干燥失水對泥質(zhì)粉砂巖遇水后物理力學(xué)性質(zhì)的影響

周華，靳鵬

（重慶市二零八工程勘察設(shè)計院有限公司，重慶 400700）

近年來，中國西南地區(qū)多次出現(xiàn)長期干旱后突發(fā)強(qiáng)降雨的特殊天氣[1]，巖土體性質(zhì)發(fā)生較大變化，從干燥失水快速轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。為評價長期干旱后突遇強(qiáng)降雨時巖土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，針對干燥失水巖土體遇水后物理力學(xué)性質(zhì)的研究顯得尤為必要。目前，對于水巖作用的研究已取得豐富的成果，已知水對巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響[2-4]。對于水巖作用造成的物理力學(xué)性質(zhì)變化的研究過去主要針對天然狀態(tài)下巖體，對干燥失水狀態(tài)下巖體研究較少。

基于以上背景，本文進(jìn)行了干燥條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水試驗(yàn)。以遇水后天數(shù)為變量，通過巖石單軸壓縮試驗(yàn)，研究干燥條件下泥質(zhì)粉砂巖遇水后力學(xué)性質(zhì)的變化。研究采用巖體波速測試獲取泥質(zhì)粉砂巖遇水后裂隙變化，通過X射線衍射測試，獲取泥質(zhì)粉砂巖遇水后礦物成分變化。通過多種手段共同揭示泥質(zhì)粉砂巖在特殊條件下物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，為地質(zhì)體防治提供理論依據(jù)。

1 制樣及巖體物理力學(xué)性質(zhì)

以往對巖土體的水巖作用研究多集中于成分單一的泥巖[5-10]，對于含砂量較高的泥質(zhì)粉砂巖的研究相對較少，然而在四川的東部地區(qū)分布著大量的泥質(zhì)粉砂巖，其力學(xué)性質(zhì)對地基穩(wěn)定性及邊坡穩(wěn)定性起著決定性作用[11-13]。因此，本次研究選取四川省德陽市某人工邊坡（圖1）中的泥質(zhì)粉砂巖為研究對象?，F(xiàn)場采取新鮮完整的泥質(zhì)粉砂巖樣品，用蠟封法進(jìn)行密封。樣品規(guī)格：Φ90×100mm，每組試驗(yàn)3個試樣。天然試樣的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 取樣地點(diǎn)及試樣

表1 天然試樣基本物理力學(xué)參數(shù)

2 干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水試驗(yàn)

2.1 參數(shù)選取

干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水試驗(yàn)，就是首先通過烘箱將巖樣烘干，再對烘干后的巖樣做浸水處理。試驗(yàn)過程涉及四個條件，包含烘干溫度、烘干后含水率、浸水試驗(yàn)所用水及浸水時間。

（1）烘干溫度設(shè)置

以往研究人員通過對土體溫度與濕度進(jìn)行觀測，認(rèn)為最高溫度在45℃左右[14]。為接近長期干旱條件下的土體溫度和土體剩余含水率，同時加快烘干過程，本次試驗(yàn)設(shè)置烘干溫度55℃。

（2）烘干后含水率

本文以剩余含水率來表示烘干后含水率。以往研究[15]表明巖土體在不同溫度下剩余含水量不同，隨著溫度上升剩余含水率降低。為獲取泥質(zhì)粉砂巖烘干后含水率的變化情況及達(dá)到剩余含水率所需時間，通過烘干試驗(yàn)，得到泥質(zhì)粉砂巖含水率變化曲線（圖2），發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)粉砂巖在55℃下剩余含水率約為1.18%，時間約27h。

（3）浸水試驗(yàn)所用水

由于河水、雨水含有不同的化學(xué)成分，對試驗(yàn)巖土體作用不明，因此選用蒸餾水。

（4） 浸水時間

王森[5]認(rèn)為泥巖在遇水7d后含水率穩(wěn)定，接近飽和狀態(tài)。泥質(zhì)粉砂巖較泥巖滲透性大，故該試驗(yàn)設(shè)置遇水后7d為最大飽水浸泡天數(shù)，保證浸水后試樣處于飽水狀態(tài)。

圖2 泥質(zhì)粉砂巖含水率變化曲線

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)具體內(nèi)容為：首先，通過烘箱設(shè)置55℃烘干溫度，烘干至1.18%初始含水率，模擬泥質(zhì)粉砂巖在長期干旱條件下的失水過程；然后冷卻至常溫，模擬自然條件下的降溫過程；通過室內(nèi)浸水試驗(yàn)浸泡7d，模擬強(qiáng)降雨過程。通過以上進(jìn)行的干燥條件下泥質(zhì)粉砂巖的浸水試驗(yàn)，最后對干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水不同天數(shù)后的樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)、縱波波速測試和X射線衍射測試。干燥失水條件下巖石浸水試驗(yàn)方案見圖3。

圖3 干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水試驗(yàn)設(shè)計

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水后，強(qiáng)度變化曲線見圖4，強(qiáng)度及波速試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

3.1 干燥失水對泥質(zhì)粉砂巖浸水后物理力學(xué)性質(zhì)的影響

（1）彈性縱波波速與干燥失水后浸水天數(shù)的關(guān)系

在干燥失水后，泥質(zhì)粉砂巖彈性縱波波速從2494.40m/s下降至1597.43m/s。鄧華鋒等[16]認(rèn)為波速的下降應(yīng)與含水率的下降和內(nèi)部裂隙的發(fā)育兩方面因素有關(guān)。

圖4 干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水后強(qiáng)度變化曲線

表2 干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水后強(qiáng)度、縱波波速測試結(jié)果

在開始浸水后波速進(jìn)一步下降，穩(wěn)定在1200～1350m/s范圍內(nèi)（表3），測試時儀器上顯示的波速曲線幾乎無穩(wěn)定值且波動較大，說明裂隙較為發(fā)育。通常來說干燥失水的巖樣在浸水后，因含水率升高波速應(yīng)變大，但波速反而變小，說明試樣在浸水過程中，因黏土礦物吸水膨脹與吸水過程中氣泡產(chǎn)生對試樣的張拉力的影響，導(dǎo)致泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)部因干燥失水后裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張，使得裂隙造成波速下降的影響遠(yuǎn)大于含水率增高的影響。

表3 干燥條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水后礦物成分含量測試結(jié)果

泥質(zhì)粉砂巖在干燥失水后浸水1～7d時，波速幾乎為穩(wěn)定值，但在試樣放入水中2h內(nèi)，氣泡大量產(chǎn)生，表面開始產(chǎn)生裂紋、少量粘粒掉落在容器內(nèi)，試樣頂部在氣泡的拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋（圖5）。說明干燥失水后的泥質(zhì)粉砂巖在飽水浸泡過程中，因前期短時間內(nèi)吸水速率較大，在試樣內(nèi)部的裂隙中可能形成“水擊錘”效應(yīng)，使得裂隙迅速發(fā)展。

圖5 吸水氣泡產(chǎn)生的頂部拉裂縫

（2）單軸抗壓強(qiáng)度與干燥失水后浸水天數(shù)的關(guān)系

泥質(zhì)粉砂巖在干燥失水后強(qiáng)度有明顯的上升現(xiàn)象。干燥失水后的單軸抗壓強(qiáng)度約為8.03MPa，相比于天然抗壓強(qiáng)度2.73MPa明顯的增大。干燥失水使得含水率減少、孔隙收縮，從而使得強(qiáng)度增加，顯現(xiàn)硬巖的性質(zhì)。

干燥失水后隨浸水時間的增加，泥質(zhì)粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降趨勢（圖3）。浸水后1d之內(nèi)強(qiáng)度大幅下降，但隨著浸水時間的增加，強(qiáng)度變化幅度逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定值。伴隨著波速的大幅下降，強(qiáng)度也大幅下降，因此反映裂隙發(fā)育主要集中在浸水初期。

（3）礦物成分與干燥失水后浸水天數(shù)的關(guān)系

隨著干燥失水試樣飽水浸泡時間的增加，蒙脫石、石英、方解石含量也增加，而伊利石、長石含量下降。反映了隨著干燥失水后飽水浸泡時間的增加，伊利石、長石逐漸分解為蒙脫石等礦物的過程[17]（圖 6）。

圖6 黏土礦物形成演化過程（柯夫達(dá)，1981）

4 討論

4.1 干燥失水巖體浸水劣化規(guī)律與天然巖體浸水劣化規(guī)律對比

通過該試驗(yàn)可知：干燥失水后的泥質(zhì)粉砂巖在浸泡至穩(wěn)定強(qiáng)度后呈現(xiàn)82.42%的最終衰減幅度（較天然單軸抗壓強(qiáng)度），與王森[5]認(rèn)為的未經(jīng)歷失水的巖體直接浸水的最終衰減幅度40%左右（天然抗剪強(qiáng)度）相比較，衰減幅度大幅增加；干燥失水后泥質(zhì)粉砂巖在浸水處理1d內(nèi)強(qiáng)度大幅下降段就基本結(jié)束，較天然巖體直接浸水處理7d后強(qiáng)度才逐漸趨于穩(wěn)定相比[5]，強(qiáng)度大幅衰減的時間段變短。雖然該試驗(yàn)的單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度不具有直接對比性，但衰減幅度和規(guī)律應(yīng)是類似的，單軸抗壓強(qiáng)度的衰減變化規(guī)律反映了抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。

4.2 干燥失水對泥質(zhì)粉砂巖遇水后快速劣化機(jī)理探討

干燥失水后試樣內(nèi)部因失水收縮會產(chǎn)生微裂隙[15]，在后續(xù)浸水過程中，微裂隙在初期較大的吸水速率和吸水產(chǎn)生的氣泡張拉作用影響下，裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力聚集，從而使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張，導(dǎo)致巖石劣化。相較于天然試樣浸水過程，干燥失水后巖體初始含水率更低，吸水速率更大，因此與天然試樣相比較，其在吸水過程中膠結(jié)破壞更嚴(yán)重，強(qiáng)度更低，劣化速度和程度都大為增加。

5 結(jié)論

通過干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖浸水試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)、縱波波速測試及X射線衍射等一系列試驗(yàn)，從宏觀、細(xì)觀和微觀角度研究了干燥失水條件下泥質(zhì)粉砂巖遇水后7d的物理力學(xué)特性的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）中江紅層泥質(zhì)粉砂巖雖然具有較高的含砂量，但在干燥失水條件下遇水后其物理力學(xué)特性發(fā)生顯著變化，縱波波速及強(qiáng)度先大幅下降后趨于穩(wěn)定。

（2）干燥失水條件下浸水1d后強(qiáng)度大幅下降階段就完成，遠(yuǎn)低于天然試樣浸水后7d的強(qiáng)度快速下降時間段[5]；干燥失水條件下浸水7d后泥質(zhì)粉砂巖穩(wěn)定強(qiáng)度低于天然試樣飽水浸泡后穩(wěn)定強(qiáng)度。

（3）縱波波速變化與強(qiáng)度有一定的相關(guān)性，波速與強(qiáng)度下降趨勢接近，裂隙的產(chǎn)生為強(qiáng)度下降的主要因素。

（4）X射線衍射結(jié)果表明，隨著干燥失水后浸水時間的增加，伊利石、長石等分解，形成蒙脫石等礦物。