干湿循环对强风化泥岩崩解与强度特性的影响

罗 琼

(1.四川建筑职业技术学院土木工程系，德阳 618000；2.重庆大学土木工程学院，重庆 400030)

0 引 言

八盘峡水库位于甘肃省兰州市黄河上游的最西端，是黄河中上游流域的一个重要水利枢纽[1]。泥岩广泛分布于该库区的边坡内部，强风化泥岩由于特殊的矿物成分和孔隙结构，水敏性较强，在水力作用下易发生崩解软化现象[2-3]。由于库区的季节性降水和地下水位的反复波动，边坡的强风化泥岩始终处于吸湿和脱湿的循环状态。由于水对泥岩工程性质的劣化效应影响非常明显，岩石受反复干湿循环作用而引起的软化、崩解导致强度显著地降低,严重影响边坡的稳定性[4]。因此，为减少库区岩质边坡发生滑塌失稳等工程灾害，有必要全面深入地研究在经历反复干湿循环状态下泥岩的崩解性与强度变化特征。

当前，一些学者已就泥岩浸水后的崩解特性劣化规律开展了相应研究。如梁越等[5]分析了泥岩在遇水崩解过程中颗粒结构特征的变化，发现岩样的干湿循环次数越多，颗粒离散程度也相对越强。申培武等[6]通过室内崩解对泥岩受干湿循环的影响进行测试，得出了泥岩崩解速率与干湿循环次数的相关性。王亚坤等[7]通过对软岩开展干湿循环后的三轴剪切试验，深入分析了软岩在水的作用下发生强度软化的内在机理。前人的研究主要集中于对岩土体强度软化、崩解试验结果规律进行总结[8-9]，而就干湿循环对岩石崩解程度和强度弱化程度进行量化表征的研究比较少见，尤其是对三轴应力状态下随循环次数增加的强度劣化规律的认识还需要深化[10-11]。

本文对强风化泥岩的崩解特征和强度特性在不同干湿循环次数下的变化规律开展研究，重点对泥岩崩解程度和强度指标受干湿循环影响程度的量化指标进行了分析,以期加深对强风化泥岩对水敏感性的认识。

2 实 验

2.1 试验岩样

试验的泥岩采用甘肃省兰州市八盘峡水库边坡的泥岩，该岩样呈黄褐色的块状构造，经长期沉积而形成，岩体内部富含黏土矿物。采用现场切样和钻探取样，封装完成后运回实验室。

图1 泥岩试样的XRD谱Fig.1 XRD pattern of mudstone samples

采用日本理学公司生产的XRD-MiniFlex600型X射线衍射测试仪对试样进行XRD定量物相成分分析，结果如图1所示，试样中石英含量为24.4%、长石含量为28.6%、高岭土含量24.6%、伊利石含量13.2%、方解石含量7.4%以及微量赤铁矿含量1.8%。为了研究岩石微观结构以及组成成分的尺寸大小、分布及几何形态，对岩石试样开展铸体薄片试验。根据SY/T 6103—2004《岩石孔隙结构特征的测定图像分析法》行业规范中的操作方法进行实验，采用的是STX-603型薄片测厚仪进行切片观察，结果如图2所示。可以看出由高岭土及伊利石组成的黏土矿物大量填充在泥岩中，石英分布广泛，且石英颗粒的尺寸较大；长石、方解石和赤铁矿在黏土矿物中的分布比较离散。采用日本尼康公司生产的JCM-6000型扫描电子显微镜开展岩石的SEM试验(见图3)，发现在300倍放大倍数下，泥岩试样的孔隙比较发育，此性质为泥岩的吸水软化提供了入渗条件[12]。

图2 泥岩试样的铸体薄片扫描图Fig.2 Casting thin sections image of mudstone samples

图3 泥岩试样的SEM照片Fig.3 SEM image of mudstone specimen

2.2 试验方法

2.2.1 干湿循环处理

图4 干湿循环过程中的岩样状态Fig.4 Dried rock samples after different immersion times

崩解试验中利用喷雾器对强风化泥岩进行吸湿处理，每隔1 h向如图4(a)所示的天然泥岩喷淋蒸馏水，当泥岩的质量不再变化时，表明试样充分吸水，加湿过程结束，得到如图4(b)所示的吸湿状态试样[13]。利用恒温恒湿箱在40 ℃温度下进行干燥脱湿过程。当脱湿过程中质量变化低于0.05 g/h时，表明脱湿过程结束，得到如图4(c)所示的脱湿状态试样。上述环节为1次干湿循环，崩解试验采用不规则形状的岩块，力学测试采用标准圆柱状岩芯样。三轴压缩试验中采用抽气饱和法进行吸湿试验，将直径38 mm，高度80 mm的圆芯样安装在饱和器中，设置抽气饱和时间为48 h。

2.2.2 崩解试验

为了研究浸水时程对泥岩试样结构完整性的影响，设计了泥岩的崩解试验[13]。首先均匀选取若干块天然岩样，装入敞口容器中，称量岩块总重(总质量约为1 kg)；将装有岩样的容器放在电子秤上并置于烘箱中，设置环境的温度为105 ℃，相对湿度为15%，持续干燥直至观察到的试样质量变化小于0.02 g/h，认为此时岩石完全干燥；然后将容器拿出，至于环境温度为25 ℃，相对湿度为70%的实验室环境中，向容器内注入蒸馏水，并观察浸水过程中岩块的形态变化。开始10 min内每隔2 min将容器中的水倒出，对岩块进行拍照记录，10～60 min内每隔10 min将容器中的水倒出，对岩块进行拍照记录，1～4 h内每隔30 min将容器中的水倒出，对岩块进行拍照记录。直至4 h后岩体的形态发生完全崩解。

每次崩解试验完成后用0.1 mm规格的筛子分离崩解物并记录质量，根据如公式(1)所示的崩解率计算公式量化表征岩体的崩解性。

(1)

式中，Bt表示t次循环后的泥岩崩解率(%)；mt与m0分别为t次循环后泥岩崩解物质量(g)和初始泥岩质量(g)。

2.2.3 强度试验

本文利用伺服式三轴压缩试验系统对泥岩开展强度试验,测试仪器来自天津莱博特公司生产的YSD-I型伺服液压岩石三轴测试仪。用于三轴剪切试验的样品为直径38 mm,高度80 mm的圆柱体。

在进行三轴试验时，首先将试样安装在三轴压力室的底座上，再向腔内注满水，然后对试样进行围压的加载，围压级别设计为50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，控制围压加载速率为50 kPa/min，待固结围压保持稳定后进行轴向加压，使得试样发生剪切。剪切过程中采用轴向应变控制式的加载方式，轴向变形的加载速率设置为0.02 mm/min，持续剪切直至泥岩试样发生破坏。对泥岩试验进行不同次数的干湿循环处理后，通过三轴压缩试验得到了泥岩试样在不同围压级别下应力-应变关系曲线。

3 结果与讨论

3.1 崩解试验结果分析

图5所示的是泥岩在崩解试验过程中的岩石形态图，可以看出强风化泥岩在天然状态下保持较好的结构完整性，但水入渗后后会发生明显的吸水膨胀现象，使得岩体结构由整体崩解为若干分散体。并且，由图5可以看出经过崩解试验后的岩块分散程度随着循环次数的增加而逐渐上升。经过0～4次干湿循环过程的岩块的碎屑化程度较低，4次以上干湿循环后的岩体碎屑化程度明显提高。

根据公式(1)所示的崩解率公式量化表征岩体的崩解程度。经过计算得到不同干湿循环次数下的崩解率曲线如图6所示。从图6可以看出泥岩试样的崩解率与干湿循环次数始终保持正相关的相关性，且崩解率上升速度随循环次数增加保持先慢后快的特点。0次干湿循环后的泥岩崩解率仅为12%，经过12次干湿循环后，崩解率上升至65%左右，并且在2～8次干湿循环过程中，泥岩的崩解率Bt基本呈线性增长的趋势。

3.2 三轴试验结果

本文共对4组不同冻融循环次数的泥岩开展试验，进行力学试验前对共16个样品对试样进行称重，结果如表1所示。可以看出随着干湿循环的进行，泥岩试样的质量有所降低，说明干湿循环对泥岩存在一定损伤作用，使得泥岩内部和表面的物质有所流失。

图5 不同干湿循环次数岩样的崩解状态Fig.5 Dried rock samples after different dry-wet cycles

图6 不同干湿循环次数岩样的崩解率Fig.6 Disintegration rate of samples after different dry-wet cycles

表1 不同干湿循环下泥岩的质量Table 1 The mass of mudstones under different dry-wet cycles /g

以干湿循环次数为0次、4次、8次和12次的泥岩三轴试验结果为例，将泥岩试样的应力-应变曲线绘制在图7(a)～(d)中，可以看出不同围压下泥岩的应力-应变曲线均保持为硬化型曲线。根据曲线变化趋势可被划分成3个不同的阶段[14]。

(1)线弹性变形阶段。泥岩在开始受到轴向载荷作用后，随轴向压力逐渐增加，泥岩应力呈线性增长。此阶段岩石的微裂隙逐渐压密闭合，试样没有明显破坏现象，应力应变关系符合线弹性本构关系。

(2)弹塑性变形阶段。泥岩在经过线弹性变形阶段后，应力增长速率明显下降，此阶段次生裂隙开始发展，结构损伤逐渐累积，岩石不仅发生弹性变形，也同时发生塑性变形。应力应变关系为弹塑性关系。

(3)应变硬化阶段。泥岩发生弹塑性变形后，轴向应力随应变发展而缓慢增长，岩石内部结构发生破坏。此阶段泥岩内部结构的损伤逐渐累积，微裂隙不断扩展并释放大量结构势能。

图7 不同干湿循环下泥岩的应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of mudstone in different cycles

从不同干湿循环次数下试样的三轴压缩应力-应变曲线可以看出干湿循环的初始损伤程度对泥岩试样的力学特性存在显著影响。相对于0次循环的试样，经过干湿循环的试样强度值出现明显下降趋势，且随循环次数增加而不断下降。说明泥岩试样经水的反复入渗和蒸发作用后，强度有所衰减。其原因主要是在浸水过程中，水分子不断渗透进入泥岩内部的微观结构形成水膜的润滑作用，使得泥岩内部矿物颗粒的结构强度被削弱，颗粒间的摩擦咬合力也减小。脱湿过程中，泥岩内部裂隙在水分蒸发的膨胀力作用下逐渐扩展并连通，连通裂隙形成了入渗通道，使得下一次水入渗的微观冲击效应逐渐加深，并在泥岩的裂隙面上产生不均匀应力集中现象，导致颗粒间裂隙规模不断扩大，进一步增加了试样的损伤程度[15]。

3.3 泥岩的强度软化现象分析

图8 泥岩的摩尔-库伦关系示意图Fig.8 Triaxial Moore-Coulomb diagram of mudstone

由摩尔-库伦准则可以从不同围压的应力应变莫尔圆和包络线获取岩土体的内聚力与内摩擦角。包络线的截距为内聚力c,斜率为内摩擦角φ的正切值。图8所示的是0次循环状态下泥岩的莫尔圆和包络线，通过计算得到其内聚力为105.5 kPa,内摩擦角为35.7°。同理，按照摩尔库伦准则计算不同干湿循环的泥岩内聚力和内摩擦角，所得结果如表2所示。

笔者利用相同围压下的内聚力与内摩擦角作为弱化系数的变量计算泥岩的强度弱化系数D，以此分析不同围压下泥岩浸水不同时间后的软化程度，从如表2所示的粘聚力和内摩擦角计算弱化系数，计算式如公式(2)所示。

(2)

式中，I表示抗剪强度指标内聚力c或内摩擦角φ；I0为初始试样的强度指标；t为循环次数；D为弱化系数。

表2 不同干湿循环次数下泥岩的强度指标Table 2 Strength index of mudstone under different dry-wet cycles

图9 不同干湿循环次数下的强度弱化系数Fig.9 Softening coefficient under different dry-wet cycles

弱化系数D越大表示试样干湿循环后损伤程度越高。从图9可以看出，随着循环次数增长，泥岩试样的弱化系数不断增加，且增长速率随时间逐渐减小，说明损伤程度累积到一定程度后趋于稳定[15]。对弱化系数和干湿循环次数的数据进行数理分析，得到弱化系数与浸水时间近似保持对数关系，且内聚力的弱化系数增加幅度明显比内摩擦角的弱化系数大，说明内聚力对干湿循环损伤程度的敏感性强于内摩擦角。研究结果表明强风化泥岩明显受到干湿循环的影响，在实际的边坡工程中，应认识到降雨入渗和水分蒸发对于泥岩的影响，加强对泥岩边坡坡面开展相关的防护工作[16]。

4 结 论

(1)对强风化泥岩进行不同次数的干湿循环处理后开展崩解试验，发现经过0～4次干湿循环过程的岩块的碎屑化程度较低，4次干湿循环后的岩体碎屑化程度明显提高。崩解率与干湿循环次数始终保持上升趋势，且上升速度随循环次数增加保持前期与后期较慢，中期较快的特点。

(2)不同干湿循环次数下的泥岩在50～200 kPa围压下三轴压缩应力-应变曲线均呈硬化型曲线，可以划分成线弹性、弹塑性变形和破坏后硬化3个典型阶段。

(3)通过不同干湿循环次数下泥岩试样的内聚力和内摩擦角数据计算了强度指标的弱化系数，发现随干湿循环次数的增加，泥岩的弱化系数逐渐增长，增长速率趋于减小，且内聚力受循环次数影响程度大于内摩擦角。