浸水时程对坝体泥质软岩工程特性的影响

张彩红

摘 要：为了研究龙羊峡水库大坝工程中泥质软岩的工程特性，对原状软岩试样开展崩解试验和力学测试。首先通过不同浸水时间的结构状态监测研究泥岩崩解规律，然后对不同浸水时程的试样进行三轴压缩试验，得到不同围压下软岩应力应变关系曲线。结果表明：在0～4 h的浸水时间范围内，泥质软岩结构出现明显的崩解现象，且崩解程度随时间增长而加重;不同固结围压下软岩应力应变关系曲线为应变硬化型;通过对比不同浸水时程下软岩的抗剪强度指标发现，泥质软岩的软化程度随浸水时间增长有明显升高趋势，软化系数与浸水时间保持对数增长关系。

关键词：泥质软岩;崩解试验;三轴压缩试验;力学特性;浸水时程;龙羊峡水库

中图分类号：TV16;TU41 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.026

Study on the Influence of Immersion Time to the

Characteristics of Muddy Soft Rock Engineering Works

ZHANG Caihong

（School of Civil Engineering， Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract：In order to study the engineering characteristics of easily disintegrated mudstone in the diversion tunnel of Longyangxia Water Control Project， the disintegration states monitoring and triaxial compression tests under different confining pressures of typical mud-soft rock samples were carried out. The test results show that the structure of mud-soft rock appears obvious disintegration after 0-4 hours of immersion， which indicates that the water sensitivity of mud-soft rock is strong. The analysis of the triaxial tests of soft rock can be seen that the stress-strain curves of soft rock under different consolidation confining pressures are strain hardening curves. By comparing the strength index of the specimens during the immersion process， it can be seen that the softening degree of the mud-soft rock sample increases with the increase of immersion time.

Key words： mud-soft rock; disintegration test; triaxial compression test; mechanical property; immersion time; Longyangxia Water Control Project

1 引 言

龙羊峡水库位于黄河上游青海省贵南县与共和县交界处的龙羊峡谷西端，是黄河上游的重要水利枢纽之一[1]。龙羊峡水库区域边坡和地基分布大量泥质软岩，泥质软岩特殊的化学矿物成分和微孔结构，使其对水的敏感性较强，在长期水力作用下容易出现软化和崩解现象，对工程的稳定性造成严重影响[2-3]。水库库区的季节性降水与地下水流动，使得水库坝体内部的软岩长期处于浸水和外部荷载共同作用的状态。研究表明：浸水作用对软岩工程性质的劣化效应影响显著，岩体内部的矿物成分与水发生作用，而引起的软化、崩解效应会直接导致其力学性能显著下降，使得水库坝体的稳定性存在重大隐患[4]。因此，为减少龙羊峡库区内大坝岩体发生滑塌失稳等工程灾害，系统深入地认识浸水状态下泥质软岩的崩解与力学状态变化特征具有重要的现实意义。

近年来，很多学者就泥质软岩的水敏性特征和浸水崩解规律进行了大量研究，并取得了丰硕成果。张宗堂等[5]基于Weibull分布的方法系统分析了红砂岩在水作用下的崩解狀态，以及岩石颗粒结构特征的变化规律，发现颗粒崩解破碎程度随岩样浸泡时间延长而加重，且颗粒的分散程度也加重。曹雪山等[6]研究了泥岩在浸水崩解泥化过程中力学性能的衰减规律，认为干湿循环是诱发岩体崩解的重要因素，颗粒组成与状态变化是强度衰减的内在原因。郑明新等[7]基于不同块度的软岩室内崩解试验，探讨了干湿循环作用对软岩崩解性指数和颗粒粒径分布的影响规律，并从微结构角度分析了岩体崩解的原因。Zhang等[8]通过室内试验对泥质软岩开展不同浸水条件下的崩解试验，得出了软岩崩解速率与浸水时间的相关性。苏航等[9]针对红层泥质软岩的崩解性开展浸水崩解试验，记录了崩解现象和时间的关系，对崩解残留物进行筛分，计算崩解指数，并初步探讨了泥岩的崩解机理。前人的研究主要集中于对岩体软化、崩解规律进行总结，而就浸水时程对软岩力学性质与结构状态开展的研究比较少，尤其是对三轴应力状态下软岩强度劣化规律的认识还需要深化[10]。

笔者对龙羊峡水利枢纽软岩的结构完整性和强度特性在不同浸水时程下的变化规律开展研究，对某崩解状态进行分析，并对不同浸水时程的试样开展三轴剪切试验，分析泥质软岩结构形态和强度指标受浸水状态的影响规律，以期为库区输水渠道易崩解软岩的边坡防护设计提供参考。

2 试验岩样和方法

2.1 试验岩样

本试验的泥质软岩取自龙羊峡水利枢纽的一处引水隧道的基层。经过地质勘探发现该工程穿越地层主要为粉质黏土、砾粒土，新近系风化软岩和砂岩。试验以龙羊峡水利枢纽引水隧道上部顶板的强风化泥岩为研究对象，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，属于一种亲水性软岩。采用旋转式钻机进行钻探取样，封装完成后运回实验室。

对试样进行XRD定量物相成分分析，试样中长石占28.6%、高岭土占24.6%、石英占24.4%、伊利石占13.2%、方解石占7.4%、赤铁矿占1.8%。为了进一步研究泥质软岩内部不同组分的分布位置、几何形态和尺寸大小，对试样开展铸体薄片扫描试验，结果如图1所示。可以看出：由高岭土、伊利石组成的黏土矿物体积分数较高，石英颗粒尺寸较大，广泛分布在黏土矿物中，方解石、长石和赤铁矿在黏土矿物中的分布较为离散。同时，对泥质软岩开展了SEM微观形貌观测，发现泥质软岩的孔、裂隙结构较为发育。丰富的裂隙为软岩的吸水软化提供了入渗条件[11]。

2.2 试验方法

2.2.1 崩解试验

为了研究浸水时程对泥质软岩试样结构完整性的影响，设计了泥质软岩的崩解试验。首先均匀选取若干块天然岩样，装入敞口容器中，称量岩块总质量（总质量约为2 kg）;将装有岩样的容器放在电子秤上并置于烘箱中，设置环境温度为105 ℃，相对湿度为15%，持续干燥直至观察到试样质量变化小于0.02 g/h，认为此时岩石完全干燥;然后将容器拿出，置于温度为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。

2.2.2 强度试验

利用土工三轴压缩试验系统对泥质软岩的原状样开展力学测试，围压设置为50、100、150、200 kPa，剪切速率控制为0.020 mm/min。三轴压缩试验采用的泥质软岩试样为直径50 mm、高度100 mm的圆柱体。为了分析浸水条件对泥质软岩强度的软化规律，设计了经过不同浸水历时后泥质软岩试样的三轴剪切试验。采用抽气饱和法进行浸水试验，首先将泥质软岩三轴试样静置在饱和缸内进行45 min真空抽气，使试样处于完全真空的环境中，然后向饱和缸中注入蒸馏水，使岩样处于饱和状态，并静置不同时间。为了保证泥质软岩的岩体结构不受破坏，采用滤纸包裹软岩试样，使水可以透过滤纸进入软岩结构内部，但不会造成试样冲蚀破坏。

在进行三轴压缩试验前先装样，然后向三轴压力腔内注满水，再对试样进行围压加载，控制围压加载速率为50 kPa/min，待围压保持稳定后进行轴向加压，使试样发生剪切。剪切过程中采用轴向应变控制式加载方式，轴向变形的加载速率设置为0.02 mm/min，持续剪切至泥质软岩试样的轴向应变达16%左右。由计算机系统记录加载过程中不同浸水时程泥质软岩三轴应力应变关系，得到应力应变关系曲线。

3 试验结果分析

3.1 崩解试验结果分析

龙羊峡水库泥质软岩在天然状态下的强度性能和结构完整性较好，但在水的入渗作用下，会发生显著的吸水膨胀现象，使得岩石发生崩解，且力学性能受到破坏。泥质软岩在不同浸水时间下的崩解状态见图2，可见泥质软岩在4 h内浸水崩解状态有明显的累积变化特点。图2（a）为未浸水保持完整结构的泥质软岩试样状态;如图2（b）所示，浸水历时为2 min时岩石吸水崩解，表面出现裂隙，并出现细颗粒剥落现象，但岩块整体并未发生明显的结构破坏;图2（c）和（d）表明在浸水10 min时间内，泥质软岩的整体性逐渐被破坏，崩解现象明显，泥质软岩的裂缝不断扩大导致其逐渐分裂为小岩块，大量细颗粒从岩块上剥蚀;从图2（d）和（f）可以看出，浸水历时在10～60 min范围时岩块的崩解程度继续提高，但是崩解速率明显减小;由图2（g）发现，经过2 h浸水后，泥质软岩中大量细颗粒剥蚀物从岩块中流失，整体泥质软岩结构被分解为松散的小块体;图2（h）表明，浸水4 h与浸水2 h的泥质软岩没有较大区别，浸水2 h后试样的崩解过程基本完成。试验结果表明，该水库库区内的泥质软岩浸水反应强烈，崩解效果明显，崩解速度较快。3.2 三轴应力—应变全过程曲线分析

從图3（a）～（e）可以看出，泥质软岩的应力应变关系曲线没有明显的应力峰值，为应变硬化型曲线，即随着轴向应变ε的增大，主应力差（σ1-σ3）先线性增大，处于塑性变形阶段后逐渐趋于稳定[12]。根据《土工试验规程》（YS/T 5225—2015）的说明，对于应变硬化型的应力应变曲线，可以将轴向应变ε=15%作为抗剪强度对应的应变值。

3.3 软岩的强度软化现象分析

根据摩尔-库仑强度破坏准则，由不同围压下的应力应变莫尔圆和包络线可以得到岩土体的黏聚力和内摩擦角。包络线的截距为黏聚力c，斜率为内摩擦角φ的正切值。图4所示（图中σ为正应力、τ为剪应力）的是图3（a）对应的干燥状态下软岩试样的莫尔圆和强度包络线，经过回归分析计算得到其黏聚力为72.8 kPa、内摩擦角为35.5°。同理，按照摩尔-库仑强度破坏准则计算图3（b）～（e）对应的黏聚力和内摩擦角，结果见表1。

将相同围压下黏聚力和内摩擦角作为软化系数的计算变量，获得了泥质软岩的强度软化系数，以此分析不同固结围压下泥质软岩的浸水软化程度。泥质软岩的软化系数计算式为

Dt=I0-ItI0×100%（1）

式中：It为抗剪强度指标（黏聚力c或内摩擦角φ）;I0为未浸水的强度指标;Dt为不同浸水时间t下的软化系数。

软化系数Dt越大表示试样浸水后软化的程度越高。从图5可以看出，随着浸水时间的增长，软岩试样的软化系数不断增大，且增长速率随时间增长逐渐减小，说明软化程度随浸水时间增长到一定程度后趋于稳定。对浸水时间与软化系数的实测数据进行统计回归分析，发现软化系数与浸水时间近似保持对数增长关系。另外，黏聚力的软化系数增长幅度远大于内摩擦角软化系数的涨幅，说明黏聚力对浸水时间的敏感性比内摩擦角的高。

通过不同浸水时间下泥质软岩三轴压缩试验得到相应的应力应变曲线，可以明显看出浸水时程对泥质软岩试样的强度有显著的劣化效应。相对于未浸水的泥质软岩试样，浸水后软岩强度指标明显减小，说明软岩在水的入渗作用下力学性能出现了显著的衰减。其原因主要是在浸水过程中，水分子不断渗透进入软岩内部的微观结构形成水膜[13]，水膜的润滑作用使得泥质软岩内部矿物颗粒的结构强度被削弱，颗粒间的胶结物不断融解于水中[14]。除此之外，岩石内部的裂隙结构在水力作用下逐渐扩展和连通，连通裂隙的形成促进了入渗通道的扩张，从而使得水入渗的微观冲击效应不断增强。微观冲击作用在岩石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，进一步增强了入渗对软岩试样的结构损伤效应[15]。泥质软岩在浸水状态下的微结构损伤在宏观上表现为力学特性的软化现象[16]。

研究结果表明，龙羊峡水利枢纽的泥质软岩存在明显的遇水崩解软化特性，浸水时程对于泥质软岩的崩解状态和强度指标均有明显影响。因此，在实际的大坝边坡防护工程中，应认识到降雨入渗和地下水水位升高对于岩体稳定性的影响，采取相应的防水工程措施是必不可少的[17]。

4 结 论

（1）根据对泥质软岩的浸水崩解状态进行实时观测，发现干燥的泥质软岩的崩解速率较大，泥质软岩在经过1 h浸水后基本完全崩解为破碎颗粒。

（2）通过不同浸水时程下泥质软岩的三轴压缩试验发现，应力应变关系曲线均为硬化型;泥质软岩力学指标的软化系数随浸水时间的增长逐渐增大，增长速率随浸水时间增长而减小，且软岩的黏聚力对浸水时间的敏感性明显强于内摩擦角的。

（3）通过不同浸水时程的泥质软岩崩解试验和力学测试发现，软岩的崩解状态和力学性质受浸水时间的影响十分显著，由试验结果认为，软岩崩解规律与强度软化的机理主要包括胶结物溶解和裂隙发展。

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【责任编辑 張华岩】