干濕循環(huán)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(huán)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(tài)下處于硬塑或堅硬狀態(tài)，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(qū)，泥巖分布廣泛且物理力學性質(zhì)復雜，對鐵路和邊坡穩(wěn)定性具有重要影響[4]。在旱季，由于水分蒸發(fā)和地下水位降低，泥巖的含水率降低，產(chǎn)生干縮、開裂等現(xiàn)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(chǎn)生軟化甚至泥化等現(xiàn)象[5-6]。因此，在西北部地區(qū)，長期處于旱季雨季交替的泥巖巖性在干濕循環(huán)中往往會發(fā)生劣化，強度急劇降低，造成邊坡穩(wěn)定性下降[7]，對鐵路的安全性產(chǎn)生了威脅。研究干濕循環(huán)對泥巖強度的劣化影響，對分析西北部地區(qū)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)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(huán)中往往會發(fā)生劣化，許多學者進行了相關(guān)研究。Hale等[8]、Ulusay等[9]對巖石試樣進行了干濕循環(huán)試驗，研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)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(huán)對砂巖縱波波速、強度的影響，結(jié)果表明兩者在干濕循環(huán)過程中變化規(guī)律不一致。文獻[11-12]進行了不同酸性干濕循環(huán)的泥質(zhì)砂巖室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)酸性干濕循環(huán)對力學特性的劣化影響最大，并建立干濕循環(huán)中泥質(zhì)砂巖的細觀損傷模型。王亞坤等[13]對泥巖開展了干濕循環(huán)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(huán)次數(shù)成反比，其減小趨勢隨循環(huán)次數(shù)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(huán)作用下泥巖三維形貌的變化規(guī)律，得到泥巖在遇水-風干循環(huán)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(huán)前試樣的干密度)條件下干濕循環(huán)對巖石強度的劣化影響，關(guān)于不同初始干密度條件下干濕循環(huán)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(zhì)邊坡，不同埋深處的泥巖干密度有所差異，僅分析干濕循環(huán)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(huán)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(huán)過程中泥巖試樣強度參數(shù)的變化規(guī)律，探討不同初始干密度條件下干濕循環(huán)對泥巖強度和微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)邊坡，位于甘肅省蘭州市內(nèi)，取樣地點及巖質(zhì)邊坡地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 取樣地點及巖質(zhì)邊坡地質(zhì)剖面

泥巖屬于白堊系河口群，中風化，紅褐色。根據(jù)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(shè)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(tài)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(zhì)邊坡的泥巖進行大面積取樣，并對其進行含水率試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，泥巖最小含水率接近0%，最大含水率接近7%，與工程地質(zhì)手冊的經(jīng)驗數(shù)據(jù)[17]的范圍相符。為了與實際情況相近，泥巖試樣在干濕循環(huán)中含水率幅度控制在0%～7%。

對泥巖試樣進行預實驗，研究發(fā)現(xiàn)：泥巖試樣以(100±5) ℃的條件烘干24 h與烘干48 h的質(zhì)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(tài)；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(huán)中保持較為完整的狀態(tài)，并且噴水后泥巖試樣密封養(yǎng)護72 h，泥巖試樣內(nèi)部含水率分布較為均勻，含水率在7%左右。因此，干濕循環(huán)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(zhì)量時停止噴水；最后將泥巖試樣密封并置于保濕缸中養(yǎng)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(huán)。干濕循環(huán)次數(shù)為5次，試驗過程示意圖見圖2。

圖2 試驗過程示意

根據(jù)規(guī)范[18]，Ⅰ組進行n=0、1、2、3、4、5等不同循環(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)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(huán)下泥巖強度參數(shù)劣化影響

2.1 抗壓性能

2.1.1 單軸抗壓強度

根據(jù)文獻[19]，定義泥巖試樣初始狀態(tài)強度參數(shù)與經(jīng)歷干濕循環(huán)n次后強度參數(shù)的差值和初始狀態(tài)強度參數(shù)之比為總劣化度Sn，定義每一次干濕循環(huán)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(tài)強度參數(shù)值；Un為經(jīng)歷干濕循環(huán)n次后強度參數(shù)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(huán)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(guī)律。

圖3 干濕循環(huán)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(huán)對σc的劣化速率呈減小的趨勢；其中，在第一次干濕循環(huán)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(guān)系式，發(fā)現(xiàn)σc和n具有良好指數(shù)關(guān)系，見表2。

表2 σc-n的擬合關(guān)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(huán)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(huán)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(huán)中，Ec的劣化速率最大，與其他階段相差較大。

圖4 干濕循環(huán)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(guān)系式，發(fā)現(xiàn)Ec和n具有良好指數(shù)關(guān)系，見表3。

表3 Ec-n的擬合關(guān)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(huán)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(huán)下σt及其階段劣化度趨勢

由圖5可知，每一次干濕循環(huán)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(guān)系式，發(fā)現(xiàn)σt和n具有良好指數(shù)關(guān)系，見表4。

表4 σt-n的擬合關(guān)系式

2.3 各個強度值的劣化程度對比

對比同一強度參數(shù)，在初始干密度相同的條件下，從n=0到n=5時，曲線連續(xù)上升發(fā)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(shù)總劣化度隨n的增大而增大，見圖6。因此，干濕循環(huán)對泥巖試樣各個強度參數(shù)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(huán)下各個強度參數(shù)總階段劣化度變化圖

對比同一強度參數(shù)，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(jīng)歷相同干濕循環(huán)次數(shù)后，干濕循環(huán)對泥巖試樣的強度參數(shù)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(shù)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(huán)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(tài)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(guān)系式為[20]

(4)

(5)

將式(4)和式(5)代入式(3)，可得

(6)

將干濕循環(huán)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(huán)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(zhuǎn)，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(huán)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(huán)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(huán)下泥巖微觀結(jié)構(gòu)劣化影響

干濕循環(huán)對泥巖試樣強度參數(shù)劣化影響中，第一次干濕循環(huán)對泥巖試樣強度參數(shù)的劣化速率最大，隨n的增大，泥巖試樣強度參數(shù)的劣化速率呈減小的趨勢，且第一次干濕循環(huán)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(cè)表面中部的薄片進行SEM試驗。

3.1 微觀結(jié)構(gòu)形貌

不同初始干密度條件下干濕循環(huán)次數(shù)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(huán)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(huán)后，產(chǎn)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(tài)更多；第五次干濕循環(huán)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(fā)現(xiàn)，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(huán)前聯(lián)結(jié)更加緊密，顆粒表面上黏粒相對更少；在第一次干濕循環(huán)后產(chǎn)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(huán)后出現(xiàn)許多粒狀顆粒，但顆粒排列松散程度相對更小，大孔隙數(shù)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(huán)后，微觀結(jié)構(gòu)與另兩種不同初始干密度的泥巖試樣進行比較，可以發(fā)現(xiàn)，顆粒排列松散程度最小，顆粒間聯(lián)結(jié)能力最強。

圖8 不同初始干密度條件下和不同干濕循環(huán)次數(shù)n的泥巖試樣的SEM照片

3.2 孔隙數(shù)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(shù)N進行統(tǒng)計分析。分析結(jié)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(huán)過程中有增大的趨勢，且在第一次循環(huán)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(huán)過程中有減小的趨勢。

(2)分析孔隙數(shù)。初始干密度相同時，從n=0到n=1再到n=5，孔隙數(shù)先增大后減小，主要原因是泥巖試樣在第一次干濕循環(huán)中產(chǎn)生許多細小孔隙，數(shù)量增多，然后在循環(huán)遞進過程中細小孔隙之間合并發(fā)展為大孔隙，數(shù)量減少。n相同時，孔隙數(shù)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(shù)之間差值在干濕循環(huán)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(shù)來定量孔隙表面的復雜程度[21]?？紫侗砻娴姆中尉S數(shù)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(shù)[21]對泥巖試樣孔隙表面分形維數(shù)進行計算。計算過程中，圓形網(wǎng)格覆蓋SEM圖片的孔隙，網(wǎng)格直徑為l，網(wǎng)格數(shù)為nl，逐漸減小l，得到一系列nl。表面分形維數(shù)D計算式為

(7)

計算結(jié)果見表6。由表6可知，二維計盒維數(shù)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(huán)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(huán)后相差較小。

表6 孔隙表面分形維數(shù)

4 討論

4.1 劣化機制

干濕循環(huán)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(xiàn)良好。在第一次干濕循環(huán)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(nèi)部向外部滲出，內(nèi)部的細小松散顆粒隨水滲出，產(chǎn)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(shù)量的增多，更有利于水浸入泥巖試樣，沿著孔隙向內(nèi)部滲透并進行水-巖作用，泥巖試樣中的鉀長石與水發(fā)生化學反應生成高嶺石[19,22]，高嶺石與鉀長石的結(jié)構(gòu)、成分不同導致二者空間體積不同，從而顆粒間膠結(jié)物發(fā)生破裂，泥巖試樣細小次生孔隙，且鉀長石在水中發(fā)生溶解溶蝕，產(chǎn)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(nèi)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(nèi)部產(chǎn)生不均勻的膨脹應力，膠結(jié)物發(fā)生軟化，較大的片狀顆粒分解成許多細小片狀顆粒，產(chǎn)生更多的孔隙，顆粒間的聯(lián)系發(fā)生減弱，導致泥巖試樣的強度發(fā)生急劇減小。隨干濕循環(huán)次數(shù)的遞增，顆粒間連接的膠結(jié)物在不斷被溶解和軟化，同時孔隙也在不斷得產(chǎn)生，并使原有孔隙向大孔隙發(fā)展，顆粒間聯(lián)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(tài)下，隨初始干密度的增大，泥巖試樣的面孔隙率、孔隙數(shù)和孔隙分形特征呈減小趨勢，則泥巖試樣的顆粒間聯(lián)結(jié)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(huán)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(shù)差別呈減小趨勢，則三種初始干密度泥巖試樣的顆粒間聯(lián)結(jié)能力之間差別在干濕循環(huán)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(huán)后相差較小，三種初始干密度泥巖試樣微觀結(jié)構(gòu)的差別隨干濕循環(huán)次數(shù)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(huán)過程中呈減小趨勢，在第5次干濕循環(huán)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(fā)現(xiàn)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(huán)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(guī)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(huán)境中，危巖體內(nèi)部的泥巖處于干濕循環(huán)狀態(tài)，其抗拉強度會發(fā)生降低，傾倒式危巖的穩(wěn)定性發(fā)生下降。分析危巖體穩(wěn)定性的過程中，應考慮抗拉強度在干濕循環(huán)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(huán)后，可以考慮一個強度值進行計算。

在危巖體設(shè)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(huán)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(jīng)過若干次干濕循環(huán)之后依舊下降得較低；若巖體與支撐體的接觸面積設(shè)計過小，會造成接觸面壓強大，可能會發(fā)生危巖體的壓斷破壞。

因此，在水位升降環(huán)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(wěn)定性分析和防治。

4.2.2 干濕循環(huán)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(huán)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(huán)過程中巖石抗剪強度在干濕循環(huán)過程中的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

(1)初始干密度相同時，隨干濕循環(huán)次數(shù)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(huán)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(huán)對其劣化程度呈增大的趨勢。比較同種強度參數(shù)(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(huán)過程中，結(jié)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(lián)結(jié)能力與初始干密度呈正相關(guān)，與n成負相關(guān)；泥巖孔隙表面復雜程度與初始干密度成負相關(guān)，與n成正相關(guān)；反映到宏觀方面，泥巖的強度與初始干密度呈正相關(guān)，與n成負相關(guān)。

(6)不同初始干密度泥巖的顆粒間聯(lián)結(jié)能力之間差別在干濕循環(huán)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(huán)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。