泥巖風(fēng)化試驗(yàn)研究

泥巖風(fēng)化試驗(yàn)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(gè)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(qū)興建的水庫大壩壩型多選用當(dāng)?shù)夭牧蠅?大壩填筑壩殼料的理想工程性質(zhì)包括質(zhì)地堅(jiān)硬、抗風(fēng)化力強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度、排水性好、壓縮沉降量小等方面,而紅層地區(qū)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(xù)風(fēng)化作用的軟化問題,其軟化情況對(duì)壩殼料工程性質(zhì)的影響是水利工程師們所擔(dān)心的,因此研究泥(頁)巖在不同環(huán)境條件下軟化情況的重要性是不言而喻的。此試驗(yàn)研究成果,能為水利工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)中合理應(yīng)用砂巖、泥巖混合料提供依據(jù),便于他們作出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)。2泥巖的力學(xué)性質(zhì)泥(頁)巖是沉積巖中顆粒最細(xì)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(zhì)特征一般表現(xiàn)為透水性弱,遇水易軟化,易崩解,強(qiáng)度極低。軟化系數(shù)<0.6,吸水率3%～7%。泥巖的力學(xué)性質(zhì)與泥巖的化學(xué)成分密切相關(guān),尤其是SiO2含量與燒失量(包括碳、硫、水分及有機(jī)物等)密切相關(guān)。表現(xiàn)為隨著SiO2含量的增大,泥巖的單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度和彈性模量總體呈減小趨勢。3泥巖耐崩解指數(shù)基分別采集泥巖弱微風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化試樣,試驗(yàn)按《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264—2001)進(jìn)行,試件加工成渾圓形,每組試件20個(gè),單個(gè)試件天然質(zhì)量為40～60g。弱微風(fēng)化試件平均粒徑約32mm,強(qiáng)風(fēng)化試件平均粒徑約37mm。經(jīng)5次干、濕循環(huán)測得泥巖的耐崩解指數(shù),試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)后觀測試件,弱微風(fēng)化泥巖的容器內(nèi)水呈紫紅色,試驗(yàn)后2.0mm篩筒內(nèi)殘留試件平均粒徑約30mm,試件試驗(yàn)前后平均粒徑變化不大;強(qiáng)風(fēng)化泥巖的容器內(nèi)水呈淺紫紅色,試驗(yàn)后2.0mm篩筒內(nèi)殘留試件粒徑5～28mm,試件試驗(yàn)前后粒徑變化較大。試驗(yàn)表明:弱微風(fēng)化泥巖的耐崩解能力較強(qiáng),強(qiáng)風(fēng)化泥巖的耐崩解能力較差。4強(qiáng)風(fēng)化試驗(yàn)結(jié)果為了解泥(頁)巖在不同的環(huán)境條件下風(fēng)化情況,有針對(duì)性地對(duì)泥(頁)巖在工程中主要所處的環(huán)境條件,室內(nèi)分以下4種情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。(1)在室內(nèi)自然環(huán)境中無日曬、室內(nèi)溫度、濕度條件下風(fēng)化情況;(2)在室外自然環(huán)境中日曬、風(fēng)吹、雨淋條件下風(fēng)化情況;(3)在飽水環(huán)境中完全浸水條件下風(fēng)化情況;(4)在埋藏環(huán)境中潮濕砂隱埋條件下風(fēng)化情況。取K泥巖強(qiáng)風(fēng)化試樣,最小粒徑大于60mm,隨機(jī)分為4份,進(jìn)行上述4種環(huán)境條件下的風(fēng)化情況試驗(yàn)。試驗(yàn)歷時(shí)3個(gè)月,觀測試樣試驗(yàn)前后的顆粒粒徑變化、測定試樣試驗(yàn)前后吸水率變化等情況,試驗(yàn)結(jié)果見表2。從試驗(yàn)前后泥巖顆粒變化情況來看,泥巖在埋藏環(huán)境中潮濕砂隱埋條件下風(fēng)化解體量最小,風(fēng)化后小于60mm顆粒僅占1.4%;在飽水環(huán)境中完全浸水條件下風(fēng)化解體量較小,風(fēng)化后小于60mm顆粒占2.8%;在室內(nèi)自然環(huán)境中無日曬、室內(nèi)溫度、濕度條件下風(fēng)化解體量較大,風(fēng)化后小于60mm顆粒占5.4%;在室外自然環(huán)境中日曬、風(fēng)吹、雨淋條件下風(fēng)化解體量最大,風(fēng)化后小于60mm顆粒占12.5%。說明泥巖在潮濕埋藏環(huán)境、飽水環(huán)境中風(fēng)化解體速度緩慢,在室外自然日曬、風(fēng)吹、雨淋環(huán)境中風(fēng)化解體速度快。從試驗(yàn)前后泥巖吸水率來看,在室外自然環(huán)境中日曬、風(fēng)吹、雨淋條件下風(fēng)化后泥巖吸水率有所增大,說明泥巖在此條件下風(fēng)化裂隙有進(jìn)一步擴(kuò)張的情況;泥巖在其他三種環(huán)境條件下,試驗(yàn)前后吸水率相近,說明泥巖在此三種條件下風(fēng)化裂隙未進(jìn)一步擴(kuò)張。吸水率試驗(yàn)結(jié)果與上述泥巖試驗(yàn)前后顆粒變化觀測所得結(jié)論相吻合。5泥巖的風(fēng)化試驗(yàn)了解強(qiáng)風(fēng)化泥巖在現(xiàn)場條件下不同塊徑的風(fēng)化過程,在試驗(yàn)料場進(jìn)行爆破,測量統(tǒng)計(jì)強(qiáng)風(fēng)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(jìn)行其風(fēng)化破碎的觀察。其試驗(yàn)觀察成果見表3。根據(jù)試驗(yàn)觀察,對(duì)泥巖不同塊徑加水條件下風(fēng)化現(xiàn)象作如下描述。(1)爆破后,在現(xiàn)場大規(guī)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(xiàn)。第7天觀察風(fēng)化情況,觀察到表層15cm以內(nèi)的巖塊部分有裂隙出現(xiàn)。(2)泥巖的風(fēng)化,只會(huì)發(fā)生于堆料表層10～20cm的范圍內(nèi),深埋于堆料中的巖塊基本不風(fēng)化;埋藏深度愈深,風(fēng)化就愈困難。據(jù)室內(nèi)大型試驗(yàn)取土及試驗(yàn)過程觀察,風(fēng)化歷時(shí)100d,發(fā)現(xiàn)原堆料深入表土0.5m以下,20cm以上的巖塊基本不風(fēng)化。(3)巖塊所處的周圍環(huán)境(及邊界條件)對(duì)風(fēng)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(fēng)、雨露)侵蝕較強(qiáng),則風(fēng)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(duì)其侵蝕作用基本沒有,泥巖基本不風(fēng)化。(4)塊徑較小的巖石風(fēng)化速度比塊徑大的巖石快,泥巖塊徑愈大風(fēng)化愈困難。(5)塊徑較大的巖塊,其風(fēng)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(nèi)部仍然保持原狀,需待再度風(fēng)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(duì)大塊徑巖石的風(fēng)化作用不大,對(duì)于泥巖細(xì)顆粒吸水性好,加水后容易吸水,趨于飽和狀態(tài)。(7)泥巖風(fēng)化的加水量:在試驗(yàn)過程中,有人工加水,有天然雨露,因此,實(shí)際加水量應(yīng)較表3中所提加水量大。(8)泥巖風(fēng)化時(shí)間:是受巖塊周圍環(huán)境、含水量、塊徑大小埋藏深度等諸多因素的影響,無法統(tǒng)一出一個(gè)具體時(shí)間。塊徑45～50cm的泥巖試驗(yàn)經(jīng)過了3個(gè)多月,試驗(yàn)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(fēng)化。(9)泥巖的風(fēng)化也受含水量的影響,如果巖塊的含水量始終保持一個(gè)恒定值,巖塊還是不易風(fēng)化。巖塊在干、濕循環(huán)條件下風(fēng)化較快。6飽和固結(jié)排水剪強(qiáng)度為研究泥巖軟化的力學(xué)規(guī)律性,采用強(qiáng)風(fēng)化泥巖25%,砂巖75%的混合料進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)測定其力學(xué)指標(biāo)。三軸試驗(yàn)的試驗(yàn)直徑30cm、試樣高60cm,試驗(yàn)方法分為:(1)正常的飽和固結(jié)排水剪;(2)試樣在儀器上在飽和狀態(tài)施加0.5MPa壓力保持10min后,卸壓排水反復(fù)循環(huán),經(jīng)50次飽水、排水后的固結(jié)排水剪。試驗(yàn)成果見表4。三軸試驗(yàn)表明:泥巖在儀器設(shè)備上經(jīng)50次飽水、失水后的固結(jié)排水剪強(qiáng)度與飽和固結(jié)排水強(qiáng)度僅相差1.3°,說明在泥巖在封閉狀態(tài)中飽水、失水對(duì)其抗剪強(qiáng)度影響不大。另據(jù)文獻(xiàn)資料,泥巖軟化試驗(yàn)按照天然狀態(tài)、飽水1月、3月、6月和12個(gè)月等飽水時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行采樣分析,測定其不同飽水時(shí)間點(diǎn)的單軸抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及其隨飽水時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明:泥巖與水相互作用后,其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度變化的定量表征關(guān)系一般服從指數(shù)變化規(guī)律,各力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)將隨著飽水時(shí)間的延長而不斷降低,最終將趨向穩(wěn)定;6個(gè)月的飽水時(shí)間點(diǎn)為泥巖力學(xué)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的臨界點(diǎn)。7壩體及壩殼料(1)關(guān)于泥巖料上壩后繼續(xù)風(fēng)化問題?，F(xiàn)場和試驗(yàn)室觀測表明:堆料距表面的深度超過0.5m時(shí),遭受風(fēng)化的影響很小,設(shè)計(jì)中采用厚度為1～1.5m的新鮮巖石保護(hù)層,已可防止內(nèi)部泥巖的繼續(xù)風(fēng)化。(2)對(duì)于繼續(xù)遭受風(fēng)化的泥巖的適用性,應(yīng)鑒定其在自然條件下,建筑物運(yùn)用期內(nèi)形成最終風(fēng)化物中細(xì)顆粒是否保持在允許限度內(nèi)。(3)壩殼料的滲水性取決于細(xì)顆粒含量,一般應(yīng)保持能自由排水,施工期不產(chǎn)生孔隙壓力限度內(nèi),如果滲透系數(shù)不能滿足要求時(shí),可以在棱體內(nèi)部,表部或底部設(shè)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(nèi)部,也可以整個(gè)壩殼都使用,這要依泥巖壩殼料的性質(zhì)來決定。(5)利用軟巖