鄧華鋒，方景成，李建林，肖 瑤，周美玲

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 宜昌 443002)

含水狀態(tài)對紅層軟巖力學(xué)特性影響機(jī)理

鄧華鋒，方景成，李建林，肖 瑤，周美玲

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 宜昌 443002)

飽水狀態(tài)下，紅層軟巖力學(xué)特性的劣化直接影響相關(guān)工程的變形穩(wěn)定?？紤]干燥、自然和飽水3種狀態(tài)，對紅層軟巖抗壓和抗拉強(qiáng)度特性、變形破壞特征及微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了比較系統(tǒng)的試驗和檢測分析。研究表明：① 飽水狀態(tài)下紅層軟巖的軟化特征明顯，破壞時的延性特征更加明顯，不同圍壓下巖樣的抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.36～0.65，相對于干燥狀態(tài)，彈性模量和變形模量逐漸降低分別降低了35.60%～75.53%,44.57%～69.64%，而且圍壓越小，抗壓強(qiáng)度和模量降低趨勢越明顯;② 相對干燥狀態(tài)，飽水狀態(tài)下巖樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角分別下降了47.77%和12.68%，巖樣的黏聚力對含水狀態(tài)更為敏感;③ 飽水狀態(tài)下巖樣抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.40，加載線附近局部破壞特征明顯;④ 巖樣內(nèi)部礦物顆粒間泥質(zhì)膠結(jié)物的溶解破壞，伊利石、蒙脫石等黏土礦物吸水膨脹、分解，使得巖體結(jié)構(gòu)由相對密實(shí)狀態(tài)逐漸變得多孔、松散，而且孔隙多被水充填，這些微觀結(jié)構(gòu)的改變直接導(dǎo)致了紅層軟巖力學(xué)性質(zhì)的劣化。

紅層軟巖;含水狀態(tài);劣化;微觀孔隙;微觀結(jié)構(gòu)

紅層軟巖作為一類特殊的巖體，遇水易產(chǎn)生膨脹變形，甚至崩解破壞，在各類巖土工程中普遍存在，往往對邊坡、壩基以及地下洞室的變形穩(wěn)定性起著控制性作用[1]。較多學(xué)者對紅層軟巖的物理力學(xué)特性進(jìn)行了理論和試驗研究。孫喬寶[2]，萬宗禮等[3]對紅層軟巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析研究;胡厚田等[4]對中國紅層邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了深入的分析研究，并對紅層邊坡進(jìn)行了系統(tǒng)的分類;郭永春等[5]通過研究紅層軟巖工程參數(shù)與巖土體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，初步建立了紅層巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性綜合判別標(biāo)準(zhǔn)。KOMINE等[6]通過掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，物化型軟巖內(nèi)發(fā)育有大量的微孔隙和微裂隙，并對其膨脹性進(jìn)行了研究;汪亦顯等[7-8]對不同浸泡時間的軟巖試驗樣品進(jìn)行力學(xué)參數(shù)及雙扭試件的亞臨界裂紋擴(kuò)展試驗;宋磊等[9]對紅層軟巖進(jìn)行了浸水崩解等試驗;周翠英等[10]對飽水過程中軟巖的力學(xué)性質(zhì)軟化過程進(jìn)行了試驗研究;王運(yùn)生等[11]對四川盆地紅層軟巖的水-巖作用弱化時效性進(jìn)行了研究。劉曉明等[12]從微觀方面研究了紅層軟巖的崩解機(jī)理，提出了崩解的能量耗散模型;劉長武[13]對軟化前后泥巖的物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了泥巖崩解軟化的機(jī)理;譚羅榮等[14]對含蒙脫石的黏土巖崩解軟化機(jī)理進(jìn)行了研究;ARNOULD等[15]從泥巖的微觀結(jié)構(gòu)以及礦物成分兩個方面對其崩解原因進(jìn)行了研究;黃宏偉等[16]對泥巖遇水軟化的微觀機(jī)制進(jìn)行了分析。

綜合上述研究成果來看，紅層軟巖遇水易軟化、膨脹、崩解，巖體物理力學(xué)性能降低，但以往的研究中，往往比較單一的分析飽水狀態(tài)下紅層軟巖的力學(xué)性質(zhì)劣化，或者從微觀角度分析紅層軟巖的膨脹、崩解機(jī)制，很少綜合的分析飽水狀態(tài)對紅層軟巖力學(xué)特性的影響效應(yīng)及影響機(jī)理。因此，筆者對飽水狀態(tài)下紅層軟巖的力學(xué)特性劣化規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行綜合的研究，為了對比分析，同時考慮自然狀態(tài)和干燥狀態(tài)，對3種狀態(tài)下紅層軟巖進(jìn)行三軸壓縮和劈裂抗拉試驗，分析其抗壓和抗拉強(qiáng)度特性及變形破壞特征，并結(jié)合SEM分析其微觀結(jié)構(gòu)變化特征。

1 試驗方案設(shè)計

試驗用巖樣取自三峽庫區(qū)巴東縣某滑坡，埋深10 m左右，微風(fēng)化，屬于三疊系巴東組泥質(zhì)砂巖。對現(xiàn)場取回的巖塊，取芯制備成φ50 mm×100 mm三軸壓縮用巖樣和φ50 mm×50 mm巴西劈裂用圓盤試樣，按照規(guī)范要求嚴(yán)格控制試樣尺寸精度[17]。同時，為了控制巖樣的離散性，根據(jù)巖樣的縱波波速、密度嚴(yán)格選樣[18]，剔除離散性較大的試件。共選取φ50 mm×100 mm和φ50 mm×50 mm規(guī)格巖樣各20個。

對制備好的巖樣，分成3組：一組進(jìn)行強(qiáng)制真空飽水，一組進(jìn)行烘干，另外一組保持自然狀態(tài)。3組巖樣分別進(jìn)行三軸抗壓強(qiáng)度試驗和巴西劈裂抗拉強(qiáng)度試驗，三軸試驗設(shè)計圍壓為0,2.5,5.0,10.0 MPa;對自然和飽水狀態(tài)下巖樣進(jìn)行SEM電鏡掃描分析。

三軸抗壓強(qiáng)度試驗和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗在RMT-150C巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)上進(jìn)行，如圖1所示。在三軸抗壓強(qiáng)度試驗中，先采用應(yīng)力控制加載至各圍壓對應(yīng)的靜水壓力水平，再采用位移控制加載至巖樣破壞，位移速率為0.005 mm/s;在劈裂抗拉強(qiáng)度試驗中，采用位移控制方式，加載速率為0.005 mm/s，直至巖樣破壞。

圖1 試驗設(shè)備Fig.1 Test equipment figure

2 含水狀態(tài)對紅層軟巖抗壓特性影響

2.1 含水狀態(tài)對紅層軟巖變形特性影響

干燥、自然及飽水狀態(tài)下，典型巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可以看出：

(1) 3種狀態(tài)下，典型紅層軟巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體變化趨勢基本一致，各種狀態(tài)下紅層軟巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體可分為壓密、彈性、塑性屈服、應(yīng)變軟化和殘余變形5個階段。隨著圍壓的增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率逐漸增大，峰值強(qiáng)度逐漸提高，峰值后應(yīng)力跌落的趨勢更加緩慢，延性破壞特征更加明顯。

(2) 相同圍壓條件下，從干燥到飽水狀態(tài)下，巖樣的屈服階段更加明顯，峰值強(qiáng)度逐漸降低，峰值應(yīng)變(峰值強(qiáng)度對應(yīng)的軸向應(yīng)變)逐漸增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線跌落趨勢逐漸變緩，巖樣軟化特征逐漸明顯。

圖2 3種狀態(tài)下典型巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of typical rock specimen in the three states

根據(jù)三軸壓縮試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對3種狀態(tài)下巖樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量(取應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線線段的斜率)、變形模量(取應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值強(qiáng)度50%時對應(yīng)的割線模量)、黏聚力和內(nèi)摩擦角等進(jìn)行了統(tǒng)計分析，見表1。

表13種狀態(tài)下紅層軟巖力學(xué)參數(shù)
Table1Mechanicsparameterslistofredbedweakrockinthethreestates

狀態(tài)圍壓σ3/MPa偏應(yīng)力(σ1-σ3)/MPa峰值應(yīng)變ε1/%彈性模量Eav/GPa變形模量E50/GPa020351163237168干燥2550631523470330506026163248644210081871769765557014531208175137自然254124158036127550455417763833221006109203848041206351266058051飽水2529671752265158503677209731324510049802554329286

由表2可以看出，相同圍壓條件下，干燥、自然和初始飽水巖樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和變形模量逐漸減小，峰值應(yīng)變逐漸增大。不同狀態(tài)下紅層軟巖各力學(xué)參數(shù)具體變化趨勢如圖3，4所示。

圖3 3種狀態(tài)下巖樣彈性模量和變形模量隨圍壓變化曲線Fig.3 Elastic modulus and deformation modulus of rock spec- imen in three states change with confining pressure curves

圖4 3種狀態(tài)下巖樣峰值應(yīng)變隨圍壓變化曲線Fig.4 Peak strain of rock specimen in the three states change with confining pressure curve

由圖3可以看出，3種狀態(tài)下巖樣的彈性模量和變形模量隨圍壓的增大逐漸增大，且圍壓從0增大至2.5 MPa時變化比較顯著，2.5 MPa以后總體增長趨勢減緩。這主要是由于飽水狀態(tài)下巖樣內(nèi)部具有較多的微裂紋和孔隙，圍壓較低時，試樣內(nèi)部較大的微裂紋和孔隙閉合使得巖石抵抗變形的能力增強(qiáng)，彈性模量和變形模量增大較快，圍壓增大時，巖樣內(nèi)部較小的微裂紋也逐漸閉合，使軟巖抵抗變形的能力進(jìn)一步增強(qiáng)，但增長幅度逐漸減緩。

比較而言，飽水狀態(tài)下，紅層軟巖的彈性模量和變形模量降低趨勢非常明顯，相對自然狀態(tài)，分別降低了18.28%～66.86%,23.91%～62.77%，相對干燥狀態(tài)，分別降低了35.60%～75.53%,44.57%～69.64%，而且，圍壓越小，降低趨勢越明顯。

不同狀態(tài)巖樣峰值應(yīng)變與圍壓的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可以看出，相同圍壓時，飽水狀態(tài)試樣的峰值應(yīng)變要大于自然及干燥狀態(tài)試樣的峰值應(yīng)變，而且圍壓越大，這種差別越明顯，單軸作用時，自然及飽水狀態(tài)巖樣的峰值應(yīng)變相對于干燥狀態(tài)增大了3.87%和8.86%，2.5 MPa圍壓時，增大了3.74%和15.04%，5.0 MPa圍壓時，增大了8.82%和28.49%，10.0 MPa圍壓時，增大了15.21%和44.38%。分析主要是由于紅層軟巖富含大量親水礦物和黏土礦物，遇水后，巖樣軟化特征明顯，同時，黏土礦物遇水后膨脹，巖樣內(nèi)部微觀裂紋、孔隙增大，單軸狀態(tài)下容易破壞，三軸狀態(tài)下，由于圍壓對側(cè)向變形的約束，巖樣的孔隙、裂隙壓密現(xiàn)象明顯，變形量明顯增大。

2.2 含水狀態(tài)對紅層軟巖抗壓強(qiáng)度影響

圖5 3種狀態(tài)下紅層軟巖抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線Fig.5 Compressive strength of red bed weak rock in the three states and confining pressure curve

3種狀態(tài)巖樣抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可以看出，水對紅層軟巖的軟化作用明顯，相對于干燥狀態(tài)，自然和飽水狀態(tài)下巖樣的強(qiáng)度明顯降低，自然狀態(tài)下不同圍壓巖樣的軟化系數(shù)為0.71～0.85，飽水狀態(tài)下為0.36～0.65，圍壓越低，飽水狀態(tài)下的強(qiáng)度降低趨勢越明顯。

當(dāng)圍壓增大時，3種狀態(tài)下巖樣的強(qiáng)度逐漸增大，干燥狀態(tài)下，當(dāng)圍壓從0增大到10 MPa時，抗壓強(qiáng)度從20.35 MPa增加到了91.87 MPa，增大了3.51倍，自然和飽水狀態(tài)下分別增大了4.37倍和7.13倍，說明飽水狀態(tài)下巖樣抗壓強(qiáng)度的圍壓效應(yīng)非常顯著，這主要于水的作用使軟巖中親水礦物溶解或膨脹，使得巖樣內(nèi)部的微裂紋和孔隙更加發(fā)育，而圍壓側(cè)向約束作用下促進(jìn)了這些微裂紋和孔隙的閉合，因此，含水巖樣在單軸作用下強(qiáng)度很小，但隨圍壓的增大，強(qiáng)度增幅明顯。

根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則計算出不同狀態(tài)下紅層軟巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角，見表2。由表2可以看出，干燥狀態(tài)紅層軟巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角明顯大于自然及飽水狀態(tài)，比較而言，相對干燥狀態(tài)，自然狀態(tài)下巖樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角分別下降了21.67%和5.16%，飽水狀態(tài)下分別下降了47.77%和12.68%，含水狀態(tài)對巖樣黏聚力影響的更為顯著。

表23種狀態(tài)下紅層軟巖黏聚力和內(nèi)摩擦角
Table2Cohesiveforceandangleofinternalfrictionofspecimeninthethreestates

狀態(tài)黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)干燥54184788自然42444541飽水28304181

2.3 含水狀態(tài)對紅層軟巖破壞特征影響

干燥、自然及飽水狀態(tài)下，典型紅層軟巖試樣三軸試驗破壞照片及裂紋展開如圖6所示，圖6中粗實(shí)線代表貫通的或張開度較大的主裂紋，細(xì)實(shí)線為次生微裂紋。

由圖6可以看出，單軸壓縮作用下，巖樣以張拉和張剪破壞為主，存在較多次生裂紋，巖樣破碎程度比較嚴(yán)重;三軸壓縮作用下，巖樣以剪切破壞為主，伴隨部分張拉裂紋。

圖6 3種狀態(tài)巖樣三軸試驗破壞形態(tài)及裂紋展開圖Fig.6 Triaxial test failure pattern and the crack expansion plan of rock specimen in the three states

比較而言，干燥狀態(tài)下破壞試樣有多個共軛剪切面，主裂紋大多起于試樣的一個端面而止于試樣的另一個端面，主裂紋周圍伴有大量次生張拉裂紋;自然狀態(tài)試樣的破碎程度明顯低于干燥狀態(tài);飽水狀態(tài)下，巖樣的控制性破壞裂紋較少，呈貫穿性發(fā)展，次生裂紋較少，破壞巖樣的破碎程度低，破壞面完整度較高。

3 含水狀態(tài)對紅層軟巖抗拉性能影響

干燥、自然和飽水狀態(tài)下紅層軟巖的劈裂抗拉強(qiáng)度見表3。由表3可以看出，相對于干燥狀態(tài)，自然和飽水狀態(tài)巖樣抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)分別為0.58和0.40，總體小于抗壓強(qiáng)度的軟化系數(shù)。

干燥、自然和飽水狀態(tài)下紅層軟巖劈裂破壞照片如圖7所示。

由圖7可以看出，試樣在干燥及自然狀態(tài)下基本沿直徑方向破壞，破裂面垂直貫通、平整;飽水狀態(tài)下，破裂面相對比較平直，但是巖樣在線荷載位置存在局部小范圍的破碎，形成V字形缺口，在破裂面兩側(cè)出現(xiàn)損傷破碎帶，局部小塊體散落比較明顯，巖樣端部存在局部脫落現(xiàn)象，說明紅層軟巖在飽水狀態(tài)下逐漸松散。

表33種狀態(tài)下紅層軟巖的抗拉強(qiáng)度
Table3Tensilestrengthofspecimeninthethreestates

狀態(tài)編號抗拉強(qiáng)度/MPa均值/MPaGP-1405干燥GP-2343359GP-3328ZP-1209自然ZP-2212208ZP-3203BP1-1151飽水BP1-2142144BP1-3138

圖7 3種狀態(tài)巖樣劈裂破壞形態(tài)Fig.7 Splitting failure pattern of rock specimen in the three states

4 含水狀態(tài)對紅層軟巖力學(xué)特性影響機(jī)理分析

巖石的水理性質(zhì)與巖石的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，為了分析紅層軟巖在飽水狀態(tài)下力學(xué)特性的劣化機(jī)理，特進(jìn)行了相關(guān)的檢測分析。巖樣的X射線衍射礦物分析譜如圖8所示，礦物成分以石英和長石為主，其次為蒙脫石、伊利石、綠泥石等黏土礦物，膠結(jié)物以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，孔隙率為13.54%。具體礦物成分及含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表4。

由表4可看出，巖樣中的黏土礦物成分以蒙脫石為主，伊利石和綠泥石次之。其中，蒙脫石屬于單斜晶體[19]，由兩層硅氧四面體片夾一層鋁(或者鎂)氧八面體片構(gòu)成，晶層間引力以分子間力為主，引力弱，晶層間距C=0.96～4.0 nm;伊利石的晶體也屬于單斜晶系[16]，由兩層硅氧四面體片夾一層鋁氧八面體片構(gòu)成，也屬于2∶1型結(jié)構(gòu)單元層，晶層間引力以靜電力為主，引力較強(qiáng)，晶層間距C=1 nm。

圖8 巖樣X射線粉晶衍射譜Fig.8 X-ray powder diffraction spectrum of rock specimen

巖樣中的石英、長石、方解石和白云石等粗顆粒礦物，與黏土礦物混合黏結(jié)在一起形成了礦物顆粒骨架。在飽水過程中，水分子容易滲入到黏土礦物顆粒之間，形成極化的水分子層，顆粒間的泥質(zhì)膠結(jié)逐漸溶解破壞。蒙脫石、伊利石等黏土礦物親水性較強(qiáng)，礦物顆粒較小，而且，蒙脫石和伊利石晶體結(jié)構(gòu)在c軸方向的連接力較小，由于水分子是一種極性分子，在飽水過程中，很容易侵入到晶體結(jié)構(gòu)的層間域中，形成水化膜，導(dǎo)致晶層間距沿c軸方向大大增加，進(jìn)而使得蒙脫石和伊利石礦物大幅度膨脹[16,19]，研究表明:蒙脫石飽水狀態(tài)下的膨脹量為30%～40%[20]，伊利石為50%～60%[21]。由于其膨脹變形往往是不均勻的，局部應(yīng)力集中明顯，從而產(chǎn)生大量的微觀裂紋、孔隙，最終導(dǎo)致黏土礦物顆粒的分解。

為了直觀分析飽水狀態(tài)對紅層軟巖微觀結(jié)構(gòu)的影響，對原狀巖樣和飽水狀態(tài)巖樣進(jìn)行了掃描電鏡分析，典型SEM[22-23]照片如圖9,10所示。

圖9 原狀樣典型SEM照片F(xiàn)ig.9 Typical SEM photos of rock specimen in original state

圖10 飽水狀態(tài)下典型SEM照片F(xiàn)ig.10 Typical SEM photos of rock specimen in saturated state

由圖9可以看出，紅層軟巖有由不同角度的片狀顆粒結(jié)構(gòu)膠結(jié)而成，礦物顆粒棱角分明，多為不規(guī)則多邊形，顆粒表面平直光滑;礦物顆粒結(jié)構(gòu)排列比較規(guī)則，輪廓界限清晰明顯，顆粒之間以面-面、面-邊接觸為主，存在部分微小裂隙;片理狀結(jié)構(gòu)規(guī)則發(fā)育。

由圖10可以看出，飽水狀態(tài)下，由于泥質(zhì)膠結(jié)物的溶蝕、溶解和黏土礦物的吸水膨脹，呈現(xiàn)明顯的絮狀結(jié)構(gòu)，礦物顆粒間的界面變得模糊，微裂縫寬度減小，圖10(d)可見片狀黏土顆粒吸水膨脹，將礦物顆粒間縫隙充填的現(xiàn)象;片狀黏土礦物軟化、剝落比較明顯，剝落物分解成小的絮狀顆粒，呈近似圓形，附著在大的礦物顆粒表面;由于黏土顆粒吸水導(dǎo)致的不均勻膨脹，部分大顆粒出現(xiàn)明顯裂紋，逐漸分解為小顆粒，礦物顆粒間出現(xiàn)了較多裂紋、孔隙，呈不均勻形式分布。宏觀上，由于黏土礦物吸水之后導(dǎo)致的不均勻膨脹，部分巖樣在飽水過程中產(chǎn)生了明顯的裂紋和局部崩解現(xiàn)象，如圖11所示。

圖11 飽水狀態(tài)下典型巖樣局部裂紋、崩解照片F(xiàn)ig.11 Local crack and collapse photos of typical rock specimen in saturated state

綜合前面的微觀結(jié)構(gòu)變化特征，在飽水狀態(tài)下，礦物顆粒之間的接觸逐漸變?yōu)檫?角接觸和點(diǎn)-面接觸，總體結(jié)構(gòu)逐漸趨于多孔、松散，微觀裂紋、裂隙明顯增多，而且孔隙多被水充填。在三軸壓縮情況下，巖樣壓密階段的變形和峰值應(yīng)變明顯增大，彈性模量和變形模量明顯降低，對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯降低。這也可以較好的解釋了前述3種狀態(tài)下紅層軟巖的力學(xué)特性變化規(guī)律。

5 結(jié) 論

(1)干燥、自然及飽水狀態(tài)下，紅層軟巖的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，飽水狀態(tài)下不同圍壓巖樣的軟化系數(shù)為0.36～0.65，圍壓越低，抗壓強(qiáng)度降低趨勢越明顯;應(yīng)力達(dá)到峰值時對應(yīng)的應(yīng)變逐漸增加，屈服階段更加明顯，彈性模量和變形模量逐漸降低，巖樣破壞時的裂紋逐漸減少，應(yīng)力跌落趨勢更加平緩，巖樣軟化特征明顯。

(2)干燥、自然及飽水狀態(tài)下，紅層軟巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角劣化趨勢也非常明顯。相對干燥狀態(tài)，飽水狀態(tài)下巖樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角分別下降了47.77%和12.68%，紅層軟巖的黏聚力對含水狀態(tài)更為敏感。

(3)自然和飽水狀態(tài)巖樣抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)分別為0.58和0.40，而且，飽水狀態(tài)下，加載線附近局部破壞明顯，出現(xiàn)V字形缺口，在破裂面兩側(cè)出現(xiàn)損傷破碎帶。

(4)飽水狀態(tài)下，礦物顆粒間泥質(zhì)膠結(jié)物的溶解破壞，伊利石、蒙脫石等黏土礦物吸水膨脹、分解，導(dǎo)致了巖樣微觀裂紋、孔隙增加，巖體結(jié)構(gòu)由相對密實(shí)狀態(tài)逐漸變得多孔、松散，而且孔隙多被水充填，進(jìn)而導(dǎo)致紅層軟巖力學(xué)性質(zhì)的劣化。

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Mechanicalpropertiesofred-bedsoftrockonsaturatedstate

DENG Huafeng,FANG Jingcheng,LI Jianlin,XIAO Yao,ZHOU Meiling

(KeyLaboratoryofGeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirArea,MinistryofEducation,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002，China)

The degradation of the mechanical characteristics of red bed weak rock at saturated state directly affects the deformation stability of the related engineering structure.The characteristics of compressive strength and tensile strength,and deformation and failure characteristics and microstructure characteristics of red bed weak rock were tested and the test analysis systematically considered the drying,natural and saturated state.The results are as follows:① Softening characteristics of red bed weak rocks at saturated state were significant and the ductility features of failure were more obvious.The softening coefficient of compressive strength of rock specimens under different confining pressures was 0.36-0.65.The elastic modulus and deformation modulus decreased gradually and was reduced by 35.60%-75.53%,44.57%-69.64% respectively relative to the dry state.Also,the smaller the confining pressure was,the more obviously compressive strength and modulus decreased.② The cohesive force and internal friction angle of rock specimen at saturated state fell 47.77% and 12.68% respectively relative to the dry state,and the cohesive force was more sensitive to the moisture state of rock specimen.③ The softening coefficient of tensile strength of rock specimens at saturated state was 0.40,and the characteristic of the local failure near load line was particularly obvious.④ Because of the dissolution damage of argillaceous cement among the mineral particles of the rock specimens and the swell and decomposition of clay minerals such as illite and montmorillonite,rock mass structure changed from dense state to porous and loose state gradually and the pores were filled by water.The microstructure change directly led to the degradation of the mechanical properties of red bed weak rock.

red-bed soft rock;saturated state;degradation;microscopic pore;microstructure

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1735

TD313

:A

:0253-9993(2017)08-1994-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51679127);國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項目(51439003);水利部公益基金資助項目(201401029)

鄧華鋒(1979—)，男，湖北宜都人，教授，博士。E-mail：dhf8010@ctgu.edu.cn

鄧華鋒，方景成，李建林，等.含水狀態(tài)對紅層軟巖力學(xué)特性影響機(jī)理[J].煤炭學(xué)報,2017,42(8):1994-2002.

DENG Huafeng,FANG Jingcheng,LI Jianlin,et al.Mechanical properties of red-bed soft rock on saturated state[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1994-2002.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1735