鄒晨陽，陳 芳，葉 霞

(1.江西省水利科學研究院，江西南昌330029；2.江西省水工安全技術研究中心，江西南昌330029)

0 引 言

細粒沉積巖(fine-grained sedimentary rocks)由粒徑小于0.062 5 mm的細粒沉積物組成，主要有泥巖、粘土巖、頁巖和粉砂巖等。其中，泥巖屬于典型原生沉積巖，海相及陸相沉積環(huán)境中均可見，且種類繁多，為最常見的工程巖體。L.Müller[1]指出，巖體是由礦物-巖石的固相物質和含于孔隙和裂隙內的液相物質組成。許多研究表明，細粒沉積巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，裂隙巖體中水-巖體耦合作用對巖石的強度和變形特性有著重大影響[2- 8]。泥巖透水性差，親水性好，遇水軟化膨脹，且?guī)r體節(jié)理裂隙發(fā)育，給高邊坡工程帶來許多突出問題，甚至造成滑坡。因此，正確認識水對泥巖物理力學性質的影響機理是科學合理進行高邊坡施工的重要前提。

Van Eeckhout[9]發(fā)現由于含水量的增加，從干燥條件到飽和狀態(tài)的頁巖強度顯著降低，并總結出頁巖強度折減的5個過程；Hsu[10]指出白堊系泥頁巖的抗壓強度與含水量之間有極強的相關性，且含水量大于23%的泥頁巖的單軸抗壓強度不超過2MPa；Steiger[11]指出干燥的頁巖樣本的無側限抗壓強度比飽和樣大2～10倍；Colback[12]通過試驗分析發(fā)現，飽和石英質頁巖巖樣的抗壓強度是干燥巖樣的一半；黃小蘭[13]等針對大慶泥巖，對不同含水量的泥巖進行了力學及蠕變試驗，得出考慮含水量變化的泥巖蠕變本構方程，分析其對油田套損的影響；傅晏[14]等通過干濕循環(huán)試驗，探討了水巖相互作用對砂巖抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響。

然而，這些研究大都停留在對個別特殊沉積巖類的定性分析上，而定量研究含水量對巖石力學變形特性的影響涉及不多。為此，本文以江西某處泥巖高邊坡為例，通過試驗和回歸分析，研究不同含水量3種泥巖(泥板巖、泥頁巖、粘土質頁巖)的力學性質與變形特性，建立了巖石力學性質和變形特性與含水量之間的相關關系，為復雜的巖土工程設計與施工決策提供科學依據。

1 試驗準備

試驗樣品取自于江西省不同地區(qū)二疊紀至三疊紀泥巖，巖性包括泥板巖、泥頁巖、粘土質頁巖。取出巖芯后進行編號、巖芯鑒定和蠟封處理，然后將巖芯裝入特制的巖芯箱，送到試驗室進行加工，巖樣均按照垂直于層理的方向制備。試驗前，把制備好的巖樣分成若干組，1組放入烘箱干燥處理，進行干燥狀態(tài)下的試驗；其他組巖樣干燥后，放入設定不同溫濕度的標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱，得到試驗所需的含水量。巖石的單軸壓縮試驗采用WKS3000型微機數字控制全自動巖石試驗機。

2 含水量對泥巖力學性質的影響

不同含水量3種泥巖的單軸抗壓強度見表1。從表1可以看出，隨著含水量的增加，泥巖的單軸抗壓強度急劇降低；泥板巖從88.589 MPa驟然降到了4.982 MPa，降幅達94.4%；泥頁巖從70.085 MPa驟然降到了9.258 MPa，降幅達86.8%；粘土質頁巖從76.230 MPa驟然降到了4.650 MPa，降幅達90.0%。即從干燥狀態(tài)到飽和狀態(tài)，3種泥巖的抗壓強度平均折減了90.4%。由此可見，含水量對巖樣的力學損傷直至最后的斷裂破壞有明顯的影響。

表1 不同含水量3種泥巖的單軸抗壓強度

由于3種泥巖的組成成分、結構和構造特征以及固結程度有所不同，巖樣的抗壓強度降低的速率也有所不同，主要取決于巖石本身飽和含水量、膠結狀況、重結晶程度和親水性粘土礦物含量等。為建立抗壓強度與含水量之間的相關關系模型，將所得的試驗數據繪制成圖1。經回歸分析得出3種泥巖的單軸抗壓強度與含水量的關系分別為：泥板巖：σc=88.117e-0.452w；泥頁巖：σc=78.425e-0.445w；粘土質頁巖：σc=64.021e-0.300w。式中，σc為不同含水量泥巖單軸抗壓強度；w為含水量。

圖1 含水量對泥巖單軸抗壓強度的影響

綜合3條曲線可以看出，泥巖的單軸抗壓強度峰值應力隨含水量的增加而下降，且下降速率逐漸減小最后趨于平緩。綜合比較可知，下降速率：泥板巖>泥頁巖>粘土質頁巖。將3組試驗數據擬合成1條回歸曲線(見圖2)，得出泥巖樣本(包括泥板巖、泥頁巖、粘土質頁巖)單軸抗壓強度與含水量的通用公式為：σc=79.630e-0.411w；進而得出泥巖單軸抗壓強度與含水量的一般公式為：σc=σde-0.411w。式中，σd為干燥狀態(tài)下泥巖單軸抗壓強度。即含水量與泥巖的單軸抗壓強度之間近似服從指數關系，利用上式可預測已知干燥狀態(tài)抗壓強度的泥巖在某一含水量條件下的強度。

圖2 泥巖的單軸抗壓強度與含水量的相關性

3 含水量對泥巖變形特性的影響

為進一步研究含水量對泥巖受力變形直至最后斷裂破壞的影響，根據試驗結果，繪制出不同含水量泥巖巖樣全應力-應變關系曲線(見圖3)。從圖3可知，泥巖在單軸壓縮下形變可大致概括為4個階段：

第一階段為壓密階段。巖石受內部微裂隙或孔隙的影響，在外力作用下出現閉合并迅速發(fā)生應變。

第三階段為裂隙擴展階段。隨外力的持續(xù)，巖石內部微裂隙繼續(xù)擴展并產生新的裂縫，應力達到峰值。

第四階段為破壞階段。由于應力達到峰值，巖石內部裂縫貫通，導致巖石破壞。干燥狀態(tài)下，巖石單軸壓縮破壞表現為脆性和剪切破壞，強度下降迅速，無明顯的殘余強度。隨著含水量增加，巖石單軸壓縮破壞表現為塑性破壞，應力-應變關系較為復雜，有一定的殘余強度。

圖3 單軸壓縮下泥巖全應力-應變關系

含水量對泥巖彈性模量的影響見圖4。從圖4可知，隨著含水量增大，泥巖的彈性模量亦降低。泥板巖彈性模量從6.50 GPa降低到0.50 GPa，降幅達92.3%；泥頁巖從6.24 GPa降低到0.47 GPa，降幅達92.5%；粘土質頁巖從4.16 GPa降低到0.33 GPa，降幅達92.1%。即從干燥狀態(tài)到飽和狀態(tài)，3種泥巖的彈性模量平均折減了92.3%。將3組試驗數據擬合成1條回歸曲線(見圖5)。從圖5可以看出，泥巖的彈性模量隨含水量增加而下降的趨勢可用直線方程來描述，經回歸分析，可得兩者之間的相關關系為：E=-0.949w+6.432，進而得出泥巖彈性模量與含水量的一般公式為：E=-0.949w+Ed。式中，E不同含水量時泥巖的彈性模量；Ed為干燥狀態(tài)下泥巖的彈性模量。利用上式可預測已知干燥狀態(tài)彈性模量的泥巖在某一含水量條件下的彈性模量。

圖4 含水量對泥巖彈性模量的影響

圖5 泥巖的彈性模量與含水量的相關性

綜上所述，隨著含水量增加，泥巖的單軸抗壓強度和彈性模量均大幅降低。這是由于泥巖內的粘土質礦物(蒙脫石、高嶺石等)具有很強的親水性。當泥巖遇水后，這些礦物遇水軟化，弱化了巖石固體骨架的強度；泥巖內部節(jié)理裂隙發(fā)育，受地下水的浸潤滲入，裂隙表面孔隙水壓力增大，有效粘聚力和摩擦角度減小；此外，泥巖中含有SiO2，硅氧雙鍵遇水水化斷裂生成硅羥基，進一步增加了泥巖的親水性。這些因素導致泥巖抗壓強度迅速降低，應力-應變曲線變緩，彈性模量降低。

4 結 語

本文利用單軸壓縮試驗對不同含水量的泥巖進行了力學性質及變形特性研究，獲得了不同含水量泥巖的單軸抗壓強度及全程應力-應變曲線，得出如下結論：

(1)水對泥巖的單軸抗壓強度、彈性模量和變形破壞形式都具有顯著影響作用。隨著含水量的增加，泥巖的單軸抗壓強度和彈性模量降低。降低速率受巖石本身物質組成、結構和構造及固結程度等因素的影響。

(2)泥巖中的親水性粘土礦物遇水軟化，SiO2中的硅氧雙鍵水化斷裂，節(jié)理裂隙中的有效應力因孔隙水壓力增高而降低，是導致巖石力學性質劣化的主要因素。

(3)含水量與泥巖的單軸抗壓強度之間近似服從指數關系；與泥巖的彈性模量之間近似服從線性關系。利用公式可以預估某一含水量條件下泥巖的單軸抗壓強度及彈性模量。

在巖土工程設計施工，特別是遇到泥巖高邊坡時，需綜合考慮地下水、降雨入滲、裂隙水等因素，才能使工程設計與施工決策更加合理可靠。

參考文獻：

[1] MüLLER L. 巖石力學[M]. 李世平, 譯. 北京： 煤炭工業(yè)出版社, 1981．

[2] 朱珍德, 郭海慶. 裂隙巖體水力學基礎[M]. 北京： 科學出版社, 2007．

[3] 易順民, 朱珍德. 裂隙巖體損傷力學導論[M]. 北京： 科學出版社, 2005．

[4] 謝和平. 巖石混凝土損傷力學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社, 1990．

[5] 周翠英, 鄧毅梅, 譚祥韶, 等. 飽水軟巖力學性質軟化的試驗研究與應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(1)： 33- 38．

[6] 李根, 唐春安, 李連崇. 水巖耦合變形破壞過程及機理研究進展[J]. 力學進展, 2012, 42(5)： 593- 619．

[7] 劉仲秋, 章青. 巖體中飽和滲流應力耦合模型研究進展[J]. 力學進展, 2008, 38(5)： 585- 600．

[8] 湯連生, 王思敬. 水-巖化學作用對巖體變形破壞力學效應研究進展[J]. 地球科學進展, 1999, 45(5)： 433- 439．

[9] EECKHOUT E M V. The mechanisms of strength reduction due to moisture in coal mine shales[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1976, 13(2)： 61- 67.

[10] HSU S C, NELSON PP. Characterisation of Cretaceous clay shales in North America[C]∥Proceedings of Geotechnical Engineering of Hard Soils and Soft Rocks. Athens: International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1993: 139- 146．

[11] STEIGER R P, LEUNG P K. Predictions of wellbore stability in shale formations at great depth[C]∥Proceedings of the 3rd ISRM-SPE Symposium. Pau: International Society for Rock Mechanics, 1990: 1209- 1218．

[12] COLBACK P, WIID B. The influence of moisture content on the compressive strength of rocks[J]. Geophysics, 1965, 36(2)： 65- 83．

[13] 黃小蘭, 楊春和, 劉建軍, 等. 不同含水情況下的泥巖蠕變試驗及其對油田套損影響研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27(S2)： 3477- 3482.

[14] 傅晏, 劉新榮, 張永興, 等. 水巖相互作用對砂巖單軸強度的影響研究[J]. 水文地質工程地質, 2009, 36(6)： 54- 58．