基于干濕循環下室內模型的軟巖崩解特性試驗研究

劉 揚

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112）

在水利、航道、公路等工程建設當中，經常會碰到泥質砂巖、粉砂質泥巖等軟巖的崩解問題。軟巖的礦物成分、孔隙特性等決定了其具有崩解性，這類巖石往往含有蒙脫石、伊利石等膨脹性粘土礦物或易溶鹽的成分，所以在巖體浸水后會發生膨脹或溶解，使巖體逐漸剝離，即崩解[1-5]。該類巖石孔隙往往較大，水容易浸入巖體內部，加劇崩解的產生。另一原因就是巖體在卸荷后浸水導致的，卸荷使巖體失去了應力的束縛，浸水后巖石內部的膨脹性礦物和易溶鹽的作用，導致崩解[6-7]。梁冰等[8]認為空隙率及吸水率是影響泥質巖的崩解性的主要因素。張巍等[9]認為巖石膨脹性的強弱與耐崩解性指數具有反相關關系，即膨脹性越強，耐崩解性越差。郭永春等[10]通過對泥質巖進行干濕循環下的崩解試驗，認為多次干濕循環引起巖石含水率的重復變化，是泥質巖發生崩解的主要原因。馮啟言等[11]認為軟巖崩解性受巖石內部膠結物及膠結強度的影響，鈣質含量越高，崩解速率越慢。曹運江等[12]認為軟巖的崩解度與泥質含量和干濕循環次數具有很好的相關性，即泥質含量越小，相應的崩解性則越差。權全等[13]通過崩解性與強度關系研究，認為隨著干濕循環次數的增加，耐崩解度逐漸減小，巖石的風化程度越高，崩解性越強。龔壁衛等[14]對南水北調中線工程的膨脹巖進行現場的人工降雨試驗，認為膨脹巖發生有沖溝、崩解、膨脹等破壞形式，主要是巖石內部礦物的膠結強度和膨脹性決定的。王軍等[15]對膨脹巖裂隙發育的現場觀測進行研究，定量地分析了在干濕循環作用下，現場的裂隙的變化規律。

目前，關于軟巖崩解性研究主要是基于軟巖本身的崩解特性，通常巖石的崩解能力通過耐崩解試驗確定[16]，以耐崩解指數Id2表示，試樣要求為渾圓狀，數量為10 個，質量40～60 g，試樣裝入耐崩解性試驗儀的圓形篩筒中，在105～110℃中烘干至恒重，將篩筒放入水中以20 r/min 的轉速轉動10 min 后，再將裝有殘留試樣的篩筒放入105～110℃中烘干至恒重，此過程為一次循環，以二次循環的耐崩解指數Id2來表征其耐崩解性。這種方法簡單且直接反映其軟巖本身的崩解性，但是此方法存在機械擾動，針對風化程度相似、強度等級相近的不同巖性而言，耐崩解指數基本一致，難以全面反映其崩解性差異，且該試驗與軟巖實際所處的工況并不一致，對邊坡實際造成的影響難以定量分析。因此，本文采用大尺寸室內模型，模擬自然條件下軟巖的崩解性能，通過分析不同巖性的軟巖在干濕循環下崩解以及裂隙發展情況，綜合反映軟巖崩解發展規律。

1 研究方法

模擬現場工況進行室內崩解性研究，本文以安徽地區河道紅層軟巖為例，該類軟巖為強風化白堊系砂巖、泥巖，具有低強度、強崩解特性。制作大尺寸的砂巖、泥巖室內模型，通過模擬自然狀態下干濕循環作用，定量分析干濕循環作用下崩解深度以及裂隙發展規律，對比分析砂巖與泥巖的崩解性差異以及對邊坡崩解性的實際影響。

1.1 室內模型

試驗選取具有代表性的強風化砂巖與泥巖的方樣，巖樣尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，考慮到巖樣結構面明顯，容易受擾動而發生結構破壞，為保證巖樣的完整性，需在巖樣周邊預留10 cm 的保護厚度。

室內模型的四周與底板為鋼板制成，模型底面積為30×30 cm2，模型底部鉆有透水孔，便于進入巖石內部水可以及時排出模型裝置，模型立面高度分別為20 cm 和30 cm，坡度為1∶3。巖樣采用切土刀進行修整并裝入模型中，并在模型兩側安裝百分表，測量巖樣在干濕條件作用下崩解變形情況。室內模型圖如圖1所示。進行觀測試驗時，為了避免外界環境干擾，影響觀測數據準確性，模型裝置采用圍欄進行維護，并運用加熱燈進行恒溫控制，控制溫度為30℃。

圖1 室內模型圖

1.2 試驗方法

室內模型模擬了現場軟巖邊坡的工況，進行干濕循環試驗時，通過安裝在模型兩側的百分表，測量每次循環后巖樣的崩解深度，即百分表的相對變化量；同時利用裂縫寬度測試儀、圖像處理軟件以及MATLAB 軟件，定量分析巖樣在干濕循環作用下裂隙發展情況。

（1）在室內恒溫條件下，記錄在不同時間百分表的讀數，浸水的初期，1 h 內讀數4～5 次，1 h 后每1～2 h讀數不少于1 次，24 h 后每4～5 h 讀數不少于1 次，直至每天讀數的差值＜0.1 mm，表明讀數穩定，巖樣此時已經較為干燥，則進入干濕循環試驗。主要步驟：首先對已經干燥試樣，且每天讀數的差值＜0.1 mm 時，對模型坡面進行第一次浸水，以緩慢的流速沖刷坡面5 min，約6 000 mL，記錄在浸水后的百分表的讀數，并定期進行拍照，此為1 次干濕循環，本次試驗共進行4 次干濕循環的試驗，試驗從開始至結束共耗時48 d。

（2）砂巖與泥巖兩側各有2 個觀測點，分別為砂巖S1、S2，泥巖N1、N2，當崩解深度過大而接近百分表的量程時，應對百分表進行重置，記錄百分表從試驗開始至結束之后相對變化量的總和，研究在干濕循環條件作用下，崩解深度隨時間的變化規律。

（3）采用裂縫寬度測試儀測量砂巖與泥巖裂隙寬度隨著時間的變化情況，觀測頻率每天不應少于3 次，在浸水初期由于裂隙開展變化明顯，觀測頻率相應增加。

（4）在干濕循環下的不同時間段，定期對室內模型進行拍照。裂隙的發展是影響軟巖崩解的主要因素之一，然后裂隙的長度、寬度等參數只能代表軟巖單一方面的特征，為綜合反映裂隙特征，因此引入裂隙度的概念[17]。借助圖像處理軟件截取不同時刻的裂隙照片，將裂隙照片二值化處理，得到二值圖像，基于MATLAB圖像處理中的像素計算功能，計算二值圖像中黑色像素點數（巖樣裂隙部分）和白色像素點數（巖樣未發生裂隙部分），裂隙度為裂隙的面積占總面積比值，即為巖樣黑色像素點數與總像素點數的比值。

2 試驗結果分析

2.1 崩解試驗結果分析

試驗觀察并記錄砂巖與泥巖在干濕循環作用下的崩解狀態，如圖2 所示。

圖2 砂巖與泥巖干濕循環對比

從圖2 可以看出，砂巖與泥巖相比，泥巖受干濕循環和水的作用明顯，崩解性較強。砂巖在水和干濕循環作用下，雖然表面會產生崩解，但表面依然很平整，只有較少裂縫；而泥巖表面產生大量長大裂隙，崩解深度相對較大，且坡面易產生沖溝，表面凹凸不平。

砂巖與泥巖干濕循環下崩解深度與時間關系曲線如圖3 所示。崩解深度反映的是百分表的讀數與初讀數的差值。崩解深度為負值，百分表讀數減小，表明崩解深度在增大，而崩解深度為正值，即沒發生崩解，巖樣表面出現了膨脹，百分表讀數增大，百分表的讀數與初讀數的差值為正值。

圖3 干濕循環下崩解深度與時間關系曲線

由圖3 可知：

（1）砂巖經過4 次干濕循環，總的崩解深度為14.13 mm，16.395 mm，泥巖為13.798 mm，18.294 mm，砂巖與泥巖的崩解深度雖然相差不大，但是結合圖2砂巖和泥巖崩解現狀來看，泥巖更易受水和干濕循環作用的影響，崩解性更強。

（2）崩解深度隨著干濕循環次數的增加而增大。浸水的初期，表面巖體產生崩解，加之受到水流的沖刷，崩解深度會有突變，之后由于軟巖吸水發生短暫的膨脹，且隨著軟巖含水率損失而產生收縮，最后軟巖泥面相對變化量趨于穩定趨勢。

（3）泥巖相較于砂巖，受水與干濕循環作用的影響較大，崩解性更強。泥巖浸水的初期，崩解深度不僅有突變，而且隨著干濕循環次數增加崩解顯著，崩解過程中還會產生較大膨脹以及收縮。砂巖的整體穩定性較好，浸水初期雖然崩解量較大，但膨脹與收縮均表現較小。

（4）崩解產生于經歷干濕循環作用的初期，隨著干濕循環次數的增加，浸水后的崩解會加劇。試驗表明，干燥條件下軟巖不產生崩解，因此在軟巖經歷極端的干濕條件之前，需快速對坡面噴射混凝土，在施工不同時期起到隔離大氣降雨-蒸發的水氣流通作用，從而阻止軟巖失水，避免出現大量崩解現象。

每次干濕循環后軟巖會發生崩解、膨脹以及收縮現象，在干燥之后浸水以及受水流的沖刷作用，初期會發生較大崩解，然后由于巖石內部的膨脹礦物浸水膨脹，所以在崩解之后會有短期的膨脹，接著隨著含水率的損失，巖體從潮濕變為干燥，巖體出現失水收縮的現象。在浸水后的72 h 內，軟巖坡面崩解變形較為明顯。每次浸水之后72 h 內泥面的變化量與時間的關系曲線如圖4 所示。

由圖4 可知：

圖4 每次浸水后泥面變化量與時間的關系

（1）隨著浸水次數的增加，崩解深度呈上升趨勢。泥巖相較于泥巖更為明顯，可以說明干濕循環會使崩解加劇。

（2）泥巖相較于泥巖受水的作用和干濕循環作用較明顯，在崩解過程中會產生較大膨脹，而砂巖基本無膨脹性。隨著含水率的損失，泥巖的收縮量較大。由此判定，砂巖相較于泥巖其脹縮性較弱。

（3）第一次浸水初期，砂巖與泥巖均無崩解，泥巖產生較大膨脹，砂巖膨脹微弱，之后幾次的干濕循環，泥巖均沒有明顯膨脹。由此可知，在觀測初期，觀測點表面巖性較為堅硬，所以百分表測得是膨脹量，而經歷多次干濕循環，由于過程中巖體表面崩解的產生，表面存在沒有隨水流沖刷的浮土，這部分土質不夠致密，因此后幾次干濕循環測量的膨脹量較小，收縮量較大。

2.2 裂隙發展試驗結果分析

裂隙發展也是影響崩解的主要原因，軟巖在干濕循環作用下，巖體吸水膨脹，失水收縮，必然會產生裂隙，逐漸發展成裂縫，提供水進入巖石內部通道，巖石就會加劇解體而崩解。裂隙發展研究分為兩點，一是單個裂縫的寬度隨時間的變化規律，二是處理干濕循環下的不同時間段的裂隙圖像，通過MATLAB 軟件計算裂隙度，研究干濕循環下不同時刻的裂隙度隨時間變化的規律。

裂隙寬度與時間關系曲線如圖5 所示。

圖5 裂隙寬度與時間關系

由圖5 可知，裂隙的寬度隨時間逐漸增大，并最終趨于穩定。砂巖產生的裂隙較少，且寬度隨時間變化較小，寬度在0.2 mm 范圍內；泥巖產生的裂隙較多，且隨時間變化裂隙寬度變化明顯，寬度在1 mm 范圍內。

裂隙度是研究裂隙的另一重要指標。裂隙度為裂隙的面積占總面積比值，即黑色像素點數與總像素點數的比值。裂隙度能綜合反映裂隙的表觀特征，更加全面地反映整個觀測平面的裂隙開展情況，因此在觀測的過程中有必要進行數據統計分析。在干濕循環下的不同時間段，定期對試樣進行拍照，并對圖像進行二值化處理，通過MATLAB 軟件進行像素點數值計算，得出裂隙度。

裂隙度與時間關系曲線如圖6 所示。

圖6 裂隙度與時間關系曲線

由圖6 可知：

（1）裂隙度隨著干濕循環次數增加而逐步增加。經歷干濕循環次數越多，變化趨勢越明顯，變化幅度越大。

（2）泥巖相比較砂巖受水與干濕循環作用影響較大，崩解性較強。砂巖4 次干濕循環裂隙度為0.029 8，裂隙度變化率為34.2%，泥巖4 次干濕循環裂隙度為0.1，裂隙變化率為46.7%；泥巖較砂巖裂隙度變化趨勢明顯，裂隙度數值較大。

3 結論

本文基于現場實際工況進行軟巖崩解性試驗，采用室內模型模擬在自然干濕循環作用，研究軟巖崩解深度、裂隙發展隨時間變化的規律，對比分析砂巖與泥巖不同性狀的軟巖崩解性差異及對邊坡的實際影響，得出以下幾點結論。

（1）干濕循環作用會使軟巖崩解加劇，隨著干濕循環作用次數的增加，崩解深度呈上升趨勢。因此，可以認為在坡面澆筑混凝土面板進行防護，隔絕水作用的影響，對抑制邊坡軟巖崩解起到重要作用。

（2）泥巖相較于泥巖受水的作用和干濕循環作用較明顯。在崩解過程中會產生較大膨脹，而砂巖基本無膨脹性。隨著含水率的損失，泥巖的收縮量較大；從裂隙發育來看，泥巖裂隙寬度及裂隙度變化幅度較大；砂巖裂隙寬度為0.2 mm，4 次干濕循環裂隙度為0.029 8，裂隙度變化率為34.2%；泥巖裂隙寬度為0.1 mm，4 次干濕循環裂隙度為0.1，裂隙變化率為46.7%，且裂隙發育明顯。由此判定，基于現場實際工況，砂巖相較于泥巖其脹縮性、崩解性較弱，巖性更加穩定。

（3）總體而言，砂巖和泥巖在短期內，崩解程度不大，且在干燥條件下不產生崩解。因此，在經歷極端的干濕條件之前，需快速對坡面噴射混凝土，在施工不同時期起到隔離大氣的降雨-蒸發的水氣流通作用，從而阻止軟巖失水現象，避免出現大量巖體崩解現象。