炭質(zhì)泥巖風(fēng)化浸水軟化效應(yīng)試驗研究

陽個小　張黎明　莫鵬　駱俊暉

摘要：廣西分布大量炭質(zhì)泥巖，邊坡開挖出露后在風(fēng)化浸水的作用下易軟化導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。為分析風(fēng)化浸水作用下炭質(zhì)泥巖軟化效應(yīng)，文章以巴馬至平果高速公路沿線的炭質(zhì)泥巖為研究對象，采用點荷載試驗方法測定風(fēng)化浸水軟化后巖樣的強度，同時通過X射線衍射試驗（XRD），分析總有機質(zhì)炭含量，進(jìn)行不同TOC含量浸水試驗，研究TOC含量與強度的關(guān)系。結(jié)果表明：炭質(zhì)泥巖強度隨風(fēng)化時間增加而下降，強度下降過程分為三個階段，即加速期、急劇下降期、平緩期;通過XRD分析炭質(zhì)巖礦物成分，TOC總有機質(zhì)炭含量為0.998%～6.706%，不同TOC含量炭質(zhì)泥巖吸水特性不同，軟化速率不同，TOC含量高的炭質(zhì)泥巖吸水速率、軟化速率更快，TOC、浸水時長與強度軟化呈較好的正向相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：炭質(zhì)泥巖;點荷載試驗;浸水軟化;TOC含量;XRD試驗

中國分類號：U416.03文章標(biāo)識碼：A110423

0 引言

炭質(zhì)巖可分為炭質(zhì)泥巖、頁巖及灰?guī)r，性質(zhì)易受環(huán)境的影響，具有浸水軟化、碎裂崩解、裸露風(fēng)化等性質(zhì)，對工程建設(shè)影響較大[1]。炭質(zhì)巖邊坡崩塌是一項極易發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，且炭質(zhì)巖在廣西大范圍的存在，廣西區(qū)內(nèi)多條在建或擬建重要公路都有穿過炭質(zhì)巖區(qū)[2]，因此需要對開挖出露后的炭質(zhì)巖浸水軟化效應(yīng)進(jìn)行研究，預(yù)測其強度，及時采取合理措施進(jìn)行防治。

郭延輝等[3]對南部礦山炭質(zhì)千枚巖進(jìn)行室內(nèi)試驗，結(jié)果表明炭質(zhì)千枚巖屬于中膨脹性軟巖，具有較強的吸水性、易軟化和崩解破壞。劉卓華等[4]對廣西地區(qū)隧道炭質(zhì)圍巖位移、滲壓等失穩(wěn)特征進(jìn)行實時監(jiān)測，采用Singh-Mithel模型對監(jiān)測值進(jìn)行研究，分析炭質(zhì)巖的破壞蠕變特性，并預(yù)測車輛通行對炭質(zhì)圍巖隧道的影響。劉欽等[5]取炭質(zhì)軟弱隧道圍巖試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，通過炭質(zhì)巖應(yīng)變軟化蠕變模型構(gòu)建本構(gòu)方程，并與試驗結(jié)果對比分析軟弱炭質(zhì)巖的穩(wěn)定性。劉林潔等[6]通過對炭質(zhì)泥巖不同浸水時長的抗壓和抗剪強度進(jìn)行分析，得出炭質(zhì)泥巖強度隨著浸泡時長增多而急劇下降的結(jié)論，并以貴州某填土方邊坡為例分析炭質(zhì)泥巖樣浸水軟化特性。曾鈴等[7]采用三軸CT試驗對炭質(zhì)泥巖的細(xì)觀應(yīng)力變形及損傷演化規(guī)律進(jìn)行研究，為進(jìn)一步深入分析炭質(zhì)泥巖物理力學(xué)特性提供了新的方法。戴毅[8]基于炭質(zhì)泥巖軟弱夾層試樣軟化機理展開室內(nèi)試驗，研究驗證了炭質(zhì)泥巖軟弱夾層的蠕變特性對邊坡穩(wěn)定具有較大影響。Ganesh等[9]通過試驗揭示了礦物學(xué)特征與沉積巖及火成碎屑巖耐崩解特性的內(nèi)在聯(lián)系。

炭質(zhì)泥巖在開挖出露后，遇水風(fēng)化效應(yīng)明顯，是造成邊坡災(zāi)變的關(guān)鍵因素。TOC含量是炭質(zhì)泥巖軟化關(guān)鍵因素，現(xiàn)有對于炭質(zhì)泥巖的不同TOC含量浸水軟化力學(xué)性能尚未見研究。本文通過XRD試驗、點荷載試驗，分析討論炭質(zhì)泥巖不同風(fēng)化時長、不同TOC含量浸水時長軟化效應(yīng)。

1 炭質(zhì)泥巖點荷載試驗

1.1 試驗儀器

由于炭質(zhì)泥巖浸水易軟化、崩解，對在其分布地區(qū)進(jìn)行的工程影響巨大，其自身特性難以制成標(biāo)準(zhǔn)巖石抗壓樣[10]。因此針對炭質(zhì)泥巖開展點荷載試驗，基于點荷載試驗對炭質(zhì)泥巖的風(fēng)化和浸水軟化特性進(jìn)行了分析與研究。試驗主要選用STDZ-3型巖石點荷載儀，由加載系統(tǒng)和壓力傳感器組成，壓力傳感器的最大量程為100 kN。

首先用游標(biāo)卡尺測量記錄過試件中心點的最小截面的寬度。然后將試件放入點荷載儀圓錐狀壓板與可移動底板之間，使試件與點荷載儀兩端緊密接觸。試件安裝后，將壓力傳感器歸零，并按下測量按鈕，以10～60 s內(nèi)能使試件破壞的加荷速度勻速加荷，直到試件破壞，記下壓力傳感器顯示的峰值壓力。巖石破壞后，測量并記錄巖石破壞面加載點之間的間距D。每個巖石樣進(jìn)行5組試驗。由于試驗所選樣品數(shù)量有限，試驗去掉每組測試的3組最高和最低值，計算其平均值，作為該組巖石的點荷載測試值。

1.2 炭質(zhì)泥巖試樣制備

對廣西巴馬至平果高速公路K42+200段炭質(zhì)泥巖邊坡進(jìn)行現(xiàn)場取樣，將取回的大塊巖石樣加工成如圖1所示試塊，并且使每個試樣的質(zhì)量控制在40～60 g，長度與寬度在2∶1左右，每組試樣的數(shù)量在20個以上。為研究TOC含量對炭質(zhì)泥巖吸水的影響。將巖石樣進(jìn)行XRD分析，分析其炭含量，得到巴平路炭質(zhì)巖的TOC含量范圍在0.998%～6.706%。

1.3 試驗方案

為研究炭質(zhì)泥巖風(fēng)化時長對強度的影響，分別取現(xiàn)場開挖出露后風(fēng)化0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d的巖樣進(jìn)行點荷載試驗，每組試驗取20個巖樣進(jìn)行試驗，去掉3個最高值、3個最低值，其余試驗值取平均值，換算得到不同風(fēng)化程度下的炭質(zhì)泥巖單軸抗壓強度。分別對大塊完整的巖石進(jìn)行取樣，采用XRD分析巖石的TOC含量，分別取典型TOC含量為0.998%、2.456%、6.706%的大塊巖石加工成試驗用的試樣，對不同TOC含量的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行浸水試驗，浸水時長0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d，記錄炭質(zhì)泥巖各個時段吸水率，將浸水后的試樣進(jìn)行點荷載試驗，分析其TOC含量與吸水特性和強度的關(guān)系。

2 軟化效應(yīng)分析

2.1 不同風(fēng)化程度炭質(zhì)泥巖點荷載強度

將開挖出露后不同風(fēng)化時長下巖石進(jìn)行點荷載試驗，得到的強度參數(shù)如圖2所示。

炭質(zhì)泥巖開挖出露后，在自然風(fēng)化作用下，總體上炭質(zhì)泥巖強度隨出露時間增加而下降，強度下降過程分為三個階段：（1）在開挖出露后1～2 d，強度呈現(xiàn)下降趨勢，下降速率較緩，主要是開挖后巖面結(jié)構(gòu)密實，水分等進(jìn)入較少，軟化速率較慢;（2）出露2～15 d，強度下降曲線斜率變大，強度快速下降，這一階段的巖石表面結(jié)構(gòu)開始劣化，產(chǎn)生許多新的微孔隙，水分向巖體內(nèi)部遷移作用明顯，加速強度下降;（3）出露15～30 d，強度下降趨勢放緩，曲率慢慢變得平直。

2.2 不同TOC含量炭質(zhì)泥巖吸水特性

將不同TOC含量的炭質(zhì)泥巖浸水0.5 d、1 d、2 d、5 d、10 d、15 d、30 d，浸水后的巖石吸水速率如下頁圖3所示。

由圖3可知，隨著TOC含量增加，炭質(zhì)泥巖吸水率增加，吸水速率與TOC含量呈現(xiàn)正相關(guān)性，TOC含量越高，在短時間內(nèi)吸水率上升越快，隨后達(dá)到峰值;隨著TOC含量的增加，吸水率峰值越高，且峰值出現(xiàn)越晚，6.706%TOC含量下，吸水率在13 d趨于平緩，TOC含量與炭質(zhì)泥巖的最終吸水率及吸水速度呈現(xiàn)正相關(guān)性。

2.3 不同TOC含量下炭質(zhì)泥巖浸水后力學(xué)強度

將不同TOC含量下的炭質(zhì)泥巖在浸水下進(jìn)行點荷載試驗，獲得隨浸水時長增長的強度變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著浸水時長的增加，炭質(zhì)泥巖的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)降低的趨勢，對于TOC含量為0.998%的炭質(zhì)泥巖，強度下降曲線為上凸型，開始浸水階段強度降低較為平穩(wěn)，中期強度下降趨勢開始加速，15 d之后強度降低趨勢放緩;對于TOC含量為2.456%的炭質(zhì)泥巖，強度下降曲線呈現(xiàn)中間下凹型，1 d開始，強度開始快速下降，10 d后，強度降低放緩;對于TOC含量為6.706%的炭質(zhì)泥巖，強度下降趨勢整體呈現(xiàn)下凹型，試驗開始階段強度下降較快，試驗過程始終保持較大的下降幅度，試驗結(jié)束時仍存在較大下降趨勢。

分析原因，結(jié)合前文不同TOC含量吸水速率結(jié)果可知，主要是由于有機炭吸水性強，浸水時隨著炭含量的增加，迅速吸水導(dǎo)致含炭部分結(jié)構(gòu)的軟化，水分滲入孔隙，水巖相互作用使巖體中的黏土礦物軟化、膨脹，粘粒流失從而孔隙進(jìn)一步擴張，水巖接觸面積增大，加速了炭質(zhì)泥巖的軟化，后因溶于水造成質(zhì)量損失，轉(zhuǎn)運到巖石表面造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，填充到裂隙強烈發(fā)育處，阻礙水進(jìn)一步浸入，造成巖石整體的強度結(jié)構(gòu)特性的劣化，故隨著TOC含量增加，浸水后的強度降低幅度、降低速率均有所增大。

3 結(jié)語

本文通過電鏡掃描和點荷載試驗，對炭質(zhì)泥巖物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過XDR對采樣炭質(zhì)泥巖進(jìn)行元素分析，得到巖樣TOC含量在0.998%～6.706%。

（2）將開挖出露后不同風(fēng)化時長炭質(zhì)泥巖進(jìn)行點荷載試驗，隨著風(fēng)化時長的增加，炭質(zhì)泥巖強度變化呈現(xiàn)平緩期、加速期、平緩期。

（3）炭質(zhì)泥巖浸水軟化強度與TOC含量、浸水時長呈現(xiàn)正相關(guān)性，擬合得到不同炭含量下炭質(zhì)泥巖吸水特性、力學(xué)強度與含炭量曲線關(guān)系，為炭質(zhì)泥巖風(fēng)化及浸水邊坡防護(hù)工程實踐提供參考。

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