石妍茹，趙根生，孫春剛，李 晉，左 珅，畢崇禎

（1.山東交通學(xué)院，山東 濟南 250357；2.山東魯橋建設(shè)有限公司，山東 濟南 250021）

引言

墨子湖明挖湖底隧道位于山東省滕州市，隧道采用明挖法施工，隧道位于湖底部1.5 m，箱體頂部距離水面約有7 m。隧道施工開挖基坑的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，經(jīng)勘察鑒別和室內(nèi)土工試驗分析，按地基土成因類型、地質(zhì)特征，將當?shù)氐鼗羷澐譃? 層，由上至下分別為耕土、粉土、細砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、砂質(zhì)泥巖與砂巖，其中砂質(zhì)泥巖和砂巖在當?shù)卮罅糠植?。由于既要考慮到明挖隧道的綜合防水，又要考慮回填的質(zhì)量和經(jīng)濟效益，從而利用當?shù)氐鼗磷鳛榛靥畈牧嫌葹橹匾?。鑒于砂質(zhì)泥巖和砂巖廣泛分布于滕州地區(qū)，因此，基于該地區(qū)特點及工程背景開展砂質(zhì)泥巖、砂巖的物理力學(xué)性能研究，對于充分利用現(xiàn)有材料，保證工程質(zhì)量和節(jié)省工程成本具有重要意義。

一直以來，許多學(xué)者對各類地基巖土已開展了廣泛的研究。其中，劉長武、黃宏偉等[1-2]從微觀分析了泥巖遇水軟化的機理；湯傳金、姚強嶺等[3]根據(jù)黏聚力、內(nèi)摩擦角與干燥-飽和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，建立了砂質(zhì)泥巖Mohr-Coulomb 模型；付宏淵等[4]分析了粉砂質(zhì)泥巖在不同溫、濕度作用下的單軸力學(xué)指標的變化規(guī)律；李宇翔[5]分析了不同徑高比對細砂巖壓縮破壞特征；俞縉、張欣等[6]研究了水化學(xué)與凍融循環(huán)共同作用下砂巖力學(xué)性能劣化特征；李克鋼等[7]分析了干濕循環(huán)對砂巖力學(xué)性能的影響規(guī)律；張豫川、潘增志等[8]從滲透性能入手，對砂巖與砂質(zhì)泥巖進行試驗研究；寧蟠龍、王海林等[9]選取工程項目所在區(qū)域泥巖和砂巖進行室內(nèi)試驗分析，研究得出其抗剪強度與其巖性、含水率等有關(guān)。他們研究主要是對單一種類巖石或巖石單一性能，而對不同種類巖石物理力學(xué)性能差異性分析的研究則較少。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及試樣制備

所用砂質(zhì)泥巖和砂巖采自山東省滕州市墨子湖明挖隧道建設(shè)項目料源。砂質(zhì)泥巖主要以黏土礦物為主，含少量砂質(zhì)成分，呈灰綠色或灰褐色；砂巖成分主要以石英、長石為主，呈灰色或灰白色，巖芯較完整，呈柱狀。經(jīng)實驗室分析，兩類巖樣的礦物成分組成見表1、表2。將天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的砂巖、砂質(zhì)泥巖用切石機等儀器分別制作成12 個直徑50 mm，高100 mm 的圓柱體試件；6 個直徑50 mm，高50 mm 的圓柱體式件；6 個50 mm×50 mm×250 mm的圓柱體試件，試驗前對試件的側(cè)面及端部進行仔細研磨，使其不平行度和不垂直度均小于0.05 mm，端面對試樣軸線垂直度偏差小于0.25°。

表1 砂巖礦物組成及其含量

表2 砂質(zhì)泥巖礦物組成及其含量

1.2 試驗方法

按照《工程巖體試驗方法標準》（GB/T50266—2013）和《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTG E41—2005）中規(guī)定，對砂巖和砂質(zhì)泥巖進行相關(guān)物理試驗和力學(xué)試驗。

1.2.1 物理性質(zhì)試驗

對兩類巖樣天然狀態(tài)下的含水率、顆粒密度、毛體積密度、吸水性進行實驗。含水率試驗均采取烘干法，烘箱溫度設(shè)為105℃，烘干12 h 后取出，放入干燥器中冷卻5 min 至室溫。含水率的測定見公式（1）。顆粒密度均用比重瓶法測定，毛體積密度均用量積法測定，吸水性試驗均用自由吸水法測得吸水率。

式中：i—巖樣類型； wi—巖樣的含水率，%；mi—砂巖、砂質(zhì)泥巖巖樣烘干之前的質(zhì)量，g；mid—砂巖、砂質(zhì)泥巖巖樣烘干之后的質(zhì)量，g。

1.2.2 力學(xué)性質(zhì)試驗

砂巖和砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度測試采用MTS-810 萬能材料試驗機。選擇直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試件。為使其加載過程中受力均勻，將試件放置于試驗機的承壓板正中央，對正上、下成壓板，以0.8 MPa/s 的速率進行加載直至破壞，將破壞荷載值記錄。

單軸壓縮變形試驗采用千分表法，試件尺寸選擇直徑50 mm，高100 mm 的圓柱體試件。對砂巖進行試驗時，為測量橫、縱向變形，直接將測量表架安裝在試件上；對砂質(zhì)泥巖進行試驗時，在試驗機下承壓板上安裝磁性表架，使縱、橫向測表表頭分別與上承板邊緣、試件接觸，兩對互相垂直的縱、橫向測表分別安裝在對稱位置上。

采取間接法測得劈裂強度，儀器采用MTS-810萬能材料試驗機，試件尺寸選擇直徑50 mm，高50 mm的圓柱體式件。選用寬5 mm 的膠木板為墊條，將兩根墊條沿加載基線（沿軸線方向）固定在試件兩端，為試件能夠均勻收到荷載，試件置于試驗機成壓板中心，調(diào)節(jié)球座，墊條與試件位于同一加荷軸線上，以0.4 MPa/s 的速率保持連續(xù)均勻加荷直至破壞，記錄破壞荷載。其中，砂巖和砂質(zhì)泥巖試驗數(shù)量各24個，每種巖樣進行的單軸抗壓、單軸壓縮變形、劈裂、抗折試驗數(shù)量見表3。

表3 常規(guī)力學(xué)試驗數(shù)量

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 物理指標分析

經(jīng)室內(nèi)試驗及公式計算整理物理指標，取平均值，見表4?？芍皫r的天然含水率、顆粒密度、孔隙率均大于砂質(zhì)泥巖值。對于吸水率而言，砂巖值小于砂質(zhì)泥巖值。且在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，砂質(zhì)泥巖的孔隙率最大值與最小值相差較大，考慮是由于取巖樣時深度不一的原因，同一位置的砂質(zhì)泥巖巖樣會隨所在深度的增加孔隙率呈減小變化趨勢，且砂質(zhì)泥巖透水性好，為軟巖，隨著上覆巖土厚度的增加，巖體受到的上部壓力也隨之增大，導(dǎo)致巖體沉積更加密實，進而下部巖體的孔隙率會偏小。

表4 兩類巖樣的物理參數(shù)

2.2 力學(xué)指標分析

經(jīng)公式計算整理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果，得到力學(xué)指標見表5，兩類巖樣三種狀態(tài)下的力學(xué)指標折線見圖1、圖2。

表5 兩類巖樣的力學(xué)參數(shù)

圖1 砂質(zhì)泥巖三種狀態(tài)下的力學(xué)指標折線

圖2 砂巖三種狀態(tài)下力學(xué)指標折線

對兩類巖樣在干燥、天然及飽和狀態(tài)下分別進行單軸抗壓強度、單軸壓縮試驗。由表5 可知，不論是干燥、天然或是飽和狀態(tài)下，砂巖單向抗壓至破壞的能力均大于砂質(zhì)泥巖。由軟化系數(shù)得知，砂巖和砂質(zhì)泥巖Kp 都小于0.75，兩者同屬軟化巖，砂巖的耐水性好于砂質(zhì)泥巖。兩類巖樣的彈性模量比較而言，砂巖大于砂質(zhì)泥巖，即砂巖材料剛度大，抗變形能力強。從劈裂強度看，砂質(zhì)泥巖抵抗拉應(yīng)力的能力也小于砂巖。

由圖1、圖2 可知，砂質(zhì)泥巖和砂巖在三種不同狀態(tài)下的單軸抗壓強度、彈性模量相差較大，主要原因是不同狀態(tài)下巖樣受不同含水率的影響。不同狀態(tài)下兩類巖樣抗壓強度、彈性模量比較均為干燥狀態(tài)＞天然狀態(tài)＞飽和狀態(tài)。

3 不同含水率對兩類巖樣力學(xué)指標的影響關(guān)系

根據(jù)研究[1-2，10-12]，巖石在浸水條件下，受含水率變化的影響導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)變化，進一步會導(dǎo)致力學(xué)性能的變化。因此，巖石含水率的變化可以與力學(xué)性能之間建立一定的關(guān)聯(lián)。砂質(zhì)泥巖、砂巖的含水率與單軸抗壓強度、彈性模量的關(guān)系見圖3、圖4。

圖3 砂質(zhì)泥巖和砂巖單軸抗壓強度與含水率的關(guān)系

由圖3 可以看出，隨含水率的增大，兩類巖樣單軸抗壓強度呈降低趨勢。砂巖的單軸抗壓強度總體大于砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖隨含水率的增大，其單軸抗壓強度變化幅度大于砂巖變化幅度。砂質(zhì)泥巖和砂巖的含水率與單軸抗壓強度變化關(guān)系用多項式表示，經(jīng)曲線擬合：

式中：x—含水率（4.2%～7.6%）；y—單軸抗壓強度，MPa。

由圖4 可知，砂巖和砂質(zhì)泥巖的彈性模量隨著含水量的不斷增加，其值呈下降趨勢。兩類巖樣的彈性模量隨著含水率的變化關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)的分布，曲線擬合可得：

圖4 砂質(zhì)泥巖和砂巖彈性模量與含水率的關(guān)系

式中：x—含水率（4.2%～7.6%）；y—彈性模量，GPa。

4 結(jié)語

（1）在物理性質(zhì)方面，砂質(zhì)泥巖的天然含水率、孔隙率小于砂巖，砂質(zhì)泥巖較砂巖更易于吸水，透水性好；在力學(xué)性質(zhì)方面，砂巖單軸抗壓強度較砂質(zhì)泥巖大；二者同為軟巖，砂巖的耐水性好于砂質(zhì)泥巖；與砂質(zhì)泥巖相比，砂巖彈性模量較大，抗變形能力強，且抵抗拉應(yīng)力的能力也大于砂質(zhì)泥巖。（2）在不同含水率條件下，兩類巖樣的單軸抗壓強度、彈性模量與含水率呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，單軸抗壓強度和彈性模量均隨著含水量的的增大而降低。（3）砂質(zhì)泥巖與砂巖物理力學(xué)性能比較而言，砂巖更適合作為回填材料。