次試驗的滲透系數(shù)相對于第二次變化了46.72%，小于59.64%。以此類推，第三次試驗和第四次試驗也是這樣，所以說顆粒破碎越明顯對滲透系數(shù)的影響就越大。這是因為隨著顆粒破碎現(xiàn)象的發(fā)生，大粒徑顆粒含量的減少而相對次一級粒徑顆粒含量的增加，粗料孔隙完全被細料填充，甚至粗料顆粒被細料撐開，這時細料顆粒也參與骨架作用，大小顆?；ハ嗑o密接觸，細料不易被滲透水流帶出，因此滲透系數(shù)逐漸減小。當細料含量到達一定程度，滲透系數(shù)變化也趨于穩(wěn)定甚至很小。

5 結(jié)論

(1)泥巖是一種抗水性差的特殊材料，特別是強風化泥巖，在遇水后不穩(wěn)定且強度會發(fā)生很大的變化，并且由此帶來的顆粒破碎現(xiàn)象明顯。在通常的泥巖滲透試驗中，裝樣時的壓實作用對泥巖的顆粒破碎影響較大，特別是強風化泥巖水化作用下的壓實，顆粒破碎率較大，并且試驗過程中，高水頭作用下，泥巖發(fā)生的水化作用對顆粒破碎也有影響，進而改變了試驗過程中試樣的真正級配。

(2)本實驗中的這種強風化泥巖的滲透系數(shù)大概在10－6范圍內(nèi)，隨著顆粒破碎現(xiàn)象的發(fā)生，其滲透系數(shù)逐漸變小，并且顆粒破碎越明顯其滲透系數(shù)變化就越大，但是總體變化相對較小。

［1］SL 237－1999土工試驗規(guī)程［S］

［2］GBJ 7－89建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］

［3］路鳳香，桑隆康．巖石學［M］．北京:地質(zhì)出版社，2002

［4］楊進良．土力學［M］．北京:中國水利水電出版社，2000

［5］MARSAL R J．Mechanical poperties of rockfill embankment dam engineering［M］．New York:Wiley，1973:109－200

［6］HARDIN C S．Crushing of soil particles［J］．Journal of Geotechnical Engineering，American Society of Civil Engineers，1985，111(10):1177－1192