边坡软岩崩解特性试验研究

田巍巍

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830091）

0 引言

在水利、隧道等工程实践中经常会遇到软岩边坡的问题，尤其是岩体崩解破坏时常发生。在天然情况下岩体很少有崩解，但是经过干湿循环变化或者经风化等外部环境发生了变化就容易引起岩体内部结构、矿物成分发生改变，进而岩体发生崩解[1]。

通过前人研究发现，软岩的崩解性主要是在外部环境和内部崩解机制共同作用下发生。苏永华（2005）、曹运江（2006）、吴道祥（2010）等[2-4]通过室内崩解性试验发现，软岩浸水后所表现出来的不同崩解特征与软岩的成因、成分以及胶结状态密切相关。他们认为影响软岩崩解性大小的因素主要有伊利石、高岭石、蒙脱石等黏土矿物含量的多少，含量越多崩解性就明显较大；泥质胶结物崩解性较高，钙质胶结物崩解性较弱。通常情况下，泥岩主要为泥状结构其崩解性较强，粒状碎屑结构的砂岩崩解性能较弱，这与它们泥化物含量的多少有关。曹运江（2006）[4]发现软岩泥质含量的多寡影响其崩解性，即泥质含量越多崩解性就越好，崩解速度也就越快；刘长武等（2000）[5]利用电子扫描镜进一步的研究泥岩遇水崩解软化的机理，从扫描图上可以看出泥岩遇水崩解前后内部结构及空隙的变化，即空隙体积和孔隙度减少，而空隙表面积增加了，从而泥岩遇水出现膨胀崩解。黄国展（1998）[6]对那吉水利枢纽坝基第三系软岩进行了实验研究，发现泥岩湿化后易崩解，在空间暴露后失水极易干裂，遇水易软化崩解。

在风化作用下，对软岩的崩解性研究较少。因此将通过干湿环境的变化，来分析不同风化程度下泥质粉砂岩的崩解特性及其变化规律，对今后软岩工程特性的研究及边坡工程的防护将具有重要意义。

1 材料及试验结果

1.1 物质组成及矿物成分

取不同风化程度的泥质粉砂岩进行了镜下薄片观测，岩石为泥质粉砂状结构，块状构造，其矿物成分主要有碎屑物质和黏土矿物组成，不同风化程度的岩石颗粒组见表1。

表1 不同风化程度的岩石颗粒组成

从表1可以看出，微-新鲜岩石的细砂屑d=0.06～0.2 mm，占5%，粉砂屑 d=0.06～0.005 mm占60%，泥质物d＜0.005 mm占35%。随着风化程度的加重，粉砂屑有所下降，细砂屑含量极少，泥质物含量随着风化程度的加剧而增加，泥质程度增高。

黏土矿物主要有伊利石，其次为蒙脱石、高岭石。通过电子显微镜和X射线衍射看出，伊利石占50%～60%，蒙脱石占10%左右，高岭石占10%～20%，长石、石英占了15%左右。

1.2 试验方法及结果

试验是在参照SL264-2001《水利水电工程岩石试验规程》及前人试验研究方法的基础上，对工程软岩进行室内干湿浸水试验研究。

试验取强风化、弱风化、微-新鲜泥质粉砂岩浑圆状天然岩块试样各20块，每块重40～60 g。试件用105～110℃的恒温烘干到恒量后，在干燥器内冷却至室温并称量。在每个铝盒内放置一块试样，注清水至淹没试样，观察记录崩解情况。第一次烘干浸水循环后，进行级配为5 mm、2 mm、0.5 mm、0.25 mm筛分试验，对粒径大于2 mm的崩解物重复做下一次的循环试验直至稳定。计算岩石的耐崩解性指数。试验结果如表2～表4所示。

表2 强风化泥质粉砂岩室内浸水试验结果表

表3 弱风化泥质粉砂岩室内浸水试验结果表

表4 微-新鲜泥质粉砂岩室内浸水试验结果表

室内浸水崩解试验下，微-新鲜泥质粉砂岩在首次循环时基本没有崩解发生，在第二次循环后开始出现裂纹，水中有少量粉细砂和泥质物，第三次循环后基本稳定。可见微-新鲜泥质粉砂岩崩解性较小，其耐崩解性指数Id为93.1；弱风化泥质粉砂岩第一次循环出现细微的崩解，第二次循环后开始加速崩解，到第五次循环后崩解成颗粒状、细粒状和泥状，小于0.25 mm的粉细砂沉积变多，大于2 mm的颗粒主要是云母、石英、细小的砾石，耐崩解性指数Id为75.2；强风化泥质粉砂岩在第一次干湿循环后就出现较大的崩解，随着循环次数的增加，大于5 mm的颗粒崩解很快，小于0.25 mm的粉细砂也迅速增加，到第四次循环时基本完全崩解成颗粒状、细粒状和泥状，大于2 mm的颗粒主要是云母、石英、细小的砾石，耐崩解性指数Id为64.3。

为了更好的分析岩石颗粒含量的变化规律，对不同风化程度的泥质粉砂岩进行对比，结果表如图1～图5。

图1 粒径大于5 mm颗粒含量变化曲线

图2 粒径2～5 mm颗粒含量变化曲线

图3 粒径0.5～2 mm颗粒含量变化曲线图

图4 粒径0.25～0.5 mm颗粒含量变化曲线

图5 粒径小于0.25 mm颗粒含量变化曲线

从图1中可以看出，随着干湿循环次数的增加，不同风化程度的泥质粉砂岩粒径大于5 mm的颗粒含量都呈现下降的趋势，强风化和弱风化泥质粉砂岩下降较快，微-新鲜的下降缓慢。这是由于微-新鲜的岩石崩解性较弱，强风化泥质粉砂岩崩解性较强，所以其颗粒含量随着干湿循环次数的逐步增加，呈现出下降的趋势。图2～图5中发现不同风化程度的泥质粉砂岩随着干湿循环次数的增加，不同粒径的颗粒含量变化趋势相同，都呈现出上升的趋势。但是微-新鲜泥质粉砂岩的颗粒含量增长较慢且含量较低，2～5 mm和小于0.25 mm的粒径的颗粒居多。从图2和图5还可以看出弱风化的颗粒含量高于强风化的颗粒含量，更高于微-新鲜的颗粒含量。这是由于强风化泥质粉砂岩的崩解性较高且崩解速度较快，增加了小于0.25 mm的颗粒含量，而弱风化泥质粉砂岩和微-新鲜泥质粉砂岩崩解性较小，2～5 mm的颗粒含量也就增加了。

2 崩解机制分析

泥质粉砂岩多为泥质胶结物，主要成分为比表面积大、具有很强吸水性的黏土矿物，浸水后水分子容易被吸引，加之泥质粉砂岩为孔隙式胶结，为水浸入岩石提供了通道。泥质粉砂岩内的伊利石、蒙脱石、高岭石等粘土矿物颗粒较小，亲水性强，当水进入岩石的孔隙时，就会在通道内运动，引起岩石的膨胀、软化、崩解。同时细小岩粒的吸附水膜增厚，也加剧了岩石崩解。

此外，泥质粉砂岩含有的碎屑物质主要为粉砂屑，透水性较强，岩石在干燥时候失水较快，引起岩体表面收缩开裂，进而出现崩解，并以剥离的形式出现。

因此，矿物成分含量、胶结物类型等对软岩崩解性能影响较大，风化作用对泥质粉砂岩的崩解性能也存在很大的影响。

3 结语

1）通过崩解性试验研究，发现在室内干湿浸水状态下，干湿环境对泥质粉砂的崩解性有很大的影响，而风化作用一定程度上促进了泥质粉砂岩的崩解。不同风化程度的泥质粉砂岩，循环崩解后不同粒径的含量都成呈上升趋势，但是强风化泥质粉砂岩崩解量均高于风化程度较轻的岩石。

2）风化作用促进了粘土矿物含量的增加，改变了原有结构，加速了软岩的崩解。

3）对于泥质粉砂岩等岩性的软岩，应采取一定防护的措施，避免风化和降雨的侵蚀，有助于降低软岩的崩解。本文对微观崩解机制研究还存在一定的不足，需进一步深入的分析。