广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司 南宁 530023
摘要：炭质泥岩在广西分布广泛，出露的主要地层年代有：泥盆系、石炭系、二叠系、侏罗系及第三系。其是一种特殊类岩土，具有亲水性强，遇水软化，易风化，崩解性强等特点，给工程建设和运营带来极大危害。本文结合广西炭质泥岩分布及工程实例，结合室内试验分析其工程物理特性，为今后类似工程施工提供技术和经验参考。
关键字：炭质泥岩；矿物成分；力学性质；工程特性
1 概述
随着我国改革开放的深入和经济的高速增长，高速公路、铁路、水利等大量工程项目开工建设，在我国广西许多工程项目中出现许多由炭质泥岩引发的工程地质问题，其在地质环境因素影响下（阳光照射、风力、雨水侵蚀等），具有易风化，遇水崩解性强，岩石强度低，矿物成分复杂，植物生长难等特点。同时，因广西属于亚热带气候区，全年降雨量较多，对开挖揭露的炭质泥岩边坡和基础的稳定性造成了巨大危害。因此，针对广西炭质泥岩物理力学性质进行研究和分析，积极探索炭质泥岩地质灾害的防治方法，具有重要意义。
炭质泥岩在广西多处地方均有出露，且地质年代也不尽相同，故其矿物成分和化学成分也不同。本文对广西工程建设中出露的典型炭质泥岩进行对比研究，炭质泥岩在许多地质年代都有产出，而且分布较广，其化学成分及矿物成分也不尽相同。本文对己出露的几处典型的炭质泥岩进行了研究，选取研究对象如下：①广西河池至百色高速公路K1+540高边坡；②广西宜州至柳州高速公路K430高边坡；③广西百色市水利电力枢纽边坡。
2 炭质泥岩的矿物及化学成分
为了解炭质泥岩的矿物成分,对采取的原状土样进行取进行X-射线多矿物衍射试验和在红外分光光度计上对样品进行红外吸收谱分析,分析其化学成分。结果如下表：
表2-1 各工程中炭质泥岩的矿物成分
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由上表可知，根据X-射线衍射试验结果，广西炭质泥岩主要由高岭石、伊利石、蒙脱石、埃洛石、石英等矿物成分组成，不同地域发育的炭质泥岩矿物成分组成和百分含量也不尽相同。粘土矿物是影响岩土工程力学性质的主要因素，其水化学物理特性对岩土体力学性质起控制作用。以上三个工程案例中所采取炭质泥岩岩石样品，从其矿物成分的亲水性和可塑性分析，由强到弱依次为：蒙脱石、伊利石、高岭石。
表2-2 各工程中炭质泥岩的化学成分
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根据对样品进行化学成分分析,分析结果如表3所示，化学成分分析结果和X-射线衍射试验结果对比印证，推断炭质泥岩样品的主要成分为含结构水铝-硅酸盐矿物（Al2Si2O5(OH)4）。
3 炭质泥岩的物理力学性质
河池至百色高速公路中，多处路段出现炭质泥岩，其中K1+540高边坡处炭质含量较高，针对高边坡炭质泥岩采取岩样分析其物理力学性质，分析结果如表2-3。
表3-1 K1+540炭质泥岩泥岩室内试验成果统计表
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图3-1 内聚力与饱水时间关系曲线
炭质泥岩物理力学性质主要取决于其本身物质组成和所处地质环境因素的影响，地质环境因素主要包括地下水、岩石围压、地应力等。在公路工程炭质泥岩路堑边坡项目中，炭质泥岩中粘土矿物的水敏性是影响其力学性质的主要因素，为了进一步认识不同的含水量对炭质泥岩力学性质的影响，分别作出内聚力与饱水时间关系曲线图、内聚力与含水量关系曲线图、摩擦系数与饱水时间关系曲线图及摩擦系数与含水量关系曲线图,见图3-1、图3-2、图3-3及图3-4。
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图3-2摩擦系数与饱水时间关系曲线
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图3-3 内聚力与含水量关系曲线
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图3-4 摩擦系数与含水量关系曲线
根据以上图表数据分析可知炭质泥岩力学特性受水影响的特性：①抗剪断峰值摩擦系数f、抗剪断峰值内聚C随含水量增加而降低。②炭质泥岩在饱水前期,内聚力和摩擦系数下降幅度较大，后期下降幅度逐渐变小。上图结果显示，饱水初期，抗剪强度在单位时间内下降快，前期曲线斜率大于后期。③当炭质泥岩随着饱水时间增加，岩石内部含水量到达一定程度以后，抗剪强度变化量逐渐变小,直线慢慢趋于平缓。
4炭质泥岩的工程特性
在广西各地出露的炭质泥岩中，其物质成分、化学成分及物理力学性质都有所不同，但它们表现出广西炭质泥岩共有的典型岩土工程特性，均属多元层状结构，由非均匀性软硬相间交互形成，其形成的岩体褶皱舒缓，岩石节理密度较小，但节理贯通长度较长，从而使得开挖揭露的岩体破碎，渗透性好。通过工程实例以及相关试验数据分析，广西炭质泥岩工程特性主要表现在以下几方面：
（1）易风化
炭质泥岩由于开挖揭露，使得岩体暴露在大气中，受各种自然因素的作用影响，在较短时间内就发生风化作用，使岩体强度大幅度下降，某些含碳量较多的强风化炭质泥岩甚至会变成液限较高的泥炭土，丧失岩石原本强度。虽然所有的岩石都会风化，但并不是都按同一条路径或同一个速率发生变化，岩石特征、气候和地形条件是控制岩石风化的主要因素。不同的岩石具有不同的矿物组成和结构构造，不同矿物的溶解性差异很大，节理、层理和孔隙的分布状况和矿物的粒度，又决定了岩石的易碎性和表面积。广西炭质泥岩特殊的矿物成分及结构构造，决定了它在空气中易风化的特性。
（2）遇水崩解性强
炭质泥岩微节理通常发育，岩质软，具遇水或曝晒后易崩解的特性，崩解后呈碎裂结构、片状结构，少量呈粉末状。崩解后岩体的力学性质极具下降，对深挖路堑、陡坡路堤及其作为路用材料的稳定性影响极大。
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图4-1炭质泥岩钻孔岩芯（4月19日照）
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图4-2 崩解后的钻孔岩芯（5月24日照）
（3）岩体结构复杂、岩石强度低
炭质泥岩在历史构造运动的作用下，水平岩层间发生错动，形成层间软弱夹层，并在构造应力剪切作用下形成层间剪切带，破坏了原本岩石结构，岩体破碎，岩石节理、裂隙发育，渗透性增强。遭受构造运动破坏后的岩体在漫长的历史变迁中，不断受到到自然因素的影响（雨水侵蚀、风化作用等），岩石强度逐渐下降。炭质泥岩裂隙发育主要集中于层间，常伴随发育两组以上张节理。根据广西各工程项目出露炭质泥岩强度试验数据统计，强风化炭质泥岩强度极低、弱风化炭质泥岩饱和单轴抗压强度5～10MPa、微风化强度约15MPa左右。
（4）活化作用
炭质泥岩活化作用是指原本在自然条件作用下的炭质泥岩处于相对较稳定状态下的炭质泥岩，因人类活动所影响，如边坡开挖、基坑施工等，使得原本稳定的炭质泥岩工程力学性质下降，岩体强度降低的作用。炭质泥岩的物质组成主要有：①碎屑矿物（颗粒粒径＞0.002mm）、黏土矿物（颗粒粒径＜0.002mm）、有机物及无机物（高分散胶结物质），而黏土矿物与水作用能力极强，是其具有活化作用的主要因素。炭质泥岩在干燥～浸水条件下，极易发生活化作用，较为典型的例子是在许多炭质泥岩工程建设中，由于开挖而暴露在空气中的炭质泥岩常有“晴天一把刀，雨天一路泥”的现象。发生该现象主要因为岩体开挖后，暴露于空气中，干燥的炭质泥岩内部结构受到了一定的破坏，在水的作用下，粘土矿物中亲水物质迅速吸水发生膨胀、岩石崩解。据分析，岩体中亲水物质含量越高，其吸水速度增加，岩石内部结构膨胀越剧烈，不断的干湿交替，炭质泥岩内部裂隙逐渐发育、不断增加。
（5）矿物成分复杂，植物生长难
根据对炭质泥岩化学分析可知，炭质泥岩中含炭、硫等元素，而植物生长所需的氮、磷、钾等元素含量较少。通过对河池至百色高速公路线路沿线炭质泥岩边坡进行调查，有植物覆盖的炭质泥岩边坡都是因为第四系坡残积覆盖层较厚的缘故，炭质泥岩在边坡表层出露，通常都不见植被生长，即使是呈岩土状的全、强风化炭质泥岩边坡也不例外。在临近的六合路、隆百路、寨任路二级路等工程实例中的炭质泥岩边坡进行人工铺草不久后都枯萎死亡，分析其原因是因为边坡岩土体缺乏植物生长所需营养成分或受裂隙中岩体浸出液侵蚀所致。
5 结语
通过对炭质泥岩的矿物、化学成分以及物理力学性质试验，结合广西工程实例分析，得出如下主要结论：
（1）广西炭质泥岩主要由高岭石、伊利石、蒙脱石、埃洛石、石英等矿物成分组成，其矿物成分的亲水性和可塑性由强到弱依次为：蒙脱石、伊利石、高岭石。
（2）炭质泥岩抗剪断峰值摩擦系数f、抗剪断峰值内聚C随含水量增加而降低，饱水前期，内聚力和摩擦系数下降幅度较大，后期下降幅度逐渐变小。
（3）岩石风化快、岩体结构复杂且强度低、遇水崩解剧烈、物质成分构成复杂、植物生长难等是广西炭质泥岩的典型特性。
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作者简介：黎艺明（1985-），男，广东吴川人，广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司工程师，主要从事水利水电工程勘测工作。