川西紅層軟巖崩解演變特征與微觀響應機理試驗研究*

劉鳳云 謝 飛 邱恩喜 羅懷瑞 王知深 萬旭升

(西南石油大學，土木工程與測繪學院，成都 610500，中國)

0 引 言

紅層軟巖在中國廣泛分布，是地表和地下工程中常見的地層之一(Yan et al.，2019)。這類軟巖為多相復合礦物聚合，機械強度低，對水分含量的變化非常敏感，極易受到自然界水熱(溫度和降雨量)變化的影響產(chǎn)生崩解，進而引發(fā)一系列紅層軟巖地區(qū)路基和邊坡工程的病害問題(申培武等，2017；謝小帥等，2019)。地處中國西南的四川盆地為中國紅層軟巖分布的典型區(qū)域，近年來，隨著“一帶一路”及川內(nèi)工程的大量興建，盆地紅層軟巖所面臨的工程地質(zhì)問題日趨嚴重(孫怡等，2020)。因此，系統(tǒng)地開展水熱作用下的紅層軟巖崩解特征及機理研究具有重要的理論價值和工程指導意義。

自然界的干濕變化和巖石本身的巖性是導致巖石崩解的重要因素(Zhang et al.，2020)。針對軟巖崩解造成的工程地質(zhì)問題，當前國內(nèi)外學者的研究主要集中在以下3個方面：(1)軟巖崩解機理和崩解變化規(guī)律(Qi et al.，2015；曾玲等，2020)；(2)軟巖變形力學機制及特征(Sharma et al.，2017；曹雪山等，2019)；(3)軟巖崩解量化(Franklin et al.，1972)，如采用崩解耐久性指數(shù)、崩解比(Erguler et al.，2009)、分形維數(shù)(趙曉彥等，2020)，甚至利用由微震信號導出的微震譜比和由圖像分析技術獲得的圖像熵來量化不同崩解程度的可靠性(Rincon et al.，2016)。上述研究的重點是軟巖崩解機理和崩解破壞規(guī)律、軟巖變形力學機制及特征。對于軟巖崩解機理，目前多從水-巖相互作用出發(fā)，通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，利用掃描電鏡、X射線衍射、CT掃描等進行分析，普遍認為水是主要外部營力，黏土礦物是主要內(nèi)部動力(柴肇云等，2015；潘藝等，2017；Zhang et al.，2018；曾玲等，2020；王曉強等；2021)，水的作用下軟巖內(nèi)部礦物會發(fā)生物理膨脹和化學溶解，導致孔隙和裂縫增加，促進軟化崩解，且黏土含量與崩解程度正相關(Gautam et al.，2013；Liu et al.，2020)，膠結(jié)物類別和結(jié)構(gòu)類型決定崩解強弱，此外，干燥會加劇這一過程(Qi et al.，2015)。對于軟巖崩解變化規(guī)律，粒徑分布曲線是一種有效的描述方法。軟巖隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同粒徑百分含量關系曲線會呈現(xiàn)出逐漸減小、先增大后減小及逐漸增大3種變化趨勢(張磊，2020)，表明大顆粒逐漸減少，小顆粒逐漸增多，并最終崩解逐漸趨于穩(wěn)定(Fan et al.，2022；左清軍等，2022)。

圖1 巖樣采集點Fig.1 Rock sample collection point

另外大量的研究結(jié)果表明，軟巖宏觀上的變形開裂與微細觀上的損傷累積有顯著相關性(Hu et al.，2017)。水巖作用下，軟巖黏土礦物顆粒與晶胞吸水膨脹，非黏土礦物顆粒次生和溶蝕，顆粒間膠結(jié)力弱化，孔隙率增加，裂隙紋發(fā)育，晶胞結(jié)構(gòu)的微觀損傷和微裂紋的細觀損傷演化為宏觀裂紋的宏觀損傷，力學性質(zhì)逐漸劣化(謝小帥等，2019；周翠英等，2020；趙陽升，2021；李桂臣等，2022)。由此可見，對于大部分軟巖而言，軟巖力學性質(zhì)的劣化主要受黏土礦物含量與水巖作用程度的控制，如軟巖單軸抗壓強度和彈性模量隨黏土礦物隨含水量的增加而降低(李桂臣等，2019)；極限瞬時蠕變速率隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)的增加而增加(李安潤等，2021)；剪切強度指標黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的增加而逐漸減小(曾玲等，2020)，且飽水作用下的軟巖特征強度降低，脆性變形減弱，塑性變形增強(柳萬里等，2020)。溫度和酸堿度對軟巖崩解的影響也引發(fā)眾多學者的關注(Yan et al.，2019；李桂臣等，2022)，如軟巖崩解率隨溫差的增加而增加，崩解率與溫度呈冪函數(shù)關系，崩解與溫差呈指數(shù)關系(Zhang et al.，2015)；pH值對泥質(zhì)頁巖的崩解性影響較大，pH值越小的泥巖頁巖崩解性越強(鄧濤等，2014)；隨著pH崩解液值降低，粉砂質(zhì)泥巖水化學損傷增強，崩解路徑增多，崩解破壞模式發(fā)生轉(zhuǎn)化，崩解殘留物愈發(fā)破碎(李昆鵬等，2020)。

綜上所述，當前針對軟巖崩解問題已進行了大量研究，并取得了豐碩成果，但受試驗方法和試驗條件限制，問題多集中于室內(nèi)干濕循環(huán)試驗研究且試驗方法單一。針對不同初始含水量紅層軟巖在凍-融、降雨-凍(融)環(huán)境下的相關試驗研究鮮有報道。為此，本文自主研制模擬降雨-蒸發(fā)試驗裝置并采用控溫設備，以川西的金堂縣和中江縣的紅層軟巖為研究對象，開展不同初始含水量紅層軟巖在凍-融、降雨-凍(融)環(huán)境下的循環(huán)崩解試驗研究。通過圖像處理技術、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)對崩解試驗前后的軟巖試樣進行系統(tǒng)分析，揭示不同初始含水量紅層軟巖在不同水熱作用下的崩解特征差異及微觀響應機理；引入崩解系數(shù)和崩解損失率，對紅層軟巖崩解進行量化分析，完善紅層軟巖在水熱作用下的崩解理論，為紅層軟巖地區(qū)的地質(zhì)災害防治與工程建設提供理論依據(jù)。

1 試驗準備與方法

1.1 試驗取樣及制備

試驗取樣為川西金堂縣(E104°28′53.62″，N30°52′27.38″)和中江縣(E104°43′30.57″，N31°4′25.53″)G245公路紅層邊坡，邊坡巖層呈水平層狀分布，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體風化破碎，金堂縣紅層軟巖巖樣(1#)呈灰褐色，中江縣紅層軟巖巖樣(2#)呈暗紅色，詳見圖1。

為減少巖樣間誤差，同一地點采樣后，將紅層軟巖巖樣用保鮮膜包裹后裝箱運回試驗室，采用四分法獲得由整塊紅層軟巖分割出的試樣5組25塊，按照105℃烘干、自然冷卻、配置初始含水量(每組5塊試樣中，含水量2%的試樣為自然吸濕，含水量4%、6%、8%的試樣利用加濕器，0為烘干樣)完成試樣制備。

表 1 巖樣基本物理力學性質(zhì)Table1 Basic physical and mechanical properties

依據(jù)規(guī)程(GB/T 50123-2019)(中華人民共和國國家標準編寫組，2019)對兩處紅層軟巖的基本物理力學性質(zhì)進行了測定，詳見表 1。利用XRD、SEM對兩處紅層軟巖的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)進行了分析，1#紅層軟巖中的礦物組成分別為：石英30.45%～35.24%，斜長石17.36%～22.51%，方解石10.94%～15.11%，伊利石23.17%～25.34%，綠泥石4.73%～6.20%，蒙脫石4.03%～5.11%。2#紅層軟巖中的礦物組成分別為：石英32.41%～36.3%，伊利石19.3%～23.73%，方解石16.3%～18.7%，斜長石12.6%～14.38%，伊/蒙混層7.4%～8.6%，黃鐵礦1.61%～2.5%，高嶺石2.3%～2.7%，綠泥石0.42%～0.8%。1#和2#紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 巖樣SEM圖(5000倍)Fig.2 SEM image of rock sample(5000 times)a.1#巖樣;b.2#巖樣

1.2 試驗儀器及原理

規(guī)程(GB/T 50266-2013)(中華人民共和國國家標準編寫組，2013)規(guī)定：耐崩解試驗采用篩孔直徑為2mm的耐崩解試驗儀進行，以第2次循環(huán)后大于2mm的殘留物烘干質(zhì)量與原試件烘干質(zhì)量之比計算二次耐崩解性指數(shù)。但在實際崩解試驗中，崩解性巖體會分解成不同尺寸的碎片，大于2mm的顆粒碎片均為崩解產(chǎn)物(Liu et al.，2020)。因此，僅以二次耐崩解性指數(shù)來量化崩解量是不充分的(鄭明新等，2021)。本文在試驗開始前對兩處紅層軟巖進行了預崩解試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：從巖體中脫落的碎片在5～20mm之間，小顆粒在2～5mm之間，其余為巖樣尚未崩解的主體及細小顆粒。所以，按照耐崩解性指數(shù)來量化巖石崩解是不完全符合實際情況的。

圖3 模擬降雨-蒸發(fā)試驗裝置Fig.3 Simulated rainfall-evaporation test device

因此本文中的崩解物定義為小于20mm的顆粒碎片，并以此數(shù)據(jù)確定降雨-蒸發(fā)試驗裝置中方孔格柵的直徑，見圖3。該裝置通過增壓器及控制板模擬降雨的大??；通過烘干設備進行蒸發(fā)；使用崩解收集盒收集崩解物，其中崩解收集盒首層的方孔格柵直徑為20mm；利用首層濾網(wǎng)及放置臺基座下的排水濾網(wǎng)修正崩解量，其中首層濾網(wǎng)為0.075mm，排水濾網(wǎng)為0.0025mm；利用支撐軌道實現(xiàn)降雨-蒸發(fā)過程的平行轉(zhuǎn)換。

試驗完成后，根據(jù)崩解質(zhì)量、修正崩解質(zhì)量并基于耐崩解性指數(shù)，提出新的崩解量計算公式(式1)和表征試樣質(zhì)量的損失大小的公式(式2)。

(1)

(2)

式中：Dn、Mn、M′n分別為試樣第n次循環(huán)時的崩解系數(shù)(%)、烘干崩解質(zhì)量(g)、烘干修正崩解質(zhì)量(g)；Md、M′d分別試樣第n和n+1次循環(huán)前的烘干總質(zhì)量(g)；R為試樣損失率(%)；M為原試樣烘干質(zhì)量(g)。

1.3 試驗方案與方法

表 2 紅層軟巖循環(huán)崩解試驗方案Table2 Test scheme for cyclic disintegration of red-bed soft rock

兩種巖樣組的5種處理方案除2#巖樣中的MaxR1、MaxR3、MaxR5、TMinR2、TMinR5、TMaxR2、TMaxR3和TMaxR5試樣在試驗過程中完全崩解外，其余試樣各進行了22次崩解循環(huán)試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗工況下巖樣形貌變化

為記錄試驗工況下兩組不同初始含水量試樣的宏觀形貌變化，試驗過程中對每組試樣進行了拍照，見圖4。可以看出，1#巖樣組在高-低溫作用下，試樣整體形貌無較大變化，無明顯裂隙發(fā)育，這表明溫度變化對1#巖樣組的崩解作用較小，但崩解量與試樣的初始含水量有一定關系；由于降雨的作用，1#巖樣組在MinR、MaxR、TMinR和TMaxR試驗工況下均出現(xiàn)明顯的崩解現(xiàn)象，尤其是TMaxR。

2#巖樣組在高-低溫作用下，宏觀形貌與1#巖樣組一致，但在MinR作用下，崩解現(xiàn)象與1#巖樣組相比不明顯；MaxR、TMinR和TMinR下的2#巖樣組宏觀形貌變化突出，如TMaxR2、TMaxR3、TMaxR5，崩解物主要呈小顆粒，崩解劇烈程度比1#巖樣組高；在相同試驗工況下，1#巖樣組的崩解主要集中在第10～20次循環(huán)，而2#巖樣組的崩解則主要集中在第5～15次循環(huán)。限于篇幅，本文僅展示了部分數(shù)據(jù)。

2.2 紅層軟巖崩解系數(shù)分析

為了解試驗工況下紅層軟巖崩解具體情況，繪制了崩解系數(shù)Dn與循環(huán)次數(shù)的關系曲線(圖5)。從圖中可以看出，1#巖樣組在高-低溫作用下的崩解程度低，崩解系數(shù)均小于1.5%，初始含水量與最終崩解量正相關；與高-低溫相比，最小降雨下的1#巖樣組崩解系數(shù)整體增大，初始含水量為6%的MinR4崩解系數(shù)大于10%，MinR5卻最??；MaxR、TMinR和TMaxR對兩組巖樣產(chǎn)生的影響明顯超過T和MinR，試樣最高崩解系數(shù)均超過60%，特別是2#巖樣組中的MaxR1、MaxR3、TMaxR2、TMaxR4、TMaxR5；實驗工況下的兩組巖樣崩解強弱依次為：高-低溫-最大降雨>最大降雨>高-低溫-最小降雨>最小降雨>高-低溫。值得注意的是，1#巖樣組中初始含水量為6%的TMinR4和TMaxR4在同種工況下的崩解也最劇烈。

兩組巖樣的崩解系數(shù)表明：紅層軟巖發(fā)生崩解的主要控制因素為初始含水量和降雨量，溫度變化對崩解的影響幾乎可以忽略不計；單因子溫度及單因子降雨對紅層軟巖的崩解影響小于溫度和降雨的雙因子疊加，尤其是高溫和最大降雨的共同作用；紅層軟巖的崩解問題可以從前期初始含水量的不均勻入滲考慮，即配置初始含水量時，每組試樣的含水量配比不同，影響的程度則存在差異，如本文中初始含水量為6%的1#巖樣組MinR4、TMinR4、TMaxR4試樣。為進一步探究1#和2#巖樣組中崩解差異巨大的原因，通過SEM及XRD，從微觀角度對上述試樣作進一步分析。

圖4 試驗工況下巖樣組宏觀形貌變化Fig.4 Macroscopic changes of rock sample group under test conditionsa.1#巖樣高-低溫循環(huán)；b.2#巖樣高-低溫-最大降雨循環(huán)

圖5 試驗工況下崩解系數(shù)與循環(huán)次數(shù)關系曲線圖Fig.5 Disintegration coefficient vs.cycle time curve under test circumstancesa.1#巖樣高-低溫循環(huán);b.1#巖樣最小降雨循環(huán);c.1#巖樣高-低溫-最小降雨循環(huán);d.1#巖樣高-低溫-最大降雨循環(huán); e.2#巖樣最大降雨循環(huán);f.2#巖樣高-低溫-最小降雨循環(huán);g.2#巖樣高-低溫-最大降雨循環(huán)

2.3 紅層軟巖崩解微觀分析

根據(jù)掃描電鏡觀察，1#巖樣組的MinR5試樣(圖6a)內(nèi)部膠結(jié)緊密，MinR試驗工況下僅有少量孔隙發(fā)育，但MinR4(圖6b)明顯可見黏粒脫落和流失產(chǎn)生的孔隙，故前文中MinR5和MinR4試樣的崩解系數(shù)在同等試驗工況下的差距明顯；2#巖樣組MaxR1試樣(圖6c)大量黏粒脫落，結(jié)構(gòu)被嚴重破壞，同時上文中崩解差異大的MaxR3(圖6d)、TMinR2(圖6e)、 TMaxR2試樣(圖6f)也與之相似。

此外，通過X射線衍射發(fā)現(xiàn)1#MinR4、MinR5、2#MaxR1、MaxR3、TMinR2、TMinR3、TMinR4、TMaxR2和TMaxR4試樣黏土總量分別占礦物百分含量的26.33%、21.44%、35.17%、34.63%、31.03%、17.76%、18.13%、28.8%和24.7%。尤其是2#MaxR1試樣的黏土礦物百分含量占到2#TMinR3試樣的黏土礦物百分含量的近2倍。這表明高黏土礦物含量試樣水敏性更強，更容易產(chǎn)生崩解，受MaxR、TMinR和TMaxR試驗工況的影響更明顯。當然，初始含水量對巖樣的前期作用也是不應忽略的一個重要因素。

圖6 試驗工況下巖樣微觀結(jié)構(gòu)比較圖Fig.6 Microstructure of rock sample under test conditionsa.1# MinR5；b.1# MinR4;c.2# MaxR1；d.2# MaxR3; e.2# TMinR2；f.2# TMaxR2

2.4 紅層軟巖質(zhì)量損失分析

在降雨-凍(融)試驗工況下，試樣產(chǎn)生的部分粉狀崩解物會穿過試驗裝置的濾網(wǎng)從而被水帶走，造成試樣的部分質(zhì)量損失，圖7給出了1#和2#紅層軟巖組的崩解質(zhì)量損失率。從圖中可以看出，1#巖樣組的崩解質(zhì)量損失率均在2%以下，2#巖樣組均在2.5%以下，這說明1#和2#巖樣組的整體質(zhì)量損失都很小，但因在不同試驗工況下，局部差異很大，如1#巖樣組中崩解質(zhì)量損失率最高的為TMaxR4，最低為MinR5，兩者相差約7倍，2#巖樣組的崩解質(zhì)量損失率最高為TMaxR5，最低為MaxR2，兩者相差約43倍。分別對1#和2#巖樣組在各試驗工況下的崩解質(zhì)量損失率求和，發(fā)現(xiàn)1#和2#巖樣組試樣在各試驗工況下的質(zhì)量損失大小依次為：TMaxR>MaxR>TMinR>MinR(1#：5.30%>4.23%>3.78%>2.66%；2#：7.53%>6.62%>5.37%>0.71%)。因此建議在實際工程地質(zhì)中應尤其注意夏季的高溫及強降雨對紅層軟巖邊坡、路基等的破壞作用。

圖7 試驗工況下巖樣組崩解質(zhì)量損失率Fig.7 Disintegration mass loss rate of rock sample group under test conditionsa.1#巖樣組;b.2#巖樣組

2.5 最終粒徑分布曲線分析

最終粒徑分布曲線是研究紅層軟巖受試驗工況影響程度高低最直觀和顯著的指標。圖8給出了循環(huán)試驗結(jié)束后1#和2#巖樣組各試樣的粒徑分布。從圖中可以看出，試樣崩解越充分，大顆粒粒徑占比越少，小顆粒粒徑占比越多；高-低溫工況下，試樣粒徑大于20mm的質(zhì)量占到總質(zhì)量的90%，這進一步表明溫度變化對紅層軟巖崩解影響??；MinR試驗工況下，1#MinR5試樣粒徑分布極度不均，大顆粒占比多，這與前文中的宏觀形貌變化和崩解系數(shù)相契合；MaxR工況下，1#巖樣組粒徑分布比2#巖樣組分布規(guī)律，初始含水量與小顆粒粒徑分布具有顯著的相關性，但2#巖樣組中的MaxR2和MaxR4試樣存在差異；TMaxR工況使試樣的最大粒徑區(qū)間降低，提高了小粒徑區(qū)間的占比，尤其是1#巖樣中的TMaxR4試樣。

由巖樣組在不同試驗工況下的粒徑分布可知，紅層軟巖的崩解現(xiàn)象具有多樣性，這與巖樣形貌變化和SEM圖片觀察到的巖樣崩解情況是一致的；紅層軟巖的最終粒度分布曲線結(jié)合崩解系數(shù)和崩解質(zhì)量損失率，可以很好地從宏觀形態(tài)變化的角度綜合分析紅層泥巖崩解破碎的時空演化過程，這是研究巖石崩解的一種有效方法。限于篇幅，文中僅列出部分數(shù)據(jù)。

圖8 試驗工況下巖樣組最終粒徑分布圖Fig.8 Final particle size distribution of rock sample group under test conditionsa.1#巖樣高-低溫循環(huán);b.1#巖樣最小降雨循環(huán);c.1#巖樣高-低溫-最大降雨循環(huán);d.2#巖樣最大降雨循環(huán)

3 崩解差異討論

經(jīng)不同試驗工況下紅層軟巖宏觀形貌演變、崩解系數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)及礦物組成、質(zhì)量損失率和崩解后顆粒分析不難發(fā)現(xiàn)，紅層軟巖崩解差異主要受以下3方面因素影響：

(1)梯度初始含水量。巖石崩解特性與機理研究，通常圍繞水侵入巖石展開，文獻表明(柴肇云等，2015)，水介入巖石后對崩解影響分為兩種情況，一種為由黏土礦物決定的“膨脹性崩解”，另一種為由非黏土礦物決定的“吸附-楔裂性崩解”。本文中1#和2#紅層軟巖采用失水-吸水配置梯度初始含水量，統(tǒng)一烘干時，所有巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞程度和裂隙擴張、發(fā)育程度近似一致，但吸水配置梯度含水量時，由于初始含水量不同，巖樣內(nèi)部礦物與水作用引發(fā)粒間膨脹和晶格膨脹的程度不同。此外，具有較大表面自由能的孔裂隙吸附水分子而產(chǎn)生的楔裂壓力也不同，進而造成崩解的差異。本文中，高-低溫試驗工況下紅層軟巖初始含水量與崩解量正相關，但其余試驗工況下有個別試樣存在差異，如1#MinR5、2#TMinR4、2#TMaxR3等，結(jié)合楔裂壓力作用下巖樣沿裂隙崩解成碎塊，但碎塊難以進一步分散成碎屑的現(xiàn)象，可綜合考慮黏土礦物占比、內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異和試驗工況等因素造成的紅層軟巖崩解的差異。

(2)溫度和降雨量。由圖4、圖5、圖8巖樣在多種試驗工況下的崩解情況可知，與其他試驗工況相比，高-低溫循環(huán)對巖樣的崩解影響很小。Yan et al.(2019)在對南雄盆地紅層軟巖的研究中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象并指出溫差可通過加速水-巖相互作用提高崩解速率。這表明無水參與，僅單一溫度變化對紅層軟巖崩解的影響很小，與本文得出的結(jié)論一致。與高-低溫循環(huán)對巖樣崩解的影響相比，溫度和降雨共同作用，尤其是高-低溫-最大降雨對巖樣崩解影響巨大。Qi et al.(2015)通過對山東省侏羅系紅層泥巖進行的靜態(tài)干濕循環(huán)崩解試驗中指出，水是紅層泥巖崩解最直接的影響因素，干燥加劇了泥巖的崩解。作者認為降雨對紅層軟巖崩解的影響更大，而溫差會加速軟巖崩解的進程。這是因為降雨后水侵入巖石會導致膨脹或產(chǎn)生楔裂壓力，雨滴降落時也會產(chǎn)生動能造成原有裂隙的擴展和新生裂隙的發(fā)育，再加上溫差引起的熱應力和收縮應力，會加速新生裂紋的發(fā)育和原有裂隙的擴展，進而導致明顯的崩解現(xiàn)象。特別是本文中高-低溫-最大降雨首次循環(huán)對初始含水量較大的軟巖表面的破壞作用更強。另外溫差總的來說，溫度對崩解的影響很小，但溫度和降雨量的共同作用對崩解影響較大，且溫差越大，崩解越明顯。王曉強等(2021)對皖南地區(qū)紅層軟巖研究后得出的結(jié)論也與本文的一致。

(3)礦物組成。由前文1#和2#礦物組成可知，1#和2#紅層軟巖的黏土總量分別占礦物百分含量的31.93%～36.65%和29.42%～35.83%，黏土礦物含量較高，其中兩者的伊利石含量更是占到了黏土總量的60%以上。伊利石也稱水云母，晶胞由Si-O四面體晶片和AI-O八面體晶片構(gòu)成，具有極強的親水性，與水作用后會引起軟巖出現(xiàn)明顯的體積膨脹。張永安等(2008)在對滇中紅層泥巖的研究中指出，伊利石是工程區(qū)內(nèi)泥巖、粉砂巖崩解等特性的內(nèi)在因素。其與水作用后，可使體積增加50%～60%，其化學反應過程見式(3)。

K0.9AI2.9Si3.1O10(OH)2+nH2O→

(3)

蘇天明等(2014)對萬州紅層泥質(zhì)巖的崩解機理進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖石風化崩解能力的控制性因素是巖石的黏粒含量、黏土礦物成分、比表面積和膠結(jié)物成分，這些因素具有很好的相關性；巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的破壞是崩解的前提。由此可見，黏土礦物含量與崩解程度緊密相關。這與本文中1#MinR5、2#MaxR1、TMinR2和TMinR4等試樣的試驗結(jié)果一致，黏土礦物含量越多，崩解越明顯。

綜上所述，紅層軟巖崩解受到多種因素的影響，影響因素不同，崩解程度不同。單一因素的影響小于共同作用的影響；初始含水率、溫度和降雨等外部因素決定崩解的廣度，內(nèi)部裂隙和黏土礦物占比等內(nèi)部因素則決定崩解的深度。另外，試驗過程中還發(fā)現(xiàn)試樣的大小對崩解也有一定的影響。

4 結(jié) 論

通過對川西金堂、中江兩處紅層軟巖開展不同初始含水量和不同試驗工況的崩解循環(huán)對比試驗研究，得到如下結(jié)論：

(1)利用自主研制的模擬降雨-蒸發(fā)試驗裝置開展不同初始含水量紅層軟巖在不同試驗工況下的循環(huán)崩解試驗，考慮崩解質(zhì)量和崩解修正質(zhì)量，提出了新的崩解量計算公式和表征崩解質(zhì)量損失大小的公式。

(2)溫度對紅層軟巖崩解的影響很小，水熱共同作用對崩解的影響較大，尤其是高低溫和最大降雨的共同作用下，巖樣會產(chǎn)生顯著的崩解。紅層軟巖在不同試驗工況下的崩解強弱順序為：TMaxR>MaxR>TMinR>MinR>T。

(3)紅層軟巖的崩解形貌變化可以概述為由完整狀過渡到亞完整狀、碎塊(片)演化、細小顆粒、粉末4個狀態(tài)。同一初始含水量下，溫度越高，降雨作用越強，崩解越充分，細小顆粒和粉末也越集中。

(4)崩解系數(shù)和質(zhì)量損失率能夠很好的描述紅層軟巖的崩解變化情況，影響紅層泥巖崩解的因素除外部水熱條件外，還與礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)密切相關。