羅 瓊

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，德陽 618000；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400030)

0 引 言

八盤峽水庫(kù)位于甘肅省蘭州市黃河上游的最西端，是黃河中上游流域的一個(gè)重要水利樞紐[1]。泥巖廣泛分布于該庫(kù)區(qū)的邊坡內(nèi)部，強(qiáng)風(fēng)化泥巖由于特殊的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)，水敏性較強(qiáng)，在水力作用下易發(fā)生崩解軟化現(xiàn)象[2-3]。由于庫(kù)區(qū)的季節(jié)性降水和地下水位的反復(fù)波動(dòng)，邊坡的強(qiáng)風(fēng)化泥巖始終處于吸濕和脫濕的循環(huán)狀態(tài)。由于水對(duì)泥巖工程性質(zhì)的劣化效應(yīng)影響非常明顯，巖石受反復(fù)干濕循環(huán)作用而引起的軟化、崩解導(dǎo)致強(qiáng)度顯著地降低,嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性[4]。因此，為減少庫(kù)區(qū)巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑塌失穩(wěn)等工程災(zāi)害，有必要全面深入地研究在經(jīng)歷反復(fù)干濕循環(huán)狀態(tài)下泥巖的崩解性與強(qiáng)度變化特征。

當(dāng)前，一些學(xué)者已就泥巖浸水后的崩解特性劣化規(guī)律開展了相應(yīng)研究。如梁越等[5]分析了泥巖在遇水崩解過程中顆粒結(jié)構(gòu)特征的變化，發(fā)現(xiàn)巖樣的干濕循環(huán)次數(shù)越多，顆粒離散程度也相對(duì)越強(qiáng)。申培武等[6]通過室內(nèi)崩解對(duì)泥巖受干濕循環(huán)的影響進(jìn)行測(cè)試，得出了泥巖崩解速率與干濕循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性。王亞坤等[7]通過對(duì)軟巖開展干濕循環(huán)后的三軸剪切試驗(yàn)，深入分析了軟巖在水的作用下發(fā)生強(qiáng)度軟化的內(nèi)在機(jī)理。前人的研究主要集中于對(duì)巖土體強(qiáng)度軟化、崩解試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律進(jìn)行總結(jié)[8-9]，而就干濕循環(huán)對(duì)巖石崩解程度和強(qiáng)度弱化程度進(jìn)行量化表征的研究比較少見，尤其是對(duì)三軸應(yīng)力狀態(tài)下隨循環(huán)次數(shù)增加的強(qiáng)度劣化規(guī)律的認(rèn)識(shí)還需要深化[10-11]。

本文對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖的崩解特征和強(qiáng)度特性在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的變化規(guī)律開展研究，重點(diǎn)對(duì)泥巖崩解程度和強(qiáng)度指標(biāo)受干濕循環(huán)影響程度的量化指標(biāo)進(jìn)行了分析,以期加深對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖對(duì)水敏感性的認(rèn)識(shí)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)巖樣

試驗(yàn)的泥巖采用甘肅省蘭州市八盤峽水庫(kù)邊坡的泥巖，該巖樣呈黃褐色的塊狀構(gòu)造，經(jīng)長(zhǎng)期沉積而形成，巖體內(nèi)部富含黏土礦物。采用現(xiàn)場(chǎng)切樣和鉆探取樣，封裝完成后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

圖1 泥巖試樣的XRD譜Fig.1 XRD pattern of mudstone samples

采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的XRD-MiniFlex600型X射線衍射測(cè)試儀對(duì)試樣進(jìn)行XRD定量物相成分分析，結(jié)果如圖1所示，試樣中石英含量為24.4%、長(zhǎng)石含量為28.6%、高嶺土含量24.6%、伊利石含量13.2%、方解石含量7.4%以及微量赤鐵礦含量1.8%。為了研究巖石微觀結(jié)構(gòu)以及組成成分的尺寸大小、分布及幾何形態(tài)，對(duì)巖石試樣開展鑄體薄片試驗(yàn)。根據(jù)SY/T 6103—2004《巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征的測(cè)定圖像分析法》行業(yè)規(guī)范中的操作方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用的是STX-603型薄片測(cè)厚儀進(jìn)行切片觀察，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯鲇筛邘X土及伊利石組成的黏土礦物大量填充在泥巖中，石英分布廣泛，且石英顆粒的尺寸較大；長(zhǎng)石、方解石和赤鐵礦在黏土礦物中的分布比較離散。采用日本尼康公司生產(chǎn)的JCM-6000型掃描電子顯微鏡開展巖石的SEM試驗(yàn)(見圖3)，發(fā)現(xiàn)在300倍放大倍數(shù)下，泥巖試樣的孔隙比較發(fā)育，此性質(zhì)為泥巖的吸水軟化提供了入滲條件[12]。

圖2 泥巖試樣的鑄體薄片掃描圖Fig.2 Casting thin sections image of mudstone samples

圖3 泥巖試樣的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of mudstone specimen

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 干濕循環(huán)處理

圖4 干濕循環(huán)過程中的巖樣狀態(tài)Fig.4 Dried rock samples after different immersion times

崩解試驗(yàn)中利用噴霧器對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖進(jìn)行吸濕處理，每隔1 h向如圖4(a)所示的天然泥巖噴淋蒸餾水，當(dāng)泥巖的質(zhì)量不再變化時(shí)，表明試樣充分吸水，加濕過程結(jié)束，得到如圖4(b)所示的吸濕狀態(tài)試樣[13]。利用恒溫恒濕箱在40 ℃溫度下進(jìn)行干燥脫濕過程。當(dāng)脫濕過程中質(zhì)量變化低于0.05 g/h時(shí)，表明脫濕過程結(jié)束，得到如圖4(c)所示的脫濕狀態(tài)試樣。上述環(huán)節(jié)為1次干濕循環(huán)，崩解試驗(yàn)采用不規(guī)則形狀的巖塊，力學(xué)測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱狀巖芯樣。三軸壓縮試驗(yàn)中采用抽氣飽和法進(jìn)行吸濕試驗(yàn)，將直徑38 mm，高度80 mm的圓芯樣安裝在飽和器中，設(shè)置抽氣飽和時(shí)間為48 h。

2.2.2 崩解試驗(yàn)

為了研究浸水時(shí)程對(duì)泥巖試樣結(jié)構(gòu)完整性的影響，設(shè)計(jì)了泥巖的崩解試驗(yàn)[13]。首先均勻選取若干塊天然巖樣，裝入敞口容器中，稱量巖塊總重(總質(zhì)量約為1 kg)；將裝有巖樣的容器放在電子秤上并置于烘箱中，設(shè)置環(huán)境的溫度為105 ℃，相對(duì)濕度為15%，持續(xù)干燥直至觀察到的試樣質(zhì)量變化小于0.02 g/h，認(rèn)為此時(shí)巖石完全干燥；然后將容器拿出，至于環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為70%的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，向容器內(nèi)注入蒸餾水，并觀察浸水過程中巖塊的形態(tài)變化。開始10 min內(nèi)每隔2 min將容器中的水倒出，對(duì)巖塊進(jìn)行拍照記錄，10～60 min內(nèi)每隔10 min將容器中的水倒出，對(duì)巖塊進(jìn)行拍照記錄，1～4 h內(nèi)每隔30 min將容器中的水倒出，對(duì)巖塊進(jìn)行拍照記錄。直至4 h后巖體的形態(tài)發(fā)生完全崩解。

每次崩解試驗(yàn)完成后用0.1 mm規(guī)格的篩子分離崩解物并記錄質(zhì)量，根據(jù)如公式(1)所示的崩解率計(jì)算公式量化表征巖體的崩解性。

(1)

式中，Bt表示t次循環(huán)后的泥巖崩解率(%)；mt與m0分別為t次循環(huán)后泥巖崩解物質(zhì)量(g)和初始泥巖質(zhì)量(g)。

2.2.3 強(qiáng)度試驗(yàn)

本文利用伺服式三軸壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)泥巖開展強(qiáng)度試驗(yàn),測(cè)試儀器來自天津萊博特公司生產(chǎn)的YSD-I型伺服液壓巖石三軸測(cè)試儀。用于三軸剪切試驗(yàn)的樣品為直徑38 mm,高度80 mm的圓柱體。

在進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)，首先將試樣安裝在三軸壓力室的底座上，再向腔內(nèi)注滿水，然后對(duì)試樣進(jìn)行圍壓的加載，圍壓級(jí)別設(shè)計(jì)為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，控制圍壓加載速率為50 kPa/min，待固結(jié)圍壓保持穩(wěn)定后進(jìn)行軸向加壓，使得試樣發(fā)生剪切。剪切過程中采用軸向應(yīng)變控制式的加載方式，軸向變形的加載速率設(shè)置為0.02 mm/min，持續(xù)剪切直至泥巖試樣發(fā)生破壞。對(duì)泥巖試驗(yàn)進(jìn)行不同次數(shù)的干濕循環(huán)處理后，通過三軸壓縮試驗(yàn)得到了泥巖試樣在不同圍壓級(jí)別下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 崩解試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5所示的是泥巖在崩解試驗(yàn)過程中的巖石形態(tài)圖，可以看出強(qiáng)風(fēng)化泥巖在天然狀態(tài)下保持較好的結(jié)構(gòu)完整性，但水入滲后后會(huì)發(fā)生明顯的吸水膨脹現(xiàn)象，使得巖體結(jié)構(gòu)由整體崩解為若干分散體。并且，由圖5可以看出經(jīng)過崩解試驗(yàn)后的巖塊分散程度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸上升。經(jīng)過0～4次干濕循環(huán)過程的巖塊的碎屑化程度較低，4次以上干濕循環(huán)后的巖體碎屑化程度明顯提高。

根據(jù)公式(1)所示的崩解率公式量化表征巖體的崩解程度。經(jīng)過計(jì)算得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下的崩解率曲線如圖6所示。從圖6可以看出泥巖試樣的崩解率與干濕循環(huán)次數(shù)始終保持正相關(guān)的相關(guān)性，且崩解率上升速度隨循環(huán)次數(shù)增加保持先慢后快的特點(diǎn)。0次干濕循環(huán)后的泥巖崩解率僅為12%，經(jīng)過12次干濕循環(huán)后，崩解率上升至65%左右，并且在2～8次干濕循環(huán)過程中，泥巖的崩解率Bt基本呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3.2 三軸試驗(yàn)結(jié)果

本文共對(duì)4組不同凍融循環(huán)次數(shù)的泥巖開展試驗(yàn)，進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)前對(duì)共16個(gè)樣品對(duì)試樣進(jìn)行稱重，結(jié)果如表1所示。可以看出隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，泥巖試樣的質(zhì)量有所降低，說明干濕循環(huán)對(duì)泥巖存在一定損傷作用，使得泥巖內(nèi)部和表面的物質(zhì)有所流失。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)巖樣的崩解狀態(tài)Fig.5 Dried rock samples after different dry-wet cycles

圖6 不同干濕循環(huán)次數(shù)巖樣的崩解率Fig.6 Disintegration rate of samples after different dry-wet cycles

表1 不同干濕循環(huán)下泥巖的質(zhì)量Table 1 The mass of mudstones under different dry-wet cycles /g

以干濕循環(huán)次數(shù)為0次、4次、8次和12次的泥巖三軸試驗(yàn)結(jié)果為例，將泥巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制在圖7(a)～(d)中，可以看出不同圍壓下泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均保持為硬化型曲線。根據(jù)曲線變化趨勢(shì)可被劃分成3個(gè)不同的階段[14]。

(1)線彈性變形階段。泥巖在開始受到軸向載荷作用后，隨軸向壓力逐漸增加，泥巖應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)。此階段巖石的微裂隙逐漸壓密閉合，試樣沒有明顯破壞現(xiàn)象，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合線彈性本構(gòu)關(guān)系。

(2)彈塑性變形階段。泥巖在經(jīng)過線彈性變形階段后，應(yīng)力增長(zhǎng)速率明顯下降，此階段次生裂隙開始發(fā)展，結(jié)構(gòu)損傷逐漸累積，巖石不僅發(fā)生彈性變形，也同時(shí)發(fā)生塑性變形。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為彈塑性關(guān)系。

(3)應(yīng)變硬化階段。泥巖發(fā)生彈塑性變形后，軸向應(yīng)力隨應(yīng)變發(fā)展而緩慢增長(zhǎng)，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。此階段泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷逐漸累積，微裂隙不斷擴(kuò)展并釋放大量結(jié)構(gòu)勢(shì)能。

圖7 不同干濕循環(huán)下泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of mudstone in different cycles

從不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣的三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出干濕循環(huán)的初始損傷程度對(duì)泥巖試樣的力學(xué)特性存在顯著影響。相對(duì)于0次循環(huán)的試樣，經(jīng)過干濕循環(huán)的試樣強(qiáng)度值出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，且隨循環(huán)次數(shù)增加而不斷下降。說明泥巖試樣經(jīng)水的反復(fù)入滲和蒸發(fā)作用后，強(qiáng)度有所衰減。其原因主要是在浸水過程中，水分子不斷滲透進(jìn)入泥巖內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)形成水膜的潤(rùn)滑作用，使得泥巖內(nèi)部礦物顆粒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度被削弱，顆粒間的摩擦咬合力也減小。脫濕過程中，泥巖內(nèi)部裂隙在水分蒸發(fā)的膨脹力作用下逐漸擴(kuò)展并連通，連通裂隙形成了入滲通道，使得下一次水入滲的微觀沖擊效應(yīng)逐漸加深，并在泥巖的裂隙面上產(chǎn)生不均勻應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒間裂隙規(guī)模不斷擴(kuò)大，進(jìn)一步增加了試樣的損傷程度[15]。

3.3 泥巖的強(qiáng)度軟化現(xiàn)象分析

圖8 泥巖的摩爾-庫(kù)倫關(guān)系示意圖Fig.8 Triaxial Moore-Coulomb diagram of mudstone

由摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則可以從不同圍壓的應(yīng)力應(yīng)變莫爾圓和包絡(luò)線獲取巖土體的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角。包絡(luò)線的截距為內(nèi)聚力c,斜率為內(nèi)摩擦角φ的正切值。圖8所示的是0次循環(huán)狀態(tài)下泥巖的莫爾圓和包絡(luò)線，通過計(jì)算得到其內(nèi)聚力為105.5 kPa,內(nèi)摩擦角為35.7°。同理，按照摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則計(jì)算不同干濕循環(huán)的泥巖內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，所得結(jié)果如表2所示。

筆者利用相同圍壓下的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角作為弱化系數(shù)的變量計(jì)算泥巖的強(qiáng)度弱化系數(shù)D，以此分析不同圍壓下泥巖浸水不同時(shí)間后的軟化程度，從如表2所示的粘聚力和內(nèi)摩擦角計(jì)算弱化系數(shù)，計(jì)算式如公式(2)所示。

(2)

式中，I表示抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力c或內(nèi)摩擦角φ；I0為初始試樣的強(qiáng)度指標(biāo)；t為循環(huán)次數(shù)；D為弱化系數(shù)。

表2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下泥巖的強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Strength index of mudstone under different dry-wet cycles

圖9 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度弱化系數(shù)Fig.9 Softening coefficient under different dry-wet cycles

弱化系數(shù)D越大表示試樣干濕循環(huán)后損傷程度越高。從圖9可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)增長(zhǎng)，泥巖試樣的弱化系數(shù)不斷增加，且增長(zhǎng)速率隨時(shí)間逐漸減小，說明損傷程度累積到一定程度后趨于穩(wěn)定[15]。對(duì)弱化系數(shù)和干濕循環(huán)次數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析，得到弱化系數(shù)與浸水時(shí)間近似保持對(duì)數(shù)關(guān)系，且內(nèi)聚力的弱化系數(shù)增加幅度明顯比內(nèi)摩擦角的弱化系數(shù)大，說明內(nèi)聚力對(duì)干濕循環(huán)損傷程度的敏感性強(qiáng)于內(nèi)摩擦角。研究結(jié)果表明強(qiáng)風(fēng)化泥巖明顯受到干濕循環(huán)的影響，在實(shí)際的邊坡工程中，應(yīng)認(rèn)識(shí)到降雨入滲和水分蒸發(fā)對(duì)于泥巖的影響，加強(qiáng)對(duì)泥巖邊坡坡面開展相關(guān)的防護(hù)工作[16]。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖進(jìn)行不同次數(shù)的干濕循環(huán)處理后開展崩解試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過0～4次干濕循環(huán)過程的巖塊的碎屑化程度較低，4次干濕循環(huán)后的巖體碎屑化程度明顯提高。崩解率與干濕循環(huán)次數(shù)始終保持上升趨勢(shì)，且上升速度隨循環(huán)次數(shù)增加保持前期與后期較慢，中期較快的特點(diǎn)。

(2)不同干濕循環(huán)次數(shù)下的泥巖在50～200 kPa圍壓下三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈硬化型曲線，可以劃分成線彈性、彈塑性變形和破壞后硬化3個(gè)典型階段。

(3)通過不同干濕循環(huán)次數(shù)下泥巖試樣的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)計(jì)算了強(qiáng)度指標(biāo)的弱化系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，泥巖的弱化系數(shù)逐漸增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率趨于減小，且內(nèi)聚力受循環(huán)次數(shù)影響程度大于內(nèi)摩擦角。