含水量对细粒沉积岩力学性质及变形特性的影响研究

邹晨阳，陈 芳，叶 霞

(1.江西省水利科学研究院，江西南昌330029；2.江西省水工安全技术研究中心，江西南昌330029)

0 引 言

细粒沉积岩(fine-grained sedimentary rocks)由粒径小于0.062 5 mm的细粒沉积物组成，主要有泥岩、粘土岩、页岩和粉砂岩等。其中，泥岩属于典型原生沉积岩，海相及陆相沉积环境中均可见，且种类繁多，为最常见的工程岩体。L.Müller[1]指出，岩体是由矿物-岩石的固相物质和含于孔隙和裂隙内的液相物质组成。许多研究表明，细粒沉积岩节理裂隙较为发育，裂隙岩体中水-岩体耦合作用对岩石的强度和变形特性有着重大影响[2- 8]。泥岩透水性差，亲水性好，遇水软化膨胀，且岩体节理裂隙发育，给高边坡工程带来许多突出问题，甚至造成滑坡。因此，正确认识水对泥岩物理力学性质的影响机理是科学合理进行高边坡施工的重要前提。

Van Eeckhout[9]发现由于含水量的增加，从干燥条件到饱和状态的页岩强度显著降低，并总结出页岩强度折减的5个过程；Hsu[10]指出白垩系泥页岩的抗压强度与含水量之间有极强的相关性，且含水量大于23%的泥页岩的单轴抗压强度不超过2MPa；Steiger[11]指出干燥的页岩样本的无侧限抗压强度比饱和样大2～10倍；Colback[12]通过试验分析发现，饱和石英质页岩岩样的抗压强度是干燥岩样的一半；黄小兰[13]等针对大庆泥岩，对不同含水量的泥岩进行了力学及蠕变试验，得出考虑含水量变化的泥岩蠕变本构方程，分析其对油田套损的影响；傅晏[14]等通过干湿循环试验，探讨了水岩相互作用对砂岩抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。

然而，这些研究大都停留在对个别特殊沉积岩类的定性分析上，而定量研究含水量对岩石力学变形特性的影响涉及不多。为此，本文以江西某处泥岩高边坡为例，通过试验和回归分析，研究不同含水量3种泥岩(泥板岩、泥页岩、粘土质页岩)的力学性质与变形特性，建立了岩石力学性质和变形特性与含水量之间的相关关系，为复杂的岩土工程设计与施工决策提供科学依据。

1 试验准备

试验样品取自于江西省不同地区二叠纪至三叠纪泥岩，岩性包括泥板岩、泥页岩、粘土质页岩。取出岩芯后进行编号、岩芯鉴定和蜡封处理，然后将岩芯装入特制的岩芯箱，送到试验室进行加工，岩样均按照垂直于层理的方向制备。试验前，把制备好的岩样分成若干组，1组放入烘箱干燥处理，进行干燥状态下的试验；其他组岩样干燥后，放入设定不同温湿度的标准恒温恒湿养护箱，得到试验所需的含水量。岩石的单轴压缩试验采用WKS3000型微机数字控制全自动岩石试验机。

2 含水量对泥岩力学性质的影响

不同含水量3种泥岩的单轴抗压强度见表1。从表1可以看出，随着含水量的增加，泥岩的单轴抗压强度急剧降低；泥板岩从88.589 MPa骤然降到了4.982 MPa，降幅达94.4%；泥页岩从70.085 MPa骤然降到了9.258 MPa，降幅达86.8%；粘土质页岩从76.230 MPa骤然降到了4.650 MPa，降幅达90.0%。即从干燥状态到饱和状态，3种泥岩的抗压强度平均折减了90.4%。由此可见，含水量对岩样的力学损伤直至最后的断裂破坏有明显的影响。

表1 不同含水量3种泥岩的单轴抗压强度

由于3种泥岩的组成成分、结构和构造特征以及固结程度有所不同，岩样的抗压强度降低的速率也有所不同，主要取决于岩石本身饱和含水量、胶结状况、重结晶程度和亲水性粘土矿物含量等。为建立抗压强度与含水量之间的相关关系模型，将所得的试验数据绘制成图1。经回归分析得出3种泥岩的单轴抗压强度与含水量的关系分别为：泥板岩：σc=88.117e-0.452w；泥页岩：σc=78.425e-0.445w；粘土质页岩：σc=64.021e-0.300w。式中，σc为不同含水量泥岩单轴抗压强度；w为含水量。

图1 含水量对泥岩单轴抗压强度的影响

综合3条曲线可以看出，泥岩的单轴抗压强度峰值应力随含水量的增加而下降，且下降速率逐渐减小最后趋于平缓。综合比较可知，下降速率：泥板岩>泥页岩>粘土质页岩。将3组试验数据拟合成1条回归曲线(见图2)，得出泥岩样本(包括泥板岩、泥页岩、粘土质页岩)单轴抗压强度与含水量的通用公式为：σc=79.630e-0.411w；进而得出泥岩单轴抗压强度与含水量的一般公式为：σc=σde-0.411w。式中，σd为干燥状态下泥岩单轴抗压强度。即含水量与泥岩的单轴抗压强度之间近似服从指数关系，利用上式可预测已知干燥状态抗压强度的泥岩在某一含水量条件下的强度。

图2 泥岩的单轴抗压强度与含水量的相关性

3 含水量对泥岩变形特性的影响

为进一步研究含水量对泥岩受力变形直至最后断裂破坏的影响，根据试验结果，绘制出不同含水量泥岩岩样全应力-应变关系曲线(见图3)。从图3可知，泥岩在单轴压缩下形变可大致概括为4个阶段：

第一阶段为压密阶段。岩石受内部微裂隙或孔隙的影响，在外力作用下出现闭合并迅速发生应变。

第三阶段为裂隙扩展阶段。随外力的持续，岩石内部微裂隙继续扩展并产生新的裂缝，应力达到峰值。

第四阶段为破坏阶段。由于应力达到峰值，岩石内部裂缝贯通，导致岩石破坏。干燥状态下，岩石单轴压缩破坏表现为脆性和剪切破坏，强度下降迅速，无明显的残余强度。随着含水量增加，岩石单轴压缩破坏表现为塑性破坏，应力-应变关系较为复杂，有一定的残余强度。

图3 单轴压缩下泥岩全应力-应变关系

含水量对泥岩弹性模量的影响见图4。从图4可知，随着含水量增大，泥岩的弹性模量亦降低。泥板岩弹性模量从6.50 GPa降低到0.50 GPa，降幅达92.3%；泥页岩从6.24 GPa降低到0.47 GPa，降幅达92.5%；粘土质页岩从4.16 GPa降低到0.33 GPa，降幅达92.1%。即从干燥状态到饱和状态，3种泥岩的弹性模量平均折减了92.3%。将3组试验数据拟合成1条回归曲线(见图5)。从图5可以看出，泥岩的弹性模量随含水量增加而下降的趋势可用直线方程来描述，经回归分析，可得两者之间的相关关系为：E=-0.949w+6.432，进而得出泥岩弹性模量与含水量的一般公式为：E=-0.949w+Ed。式中，E不同含水量时泥岩的弹性模量；Ed为干燥状态下泥岩的弹性模量。利用上式可预测已知干燥状态弹性模量的泥岩在某一含水量条件下的弹性模量。

图4 含水量对泥岩弹性模量的影响

图5 泥岩的弹性模量与含水量的相关性

综上所述，随着含水量增加，泥岩的单轴抗压强度和弹性模量均大幅降低。这是由于泥岩内的粘土质矿物(蒙脱石、高岭石等)具有很强的亲水性。当泥岩遇水后，这些矿物遇水软化，弱化了岩石固体骨架的强度；泥岩内部节理裂隙发育，受地下水的浸润渗入，裂隙表面孔隙水压力增大，有效粘聚力和摩擦角度减小；此外，泥岩中含有SiO2，硅氧双键遇水水化断裂生成硅羟基，进一步增加了泥岩的亲水性。这些因素导致泥岩抗压强度迅速降低，应力-应变曲线变缓，弹性模量降低。

4 结 语

本文利用单轴压缩试验对不同含水量的泥岩进行了力学性质及变形特性研究，获得了不同含水量泥岩的单轴抗压强度及全程应力-应变曲线，得出如下结论：

(1)水对泥岩的单轴抗压强度、弹性模量和变形破坏形式都具有显著影响作用。随着含水量的增加，泥岩的单轴抗压强度和弹性模量降低。降低速率受岩石本身物质组成、结构和构造及固结程度等因素的影响。

(2)泥岩中的亲水性粘土矿物遇水软化，SiO2中的硅氧双键水化断裂，节理裂隙中的有效应力因孔隙水压力增高而降低，是导致岩石力学性质劣化的主要因素。

(3)含水量与泥岩的单轴抗压强度之间近似服从指数关系；与泥岩的弹性模量之间近似服从线性关系。利用公式可以预估某一含水量条件下泥岩的单轴抗压强度及弹性模量。

在岩土工程设计施工，特别是遇到泥岩高边坡时，需综合考虑地下水、降雨入渗、裂隙水等因素，才能使工程设计与施工决策更加合理可靠。

参考文献：

[1] MÜLLER L. 岩石力学[M]. 李世平, 译. 北京： 煤炭工业出版社, 1981．

[2] 朱珍德, 郭海庆. 裂隙岩体水力学基础[M]. 北京： 科学出版社, 2007．

[3] 易顺民, 朱珍德. 裂隙岩体损伤力学导论[M]. 北京： 科学出版社, 2005．

[4] 谢和平. 岩石混凝土损伤力学[M].徐州：中国矿业大学出版社, 1990．

[5] 周翠英, 邓毅梅, 谭祥韶, 等. 饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(1)： 33- 38．

[6] 李根, 唐春安, 李连崇. 水岩耦合变形破坏过程及机理研究进展[J]. 力学进展, 2012, 42(5)： 593- 619．

[7] 刘仲秋, 章青. 岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展[J]. 力学进展, 2008, 38(5)： 585- 600．

[8] 汤连生, 王思敬. 水-岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展[J]. 地球科学进展, 1999, 45(5)： 433- 439．

[9] EECKHOUT E M V. The mechanisms of strength reduction due to moisture in coal mine shales[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1976, 13(2)： 61- 67.

[10] HSU S C, NELSON PP. Characterisation of Cretaceous clay shales in North America[C]∥Proceedings of Geotechnical Engineering of Hard Soils and Soft Rocks. Athens: International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1993: 139- 146．

[11] STEIGER R P, LEUNG P K. Predictions of wellbore stability in shale formations at great depth[C]∥Proceedings of the 3rd ISRM-SPE Symposium. Pau: International Society for Rock Mechanics, 1990: 1209- 1218．

[12] COLBACK P, WIID B. The influence of moisture content on the compressive strength of rocks[J]. Geophysics, 1965, 36(2)： 65- 83．

[13] 黄小兰, 杨春和, 刘建军, 等. 不同含水情况下的泥岩蠕变试验及其对油田套损影响研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(S2)： 3477- 3482.

[14] 傅晏, 刘新荣, 张永兴, 等. 水岩相互作用对砂岩单轴强度的影响研究[J]. 水文地质工程地质, 2009, 36(6)： 54- 58．