紅層軟巖浸水裂紋擴展試驗與破裂機制分析*

張 磊，劉 鎮(zhèn)，周翠英

(中山大學工學院∥巖土工程與信息技術研究中心，廣東 廣州 510275)

紅層軟巖在華南地區(qū)分布廣泛，僅在廣東省境內其分布面積就近3萬km2，占陸地面積的16%。其遇水軟化破壞特性是造成該地區(qū)重大工程建設中邊坡、基坑、隧道等產生變形破裂或安全隱患的重要原因之一。同時，軟巖遇水軟化破壞研究也是當前巖石力學和工程地質領域的前沿課題之一。國內外學者已經針對軟巖遇水破壞問題展開了較為深入的試驗和理論研究。在試驗研究方面，主要通過開展軟巖在浸水條件或滲透壓力條件下的力學加載試驗，研究浸水條件和力學加載條件對軟巖破裂過程的影響，分析其破裂的物質基礎。在理論研究方面，主要從物質組成、微觀結構、水巖相互作用等方面進行軟巖破裂機制解釋[1-10]：①當軟巖浸水時，其中的黏土礦物吸水發(fā)生膨脹，產生膨脹力，對周圍礦物顆粒擠壓導致裂紋產生和發(fā)展，直至軟巖發(fā)生破裂；②水巖作用造成礦物顆粒間膠結物的削弱，使巖體強度降低，當軟巖內應力增大時更易發(fā)生破裂。從以上研究，可以看出：現有研究多側重于加載和水環(huán)境條件對軟巖破壞過程的影響，針對軟巖破壞中裂紋擴展規(guī)律的研究尚不多見，但裂紋的產生與擴展是軟巖浸水破壞過程的外在表征，與軟巖強度衰減過程具有正相關性[6]，其規(guī)律和機制是軟巖浸水破壞過程研究的重要方面[11-19]。

因此，本文選取華南地區(qū)較為典型的紅層——粉砂質泥巖，針對含一條初始裂紋軟巖和不含初始裂紋軟巖兩類巖石，開展了紅層軟巖浸水裂紋擴展試驗，對軟巖已有裂紋擴展和新裂紋產生擴展過程進行了全過程觀測，獲得軟巖浸水條件下裂紋擴展規(guī)律。在此基礎上，從膨脹力的角度解釋了軟巖浸水裂紋發(fā)育的細觀力學機制，并分析了其破裂全過程規(guī)律。

1 紅層軟巖浸水裂紋擴展試驗

1.1 試驗設計

試驗樣品取自為華南地區(qū)較為典型的紅層——粉砂質泥巖，選取含一條初始裂紋和不含初始裂紋的兩類巖芯制作試驗樣品，研究初始裂紋對軟巖浸水破裂過程的影響及裂紋擴展特征。該巖樣呈紫紅色，平均天然重度γ=2.347 g/cm3,平均吸水率14.38%，平均飽水率26.35%。巖樣層理明顯，近垂直層理方向節(jié)理較為發(fā)育，中等風化，巖質軟弱。根據薄片顯微鏡的觀測，該類軟巖為鱗片構造，孔隙、微裂隙和隱裂隙較多，石英以隱晶質形態(tài)存在。其主要礦物為高嶺石、伊利石、石英，次要礦物為絹云母，綠泥石，白云母、蒙脫石、鐵質。黏土礦物含量為60%，碎屑礦物含量約為40%?；瘜W成分以SiO2，Al2O3為主， K2O、Ti2O、Fe2O3次之，其中Fe2O3較少，因此，本文暫不考慮赤鐵礦顆粒膠結作用的影響。

首先分別將含一條初始裂紋(以下簡稱含初始裂紋樣品)和不含初始裂紋的巖芯分別制取4組樣品，平行試驗。將樣品置入透明的容器中，加水沒過巖樣頂面1 cm，進行浸水軟化試驗。實驗過程中不加載，采用體視顯微鏡進行裂紋觀察。為了實現多角度觀察，課題組自行設計了三軸可調支架，將之與顯微鏡連接在一起構成三軸可調顯微系統(tǒng)，方便觀察。試驗中，觀察裂紋發(fā)育、擴展的現象，并以高清晰相機記載不同時間時裂紋擴展特征，通過對比兩類巖樣品裂紋擴展和破裂特征，分析裂紋對軟巖破裂的影響。步驟如下：

1)利用三軸可調顯微觀察系統(tǒng)，對浸水前的巖樣表面進行觀察，記錄巖樣表面物質組成和細觀結構特點；

2)將選取的巖樣放入燒杯中，注水至浸沒巖樣，注水時以較小的水流沿燒杯壁注水，保持水面穩(wěn)定上升直至將巖樣全部淹沒，繼續(xù)注水使水面達到巖樣上方1 cm處；

3) 觀察裂紋出現、擴展、連通的過程，記錄相應特征現象的時間，直至巖樣破裂；

4)巖樣破裂后，取出樣品，利用三軸可調顯微觀察系統(tǒng)對巖樣表面及裂紋特征進行細觀觀察，獲取裂紋的顯微照片。

1.2 試驗結果

根據上述試驗，得到軟巖樣品浸水過程中裂紋發(fā)育特點，如表1、2所示。

表1 含初始裂紋試驗樣品的裂紋特征與破裂時間

表2 不含初始裂紋試驗樣品的裂紋特征與破裂時間

依次發(fā)育結合表1、2和試驗過程特點，可總結裂紋產生和擴展規(guī)律如下：

1.2.1 裂紋出現至巖樣破裂的時間特征 不含初始裂紋樣品，軟巖浸水后15～33 min內，開始出現第一條裂紋； 32～170 min裂紋開始快速擴展，局部叢集；浸水144～262 min后，巖樣破裂。

含初始裂紋的樣品：初始裂紋開始擴展的時間7～30 min； 18～98 min裂紋開始快速擴展，局部叢集；浸水137～330 min后，巖樣破裂。

根據上述結果結合試驗觀察可知，含初試裂紋巖樣開始發(fā)生破裂時間以及裂紋局部叢集時間比不含初始裂紋巖樣要早，一般情況下樣品破裂也要快些。因此，可以認為，初始裂紋的存在是加快軟巖發(fā)生破裂的重要原因之一。

1.2.2 裂紋擴展的幾何特征 初始裂紋在巖樣浸水初期，裂紋長度和寬度均發(fā)生較快的擴展，有時會在樣品內形成貫穿裂紋，如圖1所示；新裂紋發(fā)育時，長度的增長是其主要的擴展方式，寬度擴展并不明顯；新裂紋在巖樣邊界附近多呈弧形發(fā)育；當巖樣表面發(fā)育多條裂紋時，多呈現由外向內逐層發(fā)育的特點，該特點在不含初始裂紋巖樣上表現較明顯；新裂紋多在已有裂紋的轉折處或端點處與已有裂紋發(fā)生叢集，其擴展方向較少受已有裂紋擴展方向的影響，如圖2所示。

圖1 含初始裂紋軟巖樣品破裂前后照片

圖2 不含初始裂紋軟巖樣品破裂照片

1.2.3 裂紋擴展和物質結構關系的特征 圖3(a)是不含初始裂紋樣品浸水破裂前后顯微照片，可以看出：新裂紋在石英礦物顆粒之間的間隙和石英礦物顆粒間的黏土礦物中發(fā)育；圖3(b)是含初始裂紋樣品裂紋擴展前后顯微照片，照片顯示：初始裂紋在石英礦物顆粒邊緣的黏土礦物中擴展和叢集，且寬度明顯大于新產生裂紋的寬度。綜合二者特征可知：不管是否含初始裂紋，裂紋總是沿石英礦物顆粒之間的間隙或填充在石英礦物顆粒間的黏土礦物中發(fā)育和擴展。

圖3 軟巖浸水裂紋發(fā)育前后顯微照片

2 軟巖浸水后裂紋發(fā)育的細觀力學機制解釋與破裂過程分析

2.1 軟巖浸水中裂紋發(fā)育的細觀力學機制解釋

一般認為，軟巖浸水時，黏土礦物浸水膨脹是導致軟巖裂紋產生擴展的重要原因之一。對于含初始裂紋巖樣，浸水后，水沿初始裂紋浸入巖樣內部，裂紋兩側黏土礦物吸水后膨脹，在膨脹力和靜水壓力的同時作用下，初始裂紋快速擴展，連通，叢集，直至破壞；對于不含初始裂紋樣品，其破裂過程是隨著水的浸入而逐漸發(fā)生的，浸水部分的黏土礦物膨脹產生膨脹力，導致軟巖內部力的分布不均勻，當局部作用力較大時，裂紋產生，隨著這一過程的進行，裂紋擴展、叢集直至巖樣破裂；由于水是由表及里浸入巖樣的，故在裂紋發(fā)育過程呈由外向內逐漸發(fā)育的趨勢。

2.2 軟巖浸水后裂紋發(fā)育和破壞的細觀力學過程分析

課題組前期通過能譜分析等手段對粉砂質泥巖進行了礦物成分分析，表明：本研究所涉及的粉砂質泥巖中，黏土礦物顆粒與石英礦物顆粒的含量之比約為4∶1，在軟巖浸水試驗中通過對該類軟巖礦物成分的顯微鏡鑒定后，結果大體符合上述規(guī)律。基于這一認識，課題組前期曾提出該類軟巖在軟化過程中的微觀結構力學模型[20](圖4)，結合這一模型，同時考慮軟巖浸水過程中吸水膨脹時產生的膨脹力的作用，分別對含初始裂紋樣品和不含初始裂紋樣品的破裂過程進行分析。

圖4 軟巖細觀力學結構模型

2.2.1 含初始裂紋樣品破裂過程分析 首先，圖5(a)中f1表示結構單元體存在的初始裂紋，當巖樣浸水后，水將從初始裂紋的地方進入，到達孔隙A1中，則孔隙A1周圍的黏土礦物吸水后將產生膨脹，產生膨脹力；當這些膨脹力在結構單元內部作用不均勻時，將會在某些部位產生集中(例如在L1處集中)，那么，在膨脹力較為集中處(L1)首先發(fā)生破裂，繼之，裂紋穿過空隙A2，水沿裂紋繼續(xù)浸入孔隙A2中，如圖5(b)所示，同樣，孔隙A2周圍的黏土礦物吸水后將產生膨脹，產生膨脹力；當這些膨脹力在某些部位產生集中(例如在L2處)，那么， L2同樣將發(fā)生破裂。這一過程反復作用，持續(xù)發(fā)展，直至樣品完全破裂。

圖5 含初始裂紋樣品破裂過程

2.2.2 不含初始裂紋樣品破裂過程分析 紅層軟巖浸水后裂紋擴展試驗表明：不含初始裂紋樣品破裂時裂紋由外向內逐層發(fā)育，這一現象在巖樣邊角處最為明顯，因此，這里在概化的細觀結構模型中取代表性單元進行破裂過程分析(如圖6(a)中黑框內部分)。首先，圖6(a)中孔隙A1周圍有兩個黏土礦物元件L1和L2與水接觸，因此相對于周圍僅有一個黏土礦物元件與水接觸的孔隙A2、A3和A4，孔隙A1周圍膨脹力增長較快；當這些膨脹力在結構單元內部作用不均勻時，將會在某些部位產生集中(例如在L2處)，那么，在膨脹力較為集中處(L2)，巖樣將首先發(fā)生破裂，產生新裂紋f1穿過孔隙A1，水沿裂紋浸入孔隙A1中(如圖6(b)所示)；孔隙A1進水后，孔隙A2和A4周圍有兩個黏土礦物元件與水接觸，因此，同樣地，孔隙A2和A4有兩個黏土礦物結構元件與水接觸，周圍膨脹力增長更快，當這些膨脹力在一些局部產生集中時(例如在L3和L4處)，那么， L3和L4處就會發(fā)生破裂，由于L3位于孔隙A1周圍，因此，已產生的裂紋f1將穿過L3繼續(xù)擴展，而L4不在孔隙A1周圍，因此L4處將有一條新裂紋f2發(fā)育，且處于f1內側，如圖6(c)所示。這一過程將反復作用，持續(xù)發(fā)展，直至樣品完全破裂。

圖6 不含初始裂紋樣品破裂過程

3 結 論

1)根據裂隙紅層軟巖浸水破壞的特點，針對含初始裂紋和不含初始裂紋的兩組巖樣，設計了軟巖浸水裂紋擴展對比試驗，結果表明：含有初始裂紋的軟巖樣品，裂紋的擴展首先沿已有裂紋進行，其擴展、叢集、破壞所用時間較不含初始裂紋樣品短，裂紋長度和寬度均擴展較快，一般在石英礦物顆粒邊緣的黏土礦物中擴展和叢集；不含初始裂紋的樣品，新裂紋產生、擴展、叢集、破壞所用時間較含初始裂紋的要長，擴展方式以長度增長為主，由外向內逐層發(fā)育，裂紋的發(fā)育也多在石英礦物顆粒之間的間隙和石英礦物顆粒間的黏土礦物中；研究表明：無論是否含初始裂紋，軟巖裂紋均在石英礦物顆粒之間的間隙或填充在石英礦物顆粒間的黏土礦物中發(fā)育和擴展，其擴展、叢集、破壞均在5～6 h內完成。

2)在軟巖浸水裂紋擴展試驗研究基礎上，筆者從黏土礦物浸水膨脹產生的膨脹力的角度，分別解釋了含初始裂紋和不含初始裂紋軟巖浸水破裂過程的細觀力學機制：含初始裂紋軟巖，其初始裂紋兩側黏土礦物吸水后膨脹產生膨脹力，進而導致其擴展、叢集、破壞；不含初始裂紋軟巖，主要是在黏土礦物吸水后膨脹力的作用下，由外到內產生新裂紋，繼之發(fā)生擴展、叢集，直至破壞；在此基礎上，結合軟巖軟化的微觀結構力學模型，分析了裂紋擴展和破壞的全過程特點。

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