膨胀性泥岩抗剪强度与含水率相关性机理

李永志, 王世明, 邹建文, 王 华, 李 豪, 吴 楠

(1.中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广州 511458； 2.西南交通大学地球科学与环境工程学院， 成都 610031)

红层是一套偏红色调的陆相碎屑岩，主要分布于西南、华中、华南和西北等地区。其中，四川、云南地区红层分布最为广泛，四川出露的红层, 主要为侏罗系和白垩系[1]，岩性以砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩为主，也可含少量的薄层泥灰岩及石膏层。红层区较硬的砾岩、砂岩层和较软的泥岩层通常相间分布，软硬互层的岩性组合特点，导致红层区边坡在遭遇特大暴雨时，常因泥岩透水性弱、亲水性强、遇水易软化、膨胀，失水产生收缩、崩解等特性，使泥岩层泥化为软弱夹层，抗剪强度大幅下降，最终导致边坡失稳[2-3]。红层泥岩在高含水条件下抗剪强度的降低，也是许多红层区大坝失事的重要原因[4]。抗剪强度指标是衡量岩土体破坏最重要的基本力学参数，而影响抗剪强度特性的因素较多，膨胀性泥岩由于较强的崩解性、制样困难，其抗剪强度影响因素的研究较一般岩土体更为复杂。当前对于岩土体抗剪强度的相关性研究，大多是通过含水率、矿物成分来展开，例如：王中文等[5]提出高含水率和低含水率的抗剪强度相差很大，随含水率的增加而减小；刘虎虎等[6]提出滑带土成分以黏土矿物、石英、钠长石等为主的抗剪强度指标受含水率影响较为明显，具体体现为黏聚力随含水率增大而增大，内摩擦角随含水率增大而减小；Yoshida[7]通过研究软岩的水-岩破坏机理，认为水的浸渍会导致泥岩的黏聚力降低。虽有部分学者，如王迎春等[8]提出红层软岩的抗剪强度与孔隙率呈负指数关系；张祖莲等[9]提出红土的内摩擦角与孔隙率、孔隙面积呈反相关关系等，但少有将岩土体力学性质与土体矿物成分、微结构结合进行比对研究，尤其是针对膨胀性泥岩黏土矿物成分及微结构特征等微观层面与抗剪强度的相关性研究较少。膨胀性泥岩其工程力学性质主要由矿物成分和结构所决定，而岩土体的微观结构特征又决定了其宏观物理力学性质[10]。

为此，采用重塑样研究泥岩抗剪强度随含水率的变化规律，并基于试样的矿物成分，对红层泥岩重塑样，原岩所含黏土矿物(蒙脱石、伊利石、绿泥石)等纯矿物，及原岩中黏土矿物单矿物含量进行配比等多组直剪试验，并结合扫描电镜分别观察其微观结构特征，对膨胀性泥岩抗剪强度展开相关性对比分析，以期获得矿物成分及微观结构特征对不同含水率膨胀性泥岩抗剪强度的影响规律，为今后红层区工程建设的防灾减灾提供依据。

1 泥岩基本物理性质

1.1 泥岩样品特征

研究所取泥岩来自成都市郊龙泉山地区G318国道沿线，上白垩统灌口组(K2g)红色泥岩(GK-1)(GPS：30°29.568′N，104°15.037′E)；中侏罗统上沙溪庙组紫色泥岩(SSXM-2)(GPS：30°29.100′N，104°16.730′E)。该区灌口组以泥岩、粉砂岩为主，上沙溪庙组以紫红色泥岩夹粉砂岩、砂岩为主，也是区域上易发地质灾害的地层，两件泥岩样品均显示较强的崩解性，泥岩样如图1所示。

图1 泥岩试样Fig.1 The sample of mudstone

1.2 泥岩样品矿物成分

采用X射线(XRD)衍射分析(图2)对两类泥岩及黏土矿物提纯样进行矿物成分及含量测定，灌口组泥岩黏土矿物占总量的57%，上沙溪庙组泥岩黏土矿物占42%，两类泥岩中黏土矿物均含伊利石和绿泥石，其中灌口组泥岩样还含较多的蒙脱石，碎屑矿物主要为石英、钠长石，灌口组泥岩含少量的方解石、上沙溪庙组泥岩含少量黄铁矿，矿物成分及其含量如表1所示。

图2 泥岩样XRD衍射分析Fig.2 XRD diffraction analysis of mudstone

表1 主要矿物成分Table 1 Main mineral compositions

1.3 泥岩样品微结构

对两类泥岩原状样进行不同放大倍数下的微结构特征分析，扫描电镜照片如图3所示。灌口组泥岩样中[图3(a)、图3(b)]，片层状体清晰可见，呈现出面-面叠聚的叠聚体，虽偶夹少量粒状体，但其并不相互接触，是以片状体为主的片状结构单元体系，从空间排列形式来看, 对于面-面接触的叠聚体虽基本上与黏土片的取向排列大体一致，但单元体之间的接触排列密集程度较差，且裂隙和孔隙较为明显。上沙溪庙组泥岩微结构特征显示[图3(c)、图3(d)]，黏土矿物之间叠聚形成的曲状片聚体，构成了以片状体为主的片状结构单元体系，但片状体厚度不一，从空间排列形式来看，对于面-面接触的叠聚体基本上与黏土片的取向排列是一致的，且单元体之间的接触排列相对致密，而密集排列时，其孔隙数量相对少而小。

图3 膨胀性泥岩样SEM图片Fig.3 SEM of swelling mudstone

1.4 界限含水率及膨胀性

按照《土工试验方法标准》[11]，分别利用滚搓法和锥式液限仪对两类泥岩的界限含水率做了相关测定，两类泥岩的界限含水率值相差不大，塑性指数Ip均大于10小于17，均为粉质黏土，详细指标如表2所示。

表2 土样基本物理性质指标Table 2 Basic physico-mechanical properties of expansive soil

自由膨胀率试验结果显示，灌口组泥岩及上沙溪庙组泥岩δef值分别为80%与87%，皆为中等膨胀性泥岩，这同两类泥岩野外具较明显的崩解性特征一致。灌口组泥岩黏土矿物含量较高，且含有蒙脱石等膨胀性矿物，但自由膨胀率却没上沙溪庙组泥岩大，这可能和灌口组泥岩含较多方解石，主要为钙质胶结，膨胀势能得到抑制有关。扫描电镜微观结构也显示，上沙溪庙组泥岩空隙较少且小，通常密集排列的土孔隙数量较少时，浸水膨胀只有向外才能发生扩张，以求得空间平衡，而孔隙数量较多的试样，在浸水发生时，首先得向内部空间求得力的平衡，然后才能向外扩张，因而上沙溪庙组紫色泥岩膨胀性较鲜红色的灌口组泥岩强。

2 不同含水率重塑泥岩的抗剪强度特征

2.1 试样制备与试验

将两类岩样碾碎，过0.075 mm筛子，在烘箱内温105°～110°条件下烘干，然后按设计含水率配制试样，润泽24 h。将两类岩样(各4个试样)，放入内径6.18 cm标准环刀中，由于两类泥岩都具有较强的膨胀性，为保证各次制样条件的一致性和模拟泥岩样在野外所处的真实状态，本次剪切试验样品采用相同固结条件(压强800 kPa，固结90 min)进行制样。试验中，两类试样含水率分别配制为8%、12%、16%、20%、23%、27%、30%、35%、40%、45%，试验用水均采用蒸馏水。

采用ZJ型应变控制式四联直剪仪，剪切盒内放入压好的两类试样，对每类4个试样分别施加50、100、200、300 kPa垂直剪切方向压力，并对初始数据进行记录。以0.8 mm/s的速率进行快速剪切，试验过程中记录百分表最大读数，以最后一个百分表指针回转或土体最大剪切位移达到13 mm为试验结束标志。

2.2 变化规律

采用回归分析法对两类重塑泥岩样的试验结果进行分析，结果如图4所示。

由图4(a)可知，重塑泥岩的黏聚力值随含水率的增大，而呈现先增大后减小的趋势，其中GK-1岩样， 含水率w=20%时，黏聚力c最大；SSXM-2岩样，w=17%时，c最大。c最大时对应的含水率w，均小于塑限值。

图4 重塑泥岩样抗剪强度-含水率对比Fig.4 Comparision of shear strength-water of remolded mudstone samples

由图4(b)可知，重塑泥岩的内摩擦角值均随含水率的增大而减小，含水率小于塑限值时，其内摩擦角值降幅相对较大；在大于塑限值时，其降幅较小。

荆门黄黏土[12]，在含水率为16%～19%时，出现黏聚力峰值；而含水率在接近塑限值25.1%时，内摩擦角值急剧下降，当超过该值，内摩擦角值降幅较小。广州红黏土[13]，在含水率为20%～24%时，出现黏聚力峰值；含水率为12%～28%时，内摩擦角值降幅较大，而后，内摩擦角值降幅很小。两类重塑黏土的试验结果，与重塑泥岩样的试验结果基本一致。对比黏聚力峰值处的含水率可知，其最优含水量值较为接近，尤其是广州红黏土，其内摩擦角值与重塑泥岩内摩擦角值相差较小。

3 抗剪强度与矿物成分相关性分析

为了解矿物成分，特别是黏土矿物成分与抗剪强度间的相关性，对泥岩中出现的各类黏土单矿物进行不同含水率状态下的直剪试验。

3.1 不同含水率条件下单矿物抗剪强度特征

对蒙脱石、伊利石及绿泥石三类黏土矿物，分别进行不同含水率条件下的直剪试验，结果图5所示。

图5 单矿物抗剪强度-含水率对比Fig.5 Comparision of shear strength-water of single minerals

由图5(a)可知，蒙脱石、伊利石、绿泥石等三类黏土单矿物黏聚力值随含水率的增加均呈先增大后减小的趋势，在含水率分别约为22%、18%、19%时，三类单矿物达到黏聚力峰值，且蒙脱石黏聚力峰值>绿泥石>伊利石。由图5(b)可知，三类黏土单矿物中，绿泥石的内摩擦角范围值最大，随含水率的增大，呈非线性减小的趋势，其内摩擦角值范围28.87°～19.82°，总体变化幅度不大。蒙脱石的内摩擦角值随含水率增大，大体呈先增后减的趋势，且在含水率约21%时，达到峰值，而后减小；伊利石的内摩擦角随含水率的增大，亦呈先增后减的趋势，但总体变化幅度不大，其值为3.9°～13.4°，表明含水率对伊利石内摩擦角的影响不明显。同时，三类黏土单矿物，绿泥石的内摩擦角拟合值>蒙脱石>伊利石。

3.2 不同含水率条件下配土样抗剪强度特征

对于GK-1与SSXM-2两类岩样，按其黏土矿物种类及含量，进行单矿物配比。其中，GK-1岩样按蒙脱石30.42%、伊利石62.97%、绿泥石6.61%配比，获得配土样P-GK-1；SSXM-2岩样按伊利石81.7%、绿泥石18.3%配比，获得配土样P-SSXM-2。两类配土样分别按含水率8%、11%、14%、18%、21%、24%、28%、32%、40%进行配制，试验结果如图6所示。

图6 几类试样抗剪强度-含水率对比Fig.6 Comparision of shear strength-water of kinds of samples

由图6可知，两类配土样随含水率的增加，其黏聚力值呈先增大后减小的趋势，而内摩擦角值大体呈现减小的趋势。

黏聚力随含水量的增加呈现先增加，后减小的趋势，在黄土、非饱和土及膨胀土中都是存在的，如部分学者[14-16]对黄土在不同含水状态下，抗剪强度特性进行了研究分析，得出含水量对黄土抗剪强度的影响主要体现在黏聚力上，其黏聚力随含水率的增大先升后降，某一含水率时达到最大，而内摩擦角呈下降趋势。在对非饱和土[17]及膨胀土[18]在不同含水状态下的土体抗剪强度进行分析时，同样得出类似的结论。对于这种现象，一般解释为该类土体水敏性的体现，最大黏聚力对应的含水量基本可代表土体由脆性向塑性转换的界限含水值，但此含水量的具体科学含义还有待研究，如也有许多土样不存在此界限含水量，黏聚力通常随含水量的增大逐渐减小。这种不同的现象是土体矿物成分导致的，还是粒度特征、试验条件导致的，目前还不明确。

本试验中，P-GK-1(蒙脱石30.42%)样品黏聚力要小于对应重塑土样GK-1的黏聚力，且其拟合曲线与蒙脱石的较为接近；而内摩擦角普遍大于对应的重塑土样GK-1的内摩擦角，但两者的变化趋势一致。对比P-SSXM-2(伊利石81.7%)样品，其黏聚力亦小于对应重塑土样SSXM-2的黏聚力，其拟合曲线与伊利石较为吻合；而随含水率的增大，内摩擦角变动幅度较小，但该值大于对应的重塑土样SSXM-2的内摩擦角，这与重塑土样随含水率的增大，内摩擦角明显减小有较大差别。

土体的黏聚力主要是同种物质内部相邻各部分间的相互吸引力，而这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。配土样P-GK-1(蒙脱石30.42%)，相较于GK-1样及蒙脱石样,三类试样皆在含水率为20%～26%范围内出现黏聚力峰值且拟合曲线较为类似，说明蒙脱石对重塑样GK-1及配土样P-GK-1的黏聚力表现特性起到控制作用。配土样P-SSXM-2(伊利石81.7%)，相较于SSXM-2样及伊利石样,三类试样皆在含水率为15%～18%范围内出现黏聚力峰值且拟合曲线较为一致，说明伊利石对重塑样SSXM-2及配土样P-SSXM-2的黏聚力表现特性起到控制作用。而以蒙脱石为控制的三类试样黏聚力要普遍大于以伊利石为控制的三类试样的黏聚力，主要是因为蒙脱石相较于伊利石，颗粒的阳离子交换当量更大，颗粒表面电荷密度所聚集形成的微电场也就更加强烈，从而使其表面形成厚实的黏滞性结合水膜，以产生强烈的吸附作用，最终导致了粒间黏聚力增强。

反观两类重塑土样与对应配土样的黏聚力差异规律，不难发现，重塑土样黏聚力值要大于对应配土样黏聚力值。这可能是因重塑土样含有石英、长石等碎屑矿物，而配土只含有黏土矿物，但重塑土样和配土样的c-w曲线变化趋势一致，反映了其c随含水量的变化规律主要受黏土矿物部分控制，但一定量的碎屑矿物会对黏聚力造成一定的影响，并存在一个临界值，当碎屑含量小于临界值时，黏聚力适当增大。这与文献[19],粉砂质泥岩黏聚力随石英含量的增大而增大的研究结论相似。

对比φ-w关系曲线的变化规律可知，配土样P-SSXM-2与重塑样SSXM-2拟合曲线差异较大，与伊利石的内摩擦角大体趋势虽较为一致，但其内摩擦角数值却与绿泥石的内摩擦角数值更为接近且两类试样内摩擦角值随含水率的增加，变化很小，说明绿泥石占比约18%时，已基本可体现该类黏土矿物的内摩擦角特性；同时，绿泥石的黏聚力虽随含水率增加而呈现先增后减的趋势，但黏聚力值总体相差不大，这也说明了该类黏土矿物水敏性较差。相较于伊利石，绿泥石[20-21]多属Mg、Fe矿物，成岩过程中，可由蒙脱石、高岭石、伊利石等黏土矿物在合适条件下进行转化，比表面积可达15 m2/g。而伊利石的比表面积相对较高，可以吸附相当厚的结合水膜，粒间则主要由低强度的水膜连接，粒间产生错动而形成润滑摩擦，宏观表现为抗剪强度与内摩擦角较低;绿泥石比表面积相对要小，粒间包裹较薄的结合水膜，摩擦阻力主要由相对强度高的直接接触提供，其宏观表现出相对较高的抗剪强度及内摩擦角。

同时，两类重塑土样内摩角值普遍较对应配土样的小，比对其矿物成分可知，一定量的碎屑矿物，使得内摩擦角值下降。

3.3 重塑泥岩与配土样微结构对抗剪强度的影响分析

微结构的特征形态不仅与试样本身的膨胀性大小有关，而且与抗剪强度的大小亦存在一定的相关性。两类配土样的微结构特征如图7所示。

图7 配土样SEM图Fig.7 SEM pictures of the soil sample

分析图7可知，P-SSXM-2样中主要的结构单元体形式为粒状体，含少量片状体，其颗粒排列较松散，黏土颗粒间大孔隙数量相对较多，对比P-GK-1样，结构单元体多以片状体叠聚而成的片状结构构成，虽可见部分裂隙及片聚体内部的孔隙分布，但数量不多，其结构比较致密，这是造成黏聚力值差异的一个关键因素，而土体强度主要依赖于矿物成分及黏土矿物颗粒间的胶结程度，其次是单元体之间的连接形式，而黏聚力与土颗粒间的连接关系密切，结构越密实，颗粒间固化黏聚作用越强烈，其黏聚力就相对较高。而土的内摩擦角，其不仅与颗粒间的胶结程度，孔隙率及咬合度有关，更与岩土体的矿物成分存在着较大的相关性。配土P-SSXM-2样中，绿泥石的内摩擦角性质较为突出，主控作用相对较强，其内摩擦角相对较大。

对比重塑样微结构特征，SSXM-2样中，单元体之间的接触排列相对致密，胶结程度相对较好，且孔隙数量相对少而小，使得重塑样的黏聚力值大于配土样，同时受矿物成分影响，重塑样中的碎屑矿物对其抗剪强度也造成了一定的影响，在某种程度上，导致配土样的内摩擦角大于重塑土样。对比重塑GK-1样与配土P-GK-1样，亦表现相同的性质。

4 结论

(1)重塑红层泥岩样在不同含水率状态下，黏聚力随含水率的增大，呈现先增大后减小的趋势，黏聚力峰值处含水率接近但小于塑限值，内摩擦角随含水率的增大，总体呈现减小的趋势。

(2)蒙脱石、伊利石、绿泥石三类黏土矿物，随含水率的增大，其黏聚力表现出先增大后减小的趋势，在含水率分别约为22%、18%、19%时，三类单矿物存在黏聚力峰值，且蒙脱石的黏聚力峰值>绿泥石>伊利石。三类单矿物中，蒙脱石的内摩擦角在含水率小于21%时，呈上升趋势，而后出现下降趋势；伊利石随含水率增大，亦有小幅上升，而后呈下降趋势，但总体变化幅度不大；绿泥石随含水率增大，内摩擦角呈现非线性减小的趋势，但降幅很小，且其内摩擦角拟合值>蒙脱石>伊利石。

(3)对三类黏土单矿物按适当比例进行配比，当蒙脱石含量达到30.42%时，其主要表现为蒙脱石的抗剪强度特征；而伊利石含量在达到81.7%时，对其黏聚力主控作用较强，但占比18.3%的绿泥石，对内摩擦角的主控作用要强于伊利石。同时，适量的碎屑矿物对黏聚力有一定的促进作用，而对内摩擦角有一定的削弱作用。

(4)结构特征不仅影响着土样自身的膨胀性，与抗剪强度也存在一定的相关性。表现为孔隙数量越多，膨胀性相对减弱；结构越密实，胶结度越好，其黏聚力相对增大。

(5)利用重塑样(膨胀性泥岩)研究抗剪强度随含水率的变化规律，反映出膨胀性泥岩快速风化后或泥岩经反复剪切类似滑带土的抗剪特征，在实际工程中，对边坡滑塌机理的研究具有一定的指导意义。

本文仅对三类黏土单矿物及单一配比下土样做了直剪对比分析，对碎屑矿物成分、含量与抗剪强度间的相关性未做进一步研究，而碎屑矿物成分及含量对抗剪强度的影响较大，有待于下一步展开研究。