左清軍 朱 盛 張中君 趙先強 李朝銘 童 權 羅忠權

(三峽大學， 湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站， 宜昌 443002， 中國)

0 引 言

白堊系砂巖沉積環(huán)境復雜，沉積時間較短且沉積作用不充分，導致成巖后巖石膠結強度相對較低，水理性質較差，遇水易發(fā)生軟化崩解，水通過孔隙滲透進入巖石內(nèi)部之后導致強度劣化，表層砂顆?；虻V物迅速剝落進而由外至內(nèi)發(fā)生崩解破壞，隨之引發(fā)一系列地質災害問題，如邊坡失穩(wěn)、路基沉陷等。隨著我國城鄉(xiāng)建設的大力推進，在白堊系砂巖地區(qū)進行工程建設，難免會遭遇因白堊系砂巖軟化崩解誘發(fā)的工程地質問題。因此，有必要對白堊系砂巖的崩解過程和崩解機制開展深入研究。

軟巖崩解極易受外界環(huán)境影響(張丹等， 2012； 柴肇云等， 2015； 李國維等， 2020)，崩解機理十分復雜(梁冰等， 2016)，如何定量描述巖石崩解過程顯得至關重要。實際上，軟巖遇水崩解存在能量的轉化、傳遞和耗散，可以從能量耗散的角度描述軟巖的崩解過程。關于巖石的崩解特性，國內(nèi)外學者已取得諸多成果(Mol et al.，2010；Saad et al.，2010； 左清軍等， 2015； Rincon et al.，2016； Chan et al.，2017)，認為巖性與外界干濕循環(huán)是導致巖石崩解的重要影響因素(吳道祥等， 2010； 唐軍等， 2011)。目前關于巖石崩解模型大多是基于統(tǒng)計學理論而構建(潘藝等， 2017； 李昆鵬等， 2020； 趙曉彥等， 2020)，趙明華(2007)、鄧濤等(2014a，2014b)、張宗堂等(2019)從軟巖崩解物的數(shù)量、尺寸與質量的關聯(lián)性入手，采用分形維數(shù)來定量描述軟巖的崩解過程，建立了軟巖崩解的分形模型。關于巖石崩解過程的能量學解釋，部分學者(謝和平等， 2005； 彭瑞東等， 2007； 劉曉明等， 2011； 柴波等， 2012； 黃明等， 2015)從能量耗散和標準基礎熵角度開展了初步探索，然而巖石崩解受多種因素影響，崩解機理較為復雜，目前還沒有一套成熟的理論定量描述巖石的崩解過程，有必要從內(nèi)部微細觀結構和外部宏觀崩解表象兩個角度逐層剖析巖石的崩解機制。

本文以湖北宜昌地區(qū)白堊系五龍組砂巖的軟化崩解問題為出發(fā)點，開展室內(nèi)靜態(tài)與動態(tài)崩解試驗， 通過測定崩解循環(huán)后不同粒徑范圍內(nèi)崩解物顆粒質量百分含量的變化分析白堊系砂巖的崩解過程，采用電鏡掃描試驗觀察崩解前后白堊系砂巖的鏡下微觀特征，根據(jù)崩解后崩解殘留物的形態(tài)分析白堊系砂巖的崩解破壞模式，試圖從內(nèi)部微細觀結構角度研究白堊系砂巖的崩解機理； 從能量耗散的角度入手，引用表面能增量指標定量描述白堊系砂巖崩解過程的破碎程度。研究成果可為白堊系砂巖地區(qū)因崩解誘發(fā)的地質災害評價及防治提供理論參考。

1 崩解特性試驗

1.1 試樣準備

試驗所需的砂巖樣品取自湖北省宜昌市西陵區(qū)城區(qū)北側建筑用地開挖邊坡，屬于白堊系五龍組下段紅褐色泥質粉砂巖。采用X射線衍射法(XRD)進行礦物成分分析，礦物組成為：石英含量66.2%、方解石含量13.8%、鈉長石含量9.2%、鉀長石含量1.5%、云母含量4.4%、白云石含量3.5%，黏土礦物含量1.4%。

圖 1 原始試驗樣品Fig. 1 Original test sample

選取完整性較好的砂巖巖塊作為試樣母體，將砂巖巖塊制作成質量在40～60g之間的試樣，如圖 1 所示。在初步加工的試樣中，選取形狀相似，尺寸在40mm×40mm×40mm左右無尖銳棱角的試樣； 分為2組，每組10個試樣。

1.2 試驗方法

巖石崩解試驗分別采用靜態(tài)崩解和動態(tài)崩解兩種方式，試驗步驟按照《巖石物理力學性質試驗規(guī)程》(中華人民共和國行業(yè)標準編寫組， 2015)進行。

靜態(tài)崩解試驗具體步驟如下： ①將制成的試樣稱重后放入烘箱中烘干至恒重后，在干燥箱中冷卻至室溫并稱重； ②將稱重后的試樣放入敞口的透明容器中，注入蒸餾水并使試樣完全浸沒在水中(圖 2)，靜置24h以上； ③將試樣及其崩解物從水中取出，放入烘箱中在105℃的條件下烘干至恒重，在干燥箱中冷卻至室溫后使用孔徑為40mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm的標準篩進行篩分并稱重記錄，顆粒粒徑在0.075mm以下的部分通過質量守恒的方法求得； ④步驟②、③結束即視為一次循環(huán)完成，重復上述步驟②、③，直到完成試驗所需循環(huán)次數(shù)為止。

圖 2 巖石靜態(tài)崩解試驗Fig. 2 Rock static disintegration test

動態(tài)崩解試驗采用耐崩解性試驗儀(HNB-1型)進行操作，試驗設備如圖 3所示。試驗步驟同靜態(tài)崩解試驗相比只需將步驟②調(diào)整為：將稱重后的試樣放入巖石耐崩解性試驗儀的篩筒之中，將裝有試樣的篩筒放置在水槽中，注入蒸餾水并使試樣完全浸沒在水中，啟動崩解儀參照規(guī)范使其以20r·min-1的轉速轉動10min； 其他步驟相同。

圖 3 巖石耐崩解性試驗儀Fig. 3 Rock disintegration resistance tester

1.3 試樣耐崩解性指數(shù)

巖石耐崩解性指數(shù)的計算公式如下：

(1)

式中：IdN為巖石第N次循環(huán)的耐崩解性指數(shù)；ms為原試件烘干質量(g)；mr為殘留試樣(即粒徑大于2mm)的烘干質量(g)。巖石耐崩解性指數(shù)反映了粒徑大于2mm的殘留試樣抵抗崩解的能力。不同循環(huán)次數(shù)下靜態(tài)崩解與動態(tài)崩解巖石的耐崩解指數(shù)如圖 4所示。

圖 4 砂巖耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關系曲線Fig. 4 The relationship curve between sandstone disintegration resistance index and cycle number

本次試驗巖石崩解循環(huán)次數(shù)共計16次。由圖 4可知，在靜態(tài)崩解條件下砂巖耐崩解性指數(shù)IdN可分為兩個階段； 循環(huán)次數(shù)小于4次時，IdN曲線下降速率緩慢，循環(huán)次數(shù)在4次之后，IdN曲線呈穩(wěn)定速率下降。在動態(tài)崩解情況下，IdN則在初期急劇下降，當循環(huán)次數(shù)大于6次時，IdN下降速率逐漸減小，循環(huán)次數(shù)大于12次時，IdN曲線趨于平緩，達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 水化作用下崩解特性分析

2.1 崩解物各粒組顆粒含量

每次崩解循環(huán)之后，針對崩解殘留物使用標準篩進行篩分并稱重記錄，得到不同循環(huán)次數(shù)下，砂巖靜態(tài)崩解與動態(tài)崩解對應的不同粒徑范圍內(nèi)崩解物質量百分含量變化情況如圖 5、圖 6所示。通過對比兩種崩解條件不同循環(huán)次數(shù)下各粒徑范圍內(nèi)崩解物質量占比可知，兩種不同崩解條件下崩解物顆粒級配曲線形狀存在較大差別。

圖 5 靜態(tài)崩解下顆粒崩解特征曲線Fig. 5 Disintegration characteristic curve of particles under static disintegration

圖 6 動態(tài)崩解下顆粒崩解特征曲線Fig. 6 Disintegration characteristic curve of particles under dynamic disintegration

靜態(tài)崩解下，崩解物粒徑范圍分布廣，但主要集中在10～40mm以及2～0.075mm范圍內(nèi)。崩解特征曲線在初期首先大幅抬升，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，抬升幅度變小，最終崩解特征曲線發(fā)生重疊，崩解達到穩(wěn)定狀態(tài)。崩解特征曲線在形狀上呈現(xiàn)兩個波峰，在10～40mm范圍內(nèi)峰值最高，相應的崩解物質量百分含量最高，另外一個波峰出現(xiàn)在0.25～0.075mm小粒徑范圍。2～1mm、1～0.5mm以及0.5～0.25mm范圍內(nèi)崩解物含量均小于兩個波峰。

動態(tài)崩解下，崩解物粒徑范圍主要集中在0.5mm以下。崩解特征曲線在初期首先發(fā)生較大抬升，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，抬升幅度變緩，在循環(huán)次數(shù)達到6次時曲線趨于平緩，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。曲線在形狀上呈現(xiàn)一個波峰，波峰處于0.25～0.075mm粒徑范圍內(nèi)，相應的崩解物質量百分含量最高。此外0.075mm以下的崩解物百分含量較大，僅次于峰值。

從崩解速率上來看，動態(tài)崩解情況下的崩解速率遠大于靜態(tài)崩解情況下的崩解速率。動態(tài)崩解過程中，試樣放置在耐崩解試驗儀的轉筒中，試驗時轉筒在水中以一定轉速轉動試樣，一方面由于試樣和水槽中的水之間存在相對運動，導致試樣會受到水槽中水的沖刷作用，水的沖刷作用加速了試樣顆粒間膠結物的溶解，與此同時水的沖擊力在一定程度上加速了砂巖試樣裂紋的擴展，從而加速了砂巖試樣的崩解； 另一方面，轉筒與試樣之間的摩擦與碰撞加速了砂巖試樣的崩解。

從崩解物質量占比分布情況上可以發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)崩解情況下崩解物顆粒粒徑整體分布范圍比動態(tài)崩解大。靜態(tài)崩解條件下，試件在水中崩解需要經(jīng)過裂隙產(chǎn)生、發(fā)育、貫通直至斷裂(周翠英等， 2019a，2019b)。整個靜態(tài)崩解過程中試樣最容易沿著表面崩解成小顆粒，而較大粒徑的塊體需要經(jīng)過一定時間的裂隙發(fā)育貫通后再往小粒徑方向崩解，崩解后的物質相對于之前雖然尺寸變小，但是耐崩解性增強，顆粒越小，再次往更小粒徑崩解的難度會增加，最終崩解狀態(tài)達到平衡； 動態(tài)崩解條件下，試樣在耐崩解試驗儀中隨轉筒轉動，在水的沖刷以及筒壁的摩擦碰撞下砂巖試樣沿著表層局部薄弱面迅速發(fā)生崩解，試樣裂隙快速且全方位發(fā)育，導致試樣與水的接觸面積增加，從而加劇了試樣的崩解進程，在達到一定循環(huán)次數(shù)時，裂隙貫通整個試樣進而全面發(fā)生斷裂破壞，從一個大塊體轉化成多個小塊體，然后迅速崩解成小顆粒。動態(tài)崩解下，多種擾動導致裂隙加劇擴展，軟弱結構面快速擴張，表面顆粒迅速崩解，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)，所需循環(huán)次數(shù)比靜態(tài)崩解少。

圖 7 掃描電鏡圖像Fig. 7 Scanning electron microscope imagea. 原始砂巖表面； b. 崩解物斷面

2.2 崩解前后掃描電鏡特征

為了分析崩解過程中斷面的微觀結構變化，選擇原始的砂巖表面薄片和典型片狀崩解物斷面開展掃描電鏡試驗(SEM)。白堊系砂巖崩解前后的SEM圖像如圖 7所示(從左到右放大倍數(shù)依次為100倍， 200倍， 500倍以及1000倍)。

由圖 7可知，白堊系砂巖的微觀結構較為松散，組成物質形狀主要為塊狀以及薄片狀，且棱角分明、結構疏松，顆粒長度一般為0.05～0.15mm，顆粒與顆粒之間以點面和線面接觸為主，少量面面接觸。崩解物斷面上有明顯顆粒剝落后留下的凹槽，通過凹槽可見顆粒間發(fā)育有碳酸鹽膠結物，可見少量的片狀黏土礦物。此外，由于長石具有一定的風化程度，表面有一定的溶蝕堆積，部分已經(jīng)轉變?yōu)槠瑺铕ね恋V物。在高倍數(shù)顯微鏡下可見綠泥石膜、伊蒙混層黏土膜覆蓋在顆粒表面以及填充在孔隙中，形態(tài)呈鱗片狀，邊緣略微彎曲。

對比初始砂巖表面與崩解物斷裂面電鏡圖像，可以發(fā)現(xiàn)崩解前表面顆粒排列較均勻，裂隙及微孔隙數(shù)量較崩解物斷裂面少，高倍數(shù)顯微鏡下可明顯觀察到粒間填充物，未見大量由顆粒剝落后產(chǎn)生的凹槽。透過電鏡圖像整體來看白堊系砂巖的微觀孔隙分布較為明顯，孔隙度較高，巖石透水性強，有利于水分子的滲入，這種相對松散的微觀結構導致白堊系砂巖極易在水化作用下發(fā)生崩解，崩解后斷面的裂隙明顯比崩解前多。

2.3 崩解殘留物形態(tài)特征及崩解模式

砂巖巖塊在浸水之前表面并未存在宏觀裂隙，浸入水中之后開始急劇性吸水，表面產(chǎn)生大量氣泡，在邊角或尖銳處出現(xiàn)局部的放射裂紋使巖塊表面薄層外翻脫落； 4～5h后巖石內(nèi)部缺陷、微裂隙面及其他軟弱結構面在局部開始緩慢相連，導致裂隙增大的同時又加劇了裂隙向內(nèi)擴展的速度； 隨著崩解循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙最終由表及里，貫通整個巖石塊體導致巖石發(fā)生崩解，逐漸從完整的巖塊崩解成若干個小尺寸巖塊，隨著崩解循環(huán)次數(shù)的增加，大顆粒崩解物含量降低，小顆粒崩解物的含量逐漸增加，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。白堊系砂巖試樣在靜態(tài)和動態(tài)崩解條件下，經(jīng)過16次崩解循環(huán)后的崩解殘留物如圖 8所示。

圖 8 崩解物殘留樣圖Fig. 8 Sample image of disintegration residuea. 靜態(tài)崩解； b. 動態(tài)崩解

對圖 8中崩解殘留物的形態(tài)進行統(tǒng)計分析，砂巖崩解物可以分為6種形態(tài)：僅僅發(fā)生表層剝落的渾圓狀、沿著軟弱結構面劈裂破壞的層狀崩解物、大塊狀崩解物、沿著表面開裂形成的薄片狀崩解物、1～5mm小塊狀崩解物以及小于1mm的顆粒狀崩解物。

根據(jù)圖 2所示原始試樣形態(tài)，白堊系砂巖崩解破壞模式分為兩種：表層剝落破壞和結構面斷裂破壞，其崩解破壞概化圖如圖 9所示。砂巖崩解初期，主要表現(xiàn)為表層剝落破壞，剝落破壞過程中崩解物主要呈薄片狀、小塊狀和細顆粒狀(圖 9a)，當在水化作用下裂隙沿著軟弱結構面發(fā)育到達一定程度后貫通試樣發(fā)生斷裂，較大的崩解殘留物逐漸崩解成層狀、塊狀以及薄片狀(圖 9b)，裂隙進一步擴展后，大尺寸崩解物逐漸解體(圖 9c)，崩解物數(shù)量增多且與水的接觸面增大導致更易發(fā)生軟化崩解，由于崩解物尺寸減小再崩解難度增大，崩解物最終為薄片狀、小塊狀和細顆粒狀(圖 9d)。

圖 9 破壞模式示意圖Fig. 9 Schematic diagram of destruction mode

綜合斷裂力學的理論和試驗現(xiàn)象可知，裂紋的擴展路徑總是沿著最薄弱的表面進行，砂巖的崩解破壞是沿著節(jié)理裂隙面、顆粒間的膠結面以及微裂隙面方向裂隙逐漸發(fā)育貫通造成的。觀察發(fā)現(xiàn)兩種崩解條件下其崩解物形態(tài)也有所不同，靜態(tài)崩解條件下6種形態(tài)都可以觀察到； 而在動態(tài)崩解條件下，由于水和筒壁的作用加快了裂隙的發(fā)育進程，層狀和片狀崩解物呈現(xiàn)細而長的形態(tài)，承受力差且不穩(wěn)定，在轉動過程中迅速被破壞轉化成形狀較穩(wěn)定的球狀與細顆粒狀，動態(tài)崩解條件下穩(wěn)定狀態(tài)的大尺寸殘留物表面光滑，磨圓度好，呈渾圓球狀。

3 巖石崩解過程中的能量耗散模型

試驗發(fā)現(xiàn)白堊系砂巖崩解過程實際上是較大尺寸的巖塊逐漸分裂為層狀、薄片狀，小塊狀，再崩解成更細小的顆粒，如此循環(huán)往復，最終崩解達到相對穩(wěn)定狀態(tài)?？梢钥闯?，崩解過程中巖塊的表面積是隨著崩解循環(huán)不斷增加，從能量的角度來看，巖塊崩解的過程實際上是內(nèi)部能量逐漸耗散為彈性及塑性變形能、表面能、熱能、聲能以及電磁輻射能等其他形式能量的過程。與巖石受拉、壓破壞不同，巖石的崩解過程并沒有明顯的聲音以及電磁輻射，此外崩解前后溶液的溫度變化亦不明顯，本文忽略了熱能、聲能以及電磁輻射能等能量的影響。軟巖的崩解破碎是由干燥表面吸水楔裂造成，其崩解破碎的能量來源于巖石塊體的水分喪失，并由此獲得了較大的表面能，因此表面能大小可以定量表征巖塊在崩解這一復雜過程中的破碎程度。因此本文引入表面能，從能量的角度研究白堊系砂巖崩解機制。

3.1 表面積增量計算方法

斷裂力學理論中指出，材料表面能的大小同其自身強度相關，表面能的大小可按照如下公式計算得到(趙建生， 2003)：

Eb=GICA

(2)

式中：Eb為巖石的表面能；GIC為巖石的單位表面能；A為巖石的表面積。此式可用于描述巖石新增加的表面能與新增加的表面積之間的關系。

(3)

(4)

3.2 單位表面能的確定

根據(jù)斷裂力學理論中的能量平衡、斷裂力學及斷裂物理理論，已知裂紋延伸單位面積需要能量為GIC，若在裂紋延伸單位面積可被提供的能量不小于裂紋延伸單位面積所需的能量GIC，那么裂紋會發(fā)生失穩(wěn)擴展，將巖石崩解看做是張開型斷裂，對于非均質的巖石材料考慮到其崩解前后強度與尺寸的關系，結合文獻(劉曉明等， 2011)導出GIC的計算公式為：

(5)

式中：σR為粒徑為R時巖石的抗拉強度；l為組成巖石的礦物的晶粒粒徑；df為巖石裂紋剖線的分形維數(shù)；G為荷載作用與裂紋方位相關的一個常數(shù)；γ為巖石裂紋的平均密度；V為巖石的體積；d為巖石裂紋的分形維數(shù)；α為巖石的應力狀態(tài)因子；Γ為Gamma函數(shù)；D為巖石的損傷變量；r為崩解后的顆粒粒徑；E為巖石的彈性模量。

那么崩解1次后，巖石總體表面能較初始時的增加量W為：

W=GIC(r)·ΔA

(6)

本文假定砂巖試樣在其崩解過程微觀參數(shù)為不變量，令：

(7)

則式(6)簡化為：

(8)

當崩解次數(shù)大于1時，每次崩解后表面能較初始時的增加的大小為：

(9)

式中：j=2， 3， 4，…，n，n次崩解循環(huán)后新增的表面能較n-1次增加量ΔWj=Wj-Wj-1。

巖石崩解后能量不斷轉化成表面能的形式，且新增表面能的大小與崩解物顆粒粒徑大小及所占的質量百分比相關。小顆粒含量越多，顆粒越細小，則新增表面積越大，相應的表面能增量越大，當顆粒質量百分比趨于穩(wěn)定時，累計表面能同樣趨于穩(wěn)定。因此，通過對砂巖崩解循環(huán)前后表面能累計增量與單次增量進行比較可以直觀地反映砂巖的崩解狀況。

3.3 耗散能分析

模型中計算所需要的相關參數(shù)主要通過室內(nèi)試驗獲得，其他參數(shù)可通過參考相關文獻獲得。試驗獲得砂巖單軸抗拉強度在1.6～3.4MPa之間，本文取中間值，即2.5MPa。使用IPP軟件對崩解物電鏡圖像進行分析提取微細觀參數(shù)，組成巖石的礦物的晶粒粒徑在40～70μm之間，本文取l=0.055mm； 巖石裂紋的分形維數(shù)d在區(qū)間1.226～1.253內(nèi)，取1.240； 巖石的體積V=1/6πR3； 確定參數(shù)γ、df、G需要大量實驗且較難獲取，本文假定這些參數(shù)值在試驗過程中不發(fā)生較大變動，因此計算后取k=1×10-7，由于崩解過程不受平面限制，應力狀態(tài)因子α=1，巖石的損傷變量反映了巖石受損傷的程度，其取值大小與巖石的含水量相關，在自然條件下砂巖的初始損傷變量取值為D=12.5%。計算過程中每個區(qū)間范圍內(nèi)崩解物顆粒粒徑取值遵從如下原則：小于0.075mm范圍內(nèi)的顆粒粒徑取值為0.075mm，大于40mm范圍內(nèi)的顆粒粒徑取值為40mm。其余每個區(qū)間范圍內(nèi)的顆粒粒徑均取中間值。巖石的彈性模量E與含水量相關，本文取砂巖天然狀態(tài)下的彈性模量為25MPa。

將砂巖耐崩解試驗過程中篩分獲得的不同循環(huán)次數(shù)下的不同顆粒粒徑質量百分比結果帶入至式(9)中，計算得到崩解循環(huán)次數(shù)N與崩解過程表面能累計增量ΔW總和單次增量ΔW之間的關系，如圖 10、圖 11所示。

圖 10 砂巖崩解過程表面能累計增量曲線Fig. 10 Surface energy cumulative increase curve during sandstone disintegration

圖 11 砂巖崩解過程表面能單次增量曲線Fig. 11 Single increment curve of surface energy during disintegration of sandstone

由圖 10可知，靜態(tài)崩解條件下，砂巖在最開始1～4次崩解循環(huán)時表面能增速緩慢，之后增速開始變快，表面能以穩(wěn)定速度增長； 而動態(tài)崩解條件下，砂巖在最開始1～6次崩解循環(huán)時其表面能急劇增加，之后表面能穩(wěn)定增加，當崩解循環(huán)次數(shù)到達12次時表面能增長緩慢，整體保持穩(wěn)定狀態(tài)。當循環(huán)次數(shù)相同時，動態(tài)崩解條件下砂巖的累計表面能增量總是大于靜態(tài)崩解條件下的累計表面能增量。之所以呈現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于在動態(tài)崩解條件下水對試樣的沖刷作用以及試樣與轉筒壁之間的摩擦作用，將試樣看作一個獨立系統(tǒng)，外界干擾為試樣提供了系統(tǒng)以外的能量輸入，導致了能量的迅速積累與釋放。對比兩種崩解條件下砂巖崩解過程中表面能的單次增量曲線(圖 11)可知，動態(tài)崩解下，在初始崩解次數(shù)較小時，砂巖表面能迅速增加到峰值，隨后經(jīng)過幾次崩解快速下降，增量趨近于0，這種崩解方式下砂巖迅速釋放自身能量從而快速達到新的穩(wěn)態(tài)位置。靜態(tài)崩解下初始能量增速慢，之后存在加速并逐漸變緩，最終維持穩(wěn)定增速，在此種崩解方式下砂巖釋放自身能量的過程緩慢，內(nèi)部損傷緩慢積累，持續(xù)時間比動態(tài)崩解長，需要較長時間才會達到穩(wěn)態(tài)位置。

對比圖 10與圖 4，在靜態(tài)崩解與動態(tài)崩解兩種條件下，圖 10所示的砂巖崩解過程表面能累計增量曲線與圖 4中砂巖耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關系曲線呈現(xiàn)出明顯的一致性。由此可以看出，采用表面能增量來反映崩解過程中巖石的破碎程度是合理的，巖石累計表面能增量越大其相應的崩解程度越高，巖石越破碎。巖石單次表面能增量越大，說明巖石越容易發(fā)生崩解。巖石累計表面能增量越小其相應的崩解程度越低，巖石越完整。巖石單次表面能增量越小，說明巖石越不容易發(fā)生崩解。

4 結 論

(1)由于水的擾動和轉筒壁的摩擦作用加速了崩解的進程，使白堊系砂巖在動態(tài)崩解條件下的崩解速率遠大于靜態(tài)崩解條件下的崩解速率，由于擾動導致試樣裂隙擴展加快，動態(tài)崩解條件下崩解物顆粒粒徑整體分布范圍比靜態(tài)崩解下小，崩解物殘留物整體偏細小。

(2)白堊系砂巖的崩解破壞模式可總結為兩種：表層剝落破壞和結構面斷裂破壞。崩解初期主要是砂巖試樣表層邊角處剝落破壞，隨著崩解循環(huán)次數(shù)的增大，砂巖內(nèi)部的節(jié)理裂隙面、顆粒間的膠結面以及微裂隙面逐漸發(fā)育導致崩解加劇，大尺寸崩解物逐漸解體，崩解物與水的接觸面增大導致更易發(fā)生軟化崩解。由于裂隙面貫通路徑變短，崩解物逐漸崩解為薄片狀、小塊狀和細顆粒狀。

(3)靜態(tài)崩解條件下，白堊系砂巖在前4次崩解循環(huán)時表面能增速緩慢，之后增速開始變快，表面能以穩(wěn)定速度增長； 而動態(tài)崩解條件下，砂巖在前6次崩解循環(huán)時其表面能急劇增加，之后表面能穩(wěn)定增加，當崩解循環(huán)次數(shù)到達12次時表面能增長緩慢，整體保持穩(wěn)定狀態(tài)。用表面能增量的變化情況來反映白堊系砂巖崩解過程中的破碎程度是合理的，巖石累計表面能增量越大其相應的崩解程度越高，巖石越破碎。白堊系砂巖單次表面能增量越大越容易發(fā)生崩解。