初始含水率对饱水泥质粉砂岩性质的影响

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

旱涝急转是指某一地区或流域发生干旱时，突遇集中强降雨的一种自然现象。近年来，因全球气候变暖导致天气系统紊乱，局地异常天气频发，在西南地区曾多次出现“旱涝急转”的特殊天气状况[1]，使岩土体从干旱状态迅速进入饱水状态，这对含黏土矿物较多的岩土体产生较大影响。为了应对这种极端天气，对不同初始含水率下突遇强降雨的地质体强度和稳定性做出评价，针对不同初始含水率下岩土体饱水浸泡物理力学性质的研究显得尤为必要。

目前，研究人员对于水岩作用做了大量研究，特别是对含水敏性黏土矿物较多的岩土体[2-4]。水对岩土体的物理力学性质有着重要的影响。对于含黏土矿物较多的岩土体的水岩作用的研究，主要是对天然状态岩土体在饱水浸泡[5-8]、干湿循环条件下物理力学性质变化规律的研究[9-10]。对于饱水浸泡的研究往往是探究天然岩体物理力学性质随饱水浸泡天数的变化，对不同初始状态下岩体物理力学性质随饱水浸泡天数的研究较少；对于干湿循环的研究往往是在设置干湿条件为完全烘干与饱水浸泡情况下进行循环，单一干湿过程中干的程度、方式和湿的程度的影响尚未完全明晰。本文对不同初始含水率的岩石饱水浸泡物理力学性质开展研究，从另一个角度看，也就是对单一干-湿过程中干过程的温度和程度对干湿循环过程的影响开展研究。

基于以上背景，本文进行了不同初始含水率下泥质粉砂岩的饱水浸泡试验。以初始含水率及其烘干温度为变量，通过岩石单轴压缩试验，研究不同初始含水率下泥质粉砂岩的饱水浸泡力学变化特征；通过纵波波速测量，得到不同初始含水率下泥质粉砂岩饱水后的微观裂隙含量大体情况；将宏观分析与细观分析相结合，共同揭示物理力学变化规律。以上研究旨在为极端气候下滑坡稳定性评价及预警预报等提供理论依据，对防治工程设计具有一定指导意义。

1 岩石试样制备

许多学者对岩土体的水敏性研究大多集中于纯泥岩或黏土矿物含量极高的岩土体，对于含砂量较高的泥质砂岩、泥质粉砂岩研究较少，而川东红层地区分布着大量的泥质粉砂岩，其力学性质对边坡稳定性等往往起着决定性的作用。本文以紫红色泥质粉砂岩为研究对象，试样取自四川省中江县垮梁子典型滑坡附近的人工开挖边坡(见图1(a))[11-13]，位于北纬30°38′6″，东经104°55′38″。取样时选取新鲜完整的岩样，取样后立刻采用保鲜膜包裹，胶带缠绕固定，并用高强度塑料袋收纳，放入垫有缓冲材料(泡沫、柔软植物叶、气泡薄膜等)的纸箱或木箱中运输。试样按直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱试样要求制备，如图1(b)所示。为便于控制试验变量，本文制样时严格控制天然试样重量相差不超过2 g，平均重量约为431.8 g。同时为了减少试样不均匀性对试验的影响，利用弹性纵波波速测试对试样进行了筛选，选取波速大致相同的试样进行试验，同时每组试验设置3个试样。试样的基本物理力学参数见表1。

图1 取样地点及试样Fig.1 Sampling location and sample

矿物成分含量/%蒙脱石伊利石石英斜长石方解石天然纵波波速/(m·s-1)天然密度/(g·cm-3)天然含水率/%天然单轴抗压强度/MPa8.1219.2537.5213.4221.702494.402.326.882.73

2 不同初始含水率下泥质粉砂岩的饱水浸泡试验

2.1 参数选取

首先通过不同烘干温度的烘箱，将岩样烘干到不同的初始含水率，再对不同初始含水率的试样做饱水浸泡处理。其中涉及到烘干温度、初始含水率、饱水浸泡试验条件3个条件。

(1) 烘干温度设置。姜洪涛等[14]对不同地面覆盖层下土体温湿度场进行长期观测，认为最高温度在45℃左右。故本文选取烘干温度为35℃、45℃、55℃，旨在接近自然中伏旱气候下土体温度的同时放大温度对不同初始含水率的泥质粉砂岩饱水浸泡的影响。

(2) 初始含水率设置。唐朝生等[15]认为含黏土矿物的岩土体在不同烘干温度下残余含水量不同，随着温度的升高残余含水率下降。为确定初始含水率的变化梯度，本文通过35℃、45℃、55℃烘干试验，获得了泥质粉砂岩烘干曲线(见图2)。结果发现泥质粉砂岩在35℃烘干下残余含水率约为1.44%，烘干重量下降约为22 g；55℃下残余含水率约为1.18%，烘干重量下降约为23 g，两温度残余含水率相近。因选取试样的天然重量基本一致，所以本文由平均烘干重量下降来控制初始含水率。通过35℃，45℃，55℃烘箱使岩样分别减少0，4，8，12，16 g和22 g来控制初始含水率。初始含水率、烘干平均重量减少和相应烘干时间的对应关系见表2。

图2 泥质粉砂岩烘干曲线Fig.2 Drying curve of argillaceous siltstone

另外，通过观察烘干曲线发现，泥质粉砂岩在35℃下64 h后开始接近恒重，在45℃下36 h后接近恒重，在55℃下27 h后接近恒重。前期失水速率存在较大差异，55℃(2.29 g/h)约是35℃(1.30 g/h)的两倍。

(3) 泥质粉砂岩饱水浸泡试验设计的试验条件主要有试验所用水、试验饱水浸泡条件等。① 试验所用水选用蒸馏水。② 本文为放大初始含水率对泥质粉砂岩饱水物理力学性质的影响，采用无轴压、无侧限处理，水位为恰好淹没试样。③ 王森[5]认为泥岩在饱水浸泡7 d后含水率接近恒定，即接近饱和，由于泥质粉砂岩渗透性大于泥岩，故本文设置饱水浸泡时间为7 d可保证处理后试样达到饱水状态。

表2 初始含水率对照表Tab.2 Contrast table of initial moisture content

2.2 试验方案

首先，通过烘箱依次设置35℃、45℃、55℃烘干温度，分别烘干至6.88%、5.89%、4.90%、3.91%、2.92%和1.44%的初始含水率，以模拟自然中泥质粉砂岩在不同温度下达到不同初始含水率的干旱；冷却至室温，模拟自然中降雨前的降温过程；然后，通过室内饱水浸泡试验浸泡7 d，模拟自然中的强降雨。最后对不同初始含水率下泥质粉砂岩的饱水浸泡试样进行单轴压缩试验和弹性纵波波速测试。单轴压缩试验采用MTS-815液压伺服岩石力学综合试验控制系统，全程采取位移控制，速率为0.1 mm/min。不同初始含水率下岩石饱水浸泡试验方案见图3。

图3 不同初始含水率下岩石饱水浸泡试验设计Fig.3 Design of saturated rock immersion test under different initial water contents

3 试验结果与分析

试验结果与讨论按照不同初始含水率和不同烘干温度(方式)两个变量分别展开论述。

不同初始含水率下岩石饱水浸泡试验后，试样的强度及波速变化曲线见图4，试验数据见表3～5。

图4 不同初始含水率下岩石饱水浸泡后试样的强度及波速变化曲线Fig.4 Strength and wave velocity curves of rock samples soaked in saturated water at different initial water contents

初始含水率/%饱水浸泡7d后含水率/%弹性纵波波速/(m·s-1)单轴抗压强度/MPa强度衰减幅度1/%强度衰减幅度2/%6.887.982692.461.76035.535.897.982481.432.25-27.8417.584.907.982355.812.52-43.187.693.917.982226.922.56-45.456.232.927.982087.281.609.0941.391.447.981787.080.6761.9375.46

表4 45℃烘干温度下不同初始含水率的岩石饱水浸泡后试样的强度及波速试验结果Tab.4 Test results of strength and wave velocity of rock samples with different initial water contents after saturated immersion at 45℃ drying temperature

表5 55℃烘干温度下不同初始含水率的岩石饱水浸泡后试样的强度及波速试验结果Tab.5 Test results of strength and wave velocity of rock samples with different initial water contents after saturated immersion at 55℃ drying temperature

试验数据表中，强度衰减幅度1为相对于天然试样饱水浸泡7 d强度的衰减幅度；强度衰减幅度2为相对于天然强度的衰减幅度。

3.1 初始含水率对物理力学性质的影响

3.1.1单轴抗压强度与初始含水率的关系

由图4、表3～5可知，相同烘干温度下，泥质粉砂岩饱水浸泡7 d后的单轴抗压强度随着初始含水率的降低先小幅度增大后大幅度降低。其中强度的最大值不超过天然试样的单轴抗压强度(2.73 MPa)，最小强度低于天然(未烘干)试样直接饱水浸泡7 d后泥质粉砂岩的单轴抗压强度(1.76 MPa)。天然试样直接饱水浸泡7 d后泥质粉砂岩的单轴抗压强度相较天然强度降低了35.53%左右。具体来说，在烘干温度分别设置为35℃,45℃,55℃时，当初始含水率分别达到3.91%、4.90%和5.89%左右的含水率降幅时得到强度，最大值分别是2.56，2.37 MPa和2.08 MPa，相较天然试样直接饱水浸泡强度分别上升了45.45%、34.66%和18.18%。在初始含水率达到最低值(1.44%含水率降幅)时，得到强度最低值，分别是0.67，0.56 MPa和0.39 MPa，相较天然试样直接饱水浸泡强度分别降低了75.46%、79.49%和85.71%。

3.1.2弹性纵波波速与初始含水率的关系

由试验结果可知，相同烘干温度下，泥质粉砂岩饱水浸泡7 d后的弹性纵波波速随初始含水率的降低总体呈下降趋势。对应单轴抗压强度的上升段的初始含水率，弹性纵波波速呈缓慢下降趋势；对应单轴抗压强度下降段的初始含水率，弹性纵波波速呈快速下降趋势。具体来说，35℃、45℃和55℃烘干温度条件下强度上升段对应的初始含水率为6.88%～3.91%、6.88%～4.90%和6.88%～5.89%。对应35℃、45℃和55℃烘干温度下的强度上升段，弹性纵波波速也分别从2 692.46 m/s降到2 226.92，2 345.83 m/s和2 476.76 m/s；对应35℃、45℃和55℃烘干温度下强度下降段的初始含水率段，即3.91%～1.44%、4.90%～1.44%和5.89%～1.44%，弹性纵波波速呈迅速下降阶段，35℃、45℃和55℃下分别从2 226.92，2 345.83 m/s和2 476.76 m/s降到1 787.08，1 587.57 m/s和1 339.40 m/s。

3.2 烘干温度对物理力学性质的影响

3.2.1单轴抗压强度和烘干温度的关系

由表3～5可知，相同初始含水率条件下，达到初始含水率的烘干温度对试验结果有较大影响。某初始含水率下饱水浸泡7 d后试样的单轴抗压强度随着烘干温度的升高出现下降趋势，烘干温度从35℃上升到55℃所对应的单轴抗压强度依次降低。35℃、45℃和55℃烘干温度所对应的单轴抗压强度的最大值依次降低，分别为2.56，2.37 MPa和2.08 MPa；且达到强度最大值时所对应的初始含水率也依次升高，分别为3.91%、4.90%和5.89%。

3.2.2弹性纵波波速和烘干温度的关系

由试验结果可知，某初始含水率下饱水浸泡7 d后试样的弹性纵波波速随着烘干温度的升高出现下降趋势，烘干温度从35℃上升到55℃所对应的弹性纵波波速依次降低；从35℃,45℃到55℃烘干温度，对应弹性纵波波速下降缓慢段的初始含水率段(与强度上升段基本吻合)依次变短，初始含水率段分别为6.88%～3.91%、6.88%～4.90%和6.88～5.89%。

4 讨 论

4.1 不同初始含水率的影响

随着初始含水率的降低，饱水浸泡后的泥质粉砂岩单轴抗压强度先小幅增加后大幅降低。这与姚远[16]认为的“泥岩在天然状态下直接饱水浸泡后力学性质最差，‘干-湿’的力学性质反而有所恢复”有相吻合的部分。同时也会与Panabokke、Quirk[17]认为的某种初始含水率下的土中形成较多团聚体。这种团聚体具有良好的稳定性，遇水后不会轻易被打破。由此产生了以下看法。

(1) 较高及适中的初始含水率的泥质粉砂岩在饱水浸泡7 d后的强度有所提升，与烘干过程中自由水的逐步减少、弱结合水和毛细水的作用发挥有关。烘干过程中在含水率下降、体积收缩、裂隙产生的同时，自由水被逐步带走、弱结合水、毛细水作用开始生效，导致试样内部结构趋于致密，形成聚合体或者某种稳定结构(见图5)。这种结构会对饱水浸泡初期较快吸水速率的冲击产生抵抗，降低在快速吸水阶段产生的损伤；同时，这种结构的产生和增多可以提升单轴抗压强度，导致整体强度上升。综上，当毛细水和弱结合水的水膜作用、致密稳定结构的抑制作用与饱水浸泡初期较大吸水速率的破坏作用存在最优解时，强度最高。此时，裂隙对强度的影响程度远小于结构致密化的影响。

图5 随初始含水率下降强度上升的内部结构Fig.5 Internal structure schematic diagram of strength increasing with initial water content decreasing

(2) 随初始含水率的降低泥质粉砂岩饱水浸泡7 d后的强度，在达到最大值后强度随初始含水率的降低逐渐降低，并逐步低于天然试样直接饱水浸泡的强度。这与随着初始含水率的逐渐降低，毛细水、弱结合水作用不断减少，导致内部致密结构体的内部粘结和结构体彼此之间的粘结逐步消失有关。毛细水、弱结合水作用的逐步消失，导致烘干过程产生收缩裂隙变多，颗粒更加破碎(见图6)。其次，随着初始含水率的降低，饱水浸泡阶段初期吸水速率变大，同时毛细水变少、弱结合水过少导致抑制新的裂纹生成的能力(抵制变化的能力)变弱，从而导致泥岩胶结的破坏程度更严重。总之，初始吸水速率变大和饱水浸泡初期抑制作用减弱的双重因素导致胶结严重破坏。

图6 随初始含水率下降强度下降的内部结构示意Fig.6 Internal structure diagram of decreasing strength with initial moisture content decreasing

较高及适中的初始含水率对应的弹性纵波波速降幅较小，说明初始含水率较高时，虽然在烘干过程中内部裂隙增多，但幅度有限；较低初始含水率对应的弹性纵波波速降幅较大，说明初始含水率较低时内部裂隙增多的幅度较大。

4.2 烘干温度的影响

低烘干温度组试样在试验后所能达到的强度最大值高于高烘干温度组。这是由于烘干温度越高，岩石在烘干时产生的损伤越大。同时由于烘干速率变大，试样外部不能形成足量的毛细水和团聚体等致密结构，导致对饱水浸泡初期较高吸水速率冲击作用的抵抗能力减小，微裂纹增加。

随着烘干温度的升高，试样强度上升段及波速缓慢下降段对应的初始含水率段变短，较早地到达强度曲线的最大值与波速曲线的转折点。高温度烘干时，试样失水速率较快，而水分子从试样内部转移到外部的速率过大，从而导致试样外部率先丧失毛细水、弱结合水及团聚体等致密结构的作用，从而较早地丧失对饱水浸泡初期较大吸水速率下冲击作用的抵御。

4.3 单轴抗压强度与弹性纵波波速对应关系

弹性纵波在岩体中的传播速度可以反映岩石中的缺陷[18]。同时，纵波在固体中的传播速度比在液体中大。因此，通常认为波速和强度呈正相关关系，相同含水率的同一岩性的试样波速越大，强度一般也越高。但是，本文试验中却出现了较高初始含水率时强度上升、波速下降，波速和强度呈负相关的现象。初步认为是不同工况下内部结构不同导致的结果。邓华锋等[18]认为声波测试无法反映岩石的塑性性质；影响强度的因素除了孔隙、裂隙含量这些因素外，还与试样内部在烘干作用下收缩所产生的结构形态和毛细水、弱结合水含量、位置及其对饱水浸泡的抵御作用有关。饱水浸泡后相同纵波波速的岩样，内部若形成结构较为良好团聚体等结构，则强度较高；即使波速较大的岩样若未形成较为良好的团聚体，其强度仍可能小于具有良好团聚体的试样。

4.4 试验结果适用工况分析

本文以单轴抗压强度作为强度的测试分析手段，能够为地质体的稳定性及地基基础的强度提供一定指导作用，但若采用三轴试验进行测试，将对地质体的稳定性产生更为直接的指导作用。由于缺乏对地质灾害影响深度范围内温度的观测数据，本文仅通过姜洪涛[14]的研究进行烘干温度的选取，仅能反映近地表坡体及地基基础附近的物理力学性质变化，对于深部的情况有待进一步研究。本文关于机制的探讨主要是针对岩块，认为在常见地应力与地质结构下，本文提出的内部机制分析结论原则上是适用的，但对于高地应力等条件有待进一步研究。

5 结 论

(1) 川东红层泥质粉砂岩虽然具有较高的含砂量，但不同初始强度的试样在经历饱水浸泡后其物理力学特性发生显著变化，从而影响了岩土体的稳定性。

(2) 随着初始含水率的下降，泥质粉砂岩饱水浸泡后单轴抗压强度先小幅增加后大幅降低。弹性纵波波速先缓慢下降后迅速下降。强度的最大值和波速的转折点对应相同的初始含水率。

(3) 相同初始含水率下，随着烘干温度的升高，泥质粉砂岩饱水浸泡后强度和波速均呈下降趋势。