干燥失水對泥質粉砂巖遇水后物理力學性質的影響

周華，靳鵬

（重慶市二零八工程勘察設計院有限公司，重慶 400700）

近年來，中國西南地區多次出現長期干旱后突發強降雨的特殊天氣[1]，巖土體性質發生較大變化，從干燥失水快速轉變為飽和狀態。為評價長期干旱后突遇強降雨時巖土體強度和穩定性，針對干燥失水巖土體遇水后物理力學性質的研究顯得尤為必要。目前，對于水巖作用的研究已取得豐富的成果，已知水對巖土體的物理力學性質有著重要的影響[2-4]。對于水巖作用造成的物理力學性質變化的研究過去主要針對天然狀態下巖體，對干燥失水狀態下巖體研究較少。

基于以上背景，本文進行了干燥條件下泥質粉砂巖浸水試驗。以遇水后天數為變量，通過巖石單軸壓縮試驗，研究干燥條件下泥質粉砂巖遇水后力學性質的變化。研究采用巖體波速測試獲取泥質粉砂巖遇水后裂隙變化，通過X射線衍射測試，獲取泥質粉砂巖遇水后礦物成分變化。通過多種手段共同揭示泥質粉砂巖在特殊條件下物理力學性質的變化規律，為地質體防治提供理論依據。

1 制樣及巖體物理力學性質

以往對巖土體的水巖作用研究多集中于成分單一的泥巖[5-10]，對于含砂量較高的泥質粉砂巖的研究相對較少，然而在四川的東部地區分布著大量的泥質粉砂巖，其力學性質對地基穩定性及邊坡穩定性起著決定性作用[11-13]。因此，本次研究選取四川省德陽市某人工邊坡（圖1）中的泥質粉砂巖為研究對象。現場采取新鮮完整的泥質粉砂巖樣品，用蠟封法進行密封。樣品規格：Φ90×100mm，每組試驗3個試樣。天然試樣的基本物理力學參數見表1。

圖1 取樣地點及試樣

表1 天然試樣基本物理力學參數

2 干燥失水條件下泥質粉砂巖浸水試驗

2.1 參數選取

干燥失水條件下泥質粉砂巖浸水試驗，就是首先通過烘箱將巖樣烘干，再對烘干后的巖樣做浸水處理。試驗過程涉及四個條件，包含烘干溫度、烘干后含水率、浸水試驗所用水及浸水時間。

（1）烘干溫度設置

以往研究人員通過對土體溫度與濕度進行觀測，認為最高溫度在45℃左右[14]。為接近長期干旱條件下的土體溫度和土體剩余含水率，同時加快烘干過程，本次試驗設置烘干溫度55℃。

（2）烘干后含水率

本文以剩余含水率來表示烘干后含水率。以往研究[15]表明巖土體在不同溫度下剩余含水量不同，隨著溫度上升剩余含水率降低。為獲取泥質粉砂巖烘干后含水率的變化情況及達到剩余含水率所需時間，通過烘干試驗，得到泥質粉砂巖含水率變化曲線（圖2），發現泥質粉砂巖在55℃下剩余含水率約為1.18%，時間約27h。

（3）浸水試驗所用水

由于河水、雨水含有不同的化學成分，對試驗巖土體作用不明，因此選用蒸餾水。

（4） 浸水時間

王森[5]認為泥巖在遇水7d后含水率穩定，接近飽和狀態。泥質粉砂巖較泥巖滲透性大，故該試驗設置遇水后7d為最大飽水浸泡天數，保證浸水后試樣處于飽水狀態。

圖2 泥質粉砂巖含水率變化曲線

2.2 試驗方案

試驗具體內容為：首先，通過烘箱設置55℃烘干溫度，烘干至1.18%初始含水率，模擬泥質粉砂巖在長期干旱條件下的失水過程；然后冷卻至常溫，模擬自然條件下的降溫過程；通過室內浸水試驗浸泡7d，模擬強降雨過程。通過以上進行的干燥條件下泥質粉砂巖的浸水試驗，最后對干燥失水條件下泥質粉砂巖浸水不同天數后的樣品進行單軸壓縮試驗、縱波波速測試和X射線衍射測試。干燥失水條件下巖石浸水試驗方案見圖3。

圖3 干燥失水條件下泥質粉砂巖浸水試驗設計

3 試驗結果與分析

干燥失水條件下泥質粉砂巖浸水后，強度變化曲線見圖4，強度及波速試驗數據見表2。

3.1 干燥失水對泥質粉砂巖浸水后物理力學性質的影響

（1）彈性縱波波速與干燥失水后浸水天數的關系

在干燥失水后，泥質粉砂巖彈性縱波波速從2494.40m/s下降至1597.43m/s。鄧華鋒等[16]認為波速的下降應與含水率的下降和內部裂隙的發育兩方面因素有關。

圖4 干燥失水條件下泥質粉砂巖浸水后強度變化曲線

表2 干燥失水條件下泥質粉砂巖浸水后強度、縱波波速測試結果

在開始浸水后波速進一步下降，穩定在1200～1350m/s范圍內（表3），測試時儀器上顯示的波速曲線幾乎無穩定值且波動較大，說明裂隙較為發育。通常來說干燥失水的巖樣在浸水后，因含水率升高波速應變大，但波速反而變小，說明試樣在浸水過程中，因黏土礦物吸水膨脹與吸水過程中氣泡產生對試樣的張拉力的影響，導致泥質粉砂巖內部因干燥失水后裂隙進一步擴張，使得裂隙造成波速下降的影響遠大于含水率增高的影響。

表3 干燥條件下泥質粉砂巖浸水后礦物成分含量測試結果

泥質粉砂巖在干燥失水后浸水1～7d時，波速幾乎為穩定值，但在試樣放入水中2h內，氣泡大量產生，表面開始產生裂紋、少量粘粒掉落在容器內，試樣頂部在氣泡的拉應力作用下產生裂紋（圖5）。說明干燥失水后的泥質粉砂巖在飽水浸泡過程中，因前期短時間內吸水速率較大，在試樣內部的裂隙中可能形成“水擊錘”效應，使得裂隙迅速發展。

圖5 吸水氣泡產生的頂部拉裂縫

（2）單軸抗壓強度與干燥失水后浸水天數的關系

泥質粉砂巖在干燥失水后強度有明顯的上升現象。干燥失水后的單軸抗壓強度約為8.03MPa，相比于天然抗壓強度2.73MPa明顯的增大。干燥失水使得含水率減少、孔隙收縮，從而使得強度增加，顯現硬巖的性質。

干燥失水后隨浸水時間的增加，泥質粉砂巖的單軸抗壓強度出現明顯下降趨勢（圖3）。浸水后1d之內強度大幅下降，但隨著浸水時間的增加，強度變化幅度逐漸降低，最終趨于穩定值。伴隨著波速的大幅下降，強度也大幅下降，因此反映裂隙發育主要集中在浸水初期。

（3）礦物成分與干燥失水后浸水天數的關系

隨著干燥失水試樣飽水浸泡時間的增加，蒙脫石、石英、方解石含量也增加，而伊利石、長石含量下降。反映了隨著干燥失水后飽水浸泡時間的增加，伊利石、長石逐漸分解為蒙脫石等礦物的過程[17]（圖 6）。

圖6 黏土礦物形成演化過程（柯夫達，1981）

4 討論

4.1 干燥失水巖體浸水劣化規律與天然巖體浸水劣化規律對比

通過該試驗可知：干燥失水后的泥質粉砂巖在浸泡至穩定強度后呈現82.42%的最終衰減幅度（較天然單軸抗壓強度），與王森[5]認為的未經歷失水的巖體直接浸水的最終衰減幅度40%左右（天然抗剪強度）相比較，衰減幅度大幅增加；干燥失水后泥質粉砂巖在浸水處理1d內強度大幅下降段就基本結束，較天然巖體直接浸水處理7d后強度才逐漸趨于穩定相比[5]，強度大幅衰減的時間段變短。雖然該試驗的單軸抗壓強度和抗剪強度不具有直接對比性，但衰減幅度和規律應是類似的，單軸抗壓強度的衰減變化規律反映了抗剪強度的變化規律。

4.2 干燥失水對泥質粉砂巖遇水后快速劣化機理探討

干燥失水后試樣內部因失水收縮會產生微裂隙[15]，在后續浸水過程中，微裂隙在初期較大的吸水速率和吸水產生的氣泡張拉作用影響下，裂縫尖端產生應力聚集，從而使裂縫進一步擴張，導致巖石劣化。相較于天然試樣浸水過程，干燥失水后巖體初始含水率更低，吸水速率更大，因此與天然試樣相比較，其在吸水過程中膠結破壞更嚴重，強度更低，劣化速度和程度都大為增加。

5 結論

通過干燥失水條件下泥質粉砂巖浸水試驗、單軸抗壓試驗、縱波波速測試及X射線衍射等一系列試驗，從宏觀、細觀和微觀角度研究了干燥失水條件下泥質粉砂巖遇水后7d的物理力學特性的變化，試驗結果表明：

（1）中江紅層泥質粉砂巖雖然具有較高的含砂量，但在干燥失水條件下遇水后其物理力學特性發生顯著變化，縱波波速及強度先大幅下降后趨于穩定。

（2）干燥失水條件下浸水1d后強度大幅下降階段就完成，遠低于天然試樣浸水后7d的強度快速下降時間段[5]；干燥失水條件下浸水7d后泥質粉砂巖穩定強度低于天然試樣飽水浸泡后穩定強度。

（3）縱波波速變化與強度有一定的相關性，波速與強度下降趨勢接近，裂隙的產生為強度下降的主要因素。

（4）X射線衍射結果表明，隨著干燥失水后浸水時間的增加，伊利石、長石等分解，形成蒙脫石等礦物。