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-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 竹溪隧道泥质板岩岩围岩水理性试 验研究 摘 要:通过制作不同条件的泥 质板岩试件,进行不同条件下泥质板岩 的水理性试验,得到泥质板岩吸水率、 饱和度随时间变化的规律,泥质板岩在 垂直于层面和平行于层理面 2 个不同方 向的膨胀特性,以及风化程度不同的泥 质板岩的崩解特性。结果表明:泥质板 岩吸水率在浸水先期增长较快,饱和吸 水率要比自然吸水率大,吸水率和饱水 率受试样的完整程度、风化程度具有较 为明显的影响;其膨胀变形前期增长较 快,同时受层理面方向影响而表现出明 显差异;泥质板岩具有明显的崩解特性, 试样越破碎,风化程度越高,其崩解作 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 用越强烈。地下水以自由水、结合水、 毛细水、吸附水的作用方式作用于泥质 板岩的孔隙、节理面及黏土矿物内部等, 导致岩土体含水量增加、接触角增大以 及胶Y 方式和紧密程度等变化,从宏 观上改变的泥质板岩的物理力学特性。 从工程角度出发,当掌子面及其附近区 域出现地下水时,应及时内完成掘进和 初衬施工,裸露时间不宜过长。同时需 加强排水,综合考虑围岩的岩性、完整 程度、风化程度等多种因素,采取必要 的加固措施。 中国论文网 /2/view-12928795.htm 关键词:隧道工程;泥质板岩; 水理性;工程措施 中图分类号:U45 文献标识码: A 文章编号:10067973 (2017)05- 0072-05 隧道结构的稳定性受到围岩自身 特性、环境因素以及设计与施工等多种 因素的影响。在环境因素中,地下水以 气态水、毛细水、重力水等多种型式赋 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 存于岩土体的裂隙、孔隙、溶隙、管道 等各种孔隙中,以吸附、结晶、毛细作 用、承压水等多种方式与岩土体相互作 用,导致岩土体微观结构和宏观力学特 性的改变,从而影响到围岩与结构的稳 定性。随着巷道、隧道结构埋置深度的 增加,重力水在其自重作用下的压力将 不断提高,岩土体在地下水作用下的变 形效应表现更加明显。由于地下水对页 岩强度具有明显的软化作用,在地下水 作用下,页岩隧道围岩大变形、塌方、 衬砌开裂等灾害问题十分频繁。宜万铁 路堡镇隧道局部隧段埋深达到 630m, 围岩为泥灰岩、页岩,曾经局部发生大 变形灾害。研究表明软岩强度低、深埋 隧道产生的高地应力和地下水是引起该 隧道大变形的主导因素。在其大变形过 程中,地下水具有诱发和加速大变形灾 害发生的作用。宜万铁路野三关隧道和 马鹿菁隧道造成了机械损毁和人员伤亡 的突水事故分析认为隧址区工程地质条 件及复杂的水文地质条件是造成突水事 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 故的本质因素。都汶高速公路龙溪隧道 由于泥岩中的蒙脱石矿物成分遇水迅速 膨胀,加上页岩层面间粘性差,其衬砌 结构在先期稳定的状态下,受地下水作 用,结构发生大变形。其最大收敛达到 182.5m,并最终导致支护结构溃屈破坏。 为了克服地下水对巷道、隧道等地下工 程的不利影响,许多学者从各个方面研 究了水-岩土体的相互作用机理,以及 岩土体的水理特性与其力学特性的相互 关系等,并提出了相应的工程措施。高 水压力的存在对岩石由脆性向塑性的发 展具有抑制作用,能不同程度地降低岩 石的力学强度,同时,水的作用能加剧 岩石软化区裂纹的扩展和贯通进程。板 岩在泡水后三轴抗压强度最大降低辐度 达 46%左右,其泊松比与弹性模量均随 着岩石吸水率的增大而呈现增大的趋势, 并明显受到板岩各向异性特性的影响。 水对炭质板岩强度和变形的影响是显著 的。饱水后的岩样的峰值强度降幅为 26%。 涌水对隧道软弱围岩不仅具有软化作用, -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 能降低围岩的强度,同时,渗流在岩土 体的孔隙、管道中流动,带走了围岩中 的细小颗粒。涌水是引起隧道出现严重 塌方的最重要因素。在富水地区,地下 水通过围岩孔隙、裂隙、裂缝等仰拱处 集留,使软岩泥化、软化以及膨胀现象, 容易导致隧底隆起。为了防止软岩隧道 仰拱在地下水作用下产生隆起病害,全 面加强隧道排水具有十分重要的作用。 板岩及其结构面在水的作用下,其水力 特性会发生变化,进而影响到板岩的力 学性质。因此,由此可见地下水对隧道 的结构的影响至关重要。本文结合竹溪 隧道具体工程实际,对隧道泥质板岩围 岩的水理特性进行试验研究,并提出工 程施工建议,对依托工程施工决策具有 实际的指导意义。 1 工程概况 竹溪隧道隧为高速公路山岭隧道, 全长 2480m。隧址区域岩层主要为元古 界-下古界的变质岩,岩性以片岩、板 岩、千枚岩为主,地层岩性片理、节理 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 裂隙十分发育,部分节理面充填泥质、 方解石脉和石英脉。大部分隙面多见锰 质侵染。大量片状矿物和晶粒矿物定向 分布,岩层具各相异性特性。强度、稳 定性低,具有遇水易软化、易崩解、易 破碎、蠕变特性明显的特征。 2 泥质板岩的水理性试验与分析 2.1 吸水特性试验 2.1.1 试验方案 泥质板岩的吸水试验是分析掌握 其吸水程度和吸水率随时间的变化规律 的基本方法,也是泥质板岩力学性能试 验的基础。参照水工行业相关规程11 测定泥质板岩的天然含水率、自然吸水 率和饱和吸水率。 按照岩石完整性不同取样进行岩 石的吸水试验。试样的完整性分为:完 整、较完整、较破碎 3 种程度。同一种 完整程度岩石取 2 个试样。其中试样 TX1 和试样 TX2 为完整岩石,试样 TX3 和试样 TX4 为较完整岩石,试样 TX5 和试样 TX6 为较破碎岩石。表 1 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 和图 1 为完整程度不同的岩石试样吸水 率随时间变化的试验结果。 2.1.2 试验结果分析 从表 1 和图 1 可以看出:各组岩 石试样破碎程度不同,吸水率都变现为 随着岩石试样浸水时间的增加而呈现为 增加的趋势,但各组岩石吸水率的大小 不同。在岩石试样浸水的最初 3 天内, 各组岩石试样的自然吸水率增长较大。 试样浸水 4-7 天的吸水率虽然也表现出 增大的趋势,但吸水率增加量逐渐减小, 吸水率相对接近稳定。7d 后泥质板岩岩 石试样的吸水率增加非常有限,几近趋 于恒定值。因此,浸水到 9d 后试验停 止。这说明泥质板岩的吸水主要 3 天内 完成。从隧道工程应用角度出发,当掌 子面有地下水出现后,尽可能在 3 天内 完成出水隧段的掘进施工,当需要采取 工程措施时,最长施工时间控制在 3 天 内较为合理。 从表 1 和图 1 也可以发现:泥质 板岩饱和吸水率与岩石的破碎程度紧密 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 相关。破碎岩石试样的饱和吸水率明显 大于完整岩石试样的饱和吸水率。岩石 越破碎,其饱和吸水率越大。这说明碎 裂的泥质板岩吸水更加容易。而水对岩 石的工程性质的作用是不利的。说明破 碎岩石的工程性质更容易受到水的影响。 从隧道工程的角度来看,对于泥质板岩 围岩隧道,当围岩完整性变差,而地质 环境中存在水的条件下,围岩的稳定性 不良,应及时排水,必要时采取工程加 固措施,防止破碎围岩在水的作用下发 生大变形等地质灾害。 从吸水 试验结果表 1 和图 1 可以看出:泥质板 岩的饱和吸水率在 0.23%-0.77%范围内。 泥质板岩自然吸水率在 0.09%-0.26%范 围内。泥质板岩的饱和吸水率要比自然 吸水率大。从隧道工程应用的角度来看, 当泥质板岩围岩受到地下水的浸蚀,尤 其是受到承压水作用时,泥质板岩的饱 和度会迅速增大。这种情况对泥质板岩 的稳定性是十分不利的。因此,应及时 排除地下水,以减小地下水对泥质板岩 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 围岩稳定性的影响。 通过计算得到各组岩样在吸水试 验中饱和度随时间的变化规律,如表 2。 从表 2 中可以看出,随着各组岩 石试样浸水时间的增加,各组岩样的饱 和度呈现出不断增加的趋势加。同样说 明,当隧道围岩为泥质板岩,掌子面出 现地下水时,应及时采取相关工程措施 以保证围岩的稳定性。而各组岩石试样 饱和度的大小表现不同,较完整泥质板 岩试样饱和吸水率平均值达到 96.67%。较破碎岩样的饱和度平均值为 91.62%。而完整岩样的饱和度较低,饱 和度平均值为 86.01%。这说明泥质板 岩岩块的尺寸对其饱和度产生明显的影 响。因此,从隧道工程的角度来讲,地 下水对泥质板岩围岩的稳定性的影响防 治措施还应在考虑岩石的完整程度的基 础上作出综合考虑。 2.2 膨胀特性试验 2.2.1 试验方法 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 泥质板岩受到水浸蚀作用还会引 起其体积膨胀。通过泥质板岩的膨胀特 性试验,可以得到泥质板岩浸水后其体 积膨胀变形随时间变化而变化的规律, 以及膨胀特性受到影响的相关因素。考 虑到泥质板岩各向异性特性,试验时制 作 2 组 4 个试件,每组 2 个试件。一组 试件轴向平行于层理面,一组试件轴向 垂直于层里面。通过两组试件浸水膨胀 特性试验,研究泥质板岩在垂直于层面 和平行于层理面 2 个不同方向的膨胀特 性。参考水利水电工程相关试验规程, 制作标准圆柱形试件 2 组 4 个,并测定 试件的轴向和径向方向的尺寸。然后将 标准圆柱形型试件完全浸入水中,隔一 段时间分别测量各泥质板岩试件在径向 与轴向方向的尺寸,并计算每一间隔时 间的尺寸变化量。试验过程中,保持试 样完全浸没在水中,保证试件充分吸水。 分别计算泥质板岩试件的轴向自由膨胀 率与径向自由膨胀率。 表 3 为泥质板岩在垂直于层理面 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 和平行于层理面 2 个方面上膨胀性试验 所得结果。 2.2.2 试验结果分析 从表 3 可以得到泥质板岩膨胀特 性如下: (1)随着泥质板岩浸水时间的 增加,泥质板岩的膨胀变形量表现出逐 渐增加的趋势。泥质板岩的膨胀变形主 要发生在浸水作用的前 3 天。泥质板岩 浸水后发生膨胀随着时间的变化而变化。 在开始一段时间膨胀应变变化很快。随 着泥质板岩试样浸水时间的增加,泥质 板岩试样膨胀变形速率逐渐越小。最终 泥质板岩的膨胀变形量逐渐趋向于某一 恒定值。其膨胀变形在垂直于层理面和 平行于层理面两个方向表现出相似的规 律性。 (2)泥质板岩的膨胀变形的绝 对值与层理面方向紧密相关。即泥质板 岩在试件轴向垂直于层理面方向和平行 于层理面方向的膨胀变形量值是不同的, 其膨胀变形量分别为 0.023-0.139%和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 0.001%-0.033%,也就是说层理面垂直 与试件轴向方向膨胀率是层理面平行方 试件轴向方向的 4-20 倍左右; 从岩石微观构造角度来分析泥质 板岩的这种变形特性:当泥质板岩受到 水的浸蚀,随着泥质板岩浸水时间的不 断增加,水不断地沿着泥质板岩层理面 上进入试样内部,层理面附近的粘土矿 物吸水以后会发生体积膨胀。因为水很 难进入层理面之间岩体本身,两层理间 所含的粘土矿物膨胀小一些。在垂直层 理面方向上,由于层理面间的粘土矿物 较之于平行层理方向的矿物,与水直接 进行接触的面积和数量较大。试件在该 方向产生的体积膨胀变形累计较大。同 时试样在不同方向上的膨胀应变量表现 出明显的差异。 2.3 泥质板岩的崩解特性试验 2.3.1 试验方法 崩解是岩石的一个重要水理特征, 岩石的崩解特性是指岩石浸水的发生解 体的现象。它是反映岩石水理特性的一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 个重要特性。岩石的崩解呈现出多种形 式,包括均匀的碎屑状、颗粒状、泥状 以及破块状等不同形式。岩石的小破碎 群体集聚在一起宏观上表现为岩石的崩 解现象, 小破碎岩石由微小破裂岩石 演化而来。岩石的崩解是否发生与岩石 的矿物成分、粒度的构成及胶结形式等 密切相关,同时也受到岩石风化程度、 岩石裂隙发育程度与结构特征的影响。 岩石的崩解时间、崩解速度、耐崩解指 数及崩解特征是评价岩石崩解特性的常 用指标。岩块试样从浸水前的形态到发 生完全崩解所需要的时间段即岩石的崩 解时间。岩石在浸水后经过一定定时间 所产生的质量损失的百分比即是岩石的 崩解速度。而岩石试样在试验中表现的 各种现象称为岩石的崩解特征。 在隧道现场取 4 种不同风化程度 的 岩岩样。即全风化泥质板岩、强 风化泥质板岩、中风化泥质板岩和弱风 化泥质板岩。全风化板岩表现为桔黄色、 褐色;强风化板岩表现为褐灰色,呈泥 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 沙质结构,板理状状、板状劈理构造; 中风化板岩呈砂状结构和板理状状、板 状劈理构造,为青灰色,节理裂隙发育 较多。试验中,将泥板岩岩样直接浸入 水中进行泥质板岩的崩解特征观察,以 掌握泥质板岩的崩解特性和泥质板岩的 崩解变化过程。 泥质板岩在不同风化程度状态下 的崩解特性试验中,试样处于烘干、自 然含水率状态以及日晒处理。日晒时间 分别为 4h、12h、24h、36h、48h、72h 等不同状态。试验时,将泥质板岩试样 完全浸入水中,每间隔一段时间观察试 样在水中的崩解特征,并记录好泥质板 岩试样崩解特征。泥质板岩崩解特性试 验结果见表 4。 2.3.2 试验结果分析 通过表 4 中试验结果来看,竹溪 隧道附近泥质板岩受水作用后发生强烈 的崩解,其崩解特性特性比较强烈。岩 样含水率越低,岩样受水浸蚀后的崩解 特性越强烈。这说明泥质板岩越干燥, -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 泥质板岩遇水软化现象和崩解效应越明 显。这说明泥质板岩越干燥,泥质板岩 遇水软化现象和崩解效应越明显。泥质 板岩的风化程度越强烈,岩样受水浸蚀 后的崩解也越强烈。从工程的角度来看, 当天气持续干旱后出现大降雨量情况时, 泥质板岩的崩解特性强烈。泥质板岩遇 水的发生强烈的崩解特性极易诱发围岩 大变形、塌方、坍塌等地质灾害,这是 应特别注意观察地下水的发育状况,并 根据其现场状态采取必要的相应工程措 施。 3 泥质板岩的水理特性机 理分析 3.1 地下水在泥质板岩中的赋存 状态 地下水主要以自由水、结合水、 吸附水和毛细水 4 种形式存在在泥质板 岩中。水的存在形式不同,对泥质板岩 作用的水理性机理不同。重力水存在于 地下水位以下的岩石层中的地下水,在 其重力或压力差作用下发生自由运动, 对岩土颗粒有浮力作用,重力水对岩土 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 中的应力状态和围岩卸载状态下隧道所 应采取的排水、防水工程措施有重要的 影响。结合水存在与岩石颗粒附近,并 具有很强分子吸附力作用,结合水在自 身重力作用下不可以自由移动,因而具 有一定抗剪能力。表面引力服从库仑定 律,随距固体表面距离增大而减弱。泥 质板岩中的结合水主要通过潜蚀作用、 联接作用、润滑作用、水解作用以及冻 融作用来改变岩体的结构和成分,从而 影响泥质板岩的水理性质。结合水的含 量与泥质板岩的矿物成分的紧密相关。 吸附水是受到一定程度吸附力作用,但 不受重力作用。粘土中吸附水含量较多。 毛细水是依靠毛细力而存在于毛细空隙 中的水。毛细水不受颗粒表面引力影响。 毛细水受岩石孔隙的形态、分布、温度、 压力以及饱和度影响较大。毛细水在随 压力作用下能产生移动。岩石中粘土类 矿物较多时,其毛细水含量相对较多。 试验结果表明:随着泥质试样浸泡水中 时间的增加,泥质板岩中的结合水不变, -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 吸附水含量逐渐增加但增加不大,而毛 细管水含量表现出明显的增加趋势,最 终含水率增加较多,完全饱和时含量接 近 0.8%。随泥质板岩浸水时间的延长, 矿物颗粒间的强结合力与弱结合力变化 不大,毛细管力则逐渐降低,直至降低 到某一恒定值。在宏观上表现为泥质板 岩力学强度降低,岩石发生软化。在浸 水时间较长时,泥质板岩甚至会发生崩 解、泥化。 3.2 接触角变化 泥质板岩试样的水理特性主要由 其内部矿物颗粒及粘结力决定,而内部 粘结力受毛细管力的影响最大。平行于 层理面方向的润湿角比垂直于层理面方 向的润湿角要大。由此说明,由于孔隙 和裂缝的存在,导致层理发育在层理垂 直方向两者的存在相比较层理面平行方 向多很多,从而使得层理间有更弱的毛 细管力,最终是水沿层理面更容易渗入 试样内部。 润湿角随着泥质板岩试样浸水时 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 间的增大而逐渐减小。在最初几天润湿 角减小的速度比较大。随着泥质板岩试 样浸水时间继续延长,泥质板岩润湿角 逐渐减缓。最终趋于基本稳定状态。从 润湿角减小的幅度来看,平行层理面方 向的润湿角比垂直层理面方向润湿角减 小要小。原因是试样是在吸水饱和的初 始阶段,层理面间的孔隙、裂缝较多, 吸水性表现出比较强,该阶段润湿角变 化较大。当到泥质板岩吸水饱和后,泥 质板岩孔隙吸水减少,润湿角也逐渐趋 于稳定。 3.3 微观结构分析 泥质板岩层理面间的裂缝及孔隙 是水进到泥质板岩内部的主要通道。因 此,它是导致层理间的矿物及胶结物颗 粒在浸水后的体积膨胀情况与岩石内部 明显不同。岩石内部颗粒及胶结物部因 水难以进入而基本没有变化。软岩产生 体积膨胀的主要原因是水进入层理间的 孔隙和裂隙后,其中的粘土矿物、细小 岩粒的吸附水膜增厚。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 浸水改变了泥质板岩层理面附近 的胶结方式和紧密度,使泥质板岩内颗 粒之间的胶结由原来干燥状态时孔隙衬 垫式、孔隙充填式两种结构紧密的形式 变为结构松散的形式。这是由于水使部 分粘土颗粒体积膨胀产生的应力,使泥 质板岩内部结构松散、粘结力变小。绿 泥石和绢云母等矿物在岩石中含量较多, 会导致试样产生较大的膨胀。矿物颗粒 定向排列的垂直方向,可能因岩样含有 较多绢云母与绿泥石,产生较大的膨胀 量和膨胀力。 以粒间孔为主的泥质板岩内部孔 隙结构,在层理面区域和岩石内部分布 差别较大。在泥质板岩浸泡后,由于节 理面附近含有较多的裂隙,其中矿物体 积膨胀,结构变得松散,浸水时间越长, 岩石中含水较多的区域孔隙度会变得越 大,与此同时,孔隙大小也在增大。 泥质板岩的吸水率一般在试验放 入水中的最初几天变化明显,之后增加 减缓,9d 左右试样基本达到饱和状态, -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 趋于稳定状态。润湿角的变化趋势基本 相同,同样是开始变化明显,之后逐渐 减缓,最终趋向某定值。 4 结论 通过泥质板岩的水理特性试验与 机理分析,得到以下结论: (1)泥质板岩的饱和吸水率和 自然吸水率分别在 0.22%-0.77%之间和 0.09-0.25%之间。泥质板岩试样浸水时 间的增加,泥质板岩吸水量逐渐增加,

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