一种极软岩单面失水崩解试验方法

摘要

一种极软岩单面失水崩解试验方法，属于极软岩崩解领域。所述方法包括以下步骤：（1）现场取样；（2）制作四周和底部密封的单面试样；（3）将试样进行风干；（4）风干结束后，将风干试样放入筛上，浸入水中自然崩解；（5）观察崩解现象，并以人工倾倒方式去除上表面崩解物，24 h稳定后，取出剩余试样低温烘干，去除试样密封材料，确定干湿循环后的崩解深度；（6）将2 mm筛上崩解物烘干，分别经过60 mm、40 mm、20 mm、10 mm、5 mm、2 mm筛孔直径的标准筛，进行筛分，计算崩解物的崩解率。本方法为现场设计与施工提供技术支持，提出了单面崩解深度和崩解物级配崩解率计算方法，能够最大程度还原模拟边坡现场极软岩崩解情况并全面描述崩解信息。

权利要求

1.一种极软岩单面失水崩解试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步.现场取样，室内削样并测试其初始含水率w0和干密度ρd；

第二步.将试样顶面作为水气交换面，其余面采用密封材料封闭，同时测试水气交换面的面积A、初始试样质量m0S和密封后试样质量m0T，则密封材料质量为m0封＝m0T-m0S，初始试样干质量 单面崩解试样制作完成；

第三步.将试样放入定向干燥环境内进行风干；

第四步.风干结束后称取试样总质量m0dT，计算风干前后试样水分变化总质量Δm0w＝m0T-m0dT，计算风干后试样含水率变化值第五步.将风干后试样放入2mm筛上，水气交换面置上，放入水中自然浸水崩解，记录浸水0min、10min、30min、1h及24h五个阶段崩解现象，24h稳定后，以人工倾倒方式去除上表面崩解物，然后取出剩余试样后低温烘干，打开试样密封材料，确定未崩解试样及密封材料的剩余干总质量m1dT，确定崩解物干质量Δm1ST＝m0dT-m1dT，根据崩解物干质量Δm1ST、干密度ρd和水气交换面的面积A，计算干湿循环后的崩解深度第六步.将2mm筛上崩解物烘干试样分别经过60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm筛孔径的标准筛，进行筛分，以大于标准粒径的崩解物质量在崩解物总质量的百分数为纵坐标，粒径为横坐标，在半对数坐标系统上绘制颗粒大小级配曲线，分析崩解过程以及2mm筛上剩余崩解物颗粒组成，根据颗粒大小级配曲线计算崩解率DR(D)，崩解率DR(D)定义为崩解颗粒大小级配曲线面积在级配曲线中崩解物面积的质量百分比。

2.根据权利要求1所述的一种极软岩单面失水崩解试验方法，其特征在于，所述第一步中现场取样不小于3.5cm×3.5cm×3.5cm。

3.根据权利要求1所述的一种极软岩单面失水崩解试验方法，其特征在于，所述第二步中所述密封材料为石蜡。

4.根据权利要求1所述的一种极软岩单面失水崩解试验方法，其特征在于，所述第三步中定向干燥环境内设定温度为15～45℃，湿度RH<75％。

5.根据权利要求1所述的一种极软岩单面失水崩解试验方法，其特征在于，所述第三步中风干时间≥1h。

说明书

一种极软岩单面失水崩解试验方法

技术领域

[0001] 本发明属于极软岩崩解领域，具体涉及一种极软岩单面失水崩解试验方法。

背景技术

[0002] 《工程岩体分级标准》(GB50218T-2014)3.3.3条规定，天然湿度单轴抗压强度小于15MPa，大于5MPa的岩石称为软岩；小于5MPa，称为极软岩；《岩石与岩体鉴定和描述标准》(CECS 239-2008)中4.4.5条规定，天然湿度单轴抗压强度小于15MPa，大于5MPa的岩石称为软岩；小于5MPa，大于1MPa称为很软岩。天然湿度单轴抗压强度小于1MPa的岩石称为极软岩。泥质岩，包括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩等，是含有粘土矿物成分的沉积岩，是软岩、极软岩中一种类型。崩解性是泥质岩的基本特性，是泥质岩地区的边坡、坝基、矿井及隧道等岩石工程的安全问题的重要影响因素。泥质岩中粘土矿物与水发生作用后，出现崩解现象，导致岩体局部开裂、解体，整体强度下降，对工程建设的影响很大，许多专家学者对泥质岩的崩解特性进行了研究。现有的崩解试验分为规范性崩解性试验和研究性崩解性试验。

[0003] 规范性崩解性试验是耐崩解性试验，通过工程岩体试验方法标准规范(GBT 50266-2013)测定岩石崩解性，即现场取岩块样，制浑圆状试样各10块，每块重40～60g，试样在105～110℃的温度下烘干至恒量后，在干燥器内冷却至室温，称量后置于耐崩解性试验仪中进行耐崩解试验。对崩解物进行筛分试验。取粒径>2mm的崩解物做下一次循环试验，通过计算二次干湿循环后崩解残物试件烘干质量与原试件烘干质量之比，确定岩石的耐崩解性能力。

[0004] 研究性崩解性试验是指现场取岩块样，室内制作试样，试样经过自然风干-浸水、自然风干-浇水、自然气候条件的降雨-蒸发循环的崩解试验等，观察试样崩解现象与过程，分析崩解物颗粒组成，计算崩解物粒径大于2mm颗粒的干质量占岩样总质量的比值来确定岩块的耐崩解性指数。

[0005] 现有崩解性试验方法成果反映了现场泥质岩的长期耐久性，而与现场泥质岩崩解现象很难对比分析。分析这个问题，主要原因如下：

[0006] (1)自然条件下软岩崩解是一个长期的作用与现象，而室内试验的崩解短期完成，所以现场的崩解过程无法在室内试验中得到反映，室内试验成果对工程缺乏实际的指导作用；

[0007] (2)自然边坡上崩解物很容易受到冲刷、剥蚀而流失，于是无法合理评价现场整体崩解程度；

[0008] (3)现场崩解很大程度上应包括裂隙因素；

[0009] (4)现场沉降岩的结构、构造对崩解有影响。

发明内容

[0010] 解决的技术问题：针对上述室内试验成果很难和现场泥质岩崩解现象相比较的技术问题，本发明提供一种极软岩单面失水崩解试验方法，能够最大程度还原模拟边坡现场极软岩崩解情况，测试数据更加合理、准确，能够掌握岩体强度变化规律，进而为崩解性岩石边坡的合理设计提供理论支持。

[0011] 技术方案：一种极软岩单面失水崩解试验方法，所述方法包括以下步骤：

[0012] 第一步.现场取样，在室内削成试样并测试其初始含水率w0和干密度ρd；

[0013] 第二步.将试样顶面作为水气交换面，其余面采用密封材料封闭，同时测试水气交换面的面积A、初始试样质量m0S和密封后试样质量m0T，则密封材料质量为m0封＝m0T-m0S，初始试样干质量 单面崩解试样制作完成；

[0014] 第三步.将试样放入定向干燥环境内进行风干；

[0015] 第四步.风干结束后称取试样总质量m0dT，计算风干前后试样水分变化总质量Δm0w＝m0T-m0dT，计算风干后试样含水率变化值

[0016] 第五步.将风干后试样放入2mm筛上，水气交换面置上，放入水中自然浸水崩解，记录浸水0min、10min、30min、1h及24h五个阶段崩解现象，24h稳定后，以人工倾倒方式去除上表面崩解物，然后取出剩余试样后低温烘干，打开试样密封材料，确定未崩解试样及密封材料的剩余干总质量m1dT，确定崩解物干质量Δm1ST＝m0dT-m1dT，根据崩解物干质量Δm1ST、干密度ρd和水气交换面的面积A，计算干湿循环后的崩解深度

[0017] 第六步.将2mm筛上崩解物烘干试样分别经过60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm筛孔径的标准筛，进行筛分，以大于标准粒径的崩解物质量在崩解物总质量的百分数为纵坐标，粒径为横坐标，在半对数坐标系统上绘制颗粒大小级配曲线，分析崩解过程以及2mm筛上剩余崩解物颗粒组成，根据颗粒大小级配曲线计算崩解率DR(D)，崩解率DR(D)定义为崩解颗粒大小级配曲线面积在级配曲线中崩解物面积的质量百分比。

[0018] 作为优选，所述第一步中现场取样不小于3.5cm×3.5cm×3.5cm。

[0019] 作为优选，所述第二步中所述密封材料为石蜡。

[0020] 作为优选，所述第三步中定向干燥环境内设定温度为15～45℃，湿度RH<75％。

[0021] 作为优选，所述第三步中风干时间≥1h。

[0022] 有益效果：

[0023] (1)开挖边坡现场的岩石均是处于单面失水风干情况下崩解，即边坡岩体仅有上表面蒸发干燥收缩、吸水膨胀，引发单面崩解，而室内试验为所有表面均失水收缩，吸水膨胀、崩解，其中顶面崩解后即有堆积，抑制继续作用，侧面崩解同时剥蚀，边角部分是双面或三面多个方向共同发生崩解作用，因此常规室内试验中水分作用是个复杂过程，与现场单面失水崩解相差很大。

[0024] (2)现有的评价软岩崩解性，只是通过耐崩解试验确定软岩耐崩解性指数，进而阐明软岩的长期不稳定性，建议在现有设计与施工中加以重视，而在现场施工过程中存在短期崩解效应，软岩耐崩解性指数不适用于现场施工过程的控制。本发明从崩解机理出发，根据工程实际情况，提出了单面失水的崩解试验方法，本发明能有效地模拟现场软岩崩解短期效应，进而为现场设计与施工提供技术支持。

[0025] (3)本发明所述方法对从现场采集的样留出单面失水面，其余面采用密封材料密封，能够模拟开挖边坡现场岩石的崩解情况。

[0026] (4)本发明所述方法提出了单面崩解深度ΔHd和崩解物级配崩解率DR(D)，全面地描述了崩解的信息，崩解深度反映了整体崩解情况，崩解率反映了崩解物的状态，进而丰富了崩解特性。

附图说明

[0027] 图1为本发明所述单面风干试样示意图。

[0028] 图2为本发明所述崩解物级配耐崩解率DR(D)计算方法示意图。

[0029] 图3为实施例2中所述现场取样示意图。

[0030] 图4为本发明所述实施例3中常规研究性崩解试验浸水10min后试样示意图。

[0031] 图5为本发明所述实施例3中常规研究性崩解试验浸水24h后试样示意图。

[0032] 图6为本发明所述实施例3中本发明所述单面失水崩解试验浸水10min后试样示意图。

[0033] 图7为本发明所述实施例3中本发明所述单面失水崩解试验浸水24h后试样示意图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

[0035] 实施例1

[0036] 一种极软岩单面失水崩解试验方法，包括以下步骤：

[0037] (1)现场取试样，室内削样，规格为大于3.5cm×3.5cm×3.5cm，并用余料测出其初始含水率w0和干密度ρd。

[0038] (2)将试样顶面作为水气交换面，其余面采用密封材料封闭，防止干燥时水分蒸发，同时测试水气交换面的面积A、初始样质量m0S和密封后试样质量m0T，则密封材料质量为m0封＝m0T-m0S，初始试样干质量 单面崩解试样完成；

[0039] (3)将试样放入定向干燥环境内进行风干，定向干燥环境内设置温度15～45℃，湿度<75％，模拟现场自然条件下的风干情况，风干时间设定为1～48h，通过改变风干时间和温度，可以模拟一年四季，不同风干时间下的崩解情况，为工程现场边坡开挖后密封时间的设计与施工提供试验基础。

[0040] (4)风干结束后称取试样总质量m0dT，计算风干前后试样水分变化总质量Δm0w＝m0T-m0dT，计算风干后的含水率变化值 及其风干后含水率w0d＝w0-Δw0d，单面风干试样参照图1。

[0041] (5)将风干后试样放入2mm筛上，水气交换面置上，放入水中自然浸水崩解。观察试验过程并拍照。记录浸水0min，10min，30min，1h及24h等5个阶段崩解现象，24h稳定后，以人工倾倒方式去除上表面崩解物，然后取出剩余试样后低温烘干，打开试样密封材料，确定未崩解试样及密封材料的剩余干总质量m1dT，计算崩解物干质量Δm1ST＝m0dT-m1dT；根据崩解物干质量Δm1ST、干密度ρd等，计算干湿循环后的崩解深度

[0042] (6)将2mm筛上崩解物烘干试样分别经过60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm粒径的标准筛，进行筛分。以大于标准粒径的崩解物质量在崩解物总质量的百分数为纵坐标，粒径为横坐标，在半对数坐标系统上绘制颗粒大小级配曲线，分析崩解过程以及2mm筛上剩余崩解物颗粒组成，根据颗粒大小级配曲线计算崩解率DR(D)，崩解率DR(D)定义为崩解颗粒大小级配曲线面积在级配曲线中崩解物面积的质量百分比，如图2所示，泥质岩级配耐崩解率DR(D)的计算式为

[0043]

[0044] 式中，Area(ebcf)为崩解颗粒大小级配曲线面积；Area(abcd)为级配曲线中崩解物面积。

[0045] 用级配崩解率DR(D)，小于2mm的颗粒认为完全崩解，级配崩解率DR(D)包含的信息更为丰富，综合反映了岩样基本特性。评价泥质岩的崩解进一步丰富了耐崩解特性评价指标信息。

[0046] 实施例2

[0047] (1)引江济淮试验工程里程号K42+040(起点后42040m处)，渠道中部位置，深度12～13m。呈红褐色，密实泥岩。室内制削成方块试样，规格为大于3.5cm×3.5cm×3.5cm，并用余料测出其初始含水率w0＝22.54％和干密度ρd＝1.60g/cm3，现场取样图参见图3。

[0048] (2)本实施例选用了石蜡密封岩块试样表面，作为将方块试样顶面作为水气交换面，其余面采用密封材料封闭，防止干燥时水分蒸发，同时测试水气交换面的面积A(单位：cm2)、初始方块试样质量m0S(单位：g)和密封后方块试样质量m0T(单位：g)，密封材料质量为m0封＝m0T-m0S(单位：g)，初始方块试样干质量 (单位：g)，单面崩解试样完成；

[0049] (3)将方块试样放入定向干燥环境内进行风干，定向干燥环境内设置温度40℃，湿度55％，模拟现场夏季高温气候条件下的风干情况，设风干额定时间td＝1～48h。

[0050] (4)风干结束后测得此时试样总干质量m0dT(单位：g)，计算风干前后试样水分变化总质量Δm0w＝m0T-m0dT(单位：g)，计算风干后的含水率变化值 及其风干后含水率w0d＝w0-Δw0d，单面风干试样参照图1。

[0051] (5)将风干后方块试样放入2mm筛上，水气交换面置上，放入水中自然浸水崩解。观察试验过程并拍照。记录浸水0min，10min，30min，1h及24h等5个阶段崩解现象，24h稳定后，人工倾倒方式去除表面崩解物，然后取出剩余方块试样后低温烘干，去除试样密封材料，确定未崩解试样及密封材料的剩余干总质量m1dT(单位：g)；确定崩解物干质量Δm1ST＝m0dT-m1dT(单位：g)；根据崩解物干质量Δm1ST、干密度ρd和水气交换面的面积A，计算一次干湿过程后的崩解深度 (单位：cm)，不同风干时间下泥岩第一次干湿过程的单面崩解深度值参照表1。

[0052] 表1引江济淮试验工程泥岩第一次干湿过程的单面崩解深度

[0053]

[0054] 试验结论：

[0055] ①本发明所述方法中，软岩单面崩解仅发生在浅层，这与现场软岩崩解情况相当泥岩单面失水的崩解深度在第一次干湿过程中经历12小时干燥作用后遇水崩解深度<0.05cm，达到可以忽略不计软岩崩解的影响。

[0056] ②本发明所述方法可展示现场泥岩的崩解过程，风干后试样因收缩而开裂，浸水后膨胀而使试样松散，碎裂，并伴随崩解脱落。

[0057] ③本发明所述方法能够确定现场的崩解发展规律：随着风干时间的增长，风干程度增大，崩解深度增加。

[0058] (6)将2mm筛上崩解物烘干试样分别经过60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm粒径的标准筛，进行筛分。以大于标准粒径的崩解物质量在崩解物总质量的百分数为纵坐标，粒径为横坐标，在半对数坐标系统上绘制颗粒大小级配曲线，分析崩解过程以及2mm筛上剩余崩解物颗粒组成，根据颗粒大小级配曲线计算崩解率DR(D)，崩解率DR(D)定义为崩解颗粒大小级配曲线面积在级配曲线中崩解物面积的质量百分比，泥质岩级配耐崩解率DR(D)的计算式为[0059]

[0060] 式中，Area(ebcf)为崩解颗粒大小级配曲线面积；Area(abcd)为级配曲线中崩解物面积。

[0061] 如图2所示，泥质岩级配耐崩解率DR(D)的计算式为

[0062]

[0063] 用级配崩解率DR(D)，小于级配颗粒粒径的视为崩解，小于2mm的颗粒认为完全崩解。级配崩解率DR(D)包含的信息更为丰富，综合反映了岩样基本特性。评价泥质岩的崩解进一步丰富了耐崩解特性评价指标信息。

[0064] 实施例3

[0065] 同实施例2，并且增加常规研究性崩解试验作为对比例。

[0066] 对比例中试样采用实施例2中试样，区别在于不采用密封材料封闭，风干条件同实施例2，风干后将试样放入水中自然浸水崩解，记录数据。

[0067] 风干时间为0～48h时，常规研究性崩解试验中试样浸水初期10min时，参照图4，试样即出现明显膨胀现象，试样周围有细颗粒崩解，并且试样四周水开始混蚀；浸水稳定期24h后，参照图5，试样周围堆积有细颗粒崩解物。实施例2中所述试样从浸水初期10min到浸水稳定期24h，参照图6和图7，试样周围均较为清澈，无明显的细颗粒崩解现象，但试样可见明显的膨胀现象。

[0068] 不同风干时间下常规研究性崩解试验结果参照表3，实施例2中所述单面失水崩解试验结果参照表2。表中失水率为试样饱和含水率与风干后试样含水率的差值；崩解度为小于2mm的颗粒与原试样的干重量比。

[0069] 表2泥岩第一次干湿过程的单面失水后的试样崩解度

[0070]

[0071] 表3泥岩第一次干湿过程的常规试验的试样崩解度

[0072]

[0073]

[0074] 试验结论：

[0075] ①泥岩在经历第一次干湿过程后的常规试验试样崩解度明显高于单面失水后的试样崩解度，相差倍数达5～31。

[0076] ②常规试验成果显示，开挖后即使无失水也会存在一定的试样崩解度，失水率愈大，崩解度相应愈大，因此在施工过程中很难预防岩石崩解，这一现象让工程技术人员很恐慌，无法评价现有技术的有效性。

[0077] ③以本发明的试验成果显示，现场软岩处于单面失水状态，其崩解量只是表层的，崩解深度很浅的，而不是常规试验中块体崩解，两者相差很大；新开挖软岩即使经历12小时风干作用，单面失水时崩解度仅为0.92％，可以忽略不计软岩崩解的影响，但常规试验中崩解度达29.02％，影响较大；但随着风干作用时间的增长，崩解量快速增大。因此在设计施工中应控制原岩开挖后的暴露时间，采取防止水分蒸发的工程措施均可达到减小崩解的功效。