干濕循環對強風化泥巖崩解與強度特性的影響

2020-05-18 13:07:30羅瓊

硅酸鹽通報 2020年4期

羅瓊

(1.四川建筑職業技術學院土木工程系，德陽 618000；2.重慶大學土木工程學院，重慶 400030)

0 引言

八盤峽水庫位于甘肅省蘭州市黃河上游的最西端，是黃河中上游流域的一個重要水利樞紐[1]。泥巖廣泛分布于該庫區的邊坡內部，強風化泥巖由于特殊的礦物成分和孔隙結構，水敏性較強，在水力作用下易發生崩解軟化現象[2-3]。由于庫區的季節性降水和地下水位的反復波動，邊坡的強風化泥巖始終處于吸濕和脫濕的循環狀態。由于水對泥巖工程性質的劣化效應影響非常明顯，巖石受反復干濕循環作用而引起的軟化、崩解導致強度顯著地降低,嚴重影響邊坡的穩定性[4]。因此，為減少庫區巖質邊坡發生滑塌失穩等工程災害，有必要全面深入地研究在經歷反復干濕循環狀態下泥巖的崩解性與強度變化特征。

當前，一些學者已就泥巖浸水后的崩解特性劣化規律開展了相應研究。如梁越等[5]分析了泥巖在遇水崩解過程中顆粒結構特征的變化，發現巖樣的干濕循環次數越多，顆粒離散程度也相對越強。申培武等[6]通過室內崩解對泥巖受干濕循環的影響進行測試，得出了泥巖崩解速率與干濕循環次數的相關性。王亞坤等[7]通過對軟巖開展干濕循環后的三軸剪切試驗，深入分析了軟巖在水的作用下發生強度軟化的內在機理。前人的研究主要集中于對巖土體強度軟化、崩解試驗結果規律進行總結[8-9]，而就干濕循環對巖石崩解程度和強度弱化程度進行量化表征的研究比較少見，尤其是對三軸應力狀態下隨循環次數增加的強度劣化規律的認識還需要深化[10-11]。

本文對強風化泥巖的崩解特征和強度特性在不同干濕循環次數下的變化規律開展研究，重點對泥巖崩解程度和強度指標受干濕循環影響程度的量化指標進行了分析,以期加深對強風化泥巖對水敏感性的認識。

2 實驗

2.1 試驗巖樣

試驗的泥巖采用甘肅省蘭州市八盤峽水庫邊坡的泥巖，該巖樣呈黃褐色的塊狀構造，經長期沉積而形成，巖體內部富含黏土礦物。采用現場切樣和鉆探取樣，封裝完成后運回實驗室。

圖1 泥巖試樣的XRD譜Fig.1 XRD pattern of mudstone samples

采用日本理學公司生產的XRD-MiniFlex600型X射線衍射測試儀對試樣進行XRD定量物相成分分析，結果如圖1所示，試樣中石英含量為24.4%、長石含量為28.6%、高嶺土含量24.6%、伊利石含量13.2%、方解石含量7.4%以及微量赤鐵礦含量1.8%。為了研究巖石微觀結構以及組成成分的尺寸大小、分布及幾何形態，對巖石試樣開展鑄體薄片試驗。根據SY/T 6103—2004《巖石孔隙結構特征的測定圖像分析法》行業規范中的操作方法進行實驗，采用的是STX-603型薄片測厚儀進行切片觀察，結果如圖2所示。可以看出由高嶺土及伊利石組成的黏土礦物大量填充在泥巖中，石英分布廣泛，且石英顆粒的尺寸較大；長石、方解石和赤鐵礦在黏土礦物中的分布比較離散。采用日本尼康公司生產的JCM-6000型掃描電子顯微鏡開展巖石的SEM試驗(見圖3)，發現在300倍放大倍數下，泥巖試樣的孔隙比較發育，此性質為泥巖的吸水軟化提供了入滲條件[12]。

圖2 泥巖試樣的鑄體薄片掃描圖Fig.2 Casting thin sections image of mudstone samples

圖3 泥巖試樣的SEM照片Fig.3 SEM image of mudstone specimen

2.2 試驗方法

2.2.1 干濕循環處理

圖4 干濕循環過程中的巖樣狀態Fig.4 Dried rock samples after different immersion times

崩解試驗中利用噴霧器對強風化泥巖進行吸濕處理，每隔1 h向如圖4(a)所示的天然泥巖噴淋蒸餾水，當泥巖的質量不再變化時，表明試樣充分吸水，加濕過程結束，得到如圖4(b)所示的吸濕狀態試樣[13]。利用恒溫恒濕箱在40 ℃溫度下進行干燥脫濕過程。當脫濕過程中質量變化低于0.05 g/h時，表明脫濕過程結束，得到如圖4(c)所示的脫濕狀態試樣。上述環節為1次干濕循環，崩解試驗采用不規則形狀的巖塊，力學測試采用標準圓柱狀巖芯樣。三軸壓縮試驗中采用抽氣飽和法進行吸濕試驗，將直徑38 mm，高度80 mm的圓芯樣安裝在飽和器中，設置抽氣飽和時間為48 h。

2.2.2 崩解試驗

為了研究浸水時程對泥巖試樣結構完整性的影響，設計了泥巖的崩解試驗[13]。首先均勻選取若干塊天然巖樣，裝入敞口容器中，稱量巖塊總重(總質量約為1 kg)；將裝有巖樣的容器放在電子秤上并置于烘箱中，設置環境的溫度為105 ℃，相對濕度為15%，持續干燥直至觀察到的試樣質量變化小于0.02 g/h，認為此時巖石完全干燥；然后將容器拿出，至于環境溫度為25 ℃，相對濕度為70%的實驗室環境中，向容器內注入蒸餾水，并觀察浸水過程中巖塊的形態變化。開始10 min內每隔2 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄，10～60 min內每隔10 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄，1～4 h內每隔30 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄。直至4 h后巖體的形態發生完全崩解。

每次崩解試驗完成后用0.1 mm規格的篩子分離崩解物并記錄質量，根據如公式(1)所示的崩解率計算公式量化表征巖體的崩解性。

(1)

式中，Bt表示t次循環后的泥巖崩解率(%)；mt與m0分別為t次循環后泥巖崩解物質量(g)和初始泥巖質量(g)。

2.2.3 強度試驗

本文利用伺服式三軸壓縮試驗系統對泥巖開展強度試驗,測試儀器來自天津萊博特公司生產的YSD-I型伺服液壓巖石三軸測試儀。用于三軸剪切試驗的樣品為直徑38 mm,高度80 mm的圓柱體。

在進行三軸試驗時，首先將試樣安裝在三軸壓力室的底座上，再向腔內注滿水，然后對試樣進行圍壓的加載，圍壓級別設計為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，控制圍壓加載速率為50 kPa/min，待固結圍壓保持穩定后進行軸向加壓，使得試樣發生剪切。剪切過程中采用軸向應變控制式的加載方式，軸向變形的加載速率設置為0.02 mm/min，持續剪切直至泥巖試樣發生破壞。對泥巖試驗進行不同次數的干濕循環處理后，通過三軸壓縮試驗得到了泥巖試樣在不同圍壓級別下應力-應變關系曲線。

3 結果與討論

3.1 崩解試驗結果分析

圖5所示的是泥巖在崩解試驗過程中的巖石形態圖，可以看出強風化泥巖在天然狀態下保持較好的結構完整性，但水入滲后后會發生明顯的吸水膨脹現象，使得巖體結構由整體崩解為若干分散體。并且，由圖5可以看出經過崩解試驗后的巖塊分散程度隨著循環次數的增加而逐漸上升。經過0～4次干濕循環過程的巖塊的碎屑化程度較低，4次以上干濕循環后的巖體碎屑化程度明顯提高。

根據公式(1)所示的崩解率公式量化表征巖體的崩解程度。經過計算得到不同干濕循環次數下的崩解率曲線如圖6所示。從圖6可以看出泥巖試樣的崩解率與干濕循環次數始終保持正相關的相關性，且崩解率上升速度隨循環次數增加保持先慢后快的特點。0次干濕循環后的泥巖崩解率僅為12%，經過12次干濕循環后，崩解率上升至65%左右，并且在2～8次干濕循環過程中，泥巖的崩解率Bt基本呈線性增長的趨勢。

3.2 三軸試驗結果

本文共對4組不同凍融循環次數的泥巖開展試驗，進行力學試驗前對共16個樣品對試樣進行稱重，結果如表1所示。可以看出隨著干濕循環的進行，泥巖試樣的質量有所降低，說明干濕循環對泥巖存在一定損傷作用，使得泥巖內部和表面的物質有所流失。

圖5 不同干濕循環次數巖樣的崩解狀態Fig.5 Dried rock samples after different dry-wet cycles

圖6 不同干濕循環次數巖樣的崩解率Fig.6 Disintegration rate of samples after different dry-wet cycles

表1 不同干濕循環下泥巖的質量Table 1 The mass of mudstones under different dry-wet cycles /g

以干濕循環次數為0次、4次、8次和12次的泥巖三軸試驗結果為例，將泥巖試樣的應力-應變曲線繪制在圖7(a)～(d)中，可以看出不同圍壓下泥巖的應力-應變曲線均保持為硬化型曲線。根據曲線變化趨勢可被劃分成3個不同的階段[14]。

(1)線彈性變形階段。泥巖在開始受到軸向載荷作用后，隨軸向壓力逐漸增加，泥巖應力呈線性增長。此階段巖石的微裂隙逐漸壓密閉合，試樣沒有明顯破壞現象，應力應變關系符合線彈性本構關系。

(2)彈塑性變形階段。泥巖在經過線彈性變形階段后，應力增長速率明顯下降，此階段次生裂隙開始發展，結構損傷逐漸累積，巖石不僅發生彈性變形，也同時發生塑性變形。應力應變關系為彈塑性關系。

(3)應變硬化階段。泥巖發生彈塑性變形后，軸向應力隨應變發展而緩慢增長，巖石內部結構發生破壞。此階段泥巖內部結構的損傷逐漸累積，微裂隙不斷擴展并釋放大量結構勢能。

圖7 不同干濕循環下泥巖的應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of mudstone in different cycles

從不同干濕循環次數下試樣的三軸壓縮應力-應變曲線可以看出干濕循環的初始損傷程度對泥巖試樣的力學特性存在顯著影響。相對于0次循環的試樣，經過干濕循環的試樣強度值出現明顯下降趨勢，且隨循環次數增加而不斷下降。說明泥巖試樣經水的反復入滲和蒸發作用后，強度有所衰減。其原因主要是在浸水過程中，水分子不斷滲透進入泥巖內部的微觀結構形成水膜的潤滑作用，使得泥巖內部礦物顆粒的結構強度被削弱，顆粒間的摩擦咬合力也減小。脫濕過程中，泥巖內部裂隙在水分蒸發的膨脹力作用下逐漸擴展并連通，連通裂隙形成了入滲通道，使得下一次水入滲的微觀沖擊效應逐漸加深，并在泥巖的裂隙面上產生不均勻應力集中現象，導致顆粒間裂隙規模不斷擴大，進一步增加了試樣的損傷程度[15]。

3.3 泥巖的強度軟化現象分析

圖8 泥巖的摩爾-庫倫關系示意圖Fig.8 Triaxial Moore-Coulomb diagram of mudstone

由摩爾-庫倫準則可以從不同圍壓的應力應變莫爾圓和包絡線獲取巖土體的內聚力與內摩擦角。包絡線的截距為內聚力c,斜率為內摩擦角φ的正切值。圖8所示的是0次循環狀態下泥巖的莫爾圓和包絡線，通過計算得到其內聚力為105.5 kPa,內摩擦角為35.7°。同理，按照摩爾庫倫準則計算不同干濕循環的泥巖內聚力和內摩擦角，所得結果如表2所示。

筆者利用相同圍壓下的內聚力與內摩擦角作為弱化系數的變量計算泥巖的強度弱化系數D，以此分析不同圍壓下泥巖浸水不同時間后的軟化程度，從如表2所示的粘聚力和內摩擦角計算弱化系數，計算式如公式(2)所示。

(2)

式中，I表示抗剪強度指標內聚力c或內摩擦角φ；I0為初始試樣的強度指標；t為循環次數；D為弱化系數。

表2 不同干濕循環次數下泥巖的強度指標Table 2 Strength index of mudstone under different dry-wet cycles

圖9 不同干濕循環次數下的強度弱化系數Fig.9 Softening coefficient under different dry-wet cycles

弱化系數D越大表示試樣干濕循環后損傷程度越高。從圖9可以看出，隨著循環次數增長，泥巖試樣的弱化系數不斷增加，且增長速率隨時間逐漸減小，說明損傷程度累積到一定程度后趨于穩定[15]。對弱化系數和干濕循環次數的數據進行數理分析，得到弱化系數與浸水時間近似保持對數關系，且內聚力的弱化系數增加幅度明顯比內摩擦角的弱化系數大，說明內聚力對干濕循環損傷程度的敏感性強于內摩擦角。研究結果表明強風化泥巖明顯受到干濕循環的影響，在實際的邊坡工程中，應認識到降雨入滲和水分蒸發對于泥巖的影響，加強對泥巖邊坡坡面開展相關的防護工作[16]。