干濕循環作用下預崩解炭質泥巖強度特性及其劣化機制

曾鈴，邱健，匡波，肖源杰，劉杰，卞漢兵

(1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙，410114；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧，530029；3.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；4.重載鐵路工程結構教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075；5.長沙理工大學 水利與環境工程學院，湖南 長沙，410114；6.橋梁工程安全控制教育部重點實驗室(長沙理工大學)，湖南 長沙，410114；7.法國里爾大學 土木工程與巖土環境工程實驗室，法國 里爾，59655)

我國西南地區優質填料匱乏，為節約建設成本、減少廢棄物，常因地制宜將開挖后的預崩解炭質泥巖用于路堤填筑。然而，在季節性降雨作用下，路堤長期經受干燥和浸水反復作用，其內部預崩解炭質泥巖強度急劇劣化[1]，導致路堤發生不均勻沉降甚至誘發坍塌、滑坡等地質災害。預崩解炭質泥巖黏土礦物質量分數高[2]、遇水軟化崩解[3]，在干濕循環作用下，內部微觀孔隙及顆粒結構變化復雜，極大增加了其強度的不可預測性，嚴重威脅預崩解炭質泥巖路堤長期穩定。為減少或避免預崩解炭質泥巖路堤災害，亟需明確干濕循環作用下預崩解炭質泥巖強度特性及其劣化機制。目前，國內外學者主要從以下幾個方面開展巖土體強度特性及其劣化機制研究：

1)采用掃描電鏡等手段從微觀顆粒及孔隙形貌演變等方面推斷其微觀結構變化對宏觀力學的影響，發現隨著干濕循環次數增加，微觀層面上的孔隙出現貫通[4]，顆粒結構經歷表層整齊、結構錯動、結構破碎、形成大尺度軟弱面4 個階段[5]，在宏觀層面上表現為彈性模量和峰值強度明顯衰減。

2)基于圖像識別技術，探索顆粒及孔隙結構特征變化對巖土體強度的影響規律。掃描電鏡技術是一種能對孔隙及顆粒結構進行定量分析的有效手段[6]，通過提取SEM 圖像中孔隙及顆粒結構信息，發現殘積土劣化主要由大孔隙引起[7]，孔隙形態是評價土體強度的一個重要微觀結構參數，并可結合顆粒定向性參數探究強度劣化機制[8]。

3)結合微觀結構參數和宏觀強度兩者之間的關聯程度，探究巖土體劣化的微觀機制。

干濕循環作用后，黏聚力急劇降低，內摩擦角變化很小。采用相關方法分析發現顆粒的平均周長和形狀系數是影響強度的微結構顯著參數[9]，顆粒圓度對黏聚力和內摩擦角影響較大[10]。然而，預崩解炭質泥巖不同于一般巖土體，其崩解性強，在干濕循環作用下，微觀結構變化更加復雜；同時，無論是微觀結構的定性分析還是定量分析，現有研究很少考慮各向異性帶來的結構特征差異，導致對干濕循環作用下強度劣化機制的認識存在片面性。因此，如何定量分析干濕循環作用下預崩解炭質泥巖微觀結構變化規律，并揭示其強度劣化機制是當前研究的難點。為此，本文作者通過三軸剪切試驗，分析干濕循環次數對預崩解炭質泥巖宏觀強度特性的影響規律，并基于掃描電鏡試驗及圖像分析技術定量研究微觀孔隙及顆粒結構參數的演變規律，同時探究微觀結構參數與宏觀強度指標的相關性，揭示干濕循環作用下預崩解炭質泥巖強度劣化機制，以便為炭質泥巖路堤的干濕運營環境研究提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用炭質泥巖取自廣西南天高速公路某路堤，將其置于室外經反復降雨及暴曬，直至完全崩解成粒徑小于2 mm 的預崩解炭質泥巖[1]，經室內試驗可得到預崩解炭質泥巖基本物理指標(見表1)，其顆粒級配曲線見圖1。依據GB/T 50145—2007[11]，粒徑在2 mm以下的預崩解炭質泥巖中的粗粒組質量分數為81.33%，屬于粗砂中的細粒土質砂；粉粒在細粒組中的質量分數為81.36%，故屬于細粒土質砂中的粉土質砂。X射線衍射分析發現其礦物成分主要為石英(38%，質量分數，下同)、高嶺石(32%)、伊利石(18%)，其余各礦物成分質量分數均低于5%。

圖1 預崩解炭質泥巖顆粒級配曲線Fig.1 Grain gradation curve of pre-caved carbonaceous mudstone

表1 預崩解炭質泥巖基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

1.2 試驗方法

預崩解炭質泥巖強度劣化機制研究主要包括重塑樣制備、干濕循環試驗、強度測試、微觀結構測試4 部分，試驗流程及設備見圖2，具體試驗方法如下。

圖2 試驗流程及設備Fig.2 Test process and equipment

1)試樣制備。控制試樣含水率為10.56%(最佳含水率)，壓實度為96%(路堤填筑規范要求土體壓實度不低于90%)[12]。取適量蒸餾水與完全干燥的預崩解炭質泥巖充分拌和，密封靜置48 h 使水分均勻分布。采用靜壓法分5 層制備直徑為50 mm、高為100 mm 的圓柱試樣，并用塑料薄膜密封保存。

2)干濕循環試驗。采用真空飽和法對試樣進行濕化飽和，烘干法進行干燥，飽和與烘干時間均控制為24 h[13]，烘箱溫度控制為106 ℃。采用干燥—濕化的循環路徑，干濕循環次數設置為0、2、4、6次。

3)強度測試。采用GDS 三軸儀對上述不同干濕循環次數后試樣進行三軸固結排水剪切試驗，圍壓選擇100、200、300、400 kPa。采用應變控制法加載，剪切速率為0.05%/min。在剪切過程中，若曲線出現峰值且軸向應變增加3%～5%，則結束試驗；若無峰值且軸向應變為16%，則停止試驗[14]。

4)微觀結構測試。采用ZEISS 高分辨電子掃描顯微鏡-EVO 10，最大分辨率為3 nm，加速電壓為0.2～30.0 kV，10 V 步進可調，最大探針電流為5 μA。為探究不同干濕循環次數后預崩解炭質泥巖水平和豎直斷面的孔隙及顆粒結構特征演變規律，在試樣中心處切取長×寬×高為2 cm×2 cm×1 cm 的塊狀樣，長軸方向與主應力σ1方向垂直；沿長軸方向從中間折斷得到2個試塊，以與主應力方向水平、垂直的斷面為測試平面，分別制作豎直斷面、水平斷面SEM樣品。對SEM樣品進行充分干燥、噴金處理，進行掃描電鏡試驗。

2 微觀結構特征分析方法

2.1 圖像處理方法

為確定預崩解炭質泥巖SEM 圖像二值化時的分割閾值T，對所有圖像亮度進行歸一化處理，以保證SEM圖像的亮度一致。在SEM圖像中取寬度為1像素的掃描線，分析該掃描線上所有像素點灰度分布曲線(見圖3)，以閾值T為標準作1條水平虛線(虛線以下像素點表示孔隙、以上表示顆粒)，調節閾值T使灰度圖像中代表孔隙與顆粒的像素點與SEM 圖像中孔隙與顆粒區域相對應，則該閾值T為最佳閾值。通過分析大量預崩解炭質泥巖的SEM圖像可知，最佳閾值T=53。

圖3 掃描線上灰度變化曲線Fig.3 Gray change curve on scan line

對閾值分割后SEM 圖像進行二值化處理，將顆粒和孔隙分開，隨后對二值化后的圖像進行降噪處理，以去除噪點對圖像的干擾，由此提取預崩解炭質泥巖的微觀特征信息，具體步驟如圖4所示。

圖4 SEM圖像分析過程Fig.4 SEM image analysis processes

2.2 微觀結構特征指標

巖土體微觀結構主要包括孔隙與顆粒結構兩方面。由于孔隙形態結構多樣，為簡化計算，采用相同的面積、取向、重心的橢圓代替相應的不規則孔隙[15]。對于多維度顆粒結構，采用水平斷面顆粒邊緣任意2點之間的距離最大值、最小值分別作為顆粒的平均長度L、平均寬度B，采用豎直斷面顆粒厚度的平均值作為平均厚度T，且利用L與x軸之間的夾角α作為顆粒的排列角度，如圖5所示。

圖5 預崩解炭質泥巖孔隙及顆粒結構示意圖Fig.5 Schematic diagrams of pore and particle structure of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

微觀結構特征變化可引起巖土體強度、黏聚力及內摩擦角發生改變。為定量評價預崩解炭質泥巖孔隙及顆粒結構的形態、大小等特征，選擇以下6種微觀結構指標進行分析，各參數表示方法與意義如下。

1)孔隙圓度F及面積S，其中F表征孔隙形狀與圓形的接近程度(圖5)，其大小與狹長度呈正相關。

式中：a、b分別為等效橢圓孔隙的短軸長度、長軸長度。

2)顆粒三軸幾何平均直徑R及球度Sp，其中，Sp表征顆粒與球形的接近程度。

3)顆粒定向頻率Fi(α)[16]及概率熵H，表征顆粒結構單元排列的有序性，顆粒排列的混亂程度與Fi(α)呈負相關，與H呈正相關，可表示為

式中：α為顆粒排列的單個區間角度，取15°；ni為第i角度區間內的顆粒數量；m和n分別為角度區間數和總顆粒數量。本文假定預崩解炭質泥巖在0°～360°范圍內對稱分布。

3 試驗結果與分析

3.1 干濕循環下預崩解炭質泥巖強度特性劣化研究

3.1.1 預崩解炭質泥巖應力-應變曲線和抗剪強度

圖6所示為干濕循環前后預崩解炭質泥巖應力-應變曲線和抗剪強度變化曲線。由于不同圍壓下的應力-應變曲線規律基本一致，故以100 kPa和400 kPa 圍壓下不同干濕循環次數N的應力-應變規律曲線為例進行分析。由圖6(a)可知：1)各應力-應變曲線均呈應變硬化型，且均可分為快速增長和緩慢增長2個階段；2)當圍壓一定時，隨著干濕循環次數增加，應力-應變曲線向下移動，這表明干濕循環導致預崩解炭質泥巖強度劣化，究其原因是干濕循環過程中的水巖作用引起內部結構松散，且松散程度與循環次數呈正相關。由圖6(b)可知：1)當圍壓一定時，預崩解炭質泥巖的抗剪強度隨干濕循環次數增加而降低。2)當干濕循環次數一致時，抗剪強度與圍壓呈正相關。以6次干濕循環次數為例，圍壓為100、200、300、400 kPa時的抗剪強度分別為125.81、154.81、178.48、323.06 kPa，與干濕循環前相比較，抗剪強度分別降低了34.53%、31.44%、27.15%、22.06%，這說明圍壓越高，對預崩解炭質泥巖內部結構松散的抑制作用越強。

圖6 干濕循環前后預崩解炭質泥巖應力-應變曲線和抗剪強度變化曲線Fig.6 Stress-strain curves and shear strength curves of pre-disintegrating carbonaceous mudstone before and after dry-wet cycle

3.1.2 抗剪強度指標

干濕循環作用下預崩解炭質泥巖黏聚力和內摩擦角的變化如圖7所示。由圖7可知：預崩解炭質泥巖黏聚力受干濕循環次數的影響較大，干濕循環0～4次時，黏聚力隨干濕循環次數的增加而減小，干濕循環4次后黏聚力隨干濕循環的次數增加而增加；總體而言，6次干濕循環次數后，黏聚力從32.95 kPa 降至13.16 kPa，減幅達60.1%。與黏聚力相比，6 次干濕循環次數后，內摩擦角從15.52°降至14.15°，較0 次干濕循環時僅減小8.83%，變化不明顯。這表明干濕循環下預崩解炭質泥巖黏聚力的減小是強度劣化的主要原因，而內摩擦角的作用較小。

圖7 干濕循環前后抗剪強度指標演化曲線Fig.7 Evolution curves of shear strength index before and after wetting and drying

3.2 干濕循環下預崩解炭質泥巖微觀結構演化規律

3.2.1 微觀結構形貌

巖土體的微觀結構變化極大影響其宏觀力學性能。劉禹陽等[17-18]發現黃土、粉土、黏土微米級孔隙發育明顯，且對于預崩解炭質泥巖等軟巖而言，干濕循環后顆粒崩解破碎嚴重，細粒質量分數劇增將引起級配進一步細化[19]，同時，顆粒中的部分礦物溶解，將產生大量的顆粒內孔隙和顆粒表面孔隙。該孔隙尺寸(直徑)雖是微米級別，但與顆粒間孔隙相連，增強水巖作用，對預崩解炭質泥巖強度產生重要影響。為全面分析干濕循環作用下預崩解炭質泥巖顆粒結構及孔隙特征，分別從水平和豎直方向觀察預崩解炭質泥巖斷面的微觀孔隙及顆粒結構特征，如圖8所示。

圖8 水平、豎直斷面微觀孔隙及顆粒結構特征Fig.8 Micromorphologies of horizontal and vertical sections

由圖8(a)和圖8(d)可知：干濕循環前，預崩解炭質泥巖水平斷面結構致密均勻，豎直斷面存在大量緊密接觸的疊聚體。由圖8(b)、(c)、(e)、(f)可知：干濕循環后，水平斷面出現顆粒間孔隙和顆粒內孔隙，結構松散隆起，最終形成破碎體；豎直斷面疊聚體出現分離剝落，厚度降低，間隙增大等，面-面接觸的顆粒逐漸向邊-面接觸轉變。可見，干濕循環后的預崩解炭質泥巖強度劣化在其微觀結構演變趨勢中得到體現。究其原因，疊聚體是巖土體中產生脹縮性最主要的基本單元，其通過膠結物質聯結而成[20]。在濕化過程中，預崩解炭質泥巖疊聚體中被水分子率先包裹的伊利石和高嶺石親水性黏土礦物產生膨脹，撐開臨近孔隙；在干燥過程中，顆粒及孔隙結構由于伊利石和高嶺石失水，導致體積縮小，其受力體系發生改變，故疊聚體結構無法恢復完全[21]。結構性黏土堆砌模型理論認為，巖土體由多個完整巖土塊與其之間的膠結薄弱面組成。經干濕循環后，顆粒崩解破碎，巖土中部分礦物軟化，溶解流失，粒徑減小，將在顆粒表面和內部產生孔洞，引起孔隙度增大[21]，從而降低巖土體強度。另外，土體破壞具有漸進性，孔隙發育亦如此。顆粒間孔隙作為土體強度變化的決定性因素之一，其也是由顆粒內或表面孔隙擴展、匯集、貫通而形成。同時，部分孔洞與連通孔隙之間相連，構成復雜的孔隙網絡[22]，增強了水巖作用，削弱了礦物、巖土顆粒間的聯系[23]，引起黏聚力降低，造成疊聚體間的不可逆聯結強度不斷下降，疊聚體在剪切過程中將沿著巖土體薄弱面而發生破壞，進而使得完整巖土塊被碎裂成小巖土塊直至剪切破壞[24-25]。預崩解炭質泥巖的疊聚體在干濕循環中反復脹縮而逐漸疏松，疊聚體間的不可逆聯結強度降低，孔隙發育匯集，導致預崩解炭質泥巖完整巖土塊破碎，強度不斷劣化。

3.2.2 微觀結構特征指標分析

1)孔隙結構特征分析。孔隙圓度可用于描述孔隙的形態分布變化情況，在相同孔隙率下，存在狹長孔隙的巖土體比存在圓形孔隙的巖土體更易受到損傷[26]。在干濕循環下，預崩解炭質泥巖各孔隙圓度區間內孔隙數量占比如圖9所示。由圖9 可知：在干濕循環前后，孔隙圓度F在[0.9,1.0](圓形)區間呈增大趨勢，且孔隙數量占比始終最高，最低為48.50%；F為[0,0.3)(細長形)的孔隙最少，但孔隙數量占比隨干濕循環次數增加呈增大趨勢；F為[0.3,0.9)(橢圓形)區間孔隙數量占比相當且呈減小趨勢。這表明干濕循環前后，預崩解炭質泥巖的孔隙趨于圓形和細長形2 個極端形態，圓形孔數量占比始終最高。

圖9 各孔隙圓度區間孔隙數量占比Fig.9 Proportion of pore quantity in each pore roundness interval

為探究干濕循環過程中預崩解炭質泥巖孔隙趨于圓形和細長形這2個極端形態的原因，結合圖9 統計不同干濕循環次數下[0,0.3)、[0.3,0.9)、[0.9,1.0]孔隙圓度F區間內平均孔隙面積S變化規律，如圖10所示。從圖10可知：對于平均孔隙面積，F為(0.9～1.0]范圍的最小(小孔)，最大面積僅為0.010 μm2，F為(0.3～0.9]的面積相當(中孔)；F為[0～0.3)的面積最大(大孔)，最小面積為0.626 μm2；干濕循環后，大孔的平均孔隙面積呈增大趨勢，小孔、中孔的平均孔隙面積基本不變。結合圖9和圖10 分析可知：在干濕循環過程中，水分對預崩解炭質泥巖孔壁周圍顆粒造成沖刷和磨蝕，在產生新圓形小孔的同時，部分小孔逐步發育匯集成細長形的大孔，導致預崩解炭質泥巖在外力作用下應力更加集中，驅動孔隙進一步發育，強度不斷劣化。孔隙發育示意圖如圖11所示。

圖10 某孔隙圓度區間平均孔隙面積Fig.10 Average pore area of a certain circularity interval

圖11 孔隙發育示意圖Fig.11 Pore development diagrams

2)顆粒結構特征分析。在外界環境作用下，巖土體顆粒定向排列狀態會發生顯著變化，進而影響其宏觀力學特征。圖12所示為不同干濕循環次數下，預崩解炭質泥巖風化后的顆粒定向頻率Fi(α)分布。由圖12 可知：隨干濕循環次數增加，0°～180°區間內的預崩解炭質泥巖顆粒定向頻率Fi(α)經歷均勻分布—大區間局部優先分布—小區間局部優先分布階段。未經干濕循環時，Fi(α)在各區間均勻分布；2、4 次干濕循環后均表現為大區間優先分布，其中2次循環后的優先分布區間為60°～105°，Fi(α)為37.75%；4 次循環后，在45°～75°區間內排列角度為15°的顆粒分布較多，Fi(α)達29.38%，其他區間較少；6次干濕循環后，Fi(α)在小區間內優先分布，0°～30°區間內Fi(α)較高，為34.46%，其余范圍的Fi(α)適中，尤其以15°～30°的Fi(α)極高，達23.65%，出現了“去極化”[27]的現象。

圖12 顆粒定向頻率分布Fig.12 Directional frequency distribution of particles

干濕循環下預崩解炭質泥巖風化后的顆粒結構定向概率熵H、三軸幾何平均徑R和球度Sp變化見表2。從表2 可見：干濕循環下預崩解炭質泥巖顆粒H、R和Sp均呈減小趨勢，6 次干濕循環后，H、R分別從0.994 7、1.03 μm 衰減至0.945 5、0.78 μm，降幅分別為4.95%、24.27%，故干濕循環后的預崩解炭質泥巖的定向性增強、粒徑減小、球度降低。分析圖12 可知：干濕循環使預崩解炭質泥巖混亂排列的顆粒重新排列，其定向性增強，同時，由于水巖作用使顆粒結構松散，粒徑減小，在外力作用下顆粒的運動能力更強，滑動摩擦減小；球度降低，顆粒間的團聚能力增強，咬合摩擦適當增大。

表2 預崩解炭質泥巖顆粒結構特征Table 2 Particle structure characteristics of predisintegrated carbonaceous mudstone

4 討論

4.1 微觀結構參數與強度指標相關性

將大孔、中孔、小孔的孔隙面積S，顆粒的定向概率熵H、三軸幾何平均徑R和球度Sp等微觀結構參數與抗剪強度指標相結合，所得干濕循環作用下預崩解炭質泥巖微觀結構參數對黏聚力c、內摩擦角φ的影響如圖13所示。從圖13 可知：黏聚力、內摩擦角均與大孔面積呈負相關，與中孔及小孔面積、顆粒的定向概率熵H、三軸幾何平均徑R、球度Sp均呈正相關。

圖13 微觀結構參數與黏聚力c、內摩擦角φ的關系Fig.13 Relationship among microstructure parameters and cohesion and internal friction Angle

為定量評價預崩解炭質泥巖微觀結構參數和強度指標之間的緊密程度，通過Pearson相關系數γ分析抗剪強度指標(黏聚力或內摩擦角)與各微觀結構參數之間相關性，其計算方法如下：

其中：xi為第i次干濕循環后的抗剪強度指標(黏聚力或內摩擦角)；yi為第i次干濕循環后的微觀結構參數；和分別為n次(n=6)干濕循環內抗剪強度指標(黏聚力或內摩擦角)、微觀結構參數；Pearson系數的范圍為-1～1。黏聚力、內摩擦角與預崩解炭質泥巖微觀參數相關性見表3。由表3 可知：對于黏聚力而言，其與大孔面積、中孔面積、小孔面積、顆粒結構定向概率熵、三軸幾何平均徑、顆粒球度等微觀參數的相關系數分別為-0.85、0.19、0.93、0.80、0.80、0.71。中孔面積與黏聚力間的相關系數僅為0.19，中孔由于其面積較大，會引起整體粒間引力減小，而其形態存在差異(橢圓形)，短軸方向的粒間引力較大，會適當增大黏聚力，因此，在兩者共同作用下，中孔面積與黏聚力的相關性低。就內摩擦而言，其與大孔面積、中孔面積、小孔面積、顆粒結構定向概率熵、三軸幾何平均徑、顆粒球度等微觀參數的相關系數分別-0.04、0.82、0.82、0.94、0.93、0.48。

表3 微觀結構參數與黏聚力、內摩擦角的相關性Table 3 Relativity between microstructure parameters and cohesion and angle of internal friction

4.2 強度劣化的微觀機制

黏聚力和內摩擦角是影響巖土體抵抗發生剪切破壞能力的重要指標。黏聚力包括原始黏聚力和加固黏聚力，膠結物質水解、孔隙粗化貫通、顆粒崩解及圓化均會造成原始黏聚力和加固黏聚力削減；內摩擦角包含滑動摩擦與咬合摩擦，其中滑動摩擦通過顆粒粒徑、排列控制[28]，咬合摩擦受顆粒形態控制[29]。結合上述分析結果可知，在干濕循環下，預崩解炭質泥巖疊聚體結構趨于松散、破碎。對于黏聚力而言，其與小孔、大孔面積相關度高，在干濕循環下，疊聚體反復脹縮，顆粒流失，不斷形成新的圓形小孔，且其數量始終最多。隨著干濕循環次數增加，部分小孔發育匯集成細長形大孔，內部應力更加集中，在外力作用下更易誘發孔隙發育，導致孔隙直徑及面積不斷增大，同時，預崩解炭質泥巖內的膠結物質不斷水解，顆粒間的膠結力降低[29]，最終導致黏聚力顯著降低。就內摩擦角而言，其與顆粒的定向概率熵、粒徑關系緊密。首先，在干濕循環前，預崩解炭質泥巖顆粒排列是緊密且無序的，歷經干濕循環的顆粒重新排列后定向性增強，顆粒的長軸方向趨于一致；其次，在水巖作用過程中，顆粒破碎，粒徑減小，兩者共同作用導致顆粒在水力作用下的遷移能力增強，摩擦力降低。

綜上所述，在干濕循環過程中，預崩解炭質泥巖強度劣化機制為：預崩解炭質泥巖內疊聚體反復脹縮，在不斷形成小孔的同時，部分匯集成細長形大孔，內部應力更加集中，更易驅動孔隙發育；同時，部分膠結物質不斷水解，最終引起黏聚力顯著降低；內摩擦角受顆粒定向分布和顆粒破碎的影響，呈現出小幅度減小；黏聚力及內摩擦角以不同幅度衰減，最終導致預崩解炭質泥巖強度劣化。

5 結論

1)干濕循環后，預崩解炭質泥巖強度、黏聚力及內摩擦角均降低。6次循環后黏聚力和內摩擦角的減幅分別達60.1%、8.83%。

2)在干濕循環過程中，圓形小孔數量始終最多且呈增大趨勢，占比最低為48.50%；小孔平均面積最大為0.010 μm2，同時，部分發育匯集成細長形大孔，大孔平均面積最小為0.626 μm2。

3)顆粒定向頻率整體隨干濕循環次數增加經歷均勻分布、大區間局部優先分布、小區間局部優先分布3個階段；顆粒的定向概率熵、三軸幾何平均徑降幅分別為4.95%、24.27%。

4)疊聚體反復脹縮，內部應力更加集中，導致孔隙不斷發育，同時，部分膠結物質不斷水解，引起黏聚力顯著降低；內摩擦角主要受顆粒破碎及定向化的影響，作用幅度減小；黏聚力及內摩擦角以不同幅度衰減，最終導致預崩解炭質泥巖強度劣化。