陳海軍，柯 松，韓孝峰

(南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029)

軟巖廣泛存在于工程建設(shè)中，是一類強(qiáng)度低、孔隙率大、膠結(jié)程度差，受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響大的巖石[1]。軟巖受水的影響很大，甚至?xí)鏊虝r(shí)間崩解、軟化，從而導(dǎo)致力學(xué)性能大幅降低，影響工程建設(shè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于軟巖進(jìn)行了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。Bekar等[2]通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析了紅層軟巖的形態(tài)特征和微觀結(jié)構(gòu)；黃生文等[3]通過現(xiàn)場(chǎng)勘察和微觀研究，分析了泥質(zhì)粉砂巖的宏觀和微觀特性；邱恩喜等[4]對(duì)紅層軟巖的路用工程性質(zhì)進(jìn)行了研究。這些研究在一定程度上揭示了軟巖的工程特性，但對(duì)于軟巖的水理特性研究還有待加強(qiáng)，需進(jìn)一步深入。

巴基斯坦某核電廠位于印度洋之濱。K-2/K-3項(xiàng)目是中巴兩國(guó)“經(jīng)濟(jì)走廊”的重要組成部分。整個(gè)取排水工程經(jīng)前期勘察得知巖層分為強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、微風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。核電廠取排水工程主要由明渠與輸水隧洞組成，常年與水接觸，因此對(duì)取排水工程軟巖水理性質(zhì)的研究是很有必要的。從膨脹性、耐崩解性及軟化性三個(gè)方面對(duì)取排水工程軟巖水理性質(zhì)進(jìn)行研究，有助于工程設(shè)計(jì)和建設(shè)的順利進(jìn)行。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的試樣均來自巴基斯坦某核電廠取排水工程，在現(xiàn)場(chǎng)取樣后，立即用塑料布、錫箔包裹，再以石蠟封存，讓其處在天然含水率狀態(tài)。為防止試樣長(zhǎng)途運(yùn)輸損壞，將封存好的試樣裝在木箱里，在木箱兩端及底部墊木屑。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]中各試驗(yàn)試件尺寸要求，加工試樣，尺寸誤差控制在±5 mm以內(nèi)。采用機(jī)械及手工臺(tái)加工的方法進(jìn)行加工，加工時(shí)避免著水。

1.1 膨脹性試驗(yàn)

膨脹性試驗(yàn)由自由膨脹率試驗(yàn)、側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)和膨脹壓力試驗(yàn)組成。

自由膨脹率試驗(yàn)：取泥巖和泥質(zhì)砂巖各5個(gè)試樣，將試樣放入自由膨脹率試驗(yàn)儀內(nèi)，記下千分表的讀數(shù)，加入水讓其自由膨脹，直至達(dá)到穩(wěn)定后，再次記下千分表的讀數(shù)。

側(cè)向約束膨脹率試驗(yàn)：取泥巖和泥質(zhì)砂巖各5個(gè)試樣，將試樣放入金屬環(huán)中，并在其上加5 kPa的持續(xù)壓力，記下千分表的讀數(shù)，直至達(dá)到穩(wěn)定，再次記下千分表的讀數(shù)。

膨脹壓力試驗(yàn)：取泥巖和泥質(zhì)砂巖各5個(gè)試樣，將試樣放在金屬環(huán)中，對(duì)試件進(jìn)行逐級(jí)加壓，讀出試件變形測(cè)表的讀數(shù)，緩慢向容器里加水，在調(diào)節(jié)所施加的荷載時(shí)要保證試件厚度始終不變，直到測(cè)表讀數(shù)基本不變。

1.2 耐崩解性試驗(yàn)

取泥巖和泥質(zhì)砂巖各5件，制成渾圓狀試樣，將其裝入篩筒內(nèi)，在105～110 ℃下烘干24 h，冷卻至室溫稱量，然后浸水，重復(fù)烘干、浸水操作，一般以兩次循環(huán)耐崩解指數(shù)表征巖石耐崩解性。

1.3 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

取6組試件，每組2個(gè)，將每組中的1個(gè)試件浸水48 h，另1個(gè)在105～110 ℃條件下烘干。分別通過材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，直至試件破壞。

2 軟巖膨脹性研究

2.1 膨脹性參數(shù)

巖石的膨脹性通?？梢杂靡韵聟?shù)表示和計(jì)算。

1)自由膨脹率。自由膨脹率試驗(yàn)所測(cè)的膨脹包括軸向和徑向兩個(gè)方向，因?yàn)閺较蚺蛎浡屎苄?，故只研究了軸向膨脹率，計(jì)算公式如下:

(1)

式中：VH為軸向自有膨脹率；ΔH為試件軸向變形值(mm)；H為試件高度(mm)。

2)側(cè)向約束膨脹率。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：VHP為側(cè)向膨脹率；ΔH1為試件的軸向變形(mm)；H為試件高度(mm)。

3)膨脹壓力。計(jì)算公式如下:

(3)

式中：PS為膨脹壓力(MPa)；F為軸向荷載(N)；A為試件截面面積(mm2)。

2.2 膨脹性試驗(yàn)結(jié)果及分析

軟巖遇水膨脹，會(huì)造成滑坡、隧洞坍塌等一系列工程問題。為探明該取排水工程兩種軟巖膨脹特性，分別采集了5組具有代表性的試樣進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)和含水率測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 軟巖膨脹性指標(biāo)與含水率

由表1可知泥質(zhì)砂巖的軸向膨脹率小于1%，側(cè)向約束膨脹率也較小；泥巖的軸向膨脹率和側(cè)向約束膨脹率比砂巖大，且軸向膨脹率、膨脹壓力與含水率關(guān)系密切，分別見圖1和圖2。

圖1 泥巖軸向膨脹率和含水率曲線

圖2 泥巖膨脹壓力和含水率曲線

由圖1、圖2可以看出：

1)泥巖的軸向膨脹率與含水率可以用線性關(guān)系表示，即

VH=7.325 2-0.348 7ω

(4)

表明泥巖的軸向膨脹率隨含水率的增大而減小，當(dāng)含水率接近21%時(shí)，軸向膨脹率接近0，故泥巖的飽和含水率不會(huì)超過21%。

2)泥巖膨脹壓力與含水率線性相關(guān)，即

PS=2.093 8-0.092 9ω

(5)

式(5)表示泥巖膨脹壓力隨含水率的增大而減小，當(dāng)含水率接近0時(shí)，膨脹壓力最大可以接近2 MPa。

軟巖之所以會(huì)產(chǎn)生膨脹可以歸納為：1)水進(jìn)入巖體的顆粒內(nèi)部，產(chǎn)生膨脹力，由于顆粒晶體間膨脹力的作用產(chǎn)生裂隙，使得水分進(jìn)入，進(jìn)而使得巖體膨脹[6]；2)巖體內(nèi)部顆粒逐漸脫離聯(lián)結(jié)，使得孔隙變大，吸收水分。

3 軟巖耐崩解性研究

3.1 崩解機(jī)制

巖石崩解具有雙重機(jī)制：1)膨脹機(jī)制。巖石內(nèi)含有膨脹性的黏土礦物，遇水后親水礦物吸水膨脹引起巖石膨脹變形，最后崩解；2)鹽類溶解機(jī)制。巖石內(nèi)部空隙中含有可溶性鹽，遇水后可溶性鹽溶解造成水與黏土礦物充分接觸，從而引起巖石崩解。通常這兩種破壞機(jī)制共同發(fā)揮作用[7-8]。

由于泥巖與泥質(zhì)砂巖中含有較多的石膏和可溶性鹽，當(dāng)有外水浸入時(shí)可溶性鹽就會(huì)溶于水，導(dǎo)致顆粒之間的聯(lián)結(jié)減弱，從而導(dǎo)致巖石解體。水進(jìn)入孔隙中同時(shí)會(huì)引起泥巖及砂巖發(fā)生膨脹變形，加劇內(nèi)部顆粒的破碎崩解，容易使巖體變形過大甚至造成破壞[9]。

3.2 耐崩解性結(jié)果及分析

耐崩解性試驗(yàn)可以通過兩次烘干、濕潤(rùn)循環(huán)后，評(píng)估出巖石抵抗軟化和崩解的能力，用耐崩解性指數(shù)來表征巖石的耐崩解性。依據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，并且按照公式(6)計(jì)算。

(6)

式中：Id2為巖石兩次循環(huán)耐崩解指數(shù)；mr為殘余試件烘干質(zhì)量(g)；md為原試件烘干質(zhì)量(g)。試驗(yàn)結(jié)果見表2，甘布爾巖石耐久性分類見表3。

表2 軟巖耐崩解性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表3 甘布爾耐崩解性分類

由表2看出泥巖的兩次循環(huán)耐崩解性指數(shù)主要分布在40%～50%范圍內(nèi)，砂巖兩次循環(huán)耐崩解性指數(shù)主要分布在40%～50%范圍內(nèi)，也有小部分大于60%。按表3甘布爾崩解性分類，泥巖屬于低耐久性軟巖，砂巖主要是低耐久性軟巖，小部分為中等耐久性軟巖，這也說明取排水工程的軟巖耐久性差。取排水工程軟巖受環(huán)境影響很大，在干濕循環(huán)過程中極易崩解破碎，此時(shí)的抵抗力就變得很小，很難再滿足工程要求。

4 軟巖的軟化性研究

軟巖遇水后會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，對(duì)于軟巖的軟化機(jī)制通常有兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為是由于軟巖內(nèi)部的不均勻應(yīng)力造成的，另一種認(rèn)為是由于巖溶導(dǎo)致的。含水率對(duì)巖石有削弱作用，使得其抗壓強(qiáng)度明顯降低，從而影響工程的穩(wěn)定性[10-11]。

巖石的軟化性通常用軟化系數(shù)來衡量，軟化系數(shù)通過式(7)計(jì)算[12]。

KF=RW/RC

(7)

式中：KF為軟化系數(shù)；RW為巖石浸水后的抗壓強(qiáng)度；RC為巖石干燥時(shí)的抗壓強(qiáng)度。巖石的軟化系數(shù)越小則軟化性越大，強(qiáng)度相差越明顯，受水的影響也越大。對(duì)兩組軟巖分別做飽和及干燥單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組6個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 軟巖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知水對(duì)軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度有著顯著的影響，飽和后的軟巖強(qiáng)度下降非常明顯，兩組軟巖的軟化系數(shù)均小于0.2，水穩(wěn)定性差，屬于極軟巖的范疇。當(dāng)水浸入軟巖后順著裂隙浸潤(rùn)自由面上的礦物顆粒，削弱了顆粒間的聯(lián)結(jié)，使得宏觀裂隙滋生擴(kuò)張，造成了軟巖飽和抗壓強(qiáng)度與干燥抗壓強(qiáng)度有明顯區(qū)別[12]。

5 結(jié)束語

通過對(duì)巴基斯坦某核電廠取排水工程的軟巖進(jìn)行膨脹性、耐崩解性及軟化性試驗(yàn)研究，主要得到以下3點(diǎn)結(jié)論。

1)隨著含水率的增大，泥巖的軸向膨脹率、膨脹壓力呈線性減??；隨含水率的變化，砂巖自由膨脹率變化不明顯。

2)經(jīng)崩解性試驗(yàn)表明兩次循環(huán)耐崩解指數(shù)主要處于30%～60%之間，軟巖具有較強(qiáng)的崩解性。

3)軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度受含水率的影響很大，軟化系數(shù)很小，水穩(wěn)定性差，具有明顯的軟化現(xiàn)象。一般來說含水率越大，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度就越低，反之亦然。

核電廠取排水工程軟巖受水的影響極大，如果解決不好軟巖遇水的問題，極有可能造成工程的損失。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮取排水工程渠道及隧洞滲水、隔水問題，施工時(shí)要做好襯砌及隔水等措施。