基于干湿循环下室内模型的软岩崩解特性试验研究

刘 扬

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

在水利、航道、公路等工程建设当中，经常会碰到泥质砂岩、粉砂质泥岩等软岩的崩解问题。软岩的矿物成分、孔隙特性等决定了其具有崩解性，这类岩石往往含有蒙脱石、伊利石等膨胀性粘土矿物或易溶盐的成分，所以在岩体浸水后会发生膨胀或溶解，使岩体逐渐剥离，即崩解[1-5]。该类岩石孔隙往往较大，水容易浸入岩体内部，加剧崩解的产生。另一原因就是岩体在卸荷后浸水导致的，卸荷使岩体失去了应力的束缚，浸水后岩石内部的膨胀性矿物和易溶盐的作用，导致崩解[6-7]。梁冰等[8]认为空隙率及吸水率是影响泥质岩的崩解性的主要因素。张巍等[9]认为岩石膨胀性的强弱与耐崩解性指数具有反相关关系，即膨胀性越强，耐崩解性越差。郭永春等[10]通过对泥质岩进行干湿循环下的崩解试验，认为多次干湿循环引起岩石含水率的重复变化，是泥质岩发生崩解的主要原因。冯启言等[11]认为软岩崩解性受岩石内部胶结物及胶结强度的影响，钙质含量越高，崩解速率越慢。曹运江等[12]认为软岩的崩解度与泥质含量和干湿循环次数具有很好的相关性，即泥质含量越小，相应的崩解性则越差。权全等[13]通过崩解性与强度关系研究，认为随着干湿循环次数的增加，耐崩解度逐渐减小，岩石的风化程度越高，崩解性越强。龚壁卫等[14]对南水北调中线工程的膨胀岩进行现场的人工降雨试验，认为膨胀岩发生有冲沟、崩解、膨胀等破坏形式，主要是岩石内部矿物的胶结强度和膨胀性决定的。王军等[15]对膨胀岩裂隙发育的现场观测进行研究，定量地分析了在干湿循环作用下，现场的裂隙的变化规律。

目前，关于软岩崩解性研究主要是基于软岩本身的崩解特性，通常岩石的崩解能力通过耐崩解试验确定[16]，以耐崩解指数Id2表示，试样要求为浑圆状，数量为10 个，质量40～60 g，试样装入耐崩解性试验仪的圆形筛筒中，在105～110℃中烘干至恒重，将筛筒放入水中以20 r/min 的转速转动10 min 后，再将装有残留试样的筛筒放入105～110℃中烘干至恒重，此过程为一次循环，以二次循环的耐崩解指数Id2来表征其耐崩解性。这种方法简单且直接反映其软岩本身的崩解性，但是此方法存在机械扰动，针对风化程度相似、强度等级相近的不同岩性而言，耐崩解指数基本一致，难以全面反映其崩解性差异，且该试验与软岩实际所处的工况并不一致，对边坡实际造成的影响难以定量分析。因此，本文采用大尺寸室内模型，模拟自然条件下软岩的崩解性能，通过分析不同岩性的软岩在干湿循环下崩解以及裂隙发展情况，综合反映软岩崩解发展规律。

1 研究方法

模拟现场工况进行室内崩解性研究，本文以安徽地区河道红层软岩为例，该类软岩为强风化白垩系砂岩、泥岩，具有低强度、强崩解特性。制作大尺寸的砂岩、泥岩室内模型，通过模拟自然状态下干湿循环作用，定量分析干湿循环作用下崩解深度以及裂隙发展规律，对比分析砂岩与泥岩的崩解性差异以及对边坡崩解性的实际影响。

1.1 室内模型

试验选取具有代表性的强风化砂岩与泥岩的方样，岩样尺寸为30 cm×30 cm×30 cm，考虑到岩样结构面明显，容易受扰动而发生结构破坏，为保证岩样的完整性，需在岩样周边预留10 cm 的保护厚度。

室内模型的四周与底板为钢板制成，模型底面积为30×30 cm2，模型底部钻有透水孔，便于进入岩石内部水可以及时排出模型装置，模型立面高度分别为20 cm 和30 cm，坡度为1∶3。岩样采用切土刀进行修整并装入模型中，并在模型两侧安装百分表，测量岩样在干湿条件作用下崩解变形情况。室内模型图如图1所示。进行观测试验时，为了避免外界环境干扰，影响观测数据准确性，模型装置采用围栏进行维护，并运用加热灯进行恒温控制，控制温度为30℃。

图1 室内模型图

1.2 试验方法

室内模型模拟了现场软岩边坡的工况，进行干湿循环试验时，通过安装在模型两侧的百分表，测量每次循环后岩样的崩解深度，即百分表的相对变化量；同时利用裂缝宽度测试仪、图像处理软件以及MATLAB 软件，定量分析岩样在干湿循环作用下裂隙发展情况。

（1）在室内恒温条件下，记录在不同时间百分表的读数，浸水的初期，1 h 内读数4～5 次，1 h 后每1～2 h读数不少于1 次，24 h 后每4～5 h 读数不少于1 次，直至每天读数的差值＜0.1 mm，表明读数稳定，岩样此时已经较为干燥，则进入干湿循环试验。主要步骤：首先对已经干燥试样，且每天读数的差值＜0.1 mm 时，对模型坡面进行第一次浸水，以缓慢的流速冲刷坡面5 min，约6 000 mL，记录在浸水后的百分表的读数，并定期进行拍照，此为1 次干湿循环，本次试验共进行4 次干湿循环的试验，试验从开始至结束共耗时48 d。

（2）砂岩与泥岩两侧各有2 个观测点，分别为砂岩S1、S2，泥岩N1、N2，当崩解深度过大而接近百分表的量程时，应对百分表进行重置，记录百分表从试验开始至结束之后相对变化量的总和，研究在干湿循环条件作用下，崩解深度随时间的变化规律。

（3）采用裂缝宽度测试仪测量砂岩与泥岩裂隙宽度随着时间的变化情况，观测频率每天不应少于3 次，在浸水初期由于裂隙开展变化明显，观测频率相应增加。

（4）在干湿循环下的不同时间段，定期对室内模型进行拍照。裂隙的发展是影响软岩崩解的主要因素之一，然后裂隙的长度、宽度等参数只能代表软岩单一方面的特征，为综合反映裂隙特征，因此引入裂隙度的概念[17]。借助图像处理软件截取不同时刻的裂隙照片，将裂隙照片二值化处理，得到二值图像，基于MATLAB图像处理中的像素计算功能，计算二值图像中黑色像素点数（岩样裂隙部分）和白色像素点数（岩样未发生裂隙部分），裂隙度为裂隙的面积占总面积比值，即为岩样黑色像素点数与总像素点数的比值。

2 试验结果分析

2.1 崩解试验结果分析

试验观察并记录砂岩与泥岩在干湿循环作用下的崩解状态，如图2 所示。

图2 砂岩与泥岩干湿循环对比

从图2 可以看出，砂岩与泥岩相比，泥岩受干湿循环和水的作用明显，崩解性较强。砂岩在水和干湿循环作用下，虽然表面会产生崩解，但表面依然很平整，只有较少裂缝；而泥岩表面产生大量长大裂隙，崩解深度相对较大，且坡面易产生冲沟，表面凹凸不平。

砂岩与泥岩干湿循环下崩解深度与时间关系曲线如图3 所示。崩解深度反映的是百分表的读数与初读数的差值。崩解深度为负值，百分表读数减小，表明崩解深度在增大，而崩解深度为正值，即没发生崩解，岩样表面出现了膨胀，百分表读数增大，百分表的读数与初读数的差值为正值。

图3 干湿循环下崩解深度与时间关系曲线

由图3 可知：

（1）砂岩经过4 次干湿循环，总的崩解深度为14.13 mm，16.395 mm，泥岩为13.798 mm，18.294 mm，砂岩与泥岩的崩解深度虽然相差不大，但是结合图2砂岩和泥岩崩解现状来看，泥岩更易受水和干湿循环作用的影响，崩解性更强。

（2）崩解深度随着干湿循环次数的增加而增大。浸水的初期，表面岩体产生崩解，加之受到水流的冲刷，崩解深度会有突变，之后由于软岩吸水发生短暂的膨胀，且随着软岩含水率损失而产生收缩，最后软岩泥面相对变化量趋于稳定趋势。

（3）泥岩相较于砂岩，受水与干湿循环作用的影响较大，崩解性更强。泥岩浸水的初期，崩解深度不仅有突变，而且随着干湿循环次数增加崩解显著，崩解过程中还会产生较大膨胀以及收缩。砂岩的整体稳定性较好，浸水初期虽然崩解量较大，但膨胀与收缩均表现较小。

（4）崩解产生于经历干湿循环作用的初期，随着干湿循环次数的增加，浸水后的崩解会加剧。试验表明，干燥条件下软岩不产生崩解，因此在软岩经历极端的干湿条件之前，需快速对坡面喷射混凝土，在施工不同时期起到隔离大气降雨-蒸发的水气流通作用，从而阻止软岩失水，避免出现大量崩解现象。

每次干湿循环后软岩会发生崩解、膨胀以及收缩现象，在干燥之后浸水以及受水流的冲刷作用，初期会发生较大崩解，然后由于岩石内部的膨胀矿物浸水膨胀，所以在崩解之后会有短期的膨胀，接着随着含水率的损失，岩体从潮湿变为干燥，岩体出现失水收缩的现象。在浸水后的72 h 内，软岩坡面崩解变形较为明显。每次浸水之后72 h 内泥面的变化量与时间的关系曲线如图4 所示。

由图4 可知：

图4 每次浸水后泥面变化量与时间的关系

（1）随着浸水次数的增加，崩解深度呈上升趋势。泥岩相较于泥岩更为明显，可以说明干湿循环会使崩解加剧。

（2）泥岩相较于泥岩受水的作用和干湿循环作用较明显，在崩解过程中会产生较大膨胀，而砂岩基本无膨胀性。随着含水率的损失，泥岩的收缩量较大。由此判定，砂岩相较于泥岩其胀缩性较弱。

（3）第一次浸水初期，砂岩与泥岩均无崩解，泥岩产生较大膨胀，砂岩膨胀微弱，之后几次的干湿循环，泥岩均没有明显膨胀。由此可知，在观测初期，观测点表面岩性较为坚硬，所以百分表测得是膨胀量，而经历多次干湿循环，由于过程中岩体表面崩解的产生，表面存在没有随水流冲刷的浮土，这部分土质不够致密，因此后几次干湿循环测量的膨胀量较小，收缩量较大。

2.2 裂隙发展试验结果分析

裂隙发展也是影响崩解的主要原因，软岩在干湿循环作用下，岩体吸水膨胀，失水收缩，必然会产生裂隙，逐渐发展成裂缝，提供水进入岩石内部通道，岩石就会加剧解体而崩解。裂隙发展研究分为两点，一是单个裂缝的宽度随时间的变化规律，二是处理干湿循环下的不同时间段的裂隙图像，通过MATLAB 软件计算裂隙度，研究干湿循环下不同时刻的裂隙度随时间变化的规律。

裂隙宽度与时间关系曲线如图5 所示。

图5 裂隙宽度与时间关系

由图5 可知，裂隙的宽度随时间逐渐增大，并最终趋于稳定。砂岩产生的裂隙较少，且宽度随时间变化较小，宽度在0.2 mm 范围内；泥岩产生的裂隙较多，且随时间变化裂隙宽度变化明显，宽度在1 mm 范围内。

裂隙度是研究裂隙的另一重要指标。裂隙度为裂隙的面积占总面积比值，即黑色像素点数与总像素点数的比值。裂隙度能综合反映裂隙的表观特征，更加全面地反映整个观测平面的裂隙开展情况，因此在观测的过程中有必要进行数据统计分析。在干湿循环下的不同时间段，定期对试样进行拍照，并对图像进行二值化处理，通过MATLAB 软件进行像素点数值计算，得出裂隙度。

裂隙度与时间关系曲线如图6 所示。

图6 裂隙度与时间关系曲线

由图6 可知：

（1）裂隙度随着干湿循环次数增加而逐步增加。经历干湿循环次数越多，变化趋势越明显，变化幅度越大。

（2）泥岩相比较砂岩受水与干湿循环作用影响较大，崩解性较强。砂岩4 次干湿循环裂隙度为0.029 8，裂隙度变化率为34.2%，泥岩4 次干湿循环裂隙度为0.1，裂隙变化率为46.7%；泥岩较砂岩裂隙度变化趋势明显，裂隙度数值较大。

3 结论

本文基于现场实际工况进行软岩崩解性试验，采用室内模型模拟在自然干湿循环作用，研究软岩崩解深度、裂隙发展随时间变化的规律，对比分析砂岩与泥岩不同性状的软岩崩解性差异及对边坡的实际影响，得出以下几点结论。

（1）干湿循环作用会使软岩崩解加剧，随着干湿循环作用次数的增加，崩解深度呈上升趋势。因此，可以认为在坡面浇筑混凝土面板进行防护，隔绝水作用的影响，对抑制边坡软岩崩解起到重要作用。

（2）泥岩相较于泥岩受水的作用和干湿循环作用较明显。在崩解过程中会产生较大膨胀，而砂岩基本无膨胀性。随着含水率的损失，泥岩的收缩量较大；从裂隙发育来看，泥岩裂隙宽度及裂隙度变化幅度较大；砂岩裂隙宽度为0.2 mm，4 次干湿循环裂隙度为0.029 8，裂隙度变化率为34.2%；泥岩裂隙宽度为0.1 mm，4 次干湿循环裂隙度为0.1，裂隙变化率为46.7%，且裂隙发育明显。由此判定，基于现场实际工况，砂岩相较于泥岩其胀缩性、崩解性较弱，岩性更加稳定。

（3）总体而言，砂岩和泥岩在短期内，崩解程度不大，且在干燥条件下不产生崩解。因此，在经历极端的干湿条件之前，需快速对坡面喷射混凝土，在施工不同时期起到隔离大气的降雨-蒸发的水气流通作用，从而阻止软岩失水现象，避免出现大量岩体崩解现象。