荷載-水化耦合下紅層泥巖的變形特性

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；(2.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

1 研究背景

紅層是一種紅色碎屑巖沉積地層，形成于三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和新生代挽近系[1-3]，主要由砂巖、粉砂巖、泥巖和頁巖組成，廣泛分布于我國(guó)的西南、西北、華中及華南地區(qū)。近年來，由降雨引起的紅層地區(qū)的工程事故頻發(fā)，如：2011 年“9·16”強(qiáng)降雨誘發(fā)巴中市南江縣上千處紅層斜坡失穩(wěn)，規(guī)模>100萬m3的大型巖質(zhì)滑坡就多達(dá)十余處[4]；2017年6月24日，四川省阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村新村組富貴山山體突發(fā)高位垮塌，經(jīng)專家現(xiàn)場(chǎng)踏勘初步分析，這是一起降雨誘發(fā)的高位遠(yuǎn)程崩滑碎屑流災(zāi)害。這些水巖相互作用誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性，且危害巨大，嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了深入研究水化條件下紅層泥巖地區(qū)的工程問題，許多學(xué)者對(duì)泥巖的水化問題[5-6]開展了試驗(yàn)和理論研究。周翠英等[7-8]通過對(duì)華南地區(qū)廣為分布的紅色砂巖、泥巖及黑色炭質(zhì)泥巖等幾種不同類型的典型軟巖進(jìn)行不同飽水狀態(tài)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，重點(diǎn)探討了飽水時(shí)間對(duì)軟巖軟化的力學(xué)規(guī)律的影響，揭示了不同類型軟巖微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及強(qiáng)度變化規(guī)律，為軟巖飽水后力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律和軟化機(jī)制研究奠定了微觀學(xué)基礎(chǔ)。Erguler等[9]采用試驗(yàn)研究了含水量對(duì)土耳其不同類型黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響，提出了一種基于巖石的物理性質(zhì)來評(píng)價(jià)黏土巖的力學(xué)與變形特性的方法。王運(yùn)生等[10]通過對(duì)四川地區(qū)16個(gè)水庫采樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及所采集的巖石樣品進(jìn)行室內(nèi)微觀分析及軟化系數(shù)測(cè)定，指出紅層巖石具有經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間浸泡后軟化系數(shù)隨年代逐漸變小的規(guī)律。喬麗蘋等[11]在考慮飽水時(shí)間的基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同水環(huán)境下砂巖孔隙率、pH值演變和礦物蝕變等開展一系列的試驗(yàn)研究，從微細(xì)觀層次分析了砂巖的水物理化學(xué)損傷機(jī)制。范祥等[12]將紅砂巖試樣在清水中浸泡，測(cè)量不同時(shí)間點(diǎn)紅砂巖的吸水量，運(yùn)用L型施密特錘測(cè)試干燥條件下和各時(shí)間點(diǎn)紅砂巖表面的施密特硬度，最終測(cè)試各試樣在崩解初或飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度。牛傳星等[13]選取倉上露天金礦坑邊坡蝕變巖樣，進(jìn)行了不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的單軸壓縮試驗(yàn), 分析了水巖作用對(duì)蝕變巖的損傷機(jī)理。秦哲等[14]選取萊州倉上露天坑邊坡巖石，對(duì)經(jīng)歷不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的巖樣進(jìn)行了三軸蠕變?cè)囼?yàn)，探究邊坡巖石經(jīng)歷飽水-失水循環(huán)作用后的蠕變變形特征。Torres-Suarez等[15]研究了泥巖在干濕循環(huán)和加卸載作用下的破壞特征，指出了泥巖的破壞是物理-化學(xué)共同作用的結(jié)果。Kim等[16]研究了含水量和加載速率對(duì)紅砂巖和黃砂巖的力學(xué)特性的影響。以上研究表明由于物理、化學(xué)和力學(xué)綜合作用[17-18]，軟巖遇水軟化將導(dǎo)致巖體物理力學(xué)性能降低。但是這些試驗(yàn)方法得出來的結(jié)論并不能反映巖體在真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下遇水的變形和強(qiáng)度特征。現(xiàn)有的工程都是按照巖石飽水軟化后通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)獲取的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為什么在暴雨過程中仍有大量治理后的巖質(zhì)邊坡發(fā)生坍塌、滑坡等工程事故？按照飽水后的強(qiáng)度進(jìn)行工程設(shè)計(jì)是否就具有足夠的安全儲(chǔ)備呢？這些問題都涉及水巖的相互作用。軟巖遇水軟化而強(qiáng)度下降已成為共識(shí)，但是考慮應(yīng)力場(chǎng)和濕度共同作用下巖石的強(qiáng)度和變形研究成果很少見諸報(bào)道，比如干燥巖體在真實(shí)受荷狀態(tài)下水化及水化過程中巖石的變形和破壞特征。本文通過研究不同應(yīng)力水平的單軸荷載作用條件下的泥巖水化試驗(yàn)，獲取泥巖在水化過程中以及水化后的變形特征及強(qiáng)度變化特征，模擬紅層泥巖在經(jīng)歷長(zhǎng)期干燥后突降暴雨的極端天氣條件下，突然遇水后的變形特征，揭示暴雨后易引起紅層泥巖邊坡破壞的機(jī)理。

2 紅層泥巖的物性及基本力學(xué)特性

2.1 采樣及試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)樣品來自湖南省株洲市，為某公路邊坡揭露的微風(fēng)化紅層泥巖。該類巖石暴露在空氣中容易風(fēng)化，取樣后蠟封并立即送入實(shí)驗(yàn)室加工制樣，從采樣到制樣整個(gè)過程不超過12 h。試樣加工按照ISRM試驗(yàn)規(guī)程要求，將試樣加工為直徑50 mm、高100 mm的圓柱體試樣，直徑誤差<0.3 mm，端面的不平行度誤差<0.05 mm。將加工好的試件用薄塑料膜密封包裹，并放置于不透光的恒溫恒濕箱中保存。

2.2 紅層泥巖的物性特征

采用了德國(guó)布魯克AXS有限公司生產(chǎn)的D8 Advance型X-粉末衍射儀對(duì)紅層泥巖進(jìn)行了礦物組分分析。試驗(yàn)過程中，首先將紅層泥巖研磨成10 μm左右的粉末，將粉末樣品在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實(shí)，使試樣面與玻璃表面齊平。然后將裝有待測(cè)粉末樣品的試樣架放置在測(cè)角儀中心的樣品架上，并設(shè)置測(cè)試參數(shù)，掃描范圍為5°～65°，掃描速度為2°/min，掃描結(jié)果如圖1所示。通過粉晶X射線衍射試驗(yàn)測(cè)得所選紅層泥巖的礦物成分主要為黏土礦物和碎屑礦物，其中黏土礦物主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石等組成，碎屑礦物主要由石英、赤鐵礦和方解石等組成。黏土礦物質(zhì)量百分含量占20%左右，碎屑類礦物的質(zhì)量百分含量為80%左右。紅層泥巖中的黏土礦物使紅層泥巖具有遇水易軟化、弱膨脹、失水收縮等特點(diǎn)。

圖1 紅層泥巖X射線衍射圖譜Fig.1 X-Ray diffraction spectrogram of red mudstone

2.3 紅層泥巖的基本力學(xué)性質(zhì)

分別選取了3個(gè)干燥試樣和3個(gè)飽和試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲取了所取巖樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。在試驗(yàn)中采用位移加載的方式加載，加載速率為0.003 3 mm/s，得到了紅層泥巖在干燥以及飽水條件下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

表1 紅層巖樣基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic physical and mechanical indexes of red mudstone specimens

圖2 干燥以及飽和試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of dry and saturated red mudstone specimens

從試驗(yàn)結(jié)果來看，水對(duì)紅層泥巖的強(qiáng)度有明顯的劣化作用。通?？梢杂密浕禂?shù)來衡量水對(duì)巖石的劣化程度。巖石的軟化性是指巖石飽水后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，用軟化系數(shù)表示，軟化系數(shù)定義為巖石試樣的飽和單軸抗壓強(qiáng)度與干抗壓強(qiáng)度的比值。根據(jù)本次所選巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果得到紅層泥巖的軟化系數(shù)為0.156，遠(yuǎn)<0.75，因此該類巖石屬于軟化巖石。

3 水化-荷載耦合作用試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的主要目的是研究紅層泥巖地區(qū)在經(jīng)歷極端干燥天氣后突下暴雨，干燥的紅層泥巖在荷載作用下含水率從干燥狀態(tài)到飽和狀態(tài)的變形及破壞特征。依據(jù)同批次、同層位采樣樣品的干燥以及飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)選取了6個(gè)巖樣進(jìn)行了荷載-水化耦合作用下紅層泥巖的變形特性試驗(yàn)研究。按照獲取巖樣飽和抗壓強(qiáng)度的極限荷載30%～80%，設(shè)計(jì)了5，6，7，8，9，10 kN 6個(gè)荷載水平的水化試驗(yàn)，研究干燥紅層泥巖在不同荷載水平作用下的變形特征。

3.2 試驗(yàn)裝備及試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)在RYL-600微機(jī)控制巖石剪切流變?cè)囼?yàn)儀上進(jìn)行。水化裝置為自行制作的簡(jiǎn)易容器，該容器由一個(gè)內(nèi)徑為110 mm、高為150 mm的塑料管和一個(gè)厚鋼板膠接而成。試樣安裝如圖3(a)所示，將試件放入簡(jiǎn)易容器中，通過2節(jié)鋼制傳力柱引出。采用荷載加載方式加載，加載速率為5 N/s，加載至指定荷載水平后，維持該荷載一定時(shí)間后，快速向簡(jiǎn)易容器中注水，如圖3(b)所示。將荷載恒定在該應(yīng)力水平，觀察并記錄紅層泥巖的變形特征。

圖3 試驗(yàn)步驟Fig.3 Test steps

4 水化過程中紅層泥巖的變形特征

根據(jù)以上試驗(yàn)方法和試驗(yàn)步驟，得到了5，6，7，8，9，10 kN 6個(gè)加載水平下的變形全過程曲線，如圖4所示。

圖4 不同加載水平作用下的紅層泥巖水化 全過程變形曲線Fig.4 Deformation curves of red mudstone under water-rock interaction at different stress levels

4.1 荷載作用下干燥紅層泥巖水化全過程變形

以某一加載水平干燥紅層泥巖水化作用下的變形的全過程曲線為例，分析紅層泥巖在荷載-水化耦合作用下的變形特征。如圖5所示:t1為加載到指定荷載對(duì)應(yīng)的時(shí)間，荷載維持一段時(shí)間變形趨于穩(wěn)定后加水；t2為注水的時(shí)間點(diǎn)；t3為試件加速破壞的時(shí)間。

圖5 典型紅層泥巖水化全過程變形曲線Fig.5 Typical deformation curve of red mudstone under water-rock interaction

根據(jù)幾個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可將圖5中曲線分為3個(gè)階段。Ⅰ階段：0—t2為加載階段，是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需施加的不同應(yīng)力水平的一個(gè)準(zhǔn)備階段。Ⅱ階段：t2—t3為荷載-水化耦合作用下紅層泥巖變形階段?？焖僮⑺?，在這個(gè)階段巖樣首先遇水軟化使得變形快速增加。隨后，紅層泥巖進(jìn)一步發(fā)生水化作用，在較低荷載水平作用下表現(xiàn)出膨脹特性，變形量逐漸減小；在較高荷載水平作用下，巖樣的膨脹變形受到抑制，總的變形表現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的過程。Ⅲ階段：破壞階段，此階段變形快速增長(zhǎng)，巖石破壞具有突然性。從圖5可以得出Δs和Δt兩個(gè)重要的參數(shù)，t2—t3時(shí)間段，干燥紅層泥巖經(jīng)歷了遇水快速軟化變形，隨后變形速率逐漸減緩，這個(gè)階段總的變形量為Δs，巖樣遇水到破壞持續(xù)的時(shí)間為Δt。

4.2 水化階段(Ⅱ階段)的變形特征參數(shù)獲取

Ⅰ階段是試驗(yàn)的一個(gè)準(zhǔn)備階段，試驗(yàn)重點(diǎn)研究Ⅱ階段和Ⅲ階段的變形特征，因此，將加水的對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)t2定義為試驗(yàn)的初始點(diǎn)，即t2=0。t3的位置可通過圖6中荷載-時(shí)間的關(guān)系確定，以10 kN加載水平為例，當(dāng)試件處于破壞階段時(shí)，變形急劇增加，試驗(yàn)機(jī)無法再維持施加的荷載水平而急速掉落，將該時(shí)間點(diǎn)的位置定義為試件破壞時(shí)間節(jié)點(diǎn)。根據(jù)該方法可分別確定不同加載水平下的Δs和Δt，見表2。

圖6 紅層泥巖水化荷載及變形與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of load and deformation of red mudstone under water-rock interaction against time

試樣編號(hào)荷載/kN應(yīng)力/MPaΔt/hΔs/mm1#52.556.670.1002#63.061.790.0753#73.5710.99-0.1064#84.082.940.1505#94.591.970.7516#105.105.460.177

從表2的數(shù)據(jù)來看，6個(gè)試樣所施加荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平最低為2.55 MPa，最高為5.10 MPa，都低于本次同批次試樣飽和單軸抗壓強(qiáng)度7.78 MPa。但從圖4可以得出，6個(gè)試樣在荷載-水化共同作用下，經(jīng)歷一段時(shí)間的穩(wěn)定變形后，其變形均急劇增加，最后整個(gè)試樣破壞。1#，2#，3#試件在加水后都表現(xiàn)出膨脹特性，尤其是1#和3#試樣，從X衍射分析結(jié)果來看，其主要原因是紅層泥巖中的黏土礦物遇水發(fā)生水化膨脹。對(duì)于4#—6#試樣，由于較高的軸向荷載抑制了巖樣的膨脹，因此，無法從變形曲線上觀察到試樣的軸向膨脹。對(duì)于5#試件，加水后變形則處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在Ⅱ階段的變形一直快速增長(zhǎng)，速率明顯快于4#和6#試樣，其主要原因是5#巖樣遇水發(fā)生了崩解破壞引起力學(xué)性能的快速劣化。

5 結(jié) 論

通過對(duì)紅層泥巖進(jìn)行常規(guī)的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)獲取了紅層泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度。通過本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易水化試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了荷載和水化耦合作用，研究了紅層泥巖在不同應(yīng)力水平下從干燥狀態(tài)到逐步飽和狀態(tài)全過程的強(qiáng)度和變形特征，得出了以下結(jié)論。

(1)水對(duì)紅層泥巖的劣化作用明顯，本次所選紅層泥巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于干燥巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度。

(2)從干燥紅層泥巖的水化試驗(yàn)得出，考慮荷載作用下干燥紅層泥巖水化破壞的荷載遠(yuǎn)低于泥巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度。

(3)干燥紅層泥巖水化破壞的時(shí)間和變形量與泥巖的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，破壞過程是一個(gè)漸變的過程，并不是在遇水后立即發(fā)生破壞。荷載-水化耦合作用下，泥巖的破壞具有突然性，泥巖破壞后呈泥狀，該破壞形式給邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)控量測(cè)及邊坡失穩(wěn)的預(yù)防造成了極大的困難。

由此可以得出，在荷載作用下干燥泥巖遇水后，破壞應(yīng)力水平低，變形較小，破壞程度高，破壞后期呈明顯的脆性破壞特征，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成極為不利的影響。