破碎软岩的水理特性研究

徐 航,陈 刚,石 婷

（1.黑龙江科技大学 矿业工程学院,黑龙江 哈尔滨 150020；
2.黑龙江科技大学 矿业工程学院采矿工程实验室,黑龙江 哈尔滨 150020；
3.黑龙江科技大学 建筑工程学院,黑龙江 哈尔滨 150020）

由于砂岩工程性质较差,被视为具有膨胀性、流变性和崩解性的松散软弱岩层[1]其在天然状态下较为完整、坚硬,它具有良好的力学性能,但在破碎后遇水后,在短时间内快速膨胀、崩解和软化会对岩体造成机械损伤,这也会导致其力学性能的快速大幅降低,这是边坡、基坑、隧道等变形、损坏或潜在安全隐患的关键。[2]软岩的软工程特性与新建工程的安全性之间的矛盾日益突出,因此对破碎度的研究砂岩软岩的水力特性非常重要。Michael[3]对软岩进行了大量的崩解试验与强度测试试验,对试验数据进行分析比对后,结果表明,软岩的强度随着崩解过程的进行而降低。Terzaghi 和Peckl[4]在研究软岩的构造后,提出岩石孔隙中的空气会导致软岩的崩解。在自然环境状态下,膨胀性软岩在失水后内部孔隙会存留大量空气,同时在失水后具备很强的吸水能力。遇到降雨条件时,软岩会迅速吸水,而岩体孔隙或裂隙中的空气则没有时间排出,会向岩块内部逐渐施压,最终由于气体沿岩石的薄弱结构面溢出而导致岩石破裂。冯启言[5]等人使用了材料检测手段对红层软岩进行了材料分析。在分析了红层软岩强度、孔隙结构与崩解性之间的关系后,认为胶结物强度与孔隙率均会影响软岩的崩解。其中,红层软岩中水泥的强度越低或微孔越多,软岩的崩解现象越明显,崩解破碎速度越快。

以上研究在一定程度上揭示了软岩的物理化学性质和工程特性,但对于中砂岩、粉细砂破碎后遇水软化的水理性质及水岩作用规律研究仍有待加强,鉴于此,本研究选取黑龙江省鹤岗中段砂岩、七台河中段砂岩和鸡西粉质细砂岩,从微观结构、矿物组成和崩解特征三个方面对其特征进行了研究,并对实验结果进行讨论,揭示中砂岩、粉细砂岩软化机理,为黑龙江软岩地区的工程建设提供参考。

1.1 试样成分分析

选取黑龙江鹤岗、七台河地区的中砂岩以及鸡西地区的粉细砂岩对试样进行X 射线衍射分析,结果见表1。

表1 试样矿物组成%

从表1 可知：试样Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的黏土矿物含量分别达到68%、70%、69%,且岩性矿物含量分别为32%、30%、31%。粘土矿物约占矿物总量的2/3。粘土矿物约占矿物总量的2/3。粘土矿物的水岩反应会削弱砂岩块体边缘的钝化作用,降低砂体的完整性,降低单个块体和岩体的稳定性。随着粘土矿物含量的增加,岩体蠕变加剧,岩石水稳定性降低,岩石吸水程度增加。受暴雨影响,使砂岩的吸水率变得更大,从而使强度变低[6]。可见砂岩中黏土矿物含量很大程度上影响着砂岩的水理性质而水理性质对工程建设、矿山安全以及边坡稳定有不可忽略的影响[7]。

1.2 含水率实验

岩石遇水或吸水时会吸水。因此,膨胀空气的湿度越大,膨胀变形越大,这是因为围岩吸收的水越多。其规模远远大于岩石的弹塑性变形和挤压变形之和,以及由此产生的膨胀变形压力,这是软岩巷道支护失效的重要原因之一[8]。

采用干燥法测定矿石和岩石的含水量；
新鲜岩样在105～110 ℃的电动恒温烘箱中干燥至恒定量。干燥前后岩样质量差与干燥前质量之比为矿岩含水量。测试步骤包括：

（1） 取岩样15～30 g,放入称量箱。立即盖上称量箱并记录称量箱和新岩样的重量。打开盒盖,将样品和称量箱放入烤箱中,在105～110 ℃恒温烘烤8～10 h。

（2） 取出干燥的岩样和称量箱,盖上箱盖,放入干燥器中冷却至室温,取出并记录称量箱和干燥岩样的质量,精确至0.01 g。通过公式（1）计算含水率

式中,w- 含水率, 精确至0.1%;m1- 称量盒加新鲜岩样

质量,g;m2- 称量盒加干岩样质量,g;m0- 称量盒质量,g[9]。

含水率实验数据：

由于粘土矿物粒度细,粘土强度主要由束缚水维持,泥质岩具有宏观力学特征,易失稳。由于含水量的增加,粘土颗粒结合水膜厚度增加,抗剪强度降低,泥质岩的水稳定性较差。砂岩含水率试验结果见表2。

表2 砂岩自然含水率实验结果

由表2 可看出,3 种砂岩自然含水率为0.64%～0.95%。一般来说,岩石的吸水性会导致自重增加,保温性能降低,强度和耐久性都会有不同程度的下降。为了进一步探究破碎砂岩的水理特性,将对三种试样在不同含水率的情况下进行直剪试验。

1.3 直剪试验

1.3.1 试验仪器

常规直剪试验是在Z-4 型四联直剪仪上进行的。试验装置为应变控制直剪装置。位移计的量程为10 mm,最小刻度值为0.01 mm,使用的环形切割器内径为61.8 mm,高度为20 mm,体积为60 cm3。

1.3.2 试样的制备及试验过程

首先,取三种砂岩,放在通风处风干。将风干的砂岩放在橡胶板上,用木磨机研磨。通过直径为2 mm的筛网后,取足够数量的砂岩样品,测量三种砂岩的含水量。然后,根据设计含水量0%、10%、15%、20%、25%,计算出各含水量下的加水量,喷洒细水雾直至完全混合,然后密封在塑料袋中浸泡一天一夜备用。最后,制作压实度为95%的环切砂岩样品（压实度由质量控制方法控制）。每个含水率下制作5 个环切砂岩样品,共60 个砂岩样品,每个环切样品的质量误差控制在2 g 以内。样品制备完成后,立即用保鲜膜包裹,防止水分蒸发。由于本研究是为了模拟砂岩的松散不排水和快速剪切破坏,所以进行了快速剪切试验。样品制作过程应严格遵守岩土工程试验规范的相关规定。砂岩样品的实际含水量应在直剪试验完成后测量,分别为黑龙江鹤岗中砂岩:0%,11.21%,15.32%,20.16%,25.48%。七台河中砂岩:0%,10.21%,15.52%,20.26%,25.36%。鸡西粉细砂岩：0%,10.61%,14.92%,20.16%,25.76%。

在快速剪切试验中,将制备好的砂岩样品放入直剪仪的剪切箱中。砂岩样品的上下侧为湿滤纸和透水石,湿滤纸的含水量应尽可能接近样品的含水量。安装样品后,对每组试验的五个土壤样品施加100、150、200、250 kPa 的垂直压力,并以0.8 mm/min 的速度剪切,以便在3～5 min 内剪切样品。如果测功机读数达到稳定水平或出现明显后退,则表明砂岩样品已被剪切。通常,建议剪切它们,直到剪切变形达到4 mm。如果测功机的读数继续增加,应将其剪切,直到剪切变形达到6 mm,记录试样在各种垂直载荷下的最大剪切应力,见表3～表5。

表3 黑龙江鹤岗中砂岩不同含水率试样在不同垂直压力下的剪切强度

表4 七台河中砂岩不同含水率试样在不同垂直压力下的剪切强度

表5 鸡西粉细砂岩不同含水率试样在不同垂直压力下的剪切强度

图1 C 值与含水率关系

1.4 实验结果分析

碎屑岩的性质与土壤相似,土壤的粘聚力由颗粒之间的重力和排斥力决定,这取决于颗粒之间的水膜附着力和某些胶结材料的影响。随着含水量的增加,颗粒间的水分膜的厚度也开始增加,这降低了内聚力,使土壤颗粒更容易相对移动。此外,随着含水量的增加,碎屑岩中的一些胶结物开始逐渐溶解,这是粘聚力随含水量增加而增加的原因,也是含水率增减的重要原因之一。

样品为含粗颗粒的碎屑岩。与极细颗粒土样相比,含水量的变化不会引起颗粒物性的显著变化,而φ值主要由颗粒密实度、粒径等物理性质决定。因此,随着含水量的增加,内摩擦角不会发生显著变化。

(1) 黑龙江省七台河、鹤岗的砂岩和鸡西的粉砂岩中含有大量的粘土矿物,达到69%,这对煤矿和边坡的水力特性产生重要影响,降低其水稳定性,从而影响煤矿巷道的稳定性。

(2) 随着含水量的增加,破碎砂岩碎屑岩的抗剪强度降低。由于暴雨和地下水的长期浸泡,破碎边坡的含水量不断增加,从而降低其强度并导致其破坏。

(3) 破碎软砂岩的安全系数与含水量呈负相关。边坡达到极限平衡状态是当含水量为7.39 左右时。边坡被破坏的条件是当含水量大于该值时。

(4) 由于破碎的岩石和土壤质量的性质是相似的,不考虑结构的影响,所以含水量的影响非常大。此外,本研究侧重于含水量的影响,未考虑地下水位、渗流等因素,可能会偏离实际情况。

(5) 用三个地区的岩石样品测试了砂岩的软化特性。结果表明,砂岩和粉砂岩的软化系数随含水量的增加而减小。

(6) 研究发现,泥岩和泥质砂岩在崩解循环试验的作用下都有较强的崩解作用,泥岩的崩解程度较大。本研究是基于对实践中遇到的特殊岩土问题的分析,对煤矿工程实践具有良好的指导意义。