干濕循環下不同初始干密度泥巖強度劣化研究

朱江鴻，余榮光，韓淑嫻，童艷梅，張虎元,2，甄作林,3

(1.蘭州大學 土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學 西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

泥巖一般在天然狀態下處于硬塑或堅硬狀態，力學性能良好，但具有遇水易軟化、抗風化能力弱、易崩解等特征[1-3]。在我國西北部地區，泥巖分布廣泛且物理力學性質復雜，對鐵路和邊坡穩定性具有重要影響[4]。在旱季，由于水分蒸發和地下水位降低，泥巖的含水率降低，產生干縮、開裂等現象；在雨季，由于降雨入滲和地下水位升高，泥巖的含水率升高，產生軟化甚至泥化等現象[5-6]。因此，在西北部地區，長期處于旱季雨季交替的泥巖巖性在干濕循環中往往會發生劣化，強度急劇降低，造成邊坡穩定性下降[7]，對鐵路的安全性產生了威脅。研究干濕循環對泥巖強度的劣化影響，對分析西北部地區巖質邊坡的穩定性及制定防護措施具有參考意義，有利于提高鐵路運營的安全性。

巖石強度在干濕循環中往往會發生劣化，許多學者進行了相關研究。Hale等[8]、Ulusay等[9]對巖石試樣進行了干濕循環試驗，研究發現干濕循環對巖樣造成不可逆的漸進性損傷。鄧華鋒等[10]研究了干濕循環對砂巖縱波波速、強度的影響，結果表明兩者在干濕循環過程中變化規律不一致。文獻[11-12]進行了不同酸性干濕循環的泥質砂巖室內試驗，發現酸性干濕循環對力學特性的劣化影響最大，并建立干濕循環中泥質砂巖的細觀損傷模型。王亞坤等[13]對泥巖開展了干濕循環的強度試驗，試驗表明泥巖的抗剪強度和CBR強度與干濕循環次數成反比，其減小趨勢隨循環次數的增大而降低。楊建林等[14]通過分析泥巖遇水后的成分變化和遇水-風干循環作用下泥巖三維形貌的變化規律，得到泥巖在遇水-風干循環下斷裂的微觀機制。

上述研究主要圍繞某一初始干密度(干濕循環前試樣的干密度)條件下干濕循環對巖石強度的劣化影響，關于不同初始干密度條件下干濕循環對巖石強度的劣化研究較少，特別是泥巖方面。然而，對于巖質邊坡，不同埋深處的泥巖干密度有所差異，僅分析干濕循環對某一特定初始干密度泥巖強度的劣化影響是不夠的，文獻[15-16]表明在干濕循環中，初始干密度對巖土體力學特性的劣化影響不可忽略。本文以不同初始干密度的泥巖試樣為研究對象，分析干濕循環過程中泥巖試樣強度參數的變化規律，探討不同初始干密度條件下干濕循環對泥巖強度和微觀結構的劣化影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

泥巖試樣取自蘭新高鐵附近的巖質邊坡，位于甘肅省蘭州市內，取樣地點及巖質邊坡地質剖面圖見圖1。

圖1 取樣地點及巖質邊坡地質剖面

泥巖屬于白堊系河口群，中風化，紅褐色。根據取樣位置不同，將泥巖試樣分成3類。同一位置處泥巖試樣干密度的平均值設為該處的干密度(平行差值小于0.03 g/cm3)[18]，即3類泥巖試樣干密度ρd分別為1.94、2.04、2.13 g/cm3，含水率均為5%左右。泥巖試樣主要由石英、長石、白云母等礦物成分組成，見表1。由表1可知，泥巖試樣的礦物含量隨初始干密度的增大變化較小。

表1 泥巖試樣的礦物成分

為滿足同一類泥巖強度相近的要求，進行縱波波速測試，保證每一類泥巖試樣波速相近，且泥巖試樣在初始狀態下沒有風化裂隙存在。每一類泥巖試樣分成Ⅰ～Ⅳ組，其中Ⅰ組和Ⅲ組為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體，Ⅱ組為直徑50 mm、高度50 mm的圓柱體，Ⅳ組為備用組。

1.2 試驗儀器與方法

對巖質邊坡的泥巖進行大面積取樣，并對其進行含水率試驗，根據試驗結果，泥巖最小含水率接近0%，最大含水率接近7%，與工程地質手冊的經驗數據[17]的范圍相符。為了與實際情況相近，泥巖試樣在干濕循環中含水率幅度控制在0%～7%。

對泥巖試樣進行預實驗，研究發現：泥巖試樣以(100±5) ℃的條件烘干24 h與烘干48 h的質量差小于后一次稱量的0.1%，表明烘干24 h后泥巖試樣處于干燥狀態；烘干24 h后采用噴水法增濕，可以保證泥巖試樣在干濕循環中保持較為完整的狀態，并且噴水后泥巖試樣密封養護72 h，泥巖試樣內部含水率分布較為均勻，含水率在7%左右。因此，干濕循環的控制條件為：首先將泥巖試樣置于烘箱以(100±5) ℃的條件烘干24 h；然后采用噴水法進行增濕，當達到7%含水率所對應的質量時停止噴水；最后將泥巖試樣密封并置于保濕缸中養護72 h，保證水分充分運移后進行強度或電鏡掃描觀察(SEM)試驗，此為一次干濕循環。干濕循環次數為5次，試驗過程示意圖見圖2。

圖2 試驗過程示意

根據規范[18]，Ⅰ組進行n=0、1、2、3、4、5等不同循環次數下單軸抗壓強度測試；Ⅱ組進行n=0、1、2、3、4、5等不同循環次數下抗拉強度測試。強度試驗所用儀器為CSS-44100電子萬能試驗機，試驗機加載過程通過位移方式控制，位移速率為0.005 mm/s。Ⅲ組進行n=0、1、5等不同干濕循環次數下SEM試驗，試驗儀器為日立SU-1500型掃描電子顯微鏡。每一種泥巖試樣的平行樣為3個。

2 干濕循環下泥巖強度參數劣化影響

2.1 抗壓性能

2.1.1 單軸抗壓強度

根據文獻[19]，定義泥巖試樣初始狀態強度參數與經歷干濕循環n次后強度參數的差值和初始狀態強度參數之比為總劣化度Sn，定義每一次干濕循環后總劣化度的變化為階段劣化度ΔSn，即

(1)

ΔSn=Sn-Sn-1

(2)

式中：U0為初始狀態強度參數值；Un為經歷干濕循環n次后強度參數值。

泥巖試樣的單軸抗壓強度σc及其階段劣化度隨n的變化見圖3。由圖3可知，初始干密度相同時，隨著n的增大，泥巖試樣的單軸抗壓強度σc逐漸減小。以初始干密度為1.94 g/cm3的泥巖試樣為例，隨著n的增大，σc的階段劣化度依次為37.31%、18.92%、7.90%、12.46%、4.11%，呈減小的趨勢；其中，σc的階段劣化度在第一次干濕循環中最大，與其他階段相差較大。對于另兩種泥巖試樣，σc的階段劣化度隨著n的變化有相似規律。

圖3 干濕循環下σc及其階段劣化度趨勢

因此，泥巖試樣的初始干密度相同時，隨著n的增大，干濕循環對σc的劣化速率呈減小的趨勢；其中，在第一次干濕循環中，σc的劣化速率最大，與其他階段相差較大。

由圖3可知，n相同時，隨著初始干密度的增大，泥巖試樣的σc及其下降值呈增大的趨勢。對比三種初始干密度泥巖試樣的σc，n=0時，σc之間差值最大的是4.12 MPa；從n=1到n=5中，σc之間的最大差值依次是2.03、1.75、0.29、0.72、0.46 MPa，呈減小的趨勢。因此，三種初始干密度泥巖試樣σc之間差別隨n的增大呈減小的趨勢，當n=5時三種泥巖試樣的σc相差較小。

對圖3的試驗點進行擬合，得到σc-n的擬合關系式，發現σc和n具有良好指數關系，見表2。

表2 σc-n的擬合關系式

2.1.2 彈性模量

泥巖試樣的彈性模量Ec及其階段劣化度隨n的變化見圖4。由圖4可知，初始干密度相同時，泥巖試樣的彈性模量Ec及其階段劣化度隨n的增大而逐漸減小；其中，Ec的階段劣化度在第一次干濕循環中最大，與其他階段相差較大。因此，初始干密度相同時，干濕循環對泥巖試樣Ec的劣化速率隨n的增大呈減小的趨勢；其中，在第一次干濕循環中，Ec的劣化速率最大，與其他階段相差較大。

圖4 干濕循環下Ec及其階段劣化度趨勢

在n相同的條件下，隨初始干密度的增大，Ec及其下降值呈增大的趨勢。隨n的增大，三種初始干密度泥巖試樣Ec之間的最大差值呈減小的趨勢，當n=5時，三種泥巖試樣的Ec之間相差較小。因此，三種初始干密度泥巖試樣Ec之間的差別隨n的增大呈減小的趨勢，當n=5時，三種泥巖試樣的Ec相差較小。

對圖4的試驗點進行擬合，得到Ec-n的擬合關系式，發現Ec和n具有良好指數關系，見表3。

表3 Ec-n的擬合關系式

2.2 抗拉強度

由圖5可知，初始干密度相同時，泥巖試樣的抗拉強度σt及其階段劣化度隨n的增大呈減小的趨勢。因此，在初始干密度相同的條件下，干濕循環對泥巖試樣σt的劣化速率隨n的增大呈減小的趨勢；其中，n=1時，σt的劣化速率最大，與其他階段相差較大。

圖5 干濕循環下σt及其階段劣化度趨勢

由圖5可知，每一次干濕循環中，隨初始干密度的增大，σt及其下降值都呈增大的趨勢。隨n的增大，三種初始干密度泥巖試樣σt的最大差值呈減小的趨勢。因此，三種初始干密度泥巖試樣σt之間的差別隨n的增大呈減小的趨勢，當n=5時，三種泥巖試樣的σt相差較小。

對圖5的試驗點進行擬合，得到σt-n的擬合關系式，發現σt和n具有良好指數關系，見表4。

表4 σt-n的擬合關系式

2.3 各個強度值的劣化程度對比

對比同一強度參數，在初始干密度相同的條件下，從n=0到n=5時，曲線連續上升發展，上升速率逐漸變緩，且曲線有趨于平緩的趨勢，則泥巖試樣的各個強度參數總劣化度隨n的增大而增大，見圖6。因此，干濕循環對泥巖試樣各個強度參數的劣化程度隨n的增大而增大，但劣化程度的增大速率逐漸變緩，最終趨于平緩。

圖6 干濕循環下各個強度參數總階段劣化度變化圖

對比同一強度參數，n相同時，隨初始干密度增大，泥巖試樣總劣化度逐漸增大。經歷相同干濕循環次數后，干濕循環對泥巖試樣的強度參數劣化程度隨初始干密度的增大而增大。

在n和初始干密度相同的條件下，對比泥巖試樣各個強度參數總劣化度，總體來說，σc總劣化度最大，σt總劣化度次之，Ec總劣化度最小。因此，泥巖試樣在相同干濕循環中，σc的劣化程度>σt的劣化程度>Ec的劣化程度。

2.4 M-C屈服準則

泥巖試樣處于極限平衡狀態時最大主應力圓與強度曲線相切，其包絡線強度條件可表達為[20]

(3)

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；c為黏聚力；φ為摩擦角。

而單軸抗壓強度σc和抗拉強度σt與黏聚力c、摩擦角φ的關系式為[20]

(4)

(5)

將式(4)和式(5)代入式(3)，可得

(6)

將干濕循環作用下泥巖試樣的σc和σt代入式(6)中，繪制出M-C強度包絡線(剪切應力τ>0)，見圖7。

圖7 干濕循環下M-C強度包絡線(τ>0)

由圖7可知，對于同一種初始干密度的泥巖試樣，隨著n的增大，M-C強度包絡線逐漸向下移動并向順時針偏轉，使得M-C強度包絡線覆蓋范圍變窄；且M-C強度包絡線與y軸的交點向下變化幅度逐漸減小，說明泥巖試樣的c及其劣化速率隨n的增大呈減小的趨勢；而M-C強度包絡線斜率在干濕循環中下降幅度不大，表明泥巖試樣的φ的劣化程度較小。

比較三種初始干密度泥巖試樣的M-C強度包絡線，在n相同的條件下，隨初始干密度的增大，M-C強度包絡線逐漸向上移動，使得M-C強度包絡線覆蓋范圍變寬，表明泥巖試樣的c隨初始干密度的增大呈增大的趨勢。三種泥巖試樣M-C強度包絡線之間間距隨n的增大呈減小的趨勢，當n=5時，三種泥巖試樣的M-C強度包絡線之間間距相差較小，說明三種泥巖試樣c之間的差別在干濕循環過程中逐漸減小，可以推測，c的劣化程度隨初始干密度的增大呈減小的趨勢。

3 干濕循環下泥巖微觀結構劣化影響

干濕循環對泥巖試樣強度參數劣化影響中，第一次干濕循環對泥巖試樣強度參數的劣化速率最大，隨n的增大，泥巖試樣強度參數的劣化速率呈減小的趨勢，且第一次干濕循環的劣化速率遠大于其他階段。因此，選取n=0、1、5時三種初始干密度泥巖試樣側表面中部的薄片進行SEM試驗。

3.1 微觀結構形貌

不同初始干密度條件下干濕循環次數n=0、1、5的泥巖試樣的SEM照片見圖8。由圖8(a)～圖8(c)可知，干濕循環前，顆粒排列緊密，細小黏粒分布在顆粒表面，顆粒之間存在較少的孔隙，零星分布；第一次干濕循環后，產生了許多細小片狀顆粒，顆粒間孔隙分布較為均勻，孔隙相對于初始狀態更多；第五次干濕循環后顆粒破碎嚴重，以片狀為主，排列松散，顆粒間孔隙大小分布不均勻，存在大孔隙。

圖8(d)～圖8(f)依次與圖8(a)～圖8(c)比較。對比發現，相對于初始干密度為1.94 g/cm3的泥巖試樣，初始干密度為2.04 g/cm3的泥巖試樣顆粒在干濕循環前聯結更加緊密，顆粒表面上黏粒相對更少；在第一次干濕循環后產生的片狀顆粒相對更大，片狀顆粒鑲嵌更為緊密；在第五次干濕循環后出現許多粒狀顆粒，但顆粒排列松散程度相對更小，大孔隙數量相對更少。

由圖8(g)～圖8(i)可知，對于初始干密度為2.13 g/cm3的泥巖試樣，n=0時顆粒鑲嵌最為緊密，干濕循環后，微觀結構與另兩種不同初始干密度的泥巖試樣進行比較，可以發現，顆粒排列松散程度最小，顆粒間聯結能力最強。

圖8 不同初始干密度條件下和不同干濕循環次數n的泥巖試樣的SEM照片

3.2 孔隙數量和面積

對泥巖試樣的SEM照片進行二值化處理，運用大津法進行閾值的選取，對照片的面積孔隙率Ns和孔隙數N進行統計分析。分析結果見表5。

表5 泥巖試樣孔隙定量分析

(1)分析面孔隙率。初始干密度相同時，隨著n的增大，面孔隙率逐漸增大，且從n=0到n=1的增幅大于從n=1到n=5的增幅，則泥巖試樣的面孔隙率在干濕循環過程中有增大的趨勢，且在第一次循環增幅最大。n相同時，面孔隙率隨初始干密度的增大而減小，其中n=0時減幅最大，n=5時減幅最小，說明不同初始干密度泥巖試樣面孔隙率之間差值在干濕循環過程中有減小的趨勢。

(2)分析孔隙數。初始干密度相同時，從n=0到n=1再到n=5，孔隙數先增大后減小，主要原因是泥巖試樣在第一次干濕循環中產生許多細小孔隙，數量增多，然后在循環遞進過程中細小孔隙之間合并發展為大孔隙，數量減少。n相同時，孔隙數隨初始干密度的增大而減小，其中n=0時減幅最大，n=5時減幅最小，說明不同初始干密度泥巖試樣孔隙數之間差值在干濕循環過程中有減小趨勢。

3.3 孔隙的分形特征

在平面中，分析泥巖試樣孔隙的分形維數來定量孔隙表面的復雜程度[21]。孔隙表面的分形維數范圍為1～2，其值越大，說明孔隙表面的復雜程度越高。

采用二維計盒維數[21]對泥巖試樣孔隙表面分形維數進行計算。計算過程中，圓形網格覆蓋SEM圖片的孔隙，網格直徑為l，網格數為nl，逐漸減小l，得到一系列nl。表面分形維數D計算式為

(7)

計算結果見表6。由表6可知，二維計盒維數的R2都大于0.99，說明泥巖試樣孔隙具有良好的分形特征。初始干密度相同時，D隨n的增大而增大，則泥巖試樣孔隙表面在干濕循環遞進過程中越來越復雜。n相同的條件下，D隨初始干密度的增大逐漸減小，則初始干密度越大，泥巖試樣孔隙表面越光滑，復雜程度越低。n=5時，三種初始干密度泥巖試樣孔隙表面的D之間最大差值小于0.01，相差較小，表明三種初始干密度泥巖試樣之間復雜程度的差別在第5次干濕循環后相差較小。

表6 孔隙表面分形維數

4 討論

4.1 劣化機制

干濕循環前，在微觀方面，同一初始干密度泥巖試樣，顆粒排列較為緊密，孔隙少，反映到宏觀方面，泥巖試樣力學強度表現良好。在第一次干濕循環中，泥巖試樣孔隙增多、強度下降較大的原因是：首先干燥過程，水分沿著孔隙從泥巖試樣內部向外部滲出，內部的細小松散顆粒隨水滲出，產生次生孔隙；隨后進行增濕過程，伴隨孔隙面積的增大和孔隙數量的增多，更有利于水浸入泥巖試樣，沿著孔隙向內部滲透并進行水-巖作用，泥巖試樣中的鉀長石與水發生化學反應生成高嶺石[19,22]，高嶺石與鉀長石的結構、成分不同導致二者空間體積不同，從而顆粒間膠結物發生破裂，泥巖試樣細小次生孔隙，且鉀長石在水中發生溶解溶蝕，產生更多地細小孔隙；高嶺石等黏土礦物親水性較強，在水進入泥巖試樣內部時往往會被吸附，其周圍的水膜增厚，引起巖石體積不均勻的膨脹，使得試樣內部產生不均勻的膨脹應力，膠結物發生軟化，較大的片狀顆粒分解成許多細小片狀顆粒，產生更多的孔隙，顆粒間的聯系發生減弱，導致泥巖試樣的強度發生急劇減小。隨干濕循環次數的遞增，顆粒間連接的膠結物在不斷被溶解和軟化，同時孔隙也在不斷得產生，并使原有孔隙向大孔隙發展，顆粒間聯系逐漸降低，最終泥巖試樣的力學強度下降到一個較低的水平。

對比三種初始干密度的泥巖試樣，在初始狀態下，隨初始干密度的增大，泥巖試樣的面孔隙率、孔隙數和孔隙分形特征呈減小趨勢，則泥巖試樣的顆粒間聯結能力呈增大趨勢，泥巖試樣孔隙表面的復雜程度呈減小趨勢。反映到宏觀方面，隨初始干密度的增大，泥巖試樣力學強度逐漸增大。隨干濕循環不斷進行，三種初始干密度泥巖試樣的面孔隙率差別和孔隙數差別呈減小趨勢，則三種初始干密度泥巖試樣的顆粒間聯結能力之間差別在干濕循環下呈減小趨勢，且三種初始干密度泥巖試樣孔隙表面復雜程度的差別在第5次干濕循環后相差較小，三種初始干密度泥巖試樣微觀結構的差別隨干濕循環次數的增大逐漸減小。因此，三種初始干密度泥巖試樣的力學強度之間差別在干濕循環過程中呈減小趨勢，在第5次干濕循環后差別較小。

4.2 工程運用

4.2.1 傾倒式危巖的防治

本文發現不同初始干密度泥巖的抗拉強度和單軸抗壓強度在多次干濕循環后下降到較低水平，到最后不同干密度泥巖的強度差別較小，并針對該變化規律進行了公式擬合。因此，對于以泥巖為主要成分的傾倒式危巖，危巖體在水位升降的環境中，危巖體內部的泥巖處于干濕循環狀態，其抗拉強度會發生降低，傾倒式危巖的穩定性發生下降。分析危巖體穩定性的過程中，應考慮抗拉強度在干濕循環條件下降低的因素，可以參考本文擬合公式判斷抗拉強度下降的程度。同時，為了簡化計算的復雜性，對于不同干密度泥巖的抗拉強度，在多次反復干濕循環后，可以考慮一個強度值進行計算。

在危巖體設計防治措施中，采用支撐的加固措施時，主要考慮了支撐體的單軸抗壓強度。但是，危巖體在水位升降的環境中，還應考慮危巖體中泥巖單軸抗壓強度降低這個因素，因為較大干密度的泥巖強度經過若干次干濕循環之后依舊下降得較低；若巖體與支撐體的接觸面積設計過小，會造成接觸面壓強大，可能會發生危巖體的壓斷破壞。

因此，在水位升降環境中，針對以泥巖為主要成分的傾倒式危巖，應考慮危巖體的抗拉強度和單軸抗壓強度變化，有效得對其穩定性分析和防治。

4.2.2 干濕循環下巖石抗剪強度劣化的判斷

測試巖石的抗剪強度，一般采用三軸壓縮儀。但是，在實際工程中，單軸壓縮儀使用得多，三軸壓縮儀使用得少。測試巖石的抗剪強度較不方便，測試巖石抗剪強度在干濕循環過程中的變化更為困難。若使用單軸壓縮儀，測試出巖石試樣的單軸抗壓強度與抗拉強度，再運用式(6)，得到巖石的強度包絡線，分析出抗剪強度，便能較為方便得出干濕循環過程中巖石抗剪強度在干濕循環過程中的變化規律。

5 結論

(1)初始干密度相同時，隨干濕循環次數n的增大，泥巖的σc、Ec、σt、c及其劣化速率呈減小的趨勢，干濕循環對其劣化程度呈增大的趨勢，泥巖的φ下降幅度較小。

(2)n相同時，隨初始干密度的增大，泥巖的σc、Ec、σt、c和干濕循環對其劣化程度呈增大的趨勢。比較同種強度參數(σc、Ec、σt、c)的大小，隨n的增大，三種初始干密度泥巖之間的差別呈減小的趨勢。

(3)初始干密度相同時，隨著n的增大，泥巖的M-C強度包絡線覆蓋范圍變窄；n相同時，隨初始干密度的增大，M-C強度包絡線覆蓋范圍變寬。三種泥巖試樣M-C強度包絡線間距隨n的增大呈減小的趨勢。

(4)在干濕循環過程中，結合泥巖的單軸抗壓強度與抗拉強度，運用M-C屈服準則，得到抗剪強度。

(5)泥巖顆粒間聯結能力與初始干密度呈正相關，與n成負相關；泥巖孔隙表面復雜程度與初始干密度成負相關，與n成正相關；反映到宏觀方面，泥巖的強度與初始干密度呈正相關，與n成負相關。

(6)不同初始干密度泥巖的顆粒間聯結能力之間差別在干濕循環下呈減小趨勢，且不同初始干密度泥巖孔隙表面粗糙復雜程度的差別在第5次干濕循環后相差較小；反映到宏觀方面，隨n的增大，不同初始干密度泥巖強度之間的差別呈減小的趨勢。