浸水時程對壩體泥質軟巖工程特性的影響

張彩紅

摘?要：為了研究龍羊峽水庫大壩工程中泥質軟巖的工程特性，對原狀軟巖試樣開展崩解試驗和力學測試。首先通過不同浸水時間的結構狀態監測研究泥巖崩解規律，然后對不同浸水時程的試樣進行三軸壓縮試驗，得到不同圍壓下軟巖應力應變關系曲線。結果表明：在0～4 h的浸水時間范圍內，泥質軟巖結構出現明顯的崩解現象，且崩解程度隨時間增長而加重;不同固結圍壓下軟巖應力應變關系曲線為應變硬化型;通過對比不同浸水時程下軟巖的抗剪強度指標發現，泥質軟巖的軟化程度隨浸水時間增長有明顯升高趨勢，軟化系數與浸水時間保持對數增長關系。

關鍵詞：泥質軟巖;崩解試驗;三軸壓縮試驗;力學特性;浸水時程;龍羊峽水庫

中圖分類號：TV16;TU41?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.026

Study on the Influence of Immersion Time to the

Characteristics of Muddy Soft Rock Engineering Works

ZHANG Caihong

（School of Civil Engineering， Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract：In order to study the engineering characteristics of easily disintegrated mudstone in the diversion tunnel of Longyangxia Water Control Project， the disintegration states monitoring and triaxial compression tests under different confining pressures of typical mud-soft rock samples were carried out. The test results show that the structure of mud-soft rock appears obvious disintegration after 0-4 hours of immersion， which indicates that the water sensitivity of mud-soft rock is strong. The analysis of the triaxial tests of soft rock can be seen that the stress-strain curves of soft rock under different consolidation confining pressures are strain hardening curves. By comparing the strength index of the specimens during the immersion process， it can be seen that the softening degree of the mud-soft rock sample increases with the increase of immersion time.

Key words： mud-soft rock; disintegration test; triaxial compression test; mechanical property; immersion time; Longyangxia Water Control Project

1?引?言

龍羊峽水庫位于黃河上游青海省貴南縣與共和縣交界處的龍羊峽谷西端，是黃河上游的重要水利樞紐之一[1]。龍羊峽水庫區域邊坡和地基分布大量泥質軟巖，泥質軟巖特殊的化學礦物成分和微孔結構，使其對水的敏感性較強，在長期水力作用下容易出現軟化和崩解現象，對工程的穩定性造成嚴重影響[2-3]。水庫庫區的季節性降水與地下水流動，使得水庫壩體內部的軟巖長期處于浸水和外部荷載共同作用的狀態。研究表明：浸水作用對軟巖工程性質的劣化效應影響顯著，巖體內部的礦物成分與水發生作用，而引起的軟化、崩解效應會直接導致其力學性能顯著下降，使得水庫壩體的穩定性存在重大隱患[4]。因此，為減少龍羊峽庫區內大壩巖體發生滑塌失穩等工程災害，系統深入地認識浸水狀態下泥質軟巖的崩解與力學狀態變化特征具有重要的現實意義。

近年來，很多學者就泥質軟巖的水敏性特征和浸水崩解規律進行了大量研究，并取得了豐碩成果。張宗堂等[5]基于Weibull分布的方法系統分析了紅砂巖在水作用下的崩解狀態，以及巖石顆粒結構特征的變化規律，發現顆粒崩解破碎程度隨巖樣浸泡時間延長而加重，且顆粒的分散程度也加重。曹雪山等[6]研究了泥巖在浸水崩解泥化過程中力學性能的衰減規律，認為干濕循環是誘發巖體崩解的重要因素，顆粒組成與狀態變化是強度衰減的內在原因。鄭明新等[7]基于不同塊度的軟巖室內崩解試驗，探討了干濕循環作用對軟巖崩解性指數和顆粒粒徑分布的影響規律，并從微結構角度分析了巖體崩解的原因。Zhang等[8]通過室內試驗對泥質軟巖開展不同浸水條件下的崩解試驗，得出了軟巖崩解速率與浸水時間的相關性。蘇航等[9]針對紅層泥質軟巖的崩解性開展浸水崩解試驗，記錄了崩解現象和時間的關系，對崩解殘留物進行篩分，計算崩解指數，并初步探討了泥巖的崩解機理。前人的研究主要集中于對巖體軟化、崩解規律進行總結，而就浸水時程對軟巖力學性質與結構狀態開展的研究比較少，尤其是對三軸應力狀態下軟巖強度劣化規律的認識還需要深化[10]。

筆者對龍羊峽水利樞紐軟巖的結構完整性和強度特性在不同浸水時程下的變化規律開展研究，對某崩解狀態進行分析，并對不同浸水時程的試樣開展三軸剪切試驗，分析泥質軟巖結構形態和強度指標受浸水狀態的影響規律，以期為庫區輸水渠道易崩解軟巖的邊坡防護設計提供參考。

2?試驗巖樣和方法

2.1?試驗巖樣

本試驗的泥質軟巖取自龍羊峽水利樞紐的一處引水隧道的基層。經過地質勘探發現該工程穿越地層主要為粉質黏土、礫粒土，新近系風化軟巖和砂巖。試驗以龍羊峽水利樞紐引水隧道上部頂板的強風化泥巖為研究對象，該巖樣呈黃褐色的塊狀構造，經長期沉積而形成，巖體內部富含黏土礦物，屬于一種親水性軟巖。采用旋轉式鉆機進行鉆探取樣，封裝完成后運回實驗室。

對試樣進行XRD定量物相成分分析，試樣中長石占28.6%、高嶺土占24.6%、石英占24.4%、伊利石占13.2%、方解石占7.4%、赤鐵礦占1.8%。為了進一步研究泥質軟巖內部不同組分的分布位置、幾何形態和尺寸大小，對試樣開展鑄體薄片掃描試驗，結果如圖1所示。可以看出：由高嶺土、伊利石組成的黏土礦物體積分數較高，石英顆粒尺寸較大，廣泛分布在黏土礦物中，方解石、長石和赤鐵礦在黏土礦物中的分布較為離散。同時，對泥質軟巖開展了SEM微觀形貌觀測，發現泥質軟巖的孔、裂隙結構較為發育。豐富的裂隙為軟巖的吸水軟化提供了入滲條件[11]。

2.2?試驗方法

2.2.1?崩解試驗

為了研究浸水時程對泥質軟巖試樣結構完整性的影響，設計了泥質軟巖的崩解試驗。首先均勻選取若干塊天然巖樣，裝入敞口容器中，稱量巖塊總質量（總質量約為2 kg）;將裝有巖樣的容器放在電子秤上并置于烘箱中，設置環境溫度為105 ℃，相對濕度為15%，持續干燥直至觀察到試樣質量變化小于0.02 g/h，認為此時巖石完全干燥;然后將容器拿出，置于溫度為25 ℃、相對濕度為70%的實驗室環境中，向容器內注入蒸餾水，并觀察浸水過程中巖塊的形態變化。開始10 min內每隔2 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄;10～60 min內每隔10 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄;1～4 h內每隔30 min將容器中的水倒出，對巖塊進行拍照記錄，直至4 h后巖體的形態發生完全崩解。

2.2.2?強度試驗

利用土工三軸壓縮試驗系統對泥質軟巖的原狀樣開展力學測試，圍壓設置為50、100、150、200 kPa，剪切速率控制為0.020 mm/min。三軸壓縮試驗采用的泥質軟巖試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體。為了分析浸水條件對泥質軟巖強度的軟化規律，設計了經過不同浸水歷時后泥質軟巖試樣的三軸剪切試驗。采用抽氣飽和法進行浸水試驗，首先將泥質軟巖三軸試樣靜置在飽和缸內進行45 min真空抽氣，使試樣處于完全真空的環境中，然后向飽和缸中注入蒸餾水，使巖樣處于飽和狀態，并靜置不同時間。為了保證泥質軟巖的巖體結構不受破壞，采用濾紙包裹軟巖試樣，使水可以透過濾紙進入軟巖結構內部，但不會造成試樣沖蝕破壞。

在進行三軸壓縮試驗前先裝樣，然后向三軸壓力腔內注滿水，再對試樣進行圍壓加載，控制圍壓加載速率為50 kPa/min，待圍壓保持穩定后進行軸向加壓，使試樣發生剪切。剪切過程中采用軸向應變控制式加載方式，軸向變形的加載速率設置為0.02 mm/min，持續剪切至泥質軟巖試樣的軸向應變達16%左右。由計算機系統記錄加載過程中不同浸水時程泥質軟巖三軸應力應變關系，得到應力應變關系曲線。

3?試驗結果分析

3.1?崩解試驗結果分析

龍羊峽水庫泥質軟巖在天然狀態下的強度性能和結構完整性較好，但在水的入滲作用下，會發生顯著的吸水膨脹現象，使得巖石發生崩解，且力學性能受到破壞。泥質軟巖在不同浸水時間下的崩解狀態見圖2，可見泥質軟巖在4 h內浸水崩解狀態有明顯的累積變化特點。圖2（a）為未浸水保持完整結構的泥質軟巖試樣狀態;如圖2（b）所示，浸水歷時為2 min時巖石吸水崩解，表面出現裂隙，并出現細顆粒剝落現象，但巖塊整體并未發生明顯的結構破壞;圖2（c）和（d）表明在浸水10 min時間內，泥質軟巖的整體性逐漸被破壞，崩解現象明顯，泥質軟巖的裂縫不斷擴大導致其逐漸分裂為小巖塊，大量細顆粒從巖塊上剝蝕;從圖2（d）和（f）可以看出，浸水歷時在10～60 min范圍時巖塊的崩解程度繼續提高，但是崩解速率明顯減小;由圖2（g）發現，經過2 h浸水后，泥質軟巖中大量細顆粒剝蝕物從巖塊中流失，整體泥質軟巖結構被分解為松散的小塊體;圖2（h）表明，浸水4 h與浸水2 h的泥質軟巖沒有較大區別，浸水2 h后試樣的崩解過程基本完成。試驗結果表明，該水庫庫區內的泥質軟巖浸水反應強烈，崩解效果明顯，崩解速度較快。3.2?三軸應力—應變全過程曲線分析

從圖3（a）～（e）可以看出，泥質軟巖的應力應變關系曲線沒有明顯的應力峰值，為應變硬化型曲線，即隨著軸向應變ε的增大，主應力差（σ1-σ3）先線性增大，處于塑性變形階段后逐漸趨于穩定[12]。根據《土工試驗規程》（YS/T 5225—2015）的說明，對于應變硬化型的應力應變曲線，可以將軸向應變ε=15%作為抗剪強度對應的應變值。

3.3?軟巖的強度軟化現象分析

根據摩爾-庫侖強度破壞準則，由不同圍壓下的應力應變莫爾圓和包絡線可以得到巖土體的黏聚力和內摩擦角。包絡線的截距為黏聚力c，斜率為內摩擦角φ的正切值。圖4所示（圖中σ為正應力、τ為剪應力）的是圖3（a）對應的干燥狀態下軟巖試樣的莫爾圓和強度包絡線，經過回歸分析計算得到其黏聚力為72.8 kPa、內摩擦角為35.5°。同理，按照摩爾-庫侖強度破壞準則計算圖3（b）～（e）對應的黏聚力和內摩擦角，結果見表1。

將相同圍壓下黏聚力和內摩擦角作為軟化系數的計算變量，獲得了泥質軟巖的強度軟化系數，以此分析不同固結圍壓下泥質軟巖的浸水軟化程度。泥質軟巖的軟化系數計算式為

Dt=I0-ItI0×100%（1）

式中：It為抗剪強度指標（黏聚力c或內摩擦角φ）;I0為未浸水的強度指標;Dt為不同浸水時間t下的軟化系數。

軟化系數Dt越大表示試樣浸水后軟化的程度越高。從圖5可以看出，隨著浸水時間的增長，軟巖試樣的軟化系數不斷增大，且增長速率隨時間增長逐漸減小，說明軟化程度隨浸水時間增長到一定程度后趨于穩定。對浸水時間與軟化系數的實測數據進行統計回歸分析，發現軟化系數與浸水時間近似保持對數增長關系。另外，黏聚力的軟化系數增長幅度遠大于內摩擦角軟化系數的漲幅，說明黏聚力對浸水時間的敏感性比內摩擦角的高。

通過不同浸水時間下泥質軟巖三軸壓縮試驗得到相應的應力應變曲線，可以明顯看出浸水時程對泥質軟巖試樣的強度有顯著的劣化效應。相對于未浸水的泥質軟巖試樣，浸水后軟巖強度指標明顯減小，說明軟巖在水的入滲作用下力學性能出現了顯著的衰減。其原因主要是在浸水過程中，水分子不斷滲透進入軟巖內部的微觀結構形成水膜[13]，水膜的潤滑作用使得泥質軟巖內部礦物顆粒的結構強度被削弱，顆粒間的膠結物不斷融解于水中[14]。除此之外，巖石內部的裂隙結構在水力作用下逐漸擴展和連通，連通裂隙的形成促進了入滲通道的擴張，從而使得水入滲的微觀沖擊效應不斷增強。微觀沖擊作用在巖石裂隙面上產生不均勻應力集中現象，導致顆粒間裂隙規模不斷擴大，進一步增強了入滲對軟巖試樣的結構損傷效應[15]。泥質軟巖在浸水狀態下的微結構損傷在宏觀上表現為力學特性的軟化現象[16]。

研究結果表明，龍羊峽水利樞紐的泥質軟巖存在明顯的遇水崩解軟化特性，浸水時程對于泥質軟巖的崩解狀態和強度指標均有明顯影響。因此，在實際的大壩邊坡防護工程中，應認識到降雨入滲和地下水水位升高對于巖體穩定性的影響，采取相應的防水工程措施是必不可少的[17]。

4?結?論

（1）根據對泥質軟巖的浸水崩解狀態進行實時觀測，發現干燥的泥質軟巖的崩解速率較大，泥質軟巖在經過1 h浸水后基本完全崩解為破碎顆粒。

（2）通過不同浸水時程下泥質軟巖的三軸壓縮試驗發現，應力應變關系曲線均為硬化型;泥質軟巖力學指標的軟化系數隨浸水時間的增長逐漸增大，增長速率隨浸水時間增長而減小，且軟巖的黏聚力對浸水時間的敏感性明顯強于內摩擦角的。

（3）通過不同浸水時程的泥質軟巖崩解試驗和力學測試發現，軟巖的崩解狀態和力學性質受浸水時間的影響十分顯著，由試驗結果認為，軟巖崩解規律與強度軟化的機理主要包括膠結物溶解和裂隙發展。

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【責任編輯?張華巖】