楊能輝 鄒晨陽 陳 芳

(1.江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

1 項目背景介紹

廖坊水利樞紐灌區(qū)開挖工程由于泥巖的影響，已出現(xiàn)十幾處不同程度的工程失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴重影響工程進度，存在重大安全隱患。該渠道工程巖石親水性強，具有重塑性、脹縮性、崩解性、流變性和大變形等特點，開挖時容易引起邊坡失穩(wěn)和破壞。為避免工程建設時出現(xiàn)類似工程問題，有必要對此類泥質(zhì)的膨脹崩解特性進行研究，以期改善和提高其施工期穩(wěn)定性。

近年來，國內(nèi)外學者對軟巖的水理特性開展了大量研究。吳道祥等[1]根據(jù)室內(nèi)浸水崩解試驗對紅層軟巖進行了崩解性分類；魏永幸等[2]利用膨脹率試驗對紅層泥巖工程特性進行了分析；趙明華等[3]對紅層軟巖的物理力學性質(zhì)、崩解特性進行了試驗研究；申培武等[4]研究了泥巖干-濕循環(huán)條件下的崩解特性。本文以廖坊水利樞紐灌區(qū)渠道工程泥巖為研究對象，通過開展室內(nèi)物理性質(zhì)，膨脹性及崩解性試驗， 了解該類泥巖的水敏特性，以期為此類巖石的水理特性研究提供參考，并為該類工程施工設計提供建議。

2 巖石物理性質(zhì)試驗

2.1 巖石物質(zhì)成分

為進一步分析該類泥巖的物質(zhì)成分，對獲取的樣品進行了化學成分分析和X射線粉晶衍射分析，其中化學分析采用X熒光分析儀，X射線粉晶衍射分析采用X射線衍射儀。 泥巖物質(zhì)成分分析結(jié)果見表1。

表1 泥巖物質(zhì)成分分析結(jié)果 單位：%

從表1可知，構(gòu)成該類泥巖的非黏土礦物主要有石英、斜長石、方解石、白云石、方沸石；黏土礦物的含量占全巖的20.5%～31.3%。

2.2 試驗方法

為獲取該類泥巖的基本物理性質(zhì)指標，對本次采集的巖石試樣開展了塊體密度、顆粒密度、含水率、孔隙率、吸水率及飽和吸水率試驗。試驗按照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL 264—2001)的要求進行，其中巖石塊體密度采用量積法；顆粒密度采用比重瓶法；含水率采用烘干法；吸水率采用自由浸水法；孔隙率依據(jù)試樣的密度與含水率進行計算。為確保每項試驗指標的準確性和真實性，每組試驗結(jié)果取3個試件平均值。

2.3 試驗結(jié)果分析

共測定了9組泥巖的塊體密度、顆粒密度、含水率、孔隙率、吸水率等物理性質(zhì)指標，試驗結(jié)果見表2。

表2 灰質(zhì)泥巖物理性質(zhì)試驗結(jié)果

從表2可知，選取的泥巖塊體密度為2.34～2.63g/cm3，顆粒密度為2.68～2.76g/cm3，含水率為2.50%～5.36%，孔隙率為4.53%～15.05%，吸水率為1.52%～9.16%。

3 巖石膨脹性試驗研究

3.1 試件制備

考慮到泥巖遇水崩解，巖石膨脹性試驗主要進行了巖石側(cè)向約束軸向膨脹率試驗和體積不變條件下膨脹壓力試驗，且現(xiàn)場獲取試樣后保持其天然含水率，并進行膨脹試樣加工。其中側(cè)向約束軸向膨脹率及膨脹壓力試驗的試件高度均為20mm，直徑均為50mm，試驗共測定了9組泥巖的側(cè)向約束軸向膨脹率及膨脹壓力，每組試樣3個。

3.2 側(cè)向約束軸向膨脹率試驗

3.2.1 試驗方法與設備

3.2.1.1 側(cè)向約束軸向膨脹率

側(cè)向約束軸向膨脹率試驗是為了測定巖石在側(cè)向約束作用下的膨脹率，試驗在YC-2型巖石側(cè)向約束膨脹試驗儀上進行，見圖1。試件安裝完成后先將千分表清零，然后加水，通過千分表觀察試件在水的作用下軸向發(fā)生的膨脹變形。側(cè)向約束軸向膨脹率按照式(1)計算：

Vhp=(Uhp/H)×100

(1)

式中Vhp——側(cè)向約束軸向膨脹率，%；

Uhp——側(cè)向約束軸向變形值，mm；

H——試件高度，mm。

圖1 試樣側(cè)向約束膨脹加載

3.2.1.2 巖石膨脹壓力

巖石膨脹壓力試驗是為了測定巖石的膨脹壓力，試驗在YYP-40型巖石膨脹壓力試驗儀上進行，見圖2。試件安裝完成后先將壓力表清零，然后加水，調(diào)整壓力保持壓力表讀數(shù)不變，測定試件的膨脹壓力。膨脹壓力按照式(2)計算：

ps=P/A

(2)

式中ps——巖石膨脹壓力，MPa；

P——軸向荷載，N；

A——試件截面積，mm2。

圖2 試樣壓力膨脹加載

3.2.2 試驗結(jié)果

巖石側(cè)向約束膨脹率及壓力膨脹試驗結(jié)果見表3，其中吸水率數(shù)據(jù)取自表2。

表3 膨脹性-吸水率試驗結(jié)果

為進一步尋找該類泥巖吸水率與側(cè)向約束軸向膨脹率及膨脹壓力的關(guān)系，綜合表2和表3結(jié)果，對9組不同吸水率作用下側(cè)向約束軸向膨脹率及膨脹壓力的結(jié)果進行擬合，得出側(cè)向約束軸向膨脹率、側(cè)向約束軸向膨脹率與吸水率的關(guān)系曲線，見圖3、圖4。

圖3 側(cè)向約束軸向膨脹率與吸水率關(guān)系曲線

圖4 膨脹力于吸水率關(guān)系曲線

由圖3、圖4可知，不同吸水率作用下的側(cè)向約束軸向膨脹率及膨脹壓力均可以用以下對數(shù)函數(shù)表示：

Vhp= 0.0037lnωa+ 0.0004

(3)

ps=10.221lnωa+ 8.4969

(4)

3.2.3 試驗結(jié)果分析

a.由表3可知，該類泥巖側(cè)向約束膨脹率為0.307%～0.8167%，膨脹壓力為19.59～31.07kPa。

b.由圖3、圖4可知，該類泥巖側(cè)向約束軸向膨脹率、膨脹力隨吸水率的增加而增大，當吸水率在1.52%～6.32%之間時側(cè)向約束軸向膨脹率變化較大，隨后當吸水率逐漸增加時，側(cè)向約束軸向膨脹率變化趨于穩(wěn)定；當吸水率在1.52%～7.08%之間時膨脹壓力變化率較大，隨后當吸水率逐漸增加時，膨脹壓力趨于穩(wěn)定。因此，遇該類泥巖涉水工程，將泥巖的吸水率控制在7.08%以上時，由于吸水而產(chǎn)生的巖石側(cè)向約束軸向膨脹及膨脹壓力就不會過大，且膨脹率也不會過大。

4 崩解試驗研究

4.1 試驗方法與設備

崩解試驗是評判巖石水敏性能的重要指標，為分析該類泥巖遇水崩解特性，選取4組試樣在NBJ-II型巖石崩解試驗儀上進行耐崩解試驗，見圖5。將烘干并冷卻至室溫的試樣放入水槽內(nèi)，循環(huán)2次后稱取圓柱形篩筒和殘留試件質(zhì)量。耐崩解性指數(shù)按式(5)計算：

(5)

式中I2d——二次循環(huán)后巖石耐崩解性指數(shù)，%；

md——原試件烘干質(zhì)量，g；

mr——殘留試件烘干質(zhì)量，g。

圖5 試樣崩解試驗

4.2 試驗結(jié)果及分析

對選取的4組泥巖耐崩解性指數(shù)進行2次干濕循環(huán)試驗，并分別求得其崩解性指數(shù)，試驗結(jié)果見表4。

表4 巖石二次耐崩解性試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，該類泥巖的耐崩解性指數(shù)均介于65%～95%之間，個別組泥巖的耐崩解性較低，如序號1的耐崩解性指數(shù)為65.06%，泥巖存在一定的崩解特性，渠道各段崩解特性差異性較大。

5 結(jié) 語

a.該類泥巖的物理性質(zhì)差異較大，其中塊體密度及顆粒密度變化較小，孔隙率及吸水率變化最大。

b.該類泥巖具有弱膨脹趨勢，渠道工程部分段泥巖遇水崩解情況較為嚴重，工程設計施工中應考慮耐崩解指數(shù)較低的巖石崩解特性。

c.巖體的側(cè)向膨脹壓力直接作用在水工結(jié)構(gòu)物上，對建筑物可能形成破壞作用，因此在水工結(jié)構(gòu)設計和施工時，應考慮膨脹力因素的影響，采取合理的措施消除或降低巖石膨脹對渠道工程的影響。