劉 揚(yáng)

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

在水利、航道、公路等工程建設(shè)當(dāng)中，經(jīng)常會碰到泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等軟巖的崩解問題。軟巖的礦物成分、孔隙特性等決定了其具有崩解性，這類巖石往往含有蒙脫石、伊利石等膨脹性粘土礦物或易溶鹽的成分，所以在巖體浸水后會發(fā)生膨脹或溶解，使巖體逐漸剝離，即崩解[1-5]。該類巖石孔隙往往較大，水容易浸入巖體內(nèi)部，加劇崩解的產(chǎn)生。另一原因就是巖體在卸荷后浸水導(dǎo)致的，卸荷使巖體失去了應(yīng)力的束縛，浸水后巖石內(nèi)部的膨脹性礦物和易溶鹽的作用，導(dǎo)致崩解[6-7]。梁冰等[8]認(rèn)為空隙率及吸水率是影響泥質(zhì)巖的崩解性的主要因素。張巍等[9]認(rèn)為巖石膨脹性的強(qiáng)弱與耐崩解性指數(shù)具有反相關(guān)關(guān)系，即膨脹性越強(qiáng)，耐崩解性越差。郭永春等[10]通過對泥質(zhì)巖進(jìn)行干濕循環(huán)下的崩解試驗(yàn)，認(rèn)為多次干濕循環(huán)引起巖石含水率的重復(fù)變化，是泥質(zhì)巖發(fā)生崩解的主要原因。馮啟言等[11]認(rèn)為軟巖崩解性受巖石內(nèi)部膠結(jié)物及膠結(jié)強(qiáng)度的影響，鈣質(zhì)含量越高，崩解速率越慢。曹運(yùn)江等[12]認(rèn)為軟巖的崩解度與泥質(zhì)含量和干濕循環(huán)次數(shù)具有很好的相關(guān)性，即泥質(zhì)含量越小，相應(yīng)的崩解性則越差。權(quán)全等[13]通過崩解性與強(qiáng)度關(guān)系研究，認(rèn)為隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，耐崩解度逐漸減小，巖石的風(fēng)化程度越高，崩解性越強(qiáng)。龔壁衛(wèi)等[14]對南水北調(diào)中線工程的膨脹巖進(jìn)行現(xiàn)場的人工降雨試驗(yàn)，認(rèn)為膨脹巖發(fā)生有沖溝、崩解、膨脹等破壞形式，主要是巖石內(nèi)部礦物的膠結(jié)強(qiáng)度和膨脹性決定的。王軍等[15]對膨脹巖裂隙發(fā)育的現(xiàn)場觀測進(jìn)行研究，定量地分析了在干濕循環(huán)作用下，現(xiàn)場的裂隙的變化規(guī)律。

目前，關(guān)于軟巖崩解性研究主要是基于軟巖本身的崩解特性，通常巖石的崩解能力通過耐崩解試驗(yàn)確定[16]，以耐崩解指數(shù)Id2表示，試樣要求為渾圓狀，數(shù)量為10 個(gè)，質(zhì)量40～60 g，試樣裝入耐崩解性試驗(yàn)儀的圓形篩筒中，在105～110℃中烘干至恒重，將篩筒放入水中以20 r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動10 min 后，再將裝有殘留試樣的篩筒放入105～110℃中烘干至恒重，此過程為一次循環(huán)，以二次循環(huán)的耐崩解指數(shù)Id2來表征其耐崩解性。這種方法簡單且直接反映其軟巖本身的崩解性，但是此方法存在機(jī)械擾動，針對風(fēng)化程度相似、強(qiáng)度等級相近的不同巖性而言，耐崩解指數(shù)基本一致，難以全面反映其崩解性差異，且該試驗(yàn)與軟巖實(shí)際所處的工況并不一致，對邊坡實(shí)際造成的影響難以定量分析。因此，本文采用大尺寸室內(nèi)模型，模擬自然條件下軟巖的崩解性能，通過分析不同巖性的軟巖在干濕循環(huán)下崩解以及裂隙發(fā)展情況，綜合反映軟巖崩解發(fā)展規(guī)律。

1 研究方法

模擬現(xiàn)場工況進(jìn)行室內(nèi)崩解性研究，本文以安徽地區(qū)河道紅層軟巖為例，該類軟巖為強(qiáng)風(fēng)化白堊系砂巖、泥巖，具有低強(qiáng)度、強(qiáng)崩解特性。制作大尺寸的砂巖、泥巖室內(nèi)模型，通過模擬自然狀態(tài)下干濕循環(huán)作用，定量分析干濕循環(huán)作用下崩解深度以及裂隙發(fā)展規(guī)律，對比分析砂巖與泥巖的崩解性差異以及對邊坡崩解性的實(shí)際影響。

1.1 室內(nèi)模型

試驗(yàn)選取具有代表性的強(qiáng)風(fēng)化砂巖與泥巖的方樣，巖樣尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，考慮到巖樣結(jié)構(gòu)面明顯，容易受擾動而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，為保證巖樣的完整性，需在巖樣周邊預(yù)留10 cm 的保護(hù)厚度。

室內(nèi)模型的四周與底板為鋼板制成，模型底面積為30×30 cm2，模型底部鉆有透水孔，便于進(jìn)入巖石內(nèi)部水可以及時(shí)排出模型裝置，模型立面高度分別為20 cm 和30 cm，坡度為1∶3。巖樣采用切土刀進(jìn)行修整并裝入模型中，并在模型兩側(cè)安裝百分表，測量巖樣在干濕條件作用下崩解變形情況。室內(nèi)模型圖如圖1所示。進(jìn)行觀測試驗(yàn)時(shí)，為了避免外界環(huán)境干擾，影響觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，模型裝置采用圍欄進(jìn)行維護(hù)，并運(yùn)用加熱燈進(jìn)行恒溫控制，控制溫度為30℃。

圖1 室內(nèi)模型圖

1.2 試驗(yàn)方法

室內(nèi)模型模擬了現(xiàn)場軟巖邊坡的工況，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，通過安裝在模型兩側(cè)的百分表，測量每次循環(huán)后巖樣的崩解深度，即百分表的相對變化量；同時(shí)利用裂縫寬度測試儀、圖像處理軟件以及MATLAB 軟件，定量分析巖樣在干濕循環(huán)作用下裂隙發(fā)展情況。

（1）在室內(nèi)恒溫條件下，記錄在不同時(shí)間百分表的讀數(shù)，浸水的初期，1 h 內(nèi)讀數(shù)4～5 次，1 h 后每1～2 h讀數(shù)不少于1 次，24 h 后每4～5 h 讀數(shù)不少于1 次，直至每天讀數(shù)的差值＜0.1 mm，表明讀數(shù)穩(wěn)定，巖樣此時(shí)已經(jīng)較為干燥，則進(jìn)入干濕循環(huán)試驗(yàn)。主要步驟：首先對已經(jīng)干燥試樣，且每天讀數(shù)的差值＜0.1 mm 時(shí)，對模型坡面進(jìn)行第一次浸水，以緩慢的流速沖刷坡面5 min，約6 000 mL，記錄在浸水后的百分表的讀數(shù)，并定期進(jìn)行拍照，此為1 次干濕循環(huán)，本次試驗(yàn)共進(jìn)行4 次干濕循環(huán)的試驗(yàn)，試驗(yàn)從開始至結(jié)束共耗時(shí)48 d。

（2）砂巖與泥巖兩側(cè)各有2 個(gè)觀測點(diǎn)，分別為砂巖S1、S2，泥巖N1、N2，當(dāng)崩解深度過大而接近百分表的量程時(shí)，應(yīng)對百分表進(jìn)行重置，記錄百分表從試驗(yàn)開始至結(jié)束之后相對變化量的總和，研究在干濕循環(huán)條件作用下，崩解深度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

（3）采用裂縫寬度測試儀測量砂巖與泥巖裂隙寬度隨著時(shí)間的變化情況，觀測頻率每天不應(yīng)少于3 次，在浸水初期由于裂隙開展變化明顯，觀測頻率相應(yīng)增加。

（4）在干濕循環(huán)下的不同時(shí)間段，定期對室內(nèi)模型進(jìn)行拍照。裂隙的發(fā)展是影響軟巖崩解的主要因素之一，然后裂隙的長度、寬度等參數(shù)只能代表軟巖單一方面的特征，為綜合反映裂隙特征，因此引入裂隙度的概念[17]。借助圖像處理軟件截取不同時(shí)刻的裂隙照片，將裂隙照片二值化處理，得到二值圖像，基于MATLAB圖像處理中的像素計(jì)算功能，計(jì)算二值圖像中黑色像素點(diǎn)數(shù)（巖樣裂隙部分）和白色像素點(diǎn)數(shù)（巖樣未發(fā)生裂隙部分），裂隙度為裂隙的面積占總面積比值，即為巖樣黑色像素點(diǎn)數(shù)與總像素點(diǎn)數(shù)的比值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 崩解試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)觀察并記錄砂巖與泥巖在干濕循環(huán)作用下的崩解狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 砂巖與泥巖干濕循環(huán)對比

從圖2 可以看出，砂巖與泥巖相比，泥巖受干濕循環(huán)和水的作用明顯，崩解性較強(qiáng)。砂巖在水和干濕循環(huán)作用下，雖然表面會產(chǎn)生崩解，但表面依然很平整，只有較少裂縫；而泥巖表面產(chǎn)生大量長大裂隙，崩解深度相對較大，且坡面易產(chǎn)生沖溝，表面凹凸不平。

砂巖與泥巖干濕循環(huán)下崩解深度與時(shí)間關(guān)系曲線如圖3 所示。崩解深度反映的是百分表的讀數(shù)與初讀數(shù)的差值。崩解深度為負(fù)值，百分表讀數(shù)減小，表明崩解深度在增大，而崩解深度為正值，即沒發(fā)生崩解，巖樣表面出現(xiàn)了膨脹，百分表讀數(shù)增大，百分表的讀數(shù)與初讀數(shù)的差值為正值。

圖3 干濕循環(huán)下崩解深度與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖3 可知：

（1）砂巖經(jīng)過4 次干濕循環(huán)，總的崩解深度為14.13 mm，16.395 mm，泥巖為13.798 mm，18.294 mm，砂巖與泥巖的崩解深度雖然相差不大，但是結(jié)合圖2砂巖和泥巖崩解現(xiàn)狀來看，泥巖更易受水和干濕循環(huán)作用的影響，崩解性更強(qiáng)。

（2）崩解深度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。浸水的初期，表面巖體產(chǎn)生崩解，加之受到水流的沖刷，崩解深度會有突變，之后由于軟巖吸水發(fā)生短暫的膨脹，且隨著軟巖含水率損失而產(chǎn)生收縮，最后軟巖泥面相對變化量趨于穩(wěn)定趨勢。

（3）泥巖相較于砂巖，受水與干濕循環(huán)作用的影響較大，崩解性更強(qiáng)。泥巖浸水的初期，崩解深度不僅有突變，而且隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加崩解顯著，崩解過程中還會產(chǎn)生較大膨脹以及收縮。砂巖的整體穩(wěn)定性較好，浸水初期雖然崩解量較大，但膨脹與收縮均表現(xiàn)較小。

（4）崩解產(chǎn)生于經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的初期，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，浸水后的崩解會加劇。試驗(yàn)表明，干燥條件下軟巖不產(chǎn)生崩解，因此在軟巖經(jīng)歷極端的干濕條件之前，需快速對坡面噴射混凝土，在施工不同時(shí)期起到隔離大氣降雨-蒸發(fā)的水氣流通作用，從而阻止軟巖失水，避免出現(xiàn)大量崩解現(xiàn)象。

每次干濕循環(huán)后軟巖會發(fā)生崩解、膨脹以及收縮現(xiàn)象，在干燥之后浸水以及受水流的沖刷作用，初期會發(fā)生較大崩解，然后由于巖石內(nèi)部的膨脹礦物浸水膨脹，所以在崩解之后會有短期的膨脹，接著隨著含水率的損失，巖體從潮濕變?yōu)楦稍?，巖體出現(xiàn)失水收縮的現(xiàn)象。在浸水后的72 h 內(nèi)，軟巖坡面崩解變形較為明顯。每次浸水之后72 h 內(nèi)泥面的變化量與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4 所示。

由圖4 可知：

圖4 每次浸水后泥面變化量與時(shí)間的關(guān)系

（1）隨著浸水次數(shù)的增加，崩解深度呈上升趨勢。泥巖相較于泥巖更為明顯，可以說明干濕循環(huán)會使崩解加劇。

（2）泥巖相較于泥巖受水的作用和干濕循環(huán)作用較明顯，在崩解過程中會產(chǎn)生較大膨脹，而砂巖基本無膨脹性。隨著含水率的損失，泥巖的收縮量較大。由此判定，砂巖相較于泥巖其脹縮性較弱。

（3）第一次浸水初期，砂巖與泥巖均無崩解，泥巖產(chǎn)生較大膨脹，砂巖膨脹微弱，之后幾次的干濕循環(huán)，泥巖均沒有明顯膨脹。由此可知，在觀測初期，觀測點(diǎn)表面巖性較為堅(jiān)硬，所以百分表測得是膨脹量，而經(jīng)歷多次干濕循環(huán)，由于過程中巖體表面崩解的產(chǎn)生，表面存在沒有隨水流沖刷的浮土，這部分土質(zhì)不夠致密，因此后幾次干濕循環(huán)測量的膨脹量較小，收縮量較大。

2.2 裂隙發(fā)展試驗(yàn)結(jié)果分析

裂隙發(fā)展也是影響崩解的主要原因，軟巖在干濕循環(huán)作用下，巖體吸水膨脹，失水收縮，必然會產(chǎn)生裂隙，逐漸發(fā)展成裂縫，提供水進(jìn)入巖石內(nèi)部通道，巖石就會加劇解體而崩解。裂隙發(fā)展研究分為兩點(diǎn)，一是單個(gè)裂縫的寬度隨時(shí)間的變化規(guī)律，二是處理干濕循環(huán)下的不同時(shí)間段的裂隙圖像，通過MATLAB 軟件計(jì)算裂隙度，研究干濕循環(huán)下不同時(shí)刻的裂隙度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

裂隙寬度與時(shí)間關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 裂隙寬度與時(shí)間關(guān)系

由圖5 可知，裂隙的寬度隨時(shí)間逐漸增大，并最終趨于穩(wěn)定。砂巖產(chǎn)生的裂隙較少，且寬度隨時(shí)間變化較小，寬度在0.2 mm 范圍內(nèi)；泥巖產(chǎn)生的裂隙較多，且隨時(shí)間變化裂隙寬度變化明顯，寬度在1 mm 范圍內(nèi)。

裂隙度是研究裂隙的另一重要指標(biāo)。裂隙度為裂隙的面積占總面積比值，即黑色像素點(diǎn)數(shù)與總像素點(diǎn)數(shù)的比值。裂隙度能綜合反映裂隙的表觀特征，更加全面地反映整個(gè)觀測平面的裂隙開展情況，因此在觀測的過程中有必要進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。在干濕循環(huán)下的不同時(shí)間段，定期對試樣進(jìn)行拍照，并對圖像進(jìn)行二值化處理，通過MATLAB 軟件進(jìn)行像素點(diǎn)數(shù)值計(jì)算，得出裂隙度。

裂隙度與時(shí)間關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 裂隙度與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖6 可知：

（1）裂隙度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐步增加。經(jīng)歷干濕循環(huán)次數(shù)越多，變化趨勢越明顯，變化幅度越大。

（2）泥巖相比較砂巖受水與干濕循環(huán)作用影響較大，崩解性較強(qiáng)。砂巖4 次干濕循環(huán)裂隙度為0.029 8，裂隙度變化率為34.2%，泥巖4 次干濕循環(huán)裂隙度為0.1，裂隙變化率為46.7%；泥巖較砂巖裂隙度變化趨勢明顯，裂隙度數(shù)值較大。

3 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場實(shí)際工況進(jìn)行軟巖崩解性試驗(yàn)，采用室內(nèi)模型模擬在自然干濕循環(huán)作用，研究軟巖崩解深度、裂隙發(fā)展隨時(shí)間變化的規(guī)律，對比分析砂巖與泥巖不同性狀的軟巖崩解性差異及對邊坡的實(shí)際影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）干濕循環(huán)作用會使軟巖崩解加劇，隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，崩解深度呈上升趨勢。因此，可以認(rèn)為在坡面澆筑混凝土面板進(jìn)行防護(hù)，隔絕水作用的影響，對抑制邊坡軟巖崩解起到重要作用。

（2）泥巖相較于泥巖受水的作用和干濕循環(huán)作用較明顯。在崩解過程中會產(chǎn)生較大膨脹，而砂巖基本無膨脹性。隨著含水率的損失，泥巖的收縮量較大；從裂隙發(fā)育來看，泥巖裂隙寬度及裂隙度變化幅度較大；砂巖裂隙寬度為0.2 mm，4 次干濕循環(huán)裂隙度為0.029 8，裂隙度變化率為34.2%；泥巖裂隙寬度為0.1 mm，4 次干濕循環(huán)裂隙度為0.1，裂隙變化率為46.7%，且裂隙發(fā)育明顯。由此判定，基于現(xiàn)場實(shí)際工況，砂巖相較于泥巖其脹縮性、崩解性較弱，巖性更加穩(wěn)定。

（3）總體而言，砂巖和泥巖在短期內(nèi)，崩解程度不大，且在干燥條件下不產(chǎn)生崩解。因此，在經(jīng)歷極端的干濕條件之前，需快速對坡面噴射混凝土，在施工不同時(shí)期起到隔離大氣的降雨-蒸發(fā)的水氣流通作用，從而阻止軟巖失水現(xiàn)象，避免出現(xiàn)大量巖體崩解現(xiàn)象。