泥岩耐崩解性和颗粒粒径相关性的试验研究

王 浪，邓 辉，邓通海，朱俊杰

(成都理工大学 地质灾害防治与地质灾害保护国家重点实验室,成都 610059)

泥岩耐崩解性和颗粒粒径相关性的试验研究

王 浪，邓 辉，邓通海，朱俊杰

(成都理工大学 地质灾害防治与地质灾害保护国家重点实验室,成都 610059)

泥岩的崩解性是我国西南地区岩土工程中重要的岩石特性之一。通过室内耐崩解试验，从崩解物形态变化、耐崩解指数和颗粒分析3个方面对泥岩的崩解特性进行了详细描述；根据耐崩解指数将泥岩的崩解强度分为强、中、弱3个等级；并以此将其崩解机制分为3类：吸水膨胀崩解机制、楔裂压力崩解机制、混合崩解机制。研究表明：随着崩解标准循环次数的增加，泥岩的耐崩解性指数呈负指数关系降低；强崩解性泥岩、弱崩解性泥岩、中崩解性泥岩分别表现为吸水膨胀崩解机制、楔裂压力崩解机制、混合崩解机制；崩解性的强弱与崩解产物的粒径、崩解机制有较好的对应关系，强、弱崩解产物颗粒粒径具有两极分化的趋势，而中崩解颗粒则主要位于中间粒径。

泥岩；耐崩解性；耐崩解指数；崩解机制；颗粒分析

1 研究背景

红层泥岩在我国西南地区有着广泛的分布，其遇水崩解现象给该地区基坑开挖、隧道施工、坡面处理、地基稳定性等问题造成了诸多困扰，因此泥岩的崩解特性成为广大学者研究的热点。曹运江等[1]、柴肇云等[2]从宏观和微观两方面入手，认为泥岩的崩解特性与其矿物组成和孔裂隙结构特征密切相关，泥质含量越多，越易崩解；杨建林等[3]从微观方面入手，认为泥岩的遇水崩解与其矿物成分改变有很大关系；吴道祥等[4]结合崩解颗粒含量变化，认为细粒的剥离及胶结物溶解是红层泥岩遇水崩解的主要原因之一；而赵明华等[5]、郭永春等[6]、邓涛等[7]、刘晓明等[8]、张巍等[9-11]分别从分形、水热交替、酸碱环境、能量耗散原理、颗粒分析等方面对泥岩的崩解特性和崩解机理进行了研究。虽然各学者对于泥岩的崩解特性和机理取得了一些成果，但至今仍无法统一。

为进一步研究泥岩的崩解特性及其机理，通过室内耐崩解试验对云南侏罗系和白垩系中具有代表性的紫红色泥岩，从崩解物形态、耐崩解指数、崩解产物颗粒分析3方面对泥岩崩解特性进行了研究，并对崩解机理进行了探讨。

2 试样与试验方法

2.1 岩石试样

本试验试样主要来自云南某引水工程5组泥岩、粉砂质泥岩，分别为妥甸组紫红色泥灰岩(E-J3t)、张河组紫红色泥岩(F-J2z)、冯家河组紫红色泥岩(G-J1f)、普昌河组紫红色粉砂质泥岩(B-K1p)、高峰寺组紫红色粉砂质泥岩(C-K1g)。其试样描述如表1所示。

表1 天然试样描述

2.2 试验方法

根据《水电水利工程岩石试验规程》(DLT 5368—2007)，并结合本试验特征，试验步骤如下：

(1) 从 5 组岩样中各取 40 ～ 60 g 的近似球状岩样 10块，在设定温度( 105 ～110 ℃) 下烘干，干燥器内冷却至室温后称量。

(2) 将冷却至室温的试样置于岩石耐崩解性试验仪的筛筒中进行耐崩解试验。试验时，先将试件装入筛筒并一起置于水槽中，连接传动装置，然后向水槽中注入水温为 20 ℃的蒸馏水，水位达到筛筒轴心下 20 mm 时停止注水，开启试验仪。

(3) 使筛筒以 20 r/min 的速度旋转 10 min 后停止，取下筛筒，放入烘箱烘干24 h( 105～110 ℃)，干燥器内冷却至室温后，取出岩样称重。

(4) 将循环后的水槽静止24 h后，吸走上部清液，将沉淀物烘干24 h后称重，完成一次循环，计算岩石耐崩解性指数。

(5) 重复步骤(2)—步骤(4)，每组试样分别进行 10 次循环。

图1 不同循环次数崩解残留物形态变化Fig.1 Morphology variations of disintegration residues under different cycle times

3 崩解循环对岩样形态的影响

3.1 崩解残留物形态变化规律

5组岩样经过10个标准崩

解循环，其残留物形态变化如图 1 所示(图中字母代表岩样代号，数字代表崩解循环次数，下同)。

从图1中我们可以发现：

(1) 5组岩样随着循环次数的增加，其粒径有所减小，岩样棱角逐渐钝化，有磨圆现象。

(2) 妥甸组紫红色泥灰岩和冯家河组紫红色泥岩经过2次循环后，易崩解部分基本上完全崩解，其后的循环只使得岩样粒径稍有减小，且减小速度逐渐降低，趋于均匀，粒径集中在2～10 mm之间，不易崩解部分仅磨圆和粒径减小，并未解体。而张河组紫红色泥岩则表现出极强的崩解性，10次循环后几乎全部崩解。

(3) 普昌河组紫红色粉砂质泥岩和高峰寺组紫红色粉砂质泥岩由于含有一定量砂质，耐崩解性能稍强，经过10次标准循环后，大部分并未崩解，小部分虽崩解但粒径较大，集中在10～20 mm之间。

3.2 水中沉淀物变化规律

5组岩样在各次标准循环后，水槽中沉淀物经过沉淀24 h后，未见泥化现象，吸走上部清液，并将沉淀物烘干、称重后发现各岩样沉淀物烘干后表层均为较细的黏土颗粒，并形成泥质胶结，呈砖红色，稍具强度，并且普昌河组紫红色粉砂质泥岩和高峰寺组紫红色粉砂质泥岩黏土颗粒更加细小，颜色更加鲜亮；下部为大量颗粒状或片状沉淀物，棱角分明，质硬，呈紫红色，基本无胶结，如图 2 所示。

图2 某次循环水中沉淀物烘干照片Fig.2 Photos of dry sediment from water at a disintegration cycle

各次循环水中沉淀物质量如图3所示。

图3 各次循环水中沉淀物质量Fig.3 Qualities of sediment from water under different cycle times

由图3(a)可知，妥甸组紫红色泥灰岩、张河组紫红色泥岩和冯家河组紫红色泥岩随着循环次数的增加，各次沉淀物的质量呈递减趋势，且递减速度逐渐降低，可以发现，该3组岩样崩解的质量损失主要发生在前2次循环。

由图3(b)可知，普昌河组紫红色粉砂质泥岩和高峰寺组紫红色粉砂质泥岩各次沉淀物质量随循环次数增加呈波动趋势，且波动幅度随循环次数增加而逐渐减小，其崩解质量损失相对均匀。

4 崩解循环对耐崩解性指数的影响

4.1 耐崩解性指数

由《水电水利工程岩石试验规程》(DLT 5368—2007)可知，岩石的耐崩解性是指岩石抵抗软化和崩解的能力，一般通过专门的耐崩解试验测定，用耐崩解性指数表示。而现阶段，耐崩解指数主要有2种表达方式。一种为各次标准循环相对于原试样的耐崩解指数，即

(1)

式中：Idn为第n次标准循环的耐崩解指数；mn为第n次标准循环后残留物质量(g)；ms为原试样烘干质量(g)。

另一种为各次标准循环相对于上次标准循环的耐崩解指数，即

(2)

式中：Idi为第i次标准循环的耐崩解指数；mi为第i次标准循环后残留物质量(g)；mi-1为第i-1次标准循环后残留物质量(g)。

4.2 试验结果

图 4 为岩样不同标准循环后崩解残留物质量变化曲线。

图4 各次循环残留物质量Fig.4 Residue qualities under different cycle times

由图4可见，随着循环次数的增加，5组岩样残留物质量均逐渐减小，其中张河组紫红色泥岩表现出极强的崩解性，经过1个标准循环，崩解残留物由494.9 g降至47.45 g，占总质量的9.6%；妥甸组紫红色泥灰岩和冯家河组紫红色泥岩表现出较强的崩解性，随着循环次数的增加，试样残留物减小速度逐渐减小，经过10次循环后，妥甸组的残留物由521.96 g 降至93.92 g,占原岩样质量的18%；冯家河组的残留物由546.31 g 降至128.22 g,占原岩样质量的23%。

而普昌河组紫红色粉砂质泥岩和高峰寺组紫红色粉砂质泥岩残留物质量则表现为随循环次数的增加呈近似线性关系降低。

图 5为各岩样崩解残留物相对于试样原质量的耐崩解指数与循环次数的关系曲线，从中可以发现，随着循环次数的增加，耐崩解指数呈降低趋势，但降低幅度逐渐减小，将耐崩解指数随崩解循环次数的变化规律用指数函数进行拟合，其函数关系式为

(3)

式中：A，B为拟合参数；x为循环次数。

图5 耐崩解指数与循环次数的关系曲线Fig.5 Relationship between disintegration resistanceindex and cycle times

试验岩样的拟合参数及相关系数见表 2 。

表2 岩样的拟合参数和相关系数

根据第2次标准循环的耐崩解指数大小，可将红层泥岩崩解性能分为3个等级，如表3 所示。

表3 红层泥岩崩解性分级

图 6 为各岩样崩解残留物相对于上一循环的耐崩解指数与循环次数的关系曲线。从图6中可以发现：对于中、强崩解岩层，如张河组紫红色泥岩、冯家河组紫红色泥岩和妥甸组紫红色泥灰岩，随循环次数的增加，各次耐崩解系数呈先增加、后逐渐趋于稳定的趋势;而弱崩解岩层，如普昌河组紫红色粉砂质泥岩及高峰寺组紫红色粉砂质泥岩，各次耐崩解系数相对稳定，稍有降低。

图6 各次循环的耐崩解指数与循环次数的关系曲线

5 崩解颗粒分析

5组岩样经过10次标准崩解循环后，将崩解岩样进行颗粒分析，如图 7所示。

图7 崩解物颗粒分析Fig.7 Particle analysis of disintegration products

从图7中可以发现，经过10次标准循环后，泥岩崩解强弱与崩解产物所在粒组有一定的相关性。对于强崩解泥岩，如张河组紫红色泥岩，崩解产物多集中于(0.5,1]mm和0.25 mm以下2个粒组；对于中崩解泥岩，如冯家河组紫红色泥岩和妥甸组紫红色泥灰岩，崩解产物多集中于(0.5,5]mm之间；对于弱崩解泥岩，如普昌河组紫红色粉砂质泥岩和高峰寺组紫红色粉砂质泥岩，崩解产物多集中于5 mm以上和0.25 mm以下2个粒组。

试验结果表明，对于强崩解和弱崩解泥岩，其粒径有两极分化的趋势，而中崩解泥岩粒径则位于相对中等粒组。

6 红层泥岩崩解机制浅析

经过崩解试验和崩解颗粒分析不难发现，崩解机制主要存在3种情况：

(1) 吸水膨胀崩解机制。正如张河组紫红色泥岩，其为泥质胶结，质软，胶结物主要由比表面积大且具极强亲水性的黏土矿物组成。在先烘干后，黏土矿物失水，造成其微观结构破坏，遇水后表现出强烈的吸水性，促使双电层扩展，粒间结构的物理化学联结减弱,产生吸水膨胀，并在内外差异膨胀而产生的膨胀力作用下，迅速解体。对于此崩解机制的泥岩，一般崩解彻底，表现出极强的崩解性，崩解迅速，崩解物粒径较小。

(2) 楔裂压力崩解机制。普昌河组紫红色粉砂质泥岩和高峰寺组紫红色粉砂质泥岩含有一定量粉砂质，以泥质胶结为主，但又被游离的SiO2和Fe2O3所胶结，烘干失水后形成大量隐蔽的裂纹。但遇水后，一方面少量泥质胶结物迅速溶解软化，增大岩样孔隙,改变孔隙结构，并产生新微裂隙；另一方面水由于表面张力作用而沿微裂隙侵入，这些微裂隙将强烈地吸附水分子，由于水分子的吸附而减少的表面自由能，部分转化为促使岩石孔裂隙相界面增大的力学破坏能，使得岩石发生变形和破坏，并崩解解体，形成碎块状残留物，但由于溶解软化能力有限，加之块体越小，岩体缺陷越少，使得这些残留物将难以进一步解体。随循环次数增加，呈现粒径缓慢减小的现象，并表现出随循环次数增加，残留物耐崩解性逐渐增强的现象。对于该机制的泥岩，其崩解性相对较弱，崩解过程相对稳定，这也正好能解释该2组岩样各次沉淀物质量波动不大，表现为随循环次数增加呈增、减波动变化且增减幅度逐渐减小的现象。

(3) 混合崩解机制。如妥甸组紫红色泥灰岩和冯家河组紫红色泥岩，稍含粉砂质，在膨胀崩解机制和楔裂压力崩解机制下，岩样迅速解体，并随循环次数增加，粒径不断减小，但仍有部分较大崩解块体变化不明显。

7 结 论

(1) 随着崩解标准循环次数的增加，泥岩的耐崩解性指数呈负指数关系降低。

(2) 泥岩相对于上一标准循环的耐崩解性指数变化规律，则与泥岩崩解强度相关。随着崩解标准循环次数的增加，对于弱崩解泥岩而言，其呈相对稳定状态，稍有降低趋势；对于强崩解和中崩解泥岩而言，则呈先增加，后趋于稳定趋势。

(3) 对于强崩解泥岩主要表现为吸水膨胀崩解机制；对于弱崩解性泥岩则主要表现为楔裂压力崩解机制；对于中崩解性泥岩主要表现为混合崩解机制，其更偏向于膨胀机制还是楔裂压力机制，与泥质含量有一定关系。

(4) 对于强崩解和弱崩解泥岩，其崩解产物粒径有两极分化的趋势，而中崩解泥岩粒径则位于相对中等粒组。

[1] 曹运江,黄润秋,郑海君,等.岷江上游某水电站工程边坡软岩的崩解特性研究[J].工程地质学报,2006,14(1):35-40.

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[3] 杨建林,王来贵,李喜林,等.泥岩饱水过程中崩解的微观机制[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2014,33(4):476-480.

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[6] 郭永春,谢 强,文江泉.水热交替对红层泥岩崩解的影响[J].水文地质工程地质,2012,39(5):69-73.

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(编辑：占学军)

Correlation Between Disintegration Resistanceand Particle Size of Mudstone

WANG Lang, DENG Hui, DENG Tong-hai, ZHU Jun-jie

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology ,Chengdu 610059, China)

Disintegration of mudstone is important in geotechnical engineering of southwest China. By indoor disintegration resistance test, disintegration features of mudstone are described in detail from three aspects, including morphological changes of disintegration products, disintegration resistance index and particle size analysis. On the basis of disintegration resistance index, disintegration intensity is divided into three levels: strong disintegration, middle disintegration and weak disintegration, and the disintegration mechanism is also classified into three types: swell disintegration after absorbing water, disintegration under wedging pressure and disintegration under mixed factors. Results show that as standard cycle times of disintegration increase, disintegration resistance index of mudstone decreases in negative exponential distribution. Furthermore, strong disintegration mudstone belongs to the mechanism of swell disintegration after absorbing water, weak disintegration mudstone and middle disintegration mudstone belong to that of disintegration under wedging pressure and disintegration under mixed factors, respectively. Finally, disintegration intensity is obviously relevant to the particle size and disintegration mechanism of disintegration product. Particle size of strong or weak disintegration product has a polarization trend, yet that of middle disintegration product is mainly middle-size.

mudstone; disintegration resistance; disintegration resistance index; disintegration mechanism; particle size analysis

2016-05-20；

2016-06-23

国家自然科学基金项目(41272332)

王 浪(1993 -)，男，四川苍溪人，硕士研究生，从事岩土体稳定性研究工作，(电话)18200299008(电子信箱)472991088@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160498

2017,34(8):120-124

TU444

A

1001-5485(2017)08-0120-05