含水状态对红层软岩力学特性影响机理

邓华锋，方景成，李建林，肖 瑶，周美玲

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002)

含水状态对红层软岩力学特性影响机理

邓华锋，方景成，李建林，肖 瑶，周美玲

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002)

饱水状态下，红层软岩力学特性的劣化直接影响相关工程的变形稳定。考虑干燥、自然和饱水3种状态，对红层软岩抗压和抗拉强度特性、变形破坏特征及微观结构特征进行了比较系统的试验和检测分析。研究表明：① 饱水状态下红层软岩的软化特征明显，破坏时的延性特征更加明显，不同围压下岩样的抗压强度软化系数为0.36～0.65，相对于干燥状态，弹性模量和变形模量逐渐降低分别降低了35.60%～75.53%,44.57%～69.64%，而且围压越小，抗压强度和模量降低趋势越明显;② 相对干燥状态，饱水状态下岩样的黏聚力、内摩擦角分别下降了47.77%和12.68%，岩样的黏聚力对含水状态更为敏感;③ 饱水状态下岩样抗拉强度软化系数为0.40，加载线附近局部破坏特征明显;④ 岩样内部矿物颗粒间泥质胶结物的溶解破坏，伊利石、蒙脱石等黏土矿物吸水膨胀、分解，使得岩体结构由相对密实状态逐渐变得多孔、松散，而且孔隙多被水充填，这些微观结构的改变直接导致了红层软岩力学性质的劣化。

红层软岩;含水状态;劣化;微观孔隙;微观结构

红层软岩作为一类特殊的岩体，遇水易产生膨胀变形，甚至崩解破坏，在各类岩土工程中普遍存在，往往对边坡、坝基以及地下洞室的变形稳定性起着控制性作用[1]。较多学者对红层软岩的物理力学特性进行了理论和试验研究。孙乔宝[2]，万宗礼等[3]对红层软岩结构构造及岩体结构特征进行了分析研究;胡厚田等[4]对中国红层边坡岩体结构类型进行了深入的分析研究，并对红层边坡进行了系统的分类;郭永春等[5]通过研究红层软岩工程参数与岩土体结构的关系，初步建立了红层岩土结构稳定性综合判别标准。KOMINE等[6]通过扫描电镜研究发现，物化型软岩内发育有大量的微孔隙和微裂隙，并对其膨胀性进行了研究;汪亦显等[7-8]对不同浸泡时间的软岩试验样品进行力学参数及双扭试件的亚临界裂纹扩展试验;宋磊等[9]对红层软岩进行了浸水崩解等试验;周翠英等[10]对饱水过程中软岩的力学性质软化过程进行了试验研究;王运生等[11]对四川盆地红层软岩的水-岩作用弱化时效性进行了研究。刘晓明等[12]从微观方面研究了红层软岩的崩解机理，提出了崩解的能量耗散模型;刘长武[13]对软化前后泥岩的物质组成、微观结构变化规律进行了研究，分析了泥岩崩解软化的机理;谭罗荣等[14]对含蒙脱石的黏土岩崩解软化机理进行了研究;ARNOULD等[15]从泥岩的微观结构以及矿物成分两个方面对其崩解原因进行了研究;黄宏伟等[16]对泥岩遇水软化的微观机制进行了分析。

综合上述研究成果来看，红层软岩遇水易软化、膨胀、崩解，岩体物理力学性能降低，但以往的研究中，往往比较单一的分析饱水状态下红层软岩的力学性质劣化，或者从微观角度分析红层软岩的膨胀、崩解机制，很少综合的分析饱水状态对红层软岩力学特性的影响效应及影响机理。因此，笔者对饱水状态下红层软岩的力学特性劣化规律及机理进行综合的研究，为了对比分析，同时考虑自然状态和干燥状态，对3种状态下红层软岩进行三轴压缩和劈裂抗拉试验，分析其抗压和抗拉强度特性及变形破坏特征，并结合SEM分析其微观结构变化特征。

1 试验方案设计

试验用岩样取自三峡库区巴东县某滑坡，埋深10 m左右，微风化，属于三叠系巴东组泥质砂岩。对现场取回的岩块，取芯制备成φ50 mm×100 mm三轴压缩用岩样和φ50 mm×50 mm巴西劈裂用圆盘试样，按照规范要求严格控制试样尺寸精度[17]。同时，为了控制岩样的离散性，根据岩样的纵波波速、密度严格选样[18]，剔除离散性较大的试件。共选取φ50 mm×100 mm和φ50 mm×50 mm规格岩样各20个。

对制备好的岩样，分成3组：一组进行强制真空饱水，一组进行烘干，另外一组保持自然状态。3组岩样分别进行三轴抗压强度试验和巴西劈裂抗拉强度试验，三轴试验设计围压为0,2.5,5.0,10.0 MPa;对自然和饱水状态下岩样进行SEM电镜扫描分析。

三轴抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验在RMT-150C岩石力学试验系统上进行，如图1所示。在三轴抗压强度试验中，先采用应力控制加载至各围压对应的静水压力水平，再采用位移控制加载至岩样破坏，位移速率为0.005 mm/s;在劈裂抗拉强度试验中，采用位移控制方式，加载速率为0.005 mm/s，直至岩样破坏。

图1 试验设备Fig.1 Test equipment figure

2 含水状态对红层软岩抗压特性影响

2.1 含水状态对红层软岩变形特性影响

干燥、自然及饱水状态下，典型岩样的三轴抗压强度试验应力-应变曲线如图2所示。由图2可以看出：

(1) 3种状态下，典型红层软岩试样的应力-应变曲线总体变化趋势基本一致，各种状态下红层软岩的应力-应变曲线总体可分为压密、弹性、塑性屈服、应变软化和残余变形5个阶段。随着围压的增大，应力-应变曲线斜率逐渐增大，峰值强度逐渐提高，峰值后应力跌落的趋势更加缓慢，延性破坏特征更加明显。

(2) 相同围压条件下，从干燥到饱水状态下，岩样的屈服阶段更加明显，峰值强度逐渐降低，峰值应变(峰值强度对应的轴向应变)逐渐增加，应力-应变曲线跌落趋势逐渐变缓，岩样软化特征逐渐明显。

图2 3种状态下典型岩样的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of typical rock specimen in the three states

根据三轴压缩试验应力-应变曲线，对3种状态下岩样的抗压强度、弹性模量(取应力-应变曲线直线线段的斜率)、变形模量(取应力-应变曲线峰值强度50%时对应的割线模量)、黏聚力和内摩擦角等进行了统计分析，见表1。

表13种状态下红层软岩力学参数
Table1Mechanicsparameterslistofredbedweakrockinthethreestates

状态围压σ3/MPa偏应力(σ1-σ3)/MPa峰值应变ε1/%弹性模量Eav/GPa变形模量E50/GPa020351163237168干燥2550631523470330506026163248644210081871769765557014531208175137自然254124158036127550455417763833221006109203848041206351266058051饱水2529671752265158503677209731324510049802554329286

由表2可以看出，相同围压条件下，干燥、自然和初始饱水岩样的抗压强度、弹性模量和变形模量逐渐减小，峰值应变逐渐增大。不同状态下红层软岩各力学参数具体变化趋势如图3，4所示。

图3 3种状态下岩样弹性模量和变形模量随围压变化曲线Fig.3 Elastic modulus and deformation modulus of rock spec- imen in three states change with confining pressure curves

图4 3种状态下岩样峰值应变随围压变化曲线Fig.4 Peak strain of rock specimen in the three states change with confining pressure curve

由图3可以看出，3种状态下岩样的弹性模量和变形模量随围压的增大逐渐增大，且围压从0增大至2.5 MPa时变化比较显著，2.5 MPa以后总体增长趋势减缓。这主要是由于饱水状态下岩样内部具有较多的微裂纹和孔隙，围压较低时，试样内部较大的微裂纹和孔隙闭合使得岩石抵抗变形的能力增强，弹性模量和变形模量增大较快，围压增大时，岩样内部较小的微裂纹也逐渐闭合，使软岩抵抗变形的能力进一步增强，但增长幅度逐渐减缓。

比较而言，饱水状态下，红层软岩的弹性模量和变形模量降低趋势非常明显，相对自然状态，分别降低了18.28%～66.86%,23.91%～62.77%，相对干燥状态，分别降低了35.60%～75.53%,44.57%～69.64%，而且，围压越小，降低趋势越明显。

不同状态岩样峰值应变与围压的关系曲线如图4所示。由图4可以看出，相同围压时，饱水状态试样的峰值应变要大于自然及干燥状态试样的峰值应变，而且围压越大，这种差别越明显，单轴作用时，自然及饱水状态岩样的峰值应变相对于干燥状态增大了3.87%和8.86%，2.5 MPa围压时，增大了3.74%和15.04%，5.0 MPa围压时，增大了8.82%和28.49%，10.0 MPa围压时，增大了15.21%和44.38%。分析主要是由于红层软岩富含大量亲水矿物和黏土矿物，遇水后，岩样软化特征明显，同时，黏土矿物遇水后膨胀，岩样内部微观裂纹、孔隙增大，单轴状态下容易破坏，三轴状态下，由于围压对侧向变形的约束，岩样的孔隙、裂隙压密现象明显，变形量明显增大。

2.2 含水状态对红层软岩抗压强度影响

图5 3种状态下红层软岩抗压强度与围压的关系曲线Fig.5 Compressive strength of red bed weak rock in the three states and confining pressure curve

3种状态岩样抗压强度与围压的关系曲线如图5所示。由图5可以看出，水对红层软岩的软化作用明显，相对于干燥状态，自然和饱水状态下岩样的强度明显降低，自然状态下不同围压岩样的软化系数为0.71～0.85，饱水状态下为0.36～0.65，围压越低，饱水状态下的强度降低趋势越明显。

当围压增大时，3种状态下岩样的强度逐渐增大，干燥状态下，当围压从0增大到10 MPa时，抗压强度从20.35 MPa增加到了91.87 MPa，增大了3.51倍，自然和饱水状态下分别增大了4.37倍和7.13倍，说明饱水状态下岩样抗压强度的围压效应非常显著，这主要于水的作用使软岩中亲水矿物溶解或膨胀，使得岩样内部的微裂纹和孔隙更加发育，而围压侧向约束作用下促进了这些微裂纹和孔隙的闭合，因此，含水岩样在单轴作用下强度很小，但随围压的增大，强度增幅明显。

根据摩尔库伦准则计算出不同状态下红层软岩的黏聚力、内摩擦角，见表2。由表2可以看出，干燥状态红层软岩的黏聚力和内摩擦角明显大于自然及饱水状态，比较而言，相对干燥状态，自然状态下岩样的黏聚力、内摩擦角分别下降了21.67%和5.16%，饱水状态下分别下降了47.77%和12.68%，含水状态对岩样黏聚力影响的更为显著。

表23种状态下红层软岩黏聚力和内摩擦角
Table2Cohesiveforceandangleofinternalfrictionofspecimeninthethreestates

状态黏聚力/MPa内摩擦角/(°)干燥54184788自然42444541饱水28304181

2.3 含水状态对红层软岩破坏特征影响

干燥、自然及饱水状态下，典型红层软岩试样三轴试验破坏照片及裂纹展开如图6所示，图6中粗实线代表贯通的或张开度较大的主裂纹，细实线为次生微裂纹。

由图6可以看出，单轴压缩作用下，岩样以张拉和张剪破坏为主，存在较多次生裂纹，岩样破碎程度比较严重;三轴压缩作用下，岩样以剪切破坏为主，伴随部分张拉裂纹。

图6 3种状态岩样三轴试验破坏形态及裂纹展开图Fig.6 Triaxial test failure pattern and the crack expansion plan of rock specimen in the three states

比较而言，干燥状态下破坏试样有多个共轭剪切面，主裂纹大多起于试样的一个端面而止于试样的另一个端面，主裂纹周围伴有大量次生张拉裂纹;自然状态试样的破碎程度明显低于干燥状态;饱水状态下，岩样的控制性破坏裂纹较少，呈贯穿性发展，次生裂纹较少，破坏岩样的破碎程度低，破坏面完整度较高。

3 含水状态对红层软岩抗拉性能影响

干燥、自然和饱水状态下红层软岩的劈裂抗拉强度见表3。由表3可以看出，相对于干燥状态，自然和饱水状态岩样抗拉强度软化系数分别为0.58和0.40，总体小于抗压强度的软化系数。

干燥、自然和饱水状态下红层软岩劈裂破坏照片如图7所示。

由图7可以看出，试样在干燥及自然状态下基本沿直径方向破坏，破裂面垂直贯通、平整;饱水状态下，破裂面相对比较平直，但是岩样在线荷载位置存在局部小范围的破碎，形成V字形缺口，在破裂面两侧出现损伤破碎带，局部小块体散落比较明显，岩样端部存在局部脱落现象，说明红层软岩在饱水状态下逐渐松散。

表33种状态下红层软岩的抗拉强度
Table3Tensilestrengthofspecimeninthethreestates

状态编号抗拉强度/MPa均值/MPaGP-1405干燥GP-2343359GP-3328ZP-1209自然ZP-2212208ZP-3203BP1-1151饱水BP1-2142144BP1-3138

图7 3种状态岩样劈裂破坏形态Fig.7 Splitting failure pattern of rock specimen in the three states

4 含水状态对红层软岩力学特性影响机理分析

岩石的水理性质与岩石的矿物成分和微观结构密切相关，为了分析红层软岩在饱水状态下力学特性的劣化机理，特进行了相关的检测分析。岩样的X射线衍射矿物分析谱如图8所示，矿物成分以石英和长石为主，其次为蒙脱石、伊利石、绿泥石等黏土矿物，胶结物以泥质胶结为主，局部钙质胶结，孔隙率为13.54%。具体矿物成分及含量(质量分数)见表4。

由表4可看出，岩样中的黏土矿物成分以蒙脱石为主，伊利石和绿泥石次之。其中，蒙脱石属于单斜晶体[19]，由两层硅氧四面体片夹一层铝(或者镁)氧八面体片构成，晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距C=0.96～4.0 nm;伊利石的晶体也属于单斜晶系[16]，由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成，也属于2∶1型结构单元层，晶层间引力以静电力为主，引力较强，晶层间距C=1 nm。

图8 岩样X射线粉晶衍射谱Fig.8 X-ray powder diffraction spectrum of rock specimen

岩样中的石英、长石、方解石和白云石等粗颗粒矿物，与黏土矿物混合黏结在一起形成了矿物颗粒骨架。在饱水过程中，水分子容易渗入到黏土矿物颗粒之间，形成极化的水分子层，颗粒间的泥质胶结逐渐溶解破坏。蒙脱石、伊利石等黏土矿物亲水性较强，矿物颗粒较小，而且，蒙脱石和伊利石晶体结构在c轴方向的连接力较小，由于水分子是一种极性分子，在饱水过程中，很容易侵入到晶体结构的层间域中，形成水化膜，导致晶层间距沿c轴方向大大增加，进而使得蒙脱石和伊利石矿物大幅度膨胀[16,19]，研究表明:蒙脱石饱水状态下的膨胀量为30%～40%[20]，伊利石为50%～60%[21]。由于其膨胀变形往往是不均匀的，局部应力集中明显，从而产生大量的微观裂纹、孔隙，最终导致黏土矿物颗粒的分解。

为了直观分析饱水状态对红层软岩微观结构的影响，对原状岩样和饱水状态岩样进行了扫描电镜分析，典型SEM[22-23]照片如图9,10所示。

图9 原状样典型SEM照片Fig.9 Typical SEM photos of rock specimen in original state

图10 饱水状态下典型SEM照片Fig.10 Typical SEM photos of rock specimen in saturated state

由图9可以看出，红层软岩有由不同角度的片状颗粒结构胶结而成，矿物颗粒棱角分明，多为不规则多边形，颗粒表面平直光滑;矿物颗粒结构排列比较规则，轮廓界限清晰明显，颗粒之间以面-面、面-边接触为主，存在部分微小裂隙;片理状结构规则发育。

由图10可以看出，饱水状态下，由于泥质胶结物的溶蚀、溶解和黏土矿物的吸水膨胀，呈现明显的絮状结构，矿物颗粒间的界面变得模糊，微裂缝宽度减小，图10(d)可见片状黏土颗粒吸水膨胀，将矿物颗粒间缝隙充填的现象;片状黏土矿物软化、剥落比较明显，剥落物分解成小的絮状颗粒，呈近似圆形，附着在大的矿物颗粒表面;由于黏土颗粒吸水导致的不均匀膨胀，部分大颗粒出现明显裂纹，逐渐分解为小颗粒，矿物颗粒间出现了较多裂纹、孔隙，呈不均匀形式分布。宏观上，由于黏土矿物吸水之后导致的不均匀膨胀，部分岩样在饱水过程中产生了明显的裂纹和局部崩解现象，如图11所示。

图11 饱水状态下典型岩样局部裂纹、崩解照片Fig.11 Local crack and collapse photos of typical rock specimen in saturated state

综合前面的微观结构变化特征，在饱水状态下，矿物颗粒之间的接触逐渐变为边-角接触和点-面接触，总体结构逐渐趋于多孔、松散，微观裂纹、裂隙明显增多，而且孔隙多被水充填。在三轴压缩情况下，岩样压密阶段的变形和峰值应变明显增大，弹性模量和变形模量明显降低，对应的抗压强度和抗拉强度明显降低。这也可以较好的解释了前述3种状态下红层软岩的力学特性变化规律。

5 结 论

(1)干燥、自然及饱水状态下，红层软岩的抗压强度逐渐降低，饱水状态下不同围压岩样的软化系数为0.36～0.65，围压越低，抗压强度降低趋势越明显;应力达到峰值时对应的应变逐渐增加，屈服阶段更加明显，弹性模量和变形模量逐渐降低，岩样破坏时的裂纹逐渐减少，应力跌落趋势更加平缓，岩样软化特征明显。

(2)干燥、自然及饱水状态下，红层软岩的黏聚力、内摩擦角劣化趋势也非常明显。相对干燥状态，饱水状态下岩样的黏聚力、内摩擦角分别下降了47.77%和12.68%，红层软岩的黏聚力对含水状态更为敏感。

(3)自然和饱水状态岩样抗拉强度软化系数分别为0.58和0.40，而且，饱水状态下，加载线附近局部破坏明显，出现V字形缺口，在破裂面两侧出现损伤破碎带。

(4)饱水状态下，矿物颗粒间泥质胶结物的溶解破坏，伊利石、蒙脱石等黏土矿物吸水膨胀、分解，导致了岩样微观裂纹、孔隙增加，岩体结构由相对密实状态逐渐变得多孔、松散，而且孔隙多被水充填，进而导致红层软岩力学性质的劣化。

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Mechanicalpropertiesofred-bedsoftrockonsaturatedstate

DENG Huafeng,FANG Jingcheng,LI Jianlin,XIAO Yao,ZHOU Meiling

(KeyLaboratoryofGeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirArea,MinistryofEducation,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002，China)

The degradation of the mechanical characteristics of red bed weak rock at saturated state directly affects the deformation stability of the related engineering structure.The characteristics of compressive strength and tensile strength,and deformation and failure characteristics and microstructure characteristics of red bed weak rock were tested and the test analysis systematically considered the drying,natural and saturated state.The results are as follows:① Softening characteristics of red bed weak rocks at saturated state were significant and the ductility features of failure were more obvious.The softening coefficient of compressive strength of rock specimens under different confining pressures was 0.36-0.65.The elastic modulus and deformation modulus decreased gradually and was reduced by 35.60%-75.53%,44.57%-69.64% respectively relative to the dry state.Also,the smaller the confining pressure was,the more obviously compressive strength and modulus decreased.② The cohesive force and internal friction angle of rock specimen at saturated state fell 47.77% and 12.68% respectively relative to the dry state,and the cohesive force was more sensitive to the moisture state of rock specimen.③ The softening coefficient of tensile strength of rock specimens at saturated state was 0.40,and the characteristic of the local failure near load line was particularly obvious.④ Because of the dissolution damage of argillaceous cement among the mineral particles of the rock specimens and the swell and decomposition of clay minerals such as illite and montmorillonite,rock mass structure changed from dense state to porous and loose state gradually and the pores were filled by water.The microstructure change directly led to the degradation of the mechanical properties of red bed weak rock.

red-bed soft rock;saturated state;degradation;microscopic pore;microstructure

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1735

TD313

:A

:0253-9993(2017)08-1994-09

国家自然科学基金资助项目(51679127);国家自然科学基金重点资助项目(51439003);水利部公益基金资助项目(201401029)

邓华锋(1979—)，男，湖北宜都人，教授，博士。E-mail：dhf8010@ctgu.edu.cn

邓华锋，方景成，李建林，等.含水状态对红层软岩力学特性影响机理[J].煤炭学报,2017,42(8):1994-2002.

DENG Huafeng,FANG Jingcheng,LI Jianlin,et al.Mechanical properties of red-bed soft rock on saturated state[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1994-2002.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1735