李長明 宋麗莎 姚文藝 曲福來 王立久 孫宇辰

摘 要：對砒砂巖的顆粒、結(jié)構(gòu)、物理及幾何組成進(jìn)行了研究，重點研究了砒砂巖的水蝕潰散機理及過程，分析了影響砒砂巖吸水膨脹和膠結(jié)穩(wěn)定的主要因素，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了砒砂巖的膨脹一膠結(jié)二元力學(xué)模型。研究結(jié)果表明，砒砂巖的組成可劃分為顆粒物、膠結(jié)物和填充物3部分，砒砂巖的潰散主要是膠結(jié)物難以約束填充物中的黏土礦物吸水膨脹導(dǎo)致的，控制砒砂巖潰散需從控制填充物的吸水膨脹和增強膠結(jié)物的膠結(jié)能力著手?；谂皫r潰散和抑制機理的研究，提出了砒砂巖膨脹潰散的改性方案。

關(guān)鍵詞：砒砂巖；膨脹潰散；抑制機理：二元模型；力學(xué)模型

中圖分類號：S157.1； TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.021

砒砂巖是一種風(fēng)化嚴(yán)重的頁巖、砂頁巖和泥質(zhì)砂巖組成的互層巖石，主要分布在黃土高原黃河粗泥沙來源的核心區(qū)[1-2]，砒砂巖分布區(qū)人黃粗泥沙量占黃土高原地區(qū)人黃粗泥沙的30%左右[3 -4。砒砂巖具有干燥堅硬如石、水蝕潰散成沙的特性，其分布地區(qū)水土流失十分嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)3萬～4萬t/（ km2.a）[5-6]，水土流失及生態(tài)退化給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及經(jīng)濟發(fā)展帶來了災(zāi)難性影響。目前，砒砂巖遇水膨脹潰散問題尚未解決，利用砒砂巖碾筑的淤地壩壩體難以滿足工程要求，往往在洪水中損毀嚴(yán)重[7]。若從區(qū)外運人土石、水泥等材料修筑土石壩，造價較為高昂，難以在當(dāng)?shù)卮蠓秶茝V。因此，解決砒砂巖遇水膨脹潰散問題，對其加以改造利用，研制成滿足工程要求的筑壩材料，具有十分重要的意義。

目前，對砒砂巖的侵蝕潰散機理研究較少。葉浩等[8-9]和石迎春等[10]研究了砒砂巖巖性對抗蝕性的影響，分析了砒砂巖侵蝕的內(nèi)因，對砒砂巖的侵蝕特征進(jìn)行了有益探索：唐政洪等[11]研究了砒砂巖地區(qū)風(fēng)蝕、水蝕及重力侵蝕三者間的交互作用；畢慈芬等[12]對砒砂巖區(qū)侵蝕產(chǎn)沙的方式及機理等進(jìn)行了研究：姚文藝等[13]對砒砂巖區(qū)抗蝕促生的治理模式進(jìn)行了系統(tǒng)研究。然而，從力學(xué)角度對砒砂巖的水蝕潰散機理進(jìn)行的研究尚未見報道。從微觀角度，采用力學(xué)方法對砒砂巖膠結(jié)力與水蝕膨脹力的關(guān)系進(jìn)行研究，提高砒砂巖的抗水蝕潰散性能，對于砒砂巖的改性利用意義重大。

筆者對砒砂巖的結(jié)構(gòu)、物理組成、水蝕潰散機理及過程進(jìn)行研究，提出砒砂巖膨脹潰散的改性方案，以期為砒砂巖的改性利用及砒砂巖區(qū)水土流失治理和生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 砒砂巖膨脹潰散機理

1.1 資料與研究方法

本試驗所用砒砂巖原料均取白內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)的二老虎溝附近溝道。主要采用儀器測試和力學(xué)分析方法，從宏觀結(jié)構(gòu)到微觀結(jié)構(gòu)，從外觀形貌觀察、顆粒組成、礦物組成到幾何結(jié)構(gòu)組成，對砒砂巖的基本構(gòu)造、膨脹潰散性質(zhì)等進(jìn)行分析研究。

1.2 砒砂巖的結(jié)構(gòu)

砒砂巖中各礦物的顆粒形狀、大小差異較大，孔隙分布不均。顆粒間的連接形式、膠結(jié)類型、膠結(jié)物成分等均對砒砂巖的物理力學(xué)性能有影響。砒砂巖是在氧化或還原條件下，湖相和陸相交替作用的碎屑巖沉積物，顆粒間的連接方式以膠結(jié)為主。礦物顆粒間一般以硅質(zhì)和鐵質(zhì)為膠結(jié)物的膠結(jié)性能較好，而以鈣質(zhì)和黏土質(zhì)為膠結(jié)物的膠結(jié)性能較差。碎屑顆粒與膠結(jié)物、孔隙填充物的相對數(shù)量，以及碎屑顆粒間的接觸關(guān)系決定了碎屑巖的膠結(jié)類型。砒砂巖大部分屬于孔隙式膠結(jié)，少數(shù)成巖程度較好的屬于接觸式膠結(jié)[14]。不同顏色砒砂巖形貌見圖1。

1.3 砒砂巖的顆粒組成

砒砂巖的顆粒級配較差，粒徑分布不均，顆粒粒徑主要為0.10～ 0.50 mm，其中：0.10～ 0.25 mm的最多，占40%以上：其次是0.25～ 0.50 mm的，占30%左右；0.10 mm以下的占20%～ 30%：0.50 mm以上的粗大顆粒占比不到1%[5]。

1.4 砒砂巖的物理組成

砒砂巖物理組成可分為3類（如圖2所示）：①石英、長石和碳酸鹽等粗大顆粒物，這些顆粒物組成砒砂巖的骨架：②蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等風(fēng)化黏土物質(zhì)組成的填充物，這些黏土礦物屬粉粒細(xì)粒黏土物質(zhì)，填充在顆粒物之間的孔隙中：③接觸界面上起黏合作用的膠結(jié)物，以游離氧化物（如氧化鐵等）為主。換句話說，砒砂巖主要以原生礦物石英、長石、碳酸鹽等顆粒物為骨架，次生黏土礦物蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等為填充物，游離氧化物等為膠結(jié)物的一種多孔隙的特殊泥質(zhì)砂巖。

1.5 砒砂巖的幾何模型

砒砂巖的崩解、潰散主要是其巖體結(jié)構(gòu)強度難以承受內(nèi)部的膨脹作用引起的，其內(nèi)部的膨脹作用由不同因素導(dǎo)致：其一，黏土填充物蒙脫石遇水強烈膨脹，使砒砂巖潰散（此情況下，可建立起以黏土礦物蒙脫石等為膨脹源，以游離氧化鐵將石英、長石、碳酸鹽等顆粒物膠結(jié)在一起組成的包裹物為約束環(huán)的砒砂巖幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖3（a）所示）；其二，砒砂巖內(nèi)部存在較多孔隙，當(dāng)有少量水存留在砒砂巖內(nèi)部的孔隙中時，冬天這些孔隙水便會結(jié)冰膨脹，在冰脹的作用下砒砂巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，在風(fēng)力等外部因素作用下發(fā)生崩解，如圖3（b）所示。

1.6 砒砂巖的膨脹潰散過程

砒砂巖中黏土礦物蒙脫石的晶層面之間連接松散，水容易進(jìn)入。此外，蒙脫石品格間存在品格取代現(xiàn)象，使蒙脫石晶層表面具有負(fù)電性，大量可交換性陽離子在靜電作用下吸附在品格表面，當(dāng)有水進(jìn)入到蒙脫石晶層間時，吸附在晶層表面的陽離子便會發(fā)生水化，溶解到水中，形成擴散雙電層。陽離子的脫離使品格表面帶負(fù)電而具有排斥力，在斥力和滲透壓力的共同作用下使蒙脫石產(chǎn)生膨脹。蒙脫石膨脹解離的過程如圖4所示。

砒砂巖的水蝕潰散可分為4個階段：①水少量滲入階段（蒙脫石微潤），砒砂巖結(jié)構(gòu)松散，屬顆粒支撐孔隙式膠結(jié)，存在大量的孔隙和通道，水易從粗大孔隙滲入砒砂巖中，初期只有少量水滲入時，這些水被孔隙中的黏土填充物吸收，還未進(jìn)入到膨脹階段。②水力劈裂階段（蒙脫石吸水膨脹），水持續(xù)滲入到砒砂巖中，填充在孔隙中的黏土物質(zhì)被充分浸濕，黏土礦物中的蒙脫石吸水開始膨脹。蒙脫石表面和晶層之間陽離子濃度高于環(huán)境溶液陽離子濃度，產(chǎn)生滲透壓，使水分子向蒙脫石晶層間和晶面擴散，吸附在蒙脫石表面的陽離子擴散后形成擴散雙電層，黏土品格間距進(jìn)一步擴大，造成水化膨脹。持續(xù)膨脹的蒙脫石楔人粗大顆粒之間，蒙脫石膨脹產(chǎn)生的楔人力與粗大顆粒間的膠結(jié)力剛好達(dá)到平衡狀態(tài)，顆粒間的約束喪失。③局部潰散階段，砒砂巖表層開始剝落，水持續(xù)滲入到砒砂巖內(nèi)部，顆粒間的膠結(jié)約束作用無法抵抗蒙脫石的膨脹作用而遭到破壞，顆粒間失去連接作用，砒砂巖內(nèi)部局部發(fā)生潰散，形成滲流通道，滲流通道內(nèi)部分蒙脫石解離遷移成泥漿。局部潰散促使孔隙進(jìn)一步增大，水分更易進(jìn)入，通道孔壁上的顆粒不斷剝落被水流帶走，砒砂巖局部潰散逐漸發(fā)展，開始有塊體狀剝落，甚至脹裂為數(shù)塊。但是，如果遇干旱少雨，砒砂巖就會因內(nèi)部含有水分而在冬季發(fā)生凍融破壞，造成非徑流凍融風(fēng)化侵蝕。④全部潰散階段，砒砂巖水蝕肢解或凍融肢解，脹裂為數(shù)個小塊，這些小塊進(jìn)一步崩解碎散成更小的小塊和散粒，失去塊體結(jié)構(gòu)，直至散落成一堆散沙，亦即潰散。

2 砒砂巖潰散防治機理

2.1 砒砂巖力學(xué)模型

根據(jù)砒砂巖二元物理模型，構(gòu)建砒砂巖力學(xué)模型，建模時進(jìn)行簡化：①將蒙脫石或冰等膨脹源簡化為形狀規(guī)則的圓形，膨脹應(yīng)力在沿網(wǎng)周各個方向上均勻分布：②將膠結(jié)物和顆粒物組成的包裹物簡化為約束環(huán)，約束環(huán)是一個均質(zhì)的、沿圓周各處厚度和約束力均相同的網(wǎng)環(huán)。將砒砂巖的膨脹簡化為彈性力學(xué)中網(wǎng)環(huán)受均布壓力的問題，砒砂巖力學(xué)模型如圖5所示。

2.2 砒砂巖潰散防治機理

防治砒砂巖的潰散可以通過兩種途徑來實現(xiàn)：一是對內(nèi)圓膨脹物進(jìn)行改性，抑制減小內(nèi)圓的膨脹力q1；二是改變外部約束環(huán)包裹物的性質(zhì)，增大約束環(huán)的約束力q2。

（1）減小內(nèi)圓膨脹力q1。對蒙脫石進(jìn)行改性，改變其泊松比及層間吸附陽離子的種類和分布等，抑制蒙脫石的水化膨脹性。

（2）增大內(nèi)圓膨脹物質(zhì)的彈性模量E。利用離子交換或堿溶蝕技術(shù)，對蒙脫石的層間及品格結(jié)構(gòu)等進(jìn)行改性，弱化其膨脹性，增強其膠結(jié)性，從而增大蒙脫石的彈性模量，抑制蒙脫石的膨脹。

（3）增大比值

。砒砂巖的潰散，實質(zhì)是其體積膨脹量

，因此防治砒砂巖潰散的關(guān)鍵在于控制比值

，使

。減小比值

可以通過以下2個

方面來實現(xiàn)：①若膨脹物的量不變（即α值不變），則可通過摻人礦物廢棄物、黏土等，增加包裹物的量（即增大b值），使膨脹物的占比相對減小，從而達(dá)到增大比值

的目的，砒砂巖黏土壩就是依據(jù)這個原理碾

筑而成；②若膠結(jié)物的數(shù)量不變（即b值不變），則可以通過堿溶蝕、加速風(fēng)化等改性手段，使部分蒙脫石發(fā)生反應(yīng)，即通過減小蒙脫石的數(shù)量，從而增大比值

，達(dá)到控制砒砂巖潰散的目的。

3 結(jié)論

（1）砒砂巖的組成可分為3類：①原生礦物石英、長石和碳酸鹽等組成巖體骨架的粗大顆粒物：②由蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等次生黏土礦物組成的填充物，這些黏土物質(zhì)填充在粗大顆粒間的孔隙中：③顆粒物之間、顆粒物與填充物接觸界面上的膠結(jié)物，如游離氧化鐵等。不同礦物粒徑相差懸殊，顆粒大小不一，顆粒之間接觸不緊密，排列混亂，無一定的方向性，孔隙發(fā)育較好，砒砂巖的膠結(jié)以孔隙式膠結(jié)（填充式膠結(jié)）和接觸式膠結(jié)為主。

（2）給出了砒砂巖遇水潰散原因及潰散過程。砒砂巖中以蒙脫石為主的親水性黏土礦物是砒砂巖的膨脹潰散源，蒙脫石吸水膨脹及膠結(jié)物質(zhì)遇水喪失膠結(jié)能力，膨脹力大于膠結(jié)力是引起砒砂巖遇水潰散的主要原因。砒砂巖的膨脹潰散可分為水流少量滲入（蒙脫石微潤）、水力劈裂（蒙脫石吸水膨脹）、局部潰散、完全潰散4個階段。

（3）建立了由膨脹源和約束環(huán)構(gòu)成的砒砂巖力學(xué)模型，將砒砂巖的膨脹問題轉(zhuǎn)化為彈性力學(xué)的網(wǎng)環(huán)受均布壓力的力學(xué)模型。對砒砂巖的潰散防治，可通過兩種途徑來實現(xiàn)：①對內(nèi)圓膨脹物改性，減小內(nèi)網(wǎng)的膨脹力qi（改變內(nèi)圓膨脹物的物理性質(zhì)、增大內(nèi)圓膨脹物的彈性模量E、降低內(nèi)網(wǎng)膨脹物的泊松比v、減小內(nèi)圓膨脹體的半徑α）：②改變外部約束環(huán)包裹物的性質(zhì)，增大約束環(huán)的約束力。

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