三峡库区巴东组红层泥岩崩解和强度弱化特性研究

邬斌杰,徐光黎,,刘 维

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉) 地质调查研究院,湖北 武汉 430074)

侏罗系巴东组红层软岩广泛分布于三峡库区，因其与水反应后表现出较强的崩解和强度弱化特性而经常以块体的形式出露并被归为致灾地层[1-3]。分布于红层软岩区的堆积层滑坡，如白水河滑坡、八字门滑坡等[4]，均受红层软岩块体崩解和强度弱化的影响。红层软岩堆积块体在连续性降雨、暴雨和库水位升降条件下有不断崩解、弱化的趋势，导致红层软岩的强度存在不同程度的弱化，进而造成滑坡稳定性有不同程度的降低，这给附近居民和建筑物带来了极大的安全隐患。因此，开展三峡库区侏罗系巴东组红层软岩堆积块体崩解和强度弱化特性的研究，可为红层软岩区内堆积层滑坡的稳定性分析和防治工作提供一定的参考依据。

耐崩解试验和干湿循环试验是开展软岩块体崩解特性研究的基本方法，一些学者为此开展了大量的工作。如Franklin等[5]提出通过耐崩解试验来计算软岩的耐崩解指数，进而评价软岩的易崩解程度，并据此将软岩分为极易崩解、非常易崩解、易崩解、中等崩解、不易崩解和非常不易崩解六类，该方法为软岩工程性质的快速分类提供了一种便捷的途径。此外，为了满足不同工况的需求，Gautam等[6]和Fereidooni等[7]对比研究了软岩块体在室内环境、酸性环境和天然气候下的崩解特性。然而随着研究的深入，越来越多的学者发现使用耐崩解指数来评价软岩的崩解特性具有一定的局限性，即传统的耐崩解指数由试样经历耐崩解试验(两次干湿循环)后计算得到，并不能代表软岩的长期崩解特征，而通过干湿循环试验来评价软岩的崩解特性更为可靠[8-9]。因此，一些学者尝试通过干湿循环试验从能量、块体形态、波速和分形等方面来进一步量化软岩的崩解特性。如Sharma等[10]研究了软岩崩解过程中耗散能和P波波速的变化特征，并指出其可以很好地应用于软岩的崩解程度评价；Shen等[2]研究了崩解过程中软岩块体的形态和分形特征，发现软岩的崩解过程与圆形度和分形维数有很好的对应关系；刘晓明等[11]、潘艺等[12]和Kolay等[13]在软岩崩解特性的量化评价方面也开展了系统的研究，并取得了一些有意义的成果。另外，在对软岩块体的稳定性进行评价时不可避免地会涉及到岩石的强度参数，由于软岩的强度参数一般较难测得，且力学试验耗时而昂贵，一些研究者尝试通过耐崩解系数等特征参数来估算软岩的力学参数。如Sharma等[14]直接通过耐崩解指数来估算软岩的单轴抗压强度；Khanlari等[15]和Hajdarwish等[16]基于耐崩解指数采用神经网络方法来预测软岩的抗剪强度参数；Ghasem等[17]采用模型树方法来估算软岩的杨氏模量和单轴抗压强度。

尽管一些学者在软岩的崩解特性和强度预测方面开展了大量的研究，但这些研究很少能直接测试得到不规则软岩块体的强度参数，也未对软岩块体崩解过程中强度参数的弱化机理做相应的分析。因此，本文以三峡库区巴东组红层泥岩块体为研究对象，通过干湿循环试验、点荷载强度试验和颗粒直剪试验研究了干湿循环试验过程中红层泥岩块体点荷载强度、单轴抗压及抗拉强度的变化特征，并进一步分析了红层泥岩块体抗剪强度参数的弱化规律，以期为软岩区内堆积块体的稳定性评价提供参考。

1 研究思路与方法

1. 1 研究的技术路线

三峡库区巴东组红层泥岩崩解和强度弱化特性研究的技术路线，见图1。

图1 三峡库区巴东组红层泥岩块体的崩解和强度弱化 特性研究的技术路线Fig.1 Technological route of the study on the disinte- gration and strength weakening characteristics of red-bed mudstone in Badong Formation in the Three Gorges Reservoir Region

1. 2 研究方法

试样为巴东组红层泥岩，取自三峡库区巴东县城某边坡(见图2)，主要成分为绿泥石、伊利石、长石，天然含水率为0.5%，天然密度为2.45 g/cm3。本研究通过干湿循环试验、点荷载试验和颗粒直剪试验研究了红层泥岩块体试样的崩解和强度弱化特性。

图2 研究区域和取样位置Fig.2 Research region and sampling site of the study

1.2.1 干湿循环试验

干湿循环试验作为研究软岩崩解特性的一种常用试验方法，已被列入岩石试验规范[18]中。将现场取得的红层泥岩块体密封保存，在室内测得其基本物理参数后，并制备成符合试验规范[18]的试样开展干湿循环试验。干湿循环试验的主要步骤如下：

(1) 试样的制备。用钢锯和凿子打磨出30块厚度约为65 mm±5 mm、长度约为125～150 mm 的岩块，切割除去试样的杂质部分；然后将试样平分为6组，每一组包含5块试样(见图3)；将6组试样分别放置于6个金属盘中，并于烘箱中(110 ℃)干燥24 h，自然冷却。

(2) 试样的浸泡。将6组试样分别置于6个透明水缸中，并将纯净水沿水缸内壁缓慢倒入至完全浸没试样；然后遮挡水缸口部并将水缸置于室内，静置12 h。

(3) 试样的干燥。将浸泡后的6组试样滤水取出，分别置于6个金属盘中，并于烘箱中(70 ℃)干燥12 h，自然冷却。

(4) 干湿循环试验后试样的分组。上述步骤(2)和(3)为一次干湿循环，干湿循环示意图见图4。重复步骤(2)和(3)，直至6组试样分别经历5次、10次、15次、20次、25次和30次干湿循环；然后，将6组试样分别筛分，依据筛分结果将每一组试样按粒径≤50 mm和粒径>50 mm分为2个亚组(见图5)，以便进行后期的颗粒直剪试验和点荷载强度试验。

图4 试样干湿循环示意图Fig.4 Schematic diagram of the cyclic wet-dry test of the samples

图5 试样干湿循环试验后的分组Fig.5 Grouping of the samples after the cyclic wet-dry test

1.2.2 点荷载强度试验

图6 点荷载强度试验仪器Fig.6 Apparatus for point loading strength test

点荷载强度试验是测试岩石点荷载强度指数、进而估算岩石强度参数的一种常用试验方法，该方法具有便携、操作简单和成本低等优点，且在测定不规则岩石的强度参数方面尚未有其他可替代的方法。根据《公路工程岩石试验规程》(JTG E41—2005)[19]中有关岩石点荷载强度试验的要求，本文从干湿循环后6组粒径>50 mm的试样中的6个亚组试样各挑选7块岩块，用以开展点荷载强度试验(见图6)。需要指出的是，为了验证由点荷载强度指数计算得到的岩石强度参数的可靠性，补充了1组0次干湿循环后的试样用以开展点荷载强度试验，由于该组试样未经崩解，其强度参数的计算结果可与实际力学试验结果进行对比。点荷载强度试验流程见文献[19]，试验过程中需记录试样的破坏荷载、加载点间距以及通过两加载点最小截面的宽度。试样的点荷载强度指数按下式计算：

(1)

式中:Is为试样的点荷载强度指数(MPa);P为试样的破坏荷载(N);De为试样的等效直径(mm)，其计算公式为

(2)

其中：b为试样通过两加载点最小截面的宽度(mm)；D为试样加载点间距(mm)。

由于试样较少，需对试样的点荷载强度指数进行修正，修正后的试样点荷载强度指数可表示为

Is(50)=FIs

(3)

式中:Is(50)为修正后的试样点荷载强度指数(MPa);F为试样尺寸修正系数，其计算公式为

(4)

其中:m为修正系数，一般取值为0.45。

因岩石的点荷载强度指数与其单轴抗压强度、抗拉强度有较强的经验关系，故岩石的点荷载强度指数一般也可用来计算不规则岩石的强度参数[20]。

《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)[21]中建议采用下式计算岩石的单轴抗压强度：

Rc=22.82Is(50)

(5)

式中:Rc为岩石的单轴抗压强度(MPa)。

文献[20]建议采用下式计算岩石的抗拉强度：

Rt=1.25Is(50)

(6)

式中:Rt为岩石的抗拉强度(MPa)。

1.2.3 颗粒直剪试验

直剪试验是确定岩石抗剪强度参数的常用试验方法，但是，当前有关岩石直剪试验的规范均是针对较大尺寸的规则试样(如尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试样)，对于不规则岩块甚至岩石颗粒尚未有明确的试验规范。一些学者在颗粒直剪试验方面开展了尝试性的工作，如Han等[22]、Winter等[23]和Louati等[24]开展了不同形态、压实度和含水率条件下颗粒抗剪强度的研究，但当前有关软岩崩解过程中颗粒抗剪强度参数演化过程的研究尚不充分。本文将干湿循环后6组粒径≤50 mm的试样中6个亚组试样分别进行筛分，筛分粒径分别为20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm和0.075 mm，然后将每一亚组中筛分后的各粒径组平分为4份，进而将每一亚组中各粒组中的一份均匀混合，得到每一亚组中用于开展颗粒直剪试验的4组试样。6个亚组试样均进行轴压分别为0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa和1.2 MPa的直剪试验(见图7)。若试样不足以充满剪切盒，则在剪切盒底端垫置适配的多尺寸铁块。试验过程中主要记录试样的剪切位移与剪切应力值。

图7 直剪试验仪器Fig.7 Apparatus for direct shear test

2 研究结果与分析

2. 1 干湿循环试验结果与分析

将6组试样在分别经历5次、10次、15次、20次、25次和30次干湿循环后，结束干湿循环试验，并对各组试样进行筛分处理，其筛分处理结果见图8。

图8 不同干湿循环试验后试样的颗粒级配曲线Fig.8 Curves of the grain gradation of samples after the cyclic wet-dry tests

由图8可见，崩解过程中，试样的级配逐渐变好而分选性逐渐变差；试样崩解过程主要集中在前20次干湿循环，且崩解过程中粒径大于50 mm的试样仍然占据主要部分。

2. 2 点荷载强度试验结果与分析

不同干湿循环试验后试样的修正点荷载强度指数分布点图，见图9。

图9 不同干湿循环试验后试样的修正点荷载强度 指数分布点图Fig.9 Point diagram of distribution of modified point loading strength index of samples after the cyclic wet-dry tests

由图9可见，试样的修正点荷载强度指数主要集中在0.25～4 MPa之间；按试验规范[19]剔除各组的最大值与最小值后，得到0次(验证组)、5次、10次、15次、20次、25次和30次干湿循环后试样的修正点荷载强度指数平均值分别为2.89 MPa、2.69 MPa、1.99 MPa、1.84 MPa、1.69 MPa、0.93 MPa与0.68 MPa。

为了进一步验证公式(5)应用于本文试样的可行性，计算了0次干湿循环后试样的单轴抗压强度、抗拉强度，其结果分别为65.95 MPa、3.61 MPa，该结果与文献[25]中巴东组红层软岩单轴抗压强度和抗拉强度的测试值63.34 MPa和3.47 MPa基本接近(相对误差分别为4.12%、4.03%)，因此采用公式(5)计算本文红层泥岩块体的单轴抗压强度和抗拉强度具有可行性。由公式(3)、(5)、(6)计算得到试样的点荷载强度指数、单轴抗压强度和抗拉强度值，并绘制其随干湿循环次数变化的曲线，见图10。

图10 试样的修正点荷载强度指数、单轴抗压强度和 抗拉强度随干湿循环次数的变化曲线Fig.10 Curves of the modified point loading strength index,unixial compressive strength and tensile strength of samples versus cycles

由图10可见，试样的修正点荷载强度指数、单轴抗压强度和抗拉强度均随干湿循环次数的增加呈下降趋势，且表现出较高拟合度的负线性关系，其线性拟合关系式表示如下：

(7)

式中:n为干湿循环次数。

该线性拟合关系式可为试样强度参数的估计提供参考。

2. 3 颗粒直剪试验结果与分析

由剪切试验过程中记录的试样剪切位移与剪切应力值，得到5次、10次、15次、20次、25次和30次干湿循环后试样的剪切应力-位移曲线，见图11。

由图11可见，试样的剪切应力值在初始变形阶段(1 mm剪切位移内)增长较快，其后增长缓慢并最终趋于稳定；同一干湿循环条件下，试样的剪切应力值随着轴向压力的增大而逐渐增强；相同轴向压力条件下，试样的剪切应力值随着干湿循环次数的增加而逐渐降低；0.4～0.8 MPa轴向压力条件下，试样的剪切应力值增长更快；在前15次干湿循环条件下，试样的整体剪切应力值处于0.8～1.4 MPa之间，而在后15次干湿循环条件下，试样的整体剪切应力值降低，处于0.6～1.2 MPa之间，这与试样在前15次干湿循环过程中崩解程度较高相对应。

图11 不同轴向压力条件下5次、10次、15次、20次、25次和30次干湿循环后试样的剪切应力-位移曲线Fig.11 Curves of the shear stress versus shear displacement of samples under different axial pressure conditions after 5,10,15,20,25,30 cycles

此外，由图11可见，尽管试样的剪切应力值随剪切位移的变化曲线在宏观上表现为先增长后稳定的变化规律，但实际上在达到峰值强度的过程中存在一段波动的过程，这一过程中试样会不分先后顺序地出现轻微的剪切应力增加、减小和平稳三个阶段(见图12)。这一现象与试样颗粒的剪切过程相关：在初始剪切阶段，试样的运动方式主要以压密为主，其剪切应力-位移曲线在这一阶段表现出较快的增长趋势；在试样的密实度达到一定程度后，剪切过程趋于平缓，剪切应力值逐渐达到稳定；此后，随着剪切位移的持续增加，试样的运动方式主要表现为颗粒间的压裂或颗粒的旋转，颗粒间的压裂作用导致剪切应力值局部降低而颗粒的旋转效应对剪切应力的影响不明显，由于此时试样整体达到稳定，剪切应力的局部变化对试样抗剪强度的影响较为轻微。

图12 剪切过程中试样的运动方式示意图Fig.12 Schematic diagram of the movement models of samples in the shear process

为了进一步分析崩解过程中试样黏聚力和内摩擦角的变化规律，使用摩尔-库仑准则拟合试样抗剪强度与轴向压力的线性关系，见图13。

图13 不同干湿循环条件下试样抗剪强度随轴向压力的 变化曲线Fig.13 Curves of the shear strength of samples versus axial stress under different cyclic dry-wet tests

由图13可见，不同干湿循环条件下试样的抗剪强度与轴向压力具有较好的线性关系，其线性拟合关系式可表示如下：

(8)

式中：τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6分别为5次、10次、15次、20次、25次和30次干湿循环后试样的抗剪强度(MPa);σn为所施加的轴向压力(MPa)。

试样黏聚力和内摩擦角(以正切值表示)随干湿循环次数的变化曲线，见图14。

图14 试样黏聚力和内摩擦角(正切值)随干湿循环 次数的变化曲线Fig.14 Curves of the cohesion and internal friction angle (tangent value) versus cycles

由图14可见，试样的摩擦角(以正切值表示)、黏聚力分别在0.37～0.43、0.66～0.81 MPa之间变化。试样产生的黏聚力主要来自两个方面：①用于开展颗粒直剪试验的试样颗粒粒径介于0～50 mm之间，直剪过程中有大粒径颗粒被剪断，使得试样表现出部分黏聚力；②高黏土矿物含量的试样颗粒受挤压后容易聚集成块，在直剪的过程中也表现出一定的黏聚力。试样的内摩擦角和黏聚力均随干湿循环次数的增加而逐渐减小至稳定，并主要表现出三个变化阶段：试样的黏聚力在前15次干湿循环中缓慢减小，在第15次至20次干湿循环中快速减小，之后趋于稳定；试样的内摩擦角在前10次干湿循环中减小较慢，在第10次至20次循环中快速减小，之后趋于稳定。此外，由图14还可见，试样的崩解程度在第20次干湿循环时已基本趋于稳定，且试样的摩擦角和黏聚力与干湿循环次数有较好的玻尔兹曼(Boltzmann)函数拟合关系，其拟合关系式可表示如下：

(9)

式中:c为试样的黏聚力(MPa);tanφ为试样的内摩擦角正切值。

该函数关系式可为试样抗剪强度参数的估计提供参考。

3 结 论

株罗系巴东组红层软岩广泛分布于三峡库区，区内堆积层滑坡的稳定性受该红层泥岩堆积块体崩解和强度弱化的影响而出现较大的不确定性。本文以三峡库区某边坡开挖过程中出露的巴东组红层泥岩块体为研究对象，通过干湿循环试验、点荷载试验和颗粒直剪试验研究了红层泥岩块体试样的崩解特性和强度弱化特性，并主要得到以下结论：

(1) 崩解过程中，试样的级配逐渐变好而分选性逐渐变差；试样崩解过程主要集中在前20次干湿循环，且崩解过程中粒径大于50 mm的试样仍然占据主要部分。

(2) 试样的修正点荷载强度指数主要集中在0.25～4 MPa之间；采用本文公式(5)、(6)计算红层泥岩块体的单轴抗压强度、抗拉强度，经验证具有较好的可行性；试样的点荷载强度指数、单轴抗压强度和抗拉强度均随干湿循环次数的增加呈下降趋势，且表现出较高拟合度的负线性关系。

(3) 试样的剪切应力值在初始变形阶段(1 mm剪切位移内)增长较快，其后增长缓慢并最终趋于稳定；试样的抗剪强度随着轴向压力的增大而逐渐增强，随着干湿循环次数的增加而逐渐降低；在0.4～0.8 MPa的轴向压力条件下，试样的抗剪强度增长更快；试样的剪切过程可分为压密、压裂和旋转三个阶段；试样的内摩擦角和黏聚力均随干湿循环次数的增加而逐渐减小并趋于稳定，且表现出较好的玻尔兹曼函数拟合关系。