初始含水率對飽水泥質粉砂巖性質的影響

(成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

旱澇急轉是指某一地區(qū)或流域發(fā)生干旱時，突遇集中強降雨的一種自然現(xiàn)象。近年來，因全球氣候變暖導致天氣系統(tǒng)紊亂，局地異常天氣頻發(fā)，在西南地區(qū)曾多次出現(xiàn)“旱澇急轉”的特殊天氣狀況[1]，使巖土體從干旱狀態(tài)迅速進入飽水狀態(tài)，這對含黏土礦物較多的巖土體產(chǎn)生較大影響。為了應對這種極端天氣，對不同初始含水率下突遇強降雨的地質體強度和穩(wěn)定性做出評價，針對不同初始含水率下巖土體飽水浸泡物理力學性質的研究顯得尤為必要。

目前，研究人員對于水巖作用做了大量研究，特別是對含水敏性黏土礦物較多的巖土體[2-4]。水對巖土體的物理力學性質有著重要的影響。對于含黏土礦物較多的巖土體的水巖作用的研究，主要是對天然狀態(tài)巖土體在飽水浸泡[5-8]、干濕循環(huán)條件下物理力學性質變化規(guī)律的研究[9-10]。對于飽水浸泡的研究往往是探究天然巖體物理力學性質隨飽水浸泡天數(shù)的變化，對不同初始狀態(tài)下巖體物理力學性質隨飽水浸泡天數(shù)的研究較少；對于干濕循環(huán)的研究往往是在設置干濕條件為完全烘干與飽水浸泡情況下進行循環(huán)，單一干濕過程中干的程度、方式和濕的程度的影響尚未完全明晰。本文對不同初始含水率的巖石飽水浸泡物理力學性質開展研究，從另一個角度看，也就是對單一干-濕過程中干過程的溫度和程度對干濕循環(huán)過程的影響開展研究。

基于以上背景，本文進行了不同初始含水率下泥質粉砂巖的飽水浸泡試驗。以初始含水率及其烘干溫度為變量，通過巖石單軸壓縮試驗，研究不同初始含水率下泥質粉砂巖的飽水浸泡力學變化特征；通過縱波波速測量，得到不同初始含水率下泥質粉砂巖飽水后的微觀裂隙含量大體情況；將宏觀分析與細觀分析相結合，共同揭示物理力學變化規(guī)律。以上研究旨在為極端氣候下滑坡穩(wěn)定性評價及預警預報等提供理論依據(jù)，對防治工程設計具有一定指導意義。

1 巖石試樣制備

許多學者對巖土體的水敏性研究大多集中于純泥巖或黏土礦物含量極高的巖土體，對于含砂量較高的泥質砂巖、泥質粉砂巖研究較少，而川東紅層地區(qū)分布著大量的泥質粉砂巖，其力學性質對邊坡穩(wěn)定性等往往起著決定性的作用。本文以紫紅色泥質粉砂巖為研究對象，試樣取自四川省中江縣垮梁子典型滑坡附近的人工開挖邊坡(見圖1(a))[11-13]，位于北緯30°38′6″，東經(jīng)104°55′38″。取樣時選取新鮮完整的巖樣，取樣后立刻采用保鮮膜包裹，膠帶纏繞固定，并用高強度塑料袋收納，放入墊有緩沖材料(泡沫、柔軟植物葉、氣泡薄膜等)的紙箱或木箱中運輸。試樣按直徑為50 mm，高為100 mm的標準圓柱試樣要求制備，如圖1(b)所示。為便于控制試驗變量，本文制樣時嚴格控制天然試樣重量相差不超過2 g，平均重量約為431.8 g。同時為了減少試樣不均勻性對試驗的影響，利用彈性縱波波速測試對試樣進行了篩選，選取波速大致相同的試樣進行試驗，同時每組試驗設置3個試樣。試樣的基本物理力學參數(shù)見表1。

圖1 取樣地點及試樣Fig.1 Sampling location and sample

礦物成分含量/%蒙脫石伊利石石英斜長石方解石天然縱波波速/(m·s-1)天然密度/(g·cm-3)天然含水率/%天然單軸抗壓強度/MPa8.1219.2537.5213.4221.702494.402.326.882.73

2 不同初始含水率下泥質粉砂巖的飽水浸泡試驗

2.1 參數(shù)選取

首先通過不同烘干溫度的烘箱，將巖樣烘干到不同的初始含水率，再對不同初始含水率的試樣做飽水浸泡處理。其中涉及到烘干溫度、初始含水率、飽水浸泡試驗條件3個條件。

(1) 烘干溫度設置。姜洪濤等[14]對不同地面覆蓋層下土體溫濕度場進行長期觀測，認為最高溫度在45℃左右。故本文選取烘干溫度為35℃、45℃、55℃，旨在接近自然中伏旱氣候下土體溫度的同時放大溫度對不同初始含水率的泥質粉砂巖飽水浸泡的影響。

(2) 初始含水率設置。唐朝生等[15]認為含黏土礦物的巖土體在不同烘干溫度下殘余含水量不同，隨著溫度的升高殘余含水率下降。為確定初始含水率的變化梯度，本文通過35℃、45℃、55℃烘干試驗，獲得了泥質粉砂巖烘干曲線(見圖2)。結果發(fā)現(xiàn)泥質粉砂巖在35℃烘干下殘余含水率約為1.44%，烘干重量下降約為22 g；55℃下殘余含水率約為1.18%，烘干重量下降約為23 g，兩溫度殘余含水率相近。因選取試樣的天然重量基本一致，所以本文由平均烘干重量下降來控制初始含水率。通過35℃，45℃，55℃烘箱使巖樣分別減少0，4，8，12，16 g和22 g來控制初始含水率。初始含水率、烘干平均重量減少和相應烘干時間的對應關系見表2。

圖2 泥質粉砂巖烘干曲線Fig.2 Drying curve of argillaceous siltstone

另外，通過觀察烘干曲線發(fā)現(xiàn)，泥質粉砂巖在35℃下64 h后開始接近恒重，在45℃下36 h后接近恒重，在55℃下27 h后接近恒重。前期失水速率存在較大差異，55℃(2.29 g/h)約是35℃(1.30 g/h)的兩倍。

(3) 泥質粉砂巖飽水浸泡試驗設計的試驗條件主要有試驗所用水、試驗飽水浸泡條件等。① 試驗所用水選用蒸餾水。② 本文為放大初始含水率對泥質粉砂巖飽水物理力學性質的影響，采用無軸壓、無側限處理，水位為恰好淹沒試樣。③ 王森[5]認為泥巖在飽水浸泡7 d后含水率接近恒定，即接近飽和，由于泥質粉砂巖滲透性大于泥巖，故本文設置飽水浸泡時間為7 d可保證處理后試樣達到飽水狀態(tài)。

表2 初始含水率對照表Tab.2 Contrast table of initial moisture content

2.2 試驗方案

首先，通過烘箱依次設置35℃、45℃、55℃烘干溫度，分別烘干至6.88%、5.89%、4.90%、3.91%、2.92%和1.44%的初始含水率，以模擬自然中泥質粉砂巖在不同溫度下達到不同初始含水率的干旱；冷卻至室溫，模擬自然中降雨前的降溫過程；然后，通過室內(nèi)飽水浸泡試驗浸泡7 d，模擬自然中的強降雨。最后對不同初始含水率下泥質粉砂巖的飽水浸泡試樣進行單軸壓縮試驗和彈性縱波波速測試。單軸壓縮試驗采用MTS-815液壓伺服巖石力學綜合試驗控制系統(tǒng)，全程采取位移控制，速率為0.1 mm/min。不同初始含水率下巖石飽水浸泡試驗方案見圖3。

圖3 不同初始含水率下巖石飽水浸泡試驗設計Fig.3 Design of saturated rock immersion test under different initial water contents

3 試驗結果與分析

試驗結果與討論按照不同初始含水率和不同烘干溫度(方式)兩個變量分別展開論述。

不同初始含水率下巖石飽水浸泡試驗后，試樣的強度及波速變化曲線見圖4，試驗數(shù)據(jù)見表3～5。

圖4 不同初始含水率下巖石飽水浸泡后試樣的強度及波速變化曲線Fig.4 Strength and wave velocity curves of rock samples soaked in saturated water at different initial water contents

初始含水率/%飽水浸泡7d后含水率/%彈性縱波波速/(m·s-1)單軸抗壓強度/MPa強度衰減幅度1/%強度衰減幅度2/%6.887.982692.461.76035.535.897.982481.432.25-27.8417.584.907.982355.812.52-43.187.693.917.982226.922.56-45.456.232.927.982087.281.609.0941.391.447.981787.080.6761.9375.46

表4 45℃烘干溫度下不同初始含水率的巖石飽水浸泡后試樣的強度及波速試驗結果Tab.4 Test results of strength and wave velocity of rock samples with different initial water contents after saturated immersion at 45℃ drying temperature

表5 55℃烘干溫度下不同初始含水率的巖石飽水浸泡后試樣的強度及波速試驗結果Tab.5 Test results of strength and wave velocity of rock samples with different initial water contents after saturated immersion at 55℃ drying temperature

試驗數(shù)據(jù)表中，強度衰減幅度1為相對于天然試樣飽水浸泡7 d強度的衰減幅度；強度衰減幅度2為相對于天然強度的衰減幅度。

3.1 初始含水率對物理力學性質的影響

3.1.1單軸抗壓強度與初始含水率的關系

由圖4、表3～5可知，相同烘干溫度下，泥質粉砂巖飽水浸泡7 d后的單軸抗壓強度隨著初始含水率的降低先小幅度增大后大幅度降低。其中強度的最大值不超過天然試樣的單軸抗壓強度(2.73 MPa)，最小強度低于天然(未烘干)試樣直接飽水浸泡7 d后泥質粉砂巖的單軸抗壓強度(1.76 MPa)。天然試樣直接飽水浸泡7 d后泥質粉砂巖的單軸抗壓強度相較天然強度降低了35.53%左右。具體來說，在烘干溫度分別設置為35℃,45℃,55℃時，當初始含水率分別達到3.91%、4.90%和5.89%左右的含水率降幅時得到強度，最大值分別是2.56，2.37 MPa和2.08 MPa，相較天然試樣直接飽水浸泡強度分別上升了45.45%、34.66%和18.18%。在初始含水率達到最低值(1.44%含水率降幅)時，得到強度最低值，分別是0.67，0.56 MPa和0.39 MPa，相較天然試樣直接飽水浸泡強度分別降低了75.46%、79.49%和85.71%。

3.1.2彈性縱波波速與初始含水率的關系

由試驗結果可知，相同烘干溫度下，泥質粉砂巖飽水浸泡7 d后的彈性縱波波速隨初始含水率的降低總體呈下降趨勢。對應單軸抗壓強度的上升段的初始含水率，彈性縱波波速呈緩慢下降趨勢；對應單軸抗壓強度下降段的初始含水率，彈性縱波波速呈快速下降趨勢。具體來說，35℃、45℃和55℃烘干溫度條件下強度上升段對應的初始含水率為6.88%～3.91%、6.88%～4.90%和6.88%～5.89%。對應35℃、45℃和55℃烘干溫度下的強度上升段，彈性縱波波速也分別從2 692.46 m/s降到2 226.92，2 345.83 m/s和2 476.76 m/s；對應35℃、45℃和55℃烘干溫度下強度下降段的初始含水率段，即3.91%～1.44%、4.90%～1.44%和5.89%～1.44%，彈性縱波波速呈迅速下降階段，35℃、45℃和55℃下分別從2 226.92，2 345.83 m/s和2 476.76 m/s降到1 787.08，1 587.57 m/s和1 339.40 m/s。

3.2 烘干溫度對物理力學性質的影響

3.2.1單軸抗壓強度和烘干溫度的關系

由表3～5可知，相同初始含水率條件下，達到初始含水率的烘干溫度對試驗結果有較大影響。某初始含水率下飽水浸泡7 d后試樣的單軸抗壓強度隨著烘干溫度的升高出現(xiàn)下降趨勢，烘干溫度從35℃上升到55℃所對應的單軸抗壓強度依次降低。35℃、45℃和55℃烘干溫度所對應的單軸抗壓強度的最大值依次降低，分別為2.56，2.37 MPa和2.08 MPa；且達到強度最大值時所對應的初始含水率也依次升高，分別為3.91%、4.90%和5.89%。

3.2.2彈性縱波波速和烘干溫度的關系

由試驗結果可知，某初始含水率下飽水浸泡7 d后試樣的彈性縱波波速隨著烘干溫度的升高出現(xiàn)下降趨勢，烘干溫度從35℃上升到55℃所對應的彈性縱波波速依次降低；從35℃,45℃到55℃烘干溫度，對應彈性縱波波速下降緩慢段的初始含水率段(與強度上升段基本吻合)依次變短，初始含水率段分別為6.88%～3.91%、6.88%～4.90%和6.88～5.89%。

4 討 論

4.1 不同初始含水率的影響

隨著初始含水率的降低，飽水浸泡后的泥質粉砂巖單軸抗壓強度先小幅增加后大幅降低。這與姚遠[16]認為的“泥巖在天然狀態(tài)下直接飽水浸泡后力學性質最差，‘干-濕’的力學性質反而有所恢復”有相吻合的部分。同時也會與Panabokke、Quirk[17]認為的某種初始含水率下的土中形成較多團聚體。這種團聚體具有良好的穩(wěn)定性，遇水后不會輕易被打破。由此產(chǎn)生了以下看法。

(1) 較高及適中的初始含水率的泥質粉砂巖在飽水浸泡7 d后的強度有所提升，與烘干過程中自由水的逐步減少、弱結合水和毛細水的作用發(fā)揮有關。烘干過程中在含水率下降、體積收縮、裂隙產(chǎn)生的同時，自由水被逐步帶走、弱結合水、毛細水作用開始生效，導致試樣內(nèi)部結構趨于致密，形成聚合體或者某種穩(wěn)定結構(見圖5)。這種結構會對飽水浸泡初期較快吸水速率的沖擊產(chǎn)生抵抗，降低在快速吸水階段產(chǎn)生的損傷；同時，這種結構的產(chǎn)生和增多可以提升單軸抗壓強度，導致整體強度上升。綜上，當毛細水和弱結合水的水膜作用、致密穩(wěn)定結構的抑制作用與飽水浸泡初期較大吸水速率的破壞作用存在最優(yōu)解時，強度最高。此時，裂隙對強度的影響程度遠小于結構致密化的影響。

圖5 隨初始含水率下降強度上升的內(nèi)部結構Fig.5 Internal structure schematic diagram of strength increasing with initial water content decreasing

(2) 隨初始含水率的降低泥質粉砂巖飽水浸泡7 d后的強度，在達到最大值后強度隨初始含水率的降低逐漸降低，并逐步低于天然試樣直接飽水浸泡的強度。這與隨著初始含水率的逐漸降低，毛細水、弱結合水作用不斷減少，導致內(nèi)部致密結構體的內(nèi)部粘結和結構體彼此之間的粘結逐步消失有關。毛細水、弱結合水作用的逐步消失，導致烘干過程產(chǎn)生收縮裂隙變多，顆粒更加破碎(見圖6)。其次，隨著初始含水率的降低，飽水浸泡階段初期吸水速率變大，同時毛細水變少、弱結合水過少導致抑制新的裂紋生成的能力(抵制變化的能力)變?nèi)酰瑥亩鴮е履鄮r膠結的破壞程度更嚴重?？傊跏嘉俾首兇蠛惋査莩跗谝种谱饔脺p弱的雙重因素導致膠結嚴重破壞。

圖6 隨初始含水率下降強度下降的內(nèi)部結構示意Fig.6 Internal structure diagram of decreasing strength with initial moisture content decreasing

較高及適中的初始含水率對應的彈性縱波波速降幅較小，說明初始含水率較高時，雖然在烘干過程中內(nèi)部裂隙增多，但幅度有限；較低初始含水率對應的彈性縱波波速降幅較大，說明初始含水率較低時內(nèi)部裂隙增多的幅度較大。

4.2 烘干溫度的影響

低烘干溫度組試樣在試驗后所能達到的強度最大值高于高烘干溫度組。這是由于烘干溫度越高，巖石在烘干時產(chǎn)生的損傷越大。同時由于烘干速率變大，試樣外部不能形成足量的毛細水和團聚體等致密結構，導致對飽水浸泡初期較高吸水速率沖擊作用的抵抗能力減小，微裂紋增加。

隨著烘干溫度的升高，試樣強度上升段及波速緩慢下降段對應的初始含水率段變短，較早地到達強度曲線的最大值與波速曲線的轉折點。高溫度烘干時，試樣失水速率較快，而水分子從試樣內(nèi)部轉移到外部的速率過大，從而導致試樣外部率先喪失毛細水、弱結合水及團聚體等致密結構的作用，從而較早地喪失對飽水浸泡初期較大吸水速率下沖擊作用的抵御。

4.3 單軸抗壓強度與彈性縱波波速對應關系

彈性縱波在巖體中的傳播速度可以反映巖石中的缺陷[18]。同時，縱波在固體中的傳播速度比在液體中大。因此，通常認為波速和強度呈正相關關系，相同含水率的同一巖性的試樣波速越大，強度一般也越高。但是，本文試驗中卻出現(xiàn)了較高初始含水率時強度上升、波速下降，波速和強度呈負相關的現(xiàn)象。初步認為是不同工況下內(nèi)部結構不同導致的結果。鄧華鋒等[18]認為聲波測試無法反映巖石的塑性性質；影響強度的因素除了孔隙、裂隙含量這些因素外，還與試樣內(nèi)部在烘干作用下收縮所產(chǎn)生的結構形態(tài)和毛細水、弱結合水含量、位置及其對飽水浸泡的抵御作用有關。飽水浸泡后相同縱波波速的巖樣，內(nèi)部若形成結構較為良好團聚體等結構，則強度較高；即使波速較大的巖樣若未形成較為良好的團聚體，其強度仍可能小于具有良好團聚體的試樣。

4.4 試驗結果適用工況分析

本文以單軸抗壓強度作為強度的測試分析手段，能夠為地質體的穩(wěn)定性及地基基礎的強度提供一定指導作用，但若采用三軸試驗進行測試，將對地質體的穩(wěn)定性產(chǎn)生更為直接的指導作用。由于缺乏對地質災害影響深度范圍內(nèi)溫度的觀測數(shù)據(jù)，本文僅通過姜洪濤[14]的研究進行烘干溫度的選取，僅能反映近地表坡體及地基基礎附近的物理力學性質變化，對于深部的情況有待進一步研究。本文關于機制的探討主要是針對巖塊，認為在常見地應力與地質結構下，本文提出的內(nèi)部機制分析結論原則上是適用的，但對于高地應力等條件有待進一步研究。

5 結 論

(1) 川東紅層泥質粉砂巖雖然具有較高的含砂量，但不同初始強度的試樣在經(jīng)歷飽水浸泡后其物理力學特性發(fā)生顯著變化，從而影響了巖土體的穩(wěn)定性。

(2) 隨著初始含水率的下降，泥質粉砂巖飽水浸泡后單軸抗壓強度先小幅增加后大幅降低。彈性縱波波速先緩慢下降后迅速下降。強度的最大值和波速的轉折點對應相同的初始含水率。

(3) 相同初始含水率下，隨著烘干溫度的升高，泥質粉砂巖飽水浸泡后強度和波速均呈下降趨勢。