泥岩风化试验研究

泥岩风化试验研究

1坝壳料泥页岩软化的必要性中生代红色层分布在云贵高原的广泛土地上。这是一个陆相沉积层，岩性主要是砂岩和粘土岩（页）岩互层。在中生代红层地区兴建的水库大坝坝型多选用当地材料坝,大坝填筑坝壳料的理想工程性质包括质地坚硬、抗风化力强、抗剪强度、排水性好、压缩沉降量小等方面,而红层地区很难获得,大部分水库大坝坝壳料采用砂岩、泥(页)岩混合料。泥(页)岩填筑以后存在浸水软化或继续风化作用的软化问题,其软化情况对坝壳料工程性质的影响是水利工程师们所担心的,因此研究泥(页)岩在不同环境条件下软化情况的重要性是不言而喻的。此试验研究成果,能为水利工程师们在设计中合理应用砂岩、泥岩混合料提供依据,便于他们作出安全可靠、经济合理的设计。2泥岩的力学性质泥(页)岩是沉积岩中颗粒最细的,主要由泥土所组成,一般成层状的称为页岩,有些不成层状而呈块状称为泥岩。其工程地质特征一般表现为透水性弱,遇水易软化,易崩解,强度极低。软化系数<0.6,吸水率3%～7%。泥岩的力学性质与泥岩的化学成分密切相关,尤其是SiO2含量与烧失量(包括碳、硫、水分及有机物等)密切相关。表现为随着SiO2含量的增大,泥岩的单轴抗压强度和弹性模量总体呈增大趋势;而随着烧失量的增大,泥岩的单轴抗压强度和弹性模量总体呈减小趋势。3泥岩耐崩解指数基分别采集泥岩弱微风化、强风化试样,试验按《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)进行,试件加工成浑圆形,每组试件20个,单个试件天然质量为40～60g。弱微风化试件平均粒径约32mm,强风化试件平均粒径约37mm。经5次干、湿循环测得泥岩的耐崩解指数,试验结果见表1。试验后观测试件,弱微风化泥岩的容器内水呈紫红色,试验后2.0mm筛筒内残留试件平均粒径约30mm,试件试验前后平均粒径变化不大;强风化泥岩的容器内水呈浅紫红色,试验后2.0mm筛筒内残留试件粒径5～28mm,试件试验前后粒径变化较大。试验表明:弱微风化泥岩的耐崩解能力较强,强风化泥岩的耐崩解能力较差。4强风化试验结果为了解泥(页)岩在不同的环境条件下风化情况,有针对性地对泥(页)岩在工程中主要所处的环境条件,室内分以下4种情况进行试验研究。(1)在室内自然环境中无日晒、室内温度、湿度条件下风化情况;(2)在室外自然环境中日晒、风吹、雨淋条件下风化情况;(3)在饱水环境中完全浸水条件下风化情况;(4)在埋藏环境中潮湿砂隐埋条件下风化情况。取K泥岩强风化试样,最小粒径大于60mm,随机分为4份,进行上述4种环境条件下的风化情况试验。试验历时3个月,观测试样试验前后的颗粒粒径变化、测定试样试验前后吸水率变化等情况,试验结果见表2。从试验前后泥岩颗粒变化情况来看,泥岩在埋藏环境中潮湿砂隐埋条件下风化解体量最小,风化后小于60mm颗粒仅占1.4%;在饱水环境中完全浸水条件下风化解体量较小,风化后小于60mm颗粒占2.8%;在室内自然环境中无日晒、室内温度、湿度条件下风化解体量较大,风化后小于60mm颗粒占5.4%;在室外自然环境中日晒、风吹、雨淋条件下风化解体量最大,风化后小于60mm颗粒占12.5%。说明泥岩在潮湿埋藏环境、饱水环境中风化解体速度缓慢,在室外自然日晒、风吹、雨淋环境中风化解体速度快。从试验前后泥岩吸水率来看,在室外自然环境中日晒、风吹、雨淋条件下风化后泥岩吸水率有所增大,说明泥岩在此条件下风化裂隙有进一步扩张的情况;泥岩在其他三种环境条件下,试验前后吸水率相近,说明泥岩在此三种条件下风化裂隙未进一步扩张。吸水率试验结果与上述泥岩试验前后颗粒变化观测所得结论相吻合。5泥岩的风化试验了解强风化泥岩在现场条件下不同块径的风化过程,在试验料场进行爆破,测量统计强风化泥岩的块径,按泥岩块径15～25cm、25～35cm、35～45cm、45～50cm分为4组堆放,用洒水车洒水进行其风化破碎的观察。其试验观察成果见表3。根据试验观察,对泥岩不同块径加水条件下风化现象作如下描述。(1)爆破后,在现场大规模备料、加水的条件下,第3天观察,堆料岩块基本无变化。只是堆放于表层粒径小于10cm的表面,有少部分泥岩有裂隙出现。第7天观察风化情况,观察到表层15cm以内的岩块部分有裂隙出现。(2)泥岩的风化,只会发生于堆料表层10～20cm的范围内,深埋于堆料中的岩块基本不风化;埋藏深度愈深,风化就愈困难。据室内大型试验取土及试验过程观察,风化历时100d,发现原堆料深入表土0.5m以下,20cm以上的岩块基本不风化。(3)岩块所处的周围环境(及边界条件)对风化的影响特别显著。如岩块孤立于地表,其周围与空气接触,受自然力(阳光、空气、风、雨露)侵蚀较强,则风化较快。如岩块埋藏在堆料中,其周围不与空气接触(无临空面)自然力对其侵蚀作用基本没有,泥岩基本不风化。(4)块径较小的岩石风化速度比块径大的岩石快,泥岩块径愈大风化愈困难。(5)块径较大的岩块,其风化方式为逐层剥离,其表层虽有裂隙,但要在外力的作用下,表层才能剥落,内部仍然保持原状,需待再度风化。(6)由于块径较大的泥岩块吸水性较差,加水后水从表面流走,因此,一次性大量加水,对大块径岩石的风化作用不大,对于泥岩细颗粒吸水性好,加水后容易吸水,趋于饱和状态。(7)泥岩风化的加水量:在试验过程中,有人工加水,有天然雨露,因此,实际加水量应较表3中所提加水量大。(8)泥岩风化时间:是受岩块周围环境、含水量、块径大小埋藏深度等诸多因素的影响,无法统一出一个具体时间。块径45～50cm的泥岩试验经过了3个多月,试验完毕后仍观察到,处于堆料深部的大部分岩块基本上没有风化。(9)泥岩的风化也受含水量的影响,如果岩块的含水量始终保持一个恒定值,岩块还是不易风化。岩块在干、湿循环条件下风化较快。6饱和固结排水剪强度为研究泥岩软化的力学规律性,采用强风化泥岩25%,砂岩75%的混合料进行室内三轴试验测定其力学指标。三轴试验的试验直径30cm、试样高60cm,试验方法分为:(1)正常的饱和固结排水剪;(2)试样在仪器上在饱和状态施加0.5MPa压力保持10min后,卸压排水反复循环,经50次饱水、排水后的固结排水剪。试验成果见表4。三轴试验表明:泥岩在仪器设备上经50次饱水、失水后的固结排水剪强度与饱和固结排水强度仅相差1.3°,说明在泥岩在封闭状态中饱水、失水对其抗剪强度影响不大。另据文献资料,泥岩软化试验按照天然状态、饱水1月、3月、6月和12个月等饱水时间点进行采样分析,测定其不同饱水时间点的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度及其随饱水时间的变化规律。结果表明:泥岩与水相互作用后,其抗压强度、抗拉强度及抗剪强度变化的定量表征关系一般服从指数变化规律,各力学强度指标将随着饱水时间的延长而不断降低,最终将趋向稳定;6个月的饱水时间点为泥岩力学强度趋于稳定的临界点。7坝体及坝壳料(1)关于泥岩料上坝后继续风化问题。现场和试验室观测表明:堆料距表面的深度超过0.5m时,遭受风化的影响很小,设计中采用厚度为1～1.5m的新鲜岩石保护层,已可防止内部泥岩的继续风化。(2)对于继续遭受风化的泥岩的适用性,应鉴定其在自然条件下,建筑物运用期内形成最终风化物中细颗粒是否保持在允许限度内。(3)坝壳料的渗水性取决于细颗粒含量,一般应保持能自由排水,施工期不产生孔隙压力限度内,如果渗透系数不能满足要求时,可以在棱体内部,表部或底部设置排水。(4)泥岩坝壳料可以放在上下游坡脚部位,将坝坡放缓,坝壳内部,也可以整个坝壳都使用,这要依泥岩坝壳料的性质来决定。(5)利用软岩