泥巖風化試驗研究

1壩殼料泥頁巖軟化的必要性中生代紅色層分布在云貴高原的廣泛土地上。這是一個陸相沉積層，巖性主要是砂巖和粘土巖（頁）巖互層。在中生代紅層地區興建的水庫大壩壩型多選用當地材料壩,大壩填筑壩殼料的理想工程性質包括質地堅硬、抗風化力強、抗剪強度、排水性好、壓縮沉降量小等方面,而紅層地區很難獲得,大部分水庫大壩壩殼料采用砂巖、泥(頁)巖混合料。泥(頁)巖填筑以后存在浸水軟化或繼續風化作用的軟化問題,其軟化情況對壩殼料工程性質的影響是水利工程師們所擔心的,因此研究泥(頁)巖在不同環境條件下軟化情況的重要性是不言而喻的。此試驗研究成果,能為水利工程師們在設計中合理應用砂巖、泥巖混合料提供依據,便于他們作出安全可靠、經濟合理的設計。2泥巖的力學性質泥(頁)巖是沉積巖中顆粒最細的,主要由泥土所組成,一般成層狀的稱為頁巖,有些不成層狀而呈塊狀稱為泥巖。其工程地質特征一般表現為透水性弱,遇水易軟化,易崩解,強度極低。軟化系數<0.6,吸水率3%～7%。泥巖的力學性質與泥巖的化學成分密切相關,尤其是SiO2含量與燒失量(包括碳、硫、水分及有機物等)密切相關。表現為隨著SiO2含量的增大,泥巖的單軸抗壓強度和彈性模量總體呈增大趨勢;而隨著燒失量的增大,泥巖的單軸抗壓強度和彈性模量總體呈減小趨勢。3泥巖耐崩解指數基分別采集泥巖弱微風化、強風化試樣,試驗按《水利水電工程巖石試驗規程》(SL264—2001)進行,試件加工成渾圓形,每組試件20個,單個試件天然質量為40～60g。弱微風化試件平均粒徑約32mm,強風化試件平均粒徑約37mm。經5次干、濕循環測得泥巖的耐崩解指數,試驗結果見表1。試驗后觀測試件,弱微風化泥巖的容器內水呈紫紅色,試驗后2.0mm篩筒內殘留試件平均粒徑約30mm,試件試驗前后平均粒徑變化不大;強風化泥巖的容器內水呈淺紫紅色,試驗后2.0mm篩筒內殘留試件粒徑5～28mm,試件試驗前后粒徑變化較大。試驗表明:弱微風化泥巖的耐崩解能力較強,強風化泥巖的耐崩解能力較差。4強風化試驗結果為了解泥(頁)巖在不同的環境條件下風化情況,有針對性地對泥(頁)巖在工程中主要所處的環境條件,室內分以下4種情況進行試驗研究。(1)在室內自然環境中無日曬、室內溫度、濕度條件下風化情況;(2)在室外自然環境中日曬、風吹、雨淋條件下風化情況;(3)在飽水環境中完全浸水條件下風化情況;(4)在埋藏環境中潮濕砂隱埋條件下風化情況。取K泥巖強風化試樣,最小粒徑大于60mm,隨機分為4份,進行上述4種環境條件下的風化情況試驗。試驗歷時3個月,觀測試樣試驗前后的顆粒粒徑變化、測定試樣試驗前后吸水率變化等情況,試驗結果見表2。從試驗前后泥巖顆粒變化情況來看,泥巖在埋藏環境中潮濕砂隱埋條件下風化解體量最小,風化后小于60mm顆粒僅占1.4%;在飽水環境中完全浸水條件下風化解體量較小,風化后小于60mm顆粒占2.8%;在室內自然環境中無日曬、室內溫度、濕度條件下風化解體量較大,風化后小于60mm顆粒占5.4%;在室外自然環境中日曬、風吹、雨淋條件下風化解體量最大,風化后小于60mm顆粒占12.5%。說明泥巖在潮濕埋藏環境、飽水環境中風化解體速度緩慢,在室外自然日曬、風吹、雨淋環境中風化解體速度快。從試驗前后泥巖吸水率來看,在室外自然環境中日曬、風吹、雨淋條件下風化后泥巖吸水率有所增大,說明泥巖在此條件下風化裂隙有進一步擴張的情況;泥巖在其他三種環境條件下,試驗前后吸水率相近,說明泥巖在此三種條件下風化裂隙未進一步擴張。吸水率試驗結果與上述泥巖試驗前后顆粒變化觀測所得結論相吻合。5泥巖的風化試驗了解強風化泥巖在現場條件下不同塊徑的風化過程,在試驗料場進行爆破,測量統計強風化泥巖的塊徑,按泥巖塊徑15～25cm、25～35cm、35～45cm、45～50cm分為4組堆放,用灑水車灑水進行其風化破碎的觀察。其試驗觀察成果見表3。根據試驗觀察,對泥巖不同塊徑加水條件下風化現象作如下描述。(1)爆破后,在現場大規模備料、加水的條件下,第3天觀察,堆料巖塊基本無變化。只是堆放于表層粒徑小于10cm的表面,有少部分泥巖有裂隙出現。第7天觀察風化情況,觀察到表層15cm以內的巖塊部分有裂隙出現。(2)泥巖的風化,只會發生于堆料表層10～20cm的范圍內,深埋于堆料中的巖塊基本不風化;埋藏深度愈深,風化就愈困難。據室內大型試驗取土及試驗過程觀察,風化歷時100d,發現原堆料深入表土0.5m以下,20cm以上的巖塊基本不風化。(3)巖塊所處的周圍環境(及邊界條件)對風化的影響特別顯著。如巖塊孤立于地表,其周圍與空氣接觸,受自然力(陽光、空氣、風、雨露)侵蝕較強,則風化較快。如巖塊埋藏在堆料中,其周圍不與空氣接觸(無臨空面)自然力對其侵蝕作用基本沒有,泥巖基本不風化。(4)塊徑較小的巖石風化速度比塊徑大的巖石快,泥巖塊徑愈大風化愈困難。(5)塊徑較大的巖塊,其風化方式為逐層剝離,其表層雖有裂隙,但要在外力的作用下,表層才能剝落,內部仍然保持原狀,需待再度風化。(6)由于塊徑較大的泥巖塊吸水性較差,加水后水從表面流走,因此,一次性大量加水,對大塊徑巖石的風化作用不大,對于泥巖細顆粒吸水性好,加水后容易吸水,趨于飽和狀態。(7)泥巖風化的加水量:在試驗過程中,有人工加水,有天然雨露,因此,實際加水量應較表3中所提加水量大。(8)泥巖風化時間:是受巖塊周圍環境、含水量、塊徑大小埋藏深度等諸多因素的影響,無法統一出一個具體時間。塊徑45～50cm的泥巖試驗經過了3個多月,試驗完畢后仍觀察到,處于堆料深部的大部分巖塊基本上沒有風化。(9)泥巖的風化也受含水量的影響,如果巖塊的含水量始終保持一個恒定值,巖塊還是不易風化。巖塊在干、濕循環條件下風化較快。6飽和固結排水剪強度為研究泥巖軟化的力學規律性,采用強風化泥巖25%,砂巖75%的混合料進行室內三軸試驗測定其力學指標。三軸試驗的試驗直徑30cm、試樣高60cm,試驗方法分為:(1)正常的飽和固結排水剪;(2)試樣在儀器上在飽和狀態施加0.5MPa壓力保持10min后,卸壓排水反復循環,經50次飽水、排水后的固結排水剪。試驗成果見表4。三軸試驗表明:泥巖在儀器設備上經50次飽水、失水后的固結排水剪強度與飽和固結排水強度僅相差1.3°,說明在泥巖在封閉狀態中飽水、失水對其抗剪強度影響不大。另據文獻資料,泥巖軟化試驗按照天然狀態、飽水1月、3月、6月和12個月等飽水時間點進行采樣分析,測定其不同飽水時間點的單軸抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗剪強度及其隨飽水時間的變化規律。結果表明:泥巖與水相互作用后,其抗壓強度、抗拉強度及抗剪強度變化的定量表征關系一般服從指數變化規律,各力學強度指標將隨著飽水時間的延長而不斷降低,最終將趨向穩定;6個月的飽水時間點為泥巖力學強度趨于穩定的臨界點。7壩體及壩殼料(1)關于泥巖料上壩后繼續風化問題。現場和試驗室觀測表明:堆料距表面的深度超過0.5m時,遭受風化的影響很小,設計中采用厚度為1～1.5m的新鮮巖石保護層,已可防止內部泥巖的繼續風化。(2)對于繼續遭受風化的泥巖的適用性,應鑒定其在自然條件下,建筑物運用期內形成最終風化物中細顆粒是否保持在允許限度內。(3)壩殼料的滲水性取決于細顆粒含量,一般應保持能自由排水,施工期不產生孔隙壓力限度內,如果滲透系數不能滿足要求時,可以在棱體內部,表部或底部設置排水。(4)泥巖壩殼料可以放在上下游坡腳部位,將壩坡放緩,壩殼內部,也可以整個壩殼都使用,這要依泥巖壩殼料的性質來決定。(5)利用軟巖