宋 磊 張榮寬 湯 勇

（1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210029；2.江蘇禹衡工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇鹽城 224014）

0 引言

膨脹性巖土遇水膨脹，失水收縮，對(duì)水極為敏感。我國(guó)膨脹性巖土地區(qū)分布廣泛，受大氣降水等因素的影響，在膨脹性巖土場(chǎng)地進(jìn)行基坑和邊坡工程建設(shè)，干濕循環(huán)問(wèn)題不可避免。研究干濕循環(huán)對(duì)膨脹性巖土強(qiáng)度的影響規(guī)律有助于工程設(shè)計(jì)和施工。

前人對(duì)膨脹土的干濕循環(huán)后強(qiáng)度的變化規(guī)律已有一定研究，但對(duì)于膨脹性巖石干濕循環(huán)后的強(qiáng)度變化規(guī)律研究較少。20 世紀(jì)50 年代，Badger 等[1]總結(jié)提出了干燥頁(yè)巖遇水崩解的兩大機(jī)理：氣致崩解和膠體物質(zhì)消散。傅 晏[2]、劉新榮等[3]研究了砂巖在干濕循環(huán)作用下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，并在庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定分析中應(yīng)用。鄧華鋒等[4]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)的紅層軟巖進(jìn)行浸泡-風(fēng)干循環(huán)水巖作用試驗(yàn)，表明水的干濕循環(huán)作用對(duì)紅層軟巖造成了不可逆的漸進(jìn)累積損傷，微觀層面由相對(duì)致密的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成微觀裂隙、孔隙發(fā)育的松散多孔結(jié)構(gòu)，宏觀層面巖石抗壓、抗剪強(qiáng)度劣化和破壞模式會(huì)變化。

本文針對(duì)合肥地區(qū)某水利工程的膨脹性巖石在干濕循環(huán)條件下的裂隙及強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了研究，研究成果對(duì)類似工程建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)巖樣基本特性

試驗(yàn)巖樣取自合肥地區(qū)某水利工程邊坡開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)，暗紅色，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，具有遇水膨脹、失水收縮的特性。巖樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巖樣基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）制備環(huán)刀原狀樣24個(gè)，制備完成的試樣見(jiàn)圖1。試樣制備完成后，稱取環(huán)刀樣質(zhì)量，并用切削剩余的巖樣量測(cè)初始含水率。飽和時(shí)采用環(huán)刀飽和器固定環(huán)刀樣（見(jiàn)圖2）。環(huán)刀飽和器限制了浸水飽和時(shí)環(huán)刀內(nèi)巖樣的膨脹，減少了由于巖樣膨脹帶來(lái)的次生孔隙，以確保巖樣強(qiáng)度的衰減基本緣自于干濕脹縮引起的裂隙發(fā)展。若不采用環(huán)刀飽和器固定環(huán)刀樣，則烘干后浸水的巖樣會(huì)產(chǎn)生明顯膨脹，由膨脹帶來(lái)的次生孔隙大大增加，加重了巖樣的損傷劣化，裂隙的發(fā)展、次生孔隙的增加共同引起了抗剪強(qiáng)度的衰減，導(dǎo)致通過(guò)直剪試驗(yàn)得出的巖樣抗剪強(qiáng)度偏小。

圖1 加工后的原狀泥巖環(huán)刀樣

圖2 環(huán)刀飽和器實(shí)物

干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，首先將原狀樣在真空缸中抽氣2 h 后浸水飽和24 h，將此作為0 次干濕循環(huán)。將抽氣飽和24 h 后的原狀樣在100℃下脫濕24 h，再抽氣飽和24 h，將此作為第1 次干濕循環(huán)。依此類推，共做5 次干濕循環(huán)。對(duì)0-5 次干濕循環(huán)后的試樣分別進(jìn)行直剪固結(jié)快剪試驗(yàn)，豎向壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，得到每次干濕循環(huán)后對(duì)應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角，直剪試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）的要求進(jìn)行。以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，剪切位移為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線。選取線上的峰值點(diǎn)或穩(wěn)定值作為抗剪強(qiáng)度，當(dāng)無(wú)明顯峰點(diǎn)時(shí)，取剪切位移4 mm 對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直單位壓力為橫坐標(biāo)，根據(jù)圖上各點(diǎn)擬合出一條直線，直線的傾角為內(nèi)摩擦角，直線在縱坐標(biāo)軸上的截距為黏聚力。試樣每次烘干后均對(duì)巖樣表面拍照、觀察裂隙，并用裂縫寬度測(cè)量?jī)x測(cè)量巖樣表面裂縫寬度。拍照時(shí)，為保證每次拍攝的距離、位置以及外界光線環(huán)境一致，將攝像頭置于環(huán)刀樣表面正中央約5 cm 高度處拍攝，且均在晴朗白天正常采光的室內(nèi)進(jìn)行拍攝。

3 干濕循環(huán)對(duì)膨脹性泥巖裂隙的影響

圖3 為1-5 次烘干后的環(huán)刀樣表面的裂隙變化。第一次完全脫濕后，試樣表面裂隙較長(zhǎng)，寬度較大；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙數(shù)量增加、長(zhǎng)度變短、寬度變小，但裂隙總面積和總長(zhǎng)度增加，裂隙將土樣分割成的塊體體積逐漸減小。干濕循環(huán)過(guò)程中，裂隙的增加包括原生裂隙的擴(kuò)展和新裂隙的產(chǎn)生。烘干后的土樣重新飽和時(shí)，裂隙會(huì)閉合，但裂隙處的土體抗拉強(qiáng)度并未得到恢復(fù)。因此，當(dāng)土樣再次脫濕時(shí)，閉合的裂隙由于抗拉性能遭到破壞將會(huì)首先張開(kāi)，且張開(kāi)更為容易，同時(shí)裂隙會(huì)進(jìn)一步開(kāi)展產(chǎn)生更多次生裂隙。巖樣的完整性被縱橫交錯(cuò)的裂隙破壞，使巖樣的強(qiáng)度降低。

圖3 不同烘干次數(shù)下的表面裂隙發(fā)育情況

為了定量分析裂隙的數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度等在干濕循環(huán)過(guò)程中的變化規(guī)律，需用圖像處理軟件對(duì)5 次烘干后的試樣表面裂隙照片做進(jìn)一步處理，使裂隙更清晰地展現(xiàn)，以便于定量化計(jì)算。首先用photoshop將5 次烘干后表面裂隙照片用直徑比環(huán)刀內(nèi)徑（61.8 mm）略小的圓截取，這里采用直徑375（像素點(diǎn)個(gè)數(shù)）的圓進(jìn)行裁剪，對(duì)應(yīng)的圓的真實(shí)直徑為60 mm，因此6.25 個(gè)直線型排列的像素點(diǎn)的長(zhǎng)度相當(dāng)于1 mm。然后對(duì)圖像進(jìn)行USM 銳化處理，使圖像清晰度增加，將裂隙更明顯地展現(xiàn)出來(lái)。隨后將圖像二值化，先將圖像的對(duì)比度調(diào)至最高，然后調(diào)整閾值至同一默認(rèn)值128，即可完成圖像二值化處理，二值化處理結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同烘干次數(shù)后二值化處理后的裂隙

運(yùn)用Image-Pro 圖像處理軟件可將每次烘干后的最大裂隙長(zhǎng)度、最大寬度及裂隙度算出。二值化處理后的圖像中黑色代表裂隙，裂隙度為試樣上表面裂隙的面積占總面積的百分比。裂隙長(zhǎng)度、寬度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖5、圖6。由圖5、圖6 可知，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙度逐漸增加，且增加速度逐漸變緩。從第1 次烘干到第5 次烘干，裂隙度由5.38%增長(zhǎng)到7.3%。最大裂隙長(zhǎng)度和最大裂隙寬度顯著減小，隨烘干次數(shù)的增加減小速度逐漸變緩，最大裂隙長(zhǎng)度由57 mm 減小至23 mm，最大裂隙寬度由0.95 mm 減小至0.63 mm，二者的大幅度減小主要發(fā)生在第1-2 次干濕循環(huán)中。在干濕循環(huán)的初期，失水收縮引起的拉應(yīng)力大部分以勢(shì)能的形式存儲(chǔ)于試樣內(nèi)部，沒(méi)有以產(chǎn)生裂隙的形式釋放，由干縮產(chǎn)生的變形集中在較少的幾條較大寬度的裂隙上，裂隙數(shù)目較少，單個(gè)裂隙長(zhǎng)度較長(zhǎng)，此時(shí)裂隙的總面積相對(duì)較小。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，干縮引起的拉應(yīng)力逐步得到釋放，裂隙在原有基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展延伸、分叉，同時(shí)產(chǎn)生更多新的裂隙，干縮變形分散在數(shù)目逐漸增加的裂隙中，因此單條裂隙寬度和長(zhǎng)度減小，但裂隙總面積增加。隨著裂隙發(fā)育到一定程度，由裂隙分割成的塊體體積逐漸減小，干縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力已通過(guò)產(chǎn)生眾多裂隙進(jìn)行釋放，不再產(chǎn)生新的裂隙，裂隙的長(zhǎng)度和寬度逐漸趨于穩(wěn)定值。

圖5 裂隙長(zhǎng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖6 裂隙寬度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

4 干濕循環(huán)對(duì)膨脹性泥巖強(qiáng)度的影響

膨脹性泥巖原狀樣的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化情況見(jiàn)圖7 和表2?？芍ぞ哿值隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加明顯減小，且減小幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而變緩。其中第一次干濕循環(huán)后的黏聚力c下降96.78 kPa，降幅51.48%，而由第一次干濕循環(huán)到第五次干濕循環(huán)，黏聚力c值下降57.23 kPa，降幅30.44%。表明干濕循環(huán)對(duì)原狀樣的強(qiáng)度指標(biāo)c值影響顯著，且前幾次干濕循環(huán)影響較大，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定。內(nèi)摩擦角φ同樣隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，經(jīng)歷5 次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角減小9°，約減小32%，比黏聚力c的減小幅度小?？辜魪?qiáng)度參數(shù)的減小是由于干濕循環(huán)使裂隙的逐漸發(fā)育，巖樣內(nèi)部裂隙增多，內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)面數(shù)目增多，影響了巖樣的整體結(jié)構(gòu)性。

圖7 黏聚力和內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙數(shù)目逐漸增加，試樣結(jié)構(gòu)逐步由完整變?yōu)槠扑椋瑑?nèi)部產(chǎn)生大量的軟弱結(jié)構(gòu)面，同時(shí)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加土顆粒由外向內(nèi)逐漸損失，內(nèi)部空隙增大，密實(shí)度減小，進(jìn)一步對(duì)試樣的結(jié)構(gòu)造成損傷；干濕循環(huán)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)空隙及裂隙使試樣剪切時(shí)顆粒間黏聚作用不能充分發(fā)揮，同時(shí)在外力作用時(shí)結(jié)構(gòu)單元更容易重新排列，因此抗剪強(qiáng)度逐步降低[5]。黏土質(zhì)膠結(jié)物在吸水膨脹和收縮過(guò)程中，黏土顆粒內(nèi)部微元調(diào)整，產(chǎn)生了微裂紋及微孔隙，這些微觀損傷是不可逆的[6]，這與試驗(yàn)結(jié)果中孔隙度的逐漸增加和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的逐漸減小現(xiàn)象表明的結(jié)論是一致的。

烘干脫濕過(guò)程中，泥巖試樣表面的脫濕速度大于內(nèi)部脫濕速度[7]，表層泥巖體積收縮大于內(nèi)部，不均勻的收縮產(chǎn)生了拉應(yīng)力，巖樣的抗拉強(qiáng)度不能抵抗收縮拉應(yīng)力時(shí)便產(chǎn)生了裂隙。干燥試樣遇水后，蒙脫石等親水性黏土礦物大量吸水，導(dǎo)致礦物顆粒體積顯著膨脹；部分黏土礦物在水的作用下會(huì)產(chǎn)生溶蝕，如在部分鉀長(zhǎng)石水的作用下發(fā)生溶解溶蝕；不均勻分布的黏粒吸水后，黏粒周?chē)纬伤?，使黏粒間距增加，造成泥巖顯著膨脹；水分子進(jìn)入黏土顆粒的晶格中使黏土顆粒的晶格膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生次生孔隙[8-9]。

黏聚力受顆粒之間的膠結(jié)程度影響較大，在干濕循環(huán)作用下劣化較快，而內(nèi)摩擦角受顆粒嵌固程度和顆粒本身強(qiáng)度的影響較大，干濕循環(huán)作用下劣化速度相對(duì)較慢[10]。如圖7 所示，黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小的幅度明顯大于內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而減小的幅度。

5 結(jié)論

（1）隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙度逐漸增加，且增加速度逐漸變緩，同時(shí)裂隙寬度減小，裂隙總長(zhǎng)度和總面積增加。表明在干濕循環(huán)作用下，膨脹性泥巖結(jié)構(gòu)因裂隙增加逐漸破碎、疏松，干濕循環(huán)對(duì)膨脹性泥巖結(jié)構(gòu)損傷是顯著的。

（2）在限制浸水膨脹變形的條件下，膨脹性泥巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小的幅度更大，且隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角的衰減速率均減緩。干濕循環(huán)對(duì)膨脹性泥巖結(jié)構(gòu)的損傷是不可逆的，在膨脹性泥巖地區(qū)實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)采取措施避免膨脹性泥巖水分的反復(fù)蒸發(fā)和飽和。當(dāng)未采取有效防脹縮措施時(shí)，應(yīng)取多次干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。