樂山泥巖的水土曲線和崩解特征試驗研究1)

熊存洪 馬 煜 趙 森黃玉淞

*(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000)

?(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都 610059)

紅層是以紅色為主色調(diào)的陸相碎屑沉積巖層，主要分布在我國西南地區(qū)，具有膨脹性、軟化性、崩解性等特點[1-3]。紅層巖性主要包含砂巖、泥巖、頁巖和礫巖等[3]，樂山市市中區(qū)紅層主要由砂巖和泥巖組成，其中泥巖作為紅層的軟巖，表現(xiàn)出不良工程地質(zhì)特性，如坡體不穩(wěn)定、地基沉降和路基填料失效等工程問題[4-6]。水土特征曲線（soil and water characteristic curve，SWCC）作為非飽和土的一個重要參數(shù)，描述了土中吸力與含水率之間的關(guān)系，對于建立和預(yù)測非飽和土的強(qiáng)度、變形和滲透性等性質(zhì)具有重要意義。同時泥巖的崩解性會使自身性質(zhì)部分由“巖石”逐漸向“土體”轉(zhuǎn)變，致使在這類巖層中的邊坡或建設(shè)工程出現(xiàn)大規(guī)模變形或破壞[7-8]，進(jìn)而引發(fā)一系列的工程問題。

獲取SWCC 的方法有多種，常見的方法包括Tempe 壓力盒、壓力板、濾紙法和鹽溶液蒸汽平衡法等[9-10]。Tempe 壓力盒和壓力板原理基本相似，但都存在測試時間長、設(shè)備成本高以及在浸濕段測試誤差較大等缺點[10]。鹽溶液蒸汽平衡法適用于總吸力小于368 MPa 的范圍，但需要長達(dá)40 d 的平衡時間，實驗周期太長[9-11]。濾紙法是唯一一種能夠測量全吸力范圍內(nèi)（0～3×105kPa）的SWCC 曲線，且因其簡單方便、成本低而廣泛應(yīng)用[11-12]。近些年，文獻(xiàn)[11,13-18]中均采用濾紙法對不同類型土體的SWCC 進(jìn)行了研究，且基于Gardner 模型[19]、Van Genuchten模型[20]或 Fredlund &Xing 模型[21]等提出了適用于特定地區(qū)土體的SWCC 擬合模型，為這些地區(qū)該類型土的研究提供了基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)，為當(dāng)?shù)氐墓こ探ㄔO(shè)提供了理論支持。

泥巖的崩解性已受到廣泛研究，例如王浪等[22]、陳志敏等[7]和李志鵬[8]研究了軟巖的崩解性質(zhì)，包括從崩解物的外觀形狀、顆粒級配曲線和耐崩解指數(shù)等方面。吳道祥等[23]、蘇航等[24]和符嘉望等[25]則研究了泥巖在干濕循環(huán)條件下的崩解機(jī)理，認(rèn)為崩解性除與巖石本身結(jié)構(gòu)和礦物成分有關(guān)外，還與其沉積時膠結(jié)物成分和類型有關(guān)。由于泥巖在不同地區(qū)形成原因和地質(zhì)年代各異，其本身所含有的礦物成分也存在較大差異，因此表現(xiàn)出的崩解性也會有差異，這也是目前研究成果有一定地域局限性的原因。

基于以上研究基礎(chǔ)，本研究選取樂山泥巖為研究對象，采用濾紙法獲取該地區(qū)泥巖的SWCC，基于3 種經(jīng)典SWCC 模型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，以構(gòu)建能夠反映該地區(qū)泥巖SWCC 模型；在持續(xù)浸水和干濕循環(huán)浸水條件下，研究該地區(qū)泥巖的崩解特征，并得出耐崩解指數(shù)。

1 實驗材料

本研究所采用的泥巖樣品取自樂山市市中區(qū)寶蓮路段一處泥巖砂巖互層的斜坡上，地質(zhì)年代為白堊紀(jì)，取樣深度0.5 m，現(xiàn)場觀測泥巖呈碎塊狀、土狀，全風(fēng)化、紅色。通過室內(nèi)土工試驗，泥巖的天然密度為1.82 g/cm3，含水率為12.92%，液限44.52%，塑限16.30%，黏聚力51.32 kPa，內(nèi)摩擦角20.28°。主要礦物成分含量[26]為：石英20%～62%，長石2%～8%，方解石8%～15%，伊利石3%～10%，泥質(zhì)＜40%。現(xiàn)場將樣品過5 mm篩，顆粒級配曲線見圖1。

圖1 土樣的顆粒級配Fig.1 Particle size distribution of the soil

2 試驗方法

2.1 濾紙法測SWCC

本研究采用了濾紙法中的直接接觸法，即在恒定溫度下，使濾紙與土體在水分遷移中達(dá)到平衡狀態(tài)來獲取濾紙的含水率，然后利用率定曲線來計算土體的吸力值[17,27]。取8 個具有相近初始干密度 (1.51～1.56 g/cm3)的原狀土樣本，配置不同含水率，分別為5%，8%，11%，15%，20%，26%，32%和38%。采用ASTM D5298 標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進(jìn)行SWCC 試驗，圖2～圖3 為試驗流程圖和照片圖，關(guān)鍵步驟過程如下。

圖2 試驗過程流程圖Fig.2 Flow chart of the test process

圖3 試驗過程照片F(xiàn)ig.3 Photographs of the test process

（1）取3 張Whatman No.42 濾紙分別放在用環(huán)刀制好的土樣上、中、下3 個部位，上部和下部的濾紙直徑Φ=57 mm，中間的濾紙直徑Φ=55 mm，使土樣和濾紙直接緊密接觸。

（2）用膠帶將土樣和濾紙密封后，將其放置在恒溫20 ℃的烘箱中，持續(xù)7 d 以使水分達(dá)到平衡狀態(tài)。

（3）在水分平衡狀態(tài)達(dá)到后，將濾紙從土樣中取出，迅速用分析天平（精確度0.001 g）稱量中間濾紙的質(zhì)量。再通過計算含水率并結(jié)合濾紙的率定曲線確定土體的基質(zhì)吸力值，從而繪制SWCC。

2.2 崩解性實驗

室內(nèi)浸水試驗包含兩種：持續(xù)浸水和干濕交替浸水。將天然試樣浸泡在水中，按照預(yù)定的時間觀察試樣崩解特征及過程，在達(dá)到設(shè)計浸水時間后將崩解物烘干、稱重、顆粒分析，確定崩解特征、耐崩解指數(shù)等。主要步驟簡述如下：（1）稱重天然土樣，然后將其放入透明容器中，注入足夠的水以完全浸沒土樣；（2）在設(shè)計浸水時間內(nèi)觀察崩解過程及現(xiàn)象，記錄不同浸水時間后試樣的崩解情況；（3）對于干濕交替情況，在達(dá)到浸水時間后，將浸水后的崩解物放入恒溫105 ℃的烘箱，烘干時間不小于 8 h；（4）烘干后進(jìn)行顆粒分析和重量測量，之后繼續(xù)進(jìn)行浸水實驗，依此重復(fù)，以達(dá)到干濕交替次數(shù)。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 SWCC

采用Whatman No.42 濾紙，率定曲線采用Leong 率定曲線方程計算基質(zhì)吸力，并繪制SWCC[28]，如表1 和圖4。

表1 濾紙法測試泥巖基質(zhì)吸力實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data on suction in mudstone matrix

圖4 泥巖的SWCCFig.4 SWCC of mudstone

式中，Sm為基質(zhì)吸力，ωf為平衡后濾紙含水率。

體積含水率與試樣含水率采用換算公式為

式中，θ為體積含水量，%；ρd為試樣干密度，g/cm3；ω為試樣含水率，%。

圖4 為用濾紙法測得樂山泥巖的SWCC，由于制樣過程中不可避免的誤差，8 個試樣干密度在1.51～1.56 g/cm3范圍內(nèi)。由圖4 可以看出：（1）試樣的基質(zhì)吸力均隨含水率的減少而增加；（2）該泥巖SWCC 為單峰曲線，其內(nèi)部孔隙主要為顆粒間孔隙。

圖5 顯示了Whatman No.42 濾紙法實驗值與ASTM[29]，F(xiàn)redlund &Xing[21]，Chandler[30]和Deka[31]四種典型率定曲線計算值具有一定擬合度，其中除Deka 率定曲線外，其余典型率定方程所計算的基質(zhì)吸力與試驗值基質(zhì)吸力均較為接近，表明該試驗方法和數(shù)據(jù)具較高的正確性。其中Deka 率定曲線計算數(shù)值較試驗值較大，這可能與土樣的增濕脫濕路徑有關(guān)[32]。

圖5 典型率定方程計算值與試驗值Fig.5 Typical rate calculations and test values

在水土特征研究中，3 種經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型常用于擬合SWCC 數(shù)據(jù)：Gardner 模型[19]、Van Genuchten 模型[20]以及 Fredlund &Xing 模型[21]。對試驗獲得含水率–基質(zhì)吸力數(shù)據(jù)點分別采用這3 種模型進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)如表2 所示，擬合曲線如圖6 所示，結(jié)果表明，F(xiàn)redlund &Xing模型能夠較好地模擬泥巖試樣的SWCC。

表2 模型擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of models

圖6 試驗值與經(jīng)典模型對比Fig.6 Comparison of experimental values with classical models

3.2 崩解性實驗

雨水對巖體穩(wěn)定性有顯著影響，統(tǒng)計樂山市市中區(qū)2000-2019 年近20 a 降雨資料，研究區(qū)連續(xù)降雨5 d 的情況幾乎不發(fā)生，因此選取5 d為最長浸水時間，進(jìn)行泥巖浸水時長為 1 d，2 d，3 d，4 d 和5 d 試驗，泥巖在遇水早期會迅速崩解，之后相對放緩，直至穩(wěn)定[33]。因此為更詳細(xì)地了解試樣在初期浸水階段的崩解特征，對浸水時長為1 d 的試驗進(jìn)行了特定時間點的觀察和記錄，包括1 h,3 h,5 h,6 h,12 h 和24 h 的觀察和記錄。

持續(xù)浸水試驗中，每間隔相應(yīng)時間后將2 mm以下的碎塊進(jìn)行稱重，即為相應(yīng)浸水時間的崩解質(zhì)量；干濕交替實驗中，每間隔相應(yīng)時間后除了進(jìn)行2 mm 以下碎塊的稱重外，其余放到烘箱中進(jìn)行105℃下烘干，然后再繼續(xù)相應(yīng)時間段浸水，以模擬干濕交替和持續(xù)浸水的對照實驗。通過記錄持續(xù)浸水和干濕循環(huán)條件下巖石的碎塊重量，按照式（4）計算崩解指數(shù)

式中，Idn為第n次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的耐崩解指數(shù)；Mn為第n次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后殘留物質(zhì)量，g；Md為原試樣烘干質(zhì)量，g。

3.2.1 浸水1 d 崩解特征

圖7 顯示持續(xù)浸水條件下試樣的崩解過程，試樣剛放進(jìn)水中，立即見氣泡飄出，表明水分立即進(jìn)入試樣孔隙中。1 h，試樣局部產(chǎn)生微小裂縫，表層開始有微小碎塊脫落。前5 h，試樣以微小裂縫貫通和表層崩解為主要特征。6 h，試樣整體一分為二。12 h，裂成3 大塊，直至24 h 試樣還是3 大塊。表明從12 h 之后，崩解速度已經(jīng)變得十分緩慢。對比干濕交替浸水實驗崩解過程和持續(xù)浸水過程基本一致，唯一不同的是前6 h，干濕交替條件下崩解的質(zhì)量要明顯多一些，崩解的塊狀數(shù)量也要多且塊狀體積要小一些。

圖7 1 d 浸水崩解形態(tài)變化過程（持續(xù)浸水）Fig.7 Disintegration process of immersion in water in one day (continuous immersion)

圖8 和圖9 顯示試樣在浸水后的崩解質(zhì)量和累計崩解質(zhì)量與時間的變化趨勢，根據(jù)累計崩解質(zhì)量隨時間變化曲線的斜率可將試樣崩解過程分為快速崩解、慢速崩解和長期崩解3 個階段，這與文獻(xiàn)[33]成果以及我們觀測到的現(xiàn)象具有一致性?？焖俦澜怆A段主要在浸水前6 h（圖9），此階段試樣主要集中在表層和潛在裂隙中，受到水分的強(qiáng)烈作用而導(dǎo)致表面碎塊的崩落；浸水6～12 h 為慢速崩解階段，此階段主要由于內(nèi)部裂縫的貫通而導(dǎo)致試樣以整體破裂為主，碎塊的崩解并不多；浸水 12 h 后進(jìn)入長期崩解階段，試樣整體基本穩(wěn)定，僅表面有少許碎塊掉落，但崩解過程并未完全結(jié)束。

圖8 崩解質(zhì)量隨時間關(guān)系Fig.8 Relationship between disintegration quality and time

圖9 累計崩解質(zhì)量隨時間關(guān)系Fig.9 Relationship between cumulative disintegration quality and time

對比1 d 內(nèi)持續(xù)浸水和干濕交替浸水試驗結(jié)果可以看出，干濕交替浸水可以加快泥巖的崩解性。圖8 可以看出，崩解主要集中在前6 h，而在相同時間內(nèi)，干濕交替條件下的崩解量要大于持續(xù)浸水條件下的崩解量。在6 h 開始后，干濕交替條件下的崩解速率開始減小，逐漸小于持續(xù)浸水條件下的速率。圖9 可以看出，在前6 h，干濕交替條件下的累計崩解量曲線斜率大于持續(xù)浸水條件下的累計崩解量曲線斜率，說明在前6 h，干濕交替條件下的崩解速率要大于持續(xù)浸水條件下。然而兩種浸水條件下最終累計崩解量基本相近，表明干濕交替浸水方式可以加快泥巖在親水初期的崩解速率，但對最終崩解量的影響有限。

泥巖崩解的原因可歸因于泥巖中含有的黏土礦物伊利石，其膠結(jié)性碳酸鹽礦物、游離氧化物等含量較少，主要為泥質(zhì)膠結(jié)，可導(dǎo)致顆粒間的連結(jié)較弱。當(dāng)這類巖石浸水后使顆粒間結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)聯(lián)結(jié)減弱，導(dǎo)致顆粒體積膨脹，由于這種體積膨脹是不均勻的，巖石內(nèi)部會產(chǎn)生不均勻的張應(yīng)力或剪應(yīng)力，此外水的溶蝕作用也會消弱礦物顆粒間膠結(jié)物的連結(jié)，這些使得巖石的內(nèi)部細(xì)微觀結(jié)構(gòu)被顯著破壞[34-36]，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度迅速降低并發(fā)生軟化崩解。另外干濕循環(huán)條件下巖石反復(fù)經(jīng)歷浸水-失水-浸水-失水的飽和–收縮循環(huán)作用，導(dǎo)致巖石顆粒反復(fù)膨脹、收縮和開裂，加速了巖石的崩解過程[37]，這也是在干縮條件下崩解量大于持續(xù)浸水下的一個原因。

3.2.2 浸水1～5 d 的崩解特征

考慮到實際泥質(zhì)邊坡在連續(xù)降雨作用下可能長時間受到雨水作用，因此進(jìn)行了5 d 浸水實驗。為了確保試驗的精準(zhǔn)度，選取5 個質(zhì)量基本一致（558～572 g）、體積尺度（長、中、短徑）基本一致的天然試樣。試樣1 浸水1 d 后，全部烘干做顆粒篩分實驗；試樣2 浸水2 d 后，全部烘干做顆粒篩分實驗；依此重復(fù)，直至試樣5 浸水5 d 后烘干做顆粒篩分實驗?？傻玫綀D10 和圖11。其中試樣1 烘干后，稱重小于2 mm 以下顆粒重量后，2 mm 以上繼續(xù)浸水1 d，再烘干稱重小于2 mm 以下顆粒重量后，2 mm 以上繼續(xù)浸水1 d，依此重復(fù)，直至做完5 次，以獲得該泥巖試樣的耐崩解指數(shù)。

圖10 1～5 d 浸水崩解形態(tài)變化過程Fig.10 Disintegration process of immersion in water in 1～5 days

圖11 不同浸水時間的固體顆粒級配曲線圖Fig.11 Solid particle gradation curves for different immersion time

圖11 是連續(xù)不同浸水時長試樣崩解后物質(zhì)的級配曲線?？梢钥吹?，不同浸水時長條件下試樣的顆粒級配曲線比較接近，特別在大粒徑段（＞20 mm）和小粒徑段(＜2 mm)；變化較大階段主要集中在2～20 mm，表明崩解產(chǎn)生的主要顆粒為2～20 mm。另外隨著浸水時間增長，2～20 mm 粒徑的含量增多，而20 mm 以上的粒徑基本不變。

3.2.3 泥巖的崩解特征

圖12 可以看出試樣顆粒級配的控制粒徑D60，D30，有效粒徑D10，不均勻系數(shù)Cu隨著浸水時間的增大而減少，曲率系數(shù)Cc增大。表明隨著浸水時間增加，泥巖有往更小粒徑顆粒崩解的趨勢，其中有效粒徑D10由5 減小到3.45，說明試樣的膨脹性在增強(qiáng)，進(jìn)而崩解性在增強(qiáng)[38]；Cu由1.47 減小到1.06，說明顆粒越來越均勻，進(jìn)而說明大顆粒逐漸崩解成小顆粒；Cc由3.00 增大到3.96，說明顆粒連續(xù)性變差，這也是大顆粒減少的原因。

圖12 不同浸水時間顆粒級配參數(shù)Fig.12 Particle gradation parameters for different times

圖13 顯示隨循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的耐崩解性指數(shù)逐漸降低，且降低趨勢呈減小趨勢，說明試樣發(fā)生崩解作用減弱。對該試樣的耐崩解指數(shù)變化趨勢進(jìn)行擬合，擬合曲線見圖13。

圖13 耐崩解指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.13 Change of the collapse resistance index with the number of cycles

式中，A，B為擬合參數(shù)；x為循環(huán)次數(shù)。

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合分析，擬合公式為y=1.17e–0.22x，相關(guān)系數(shù)R2=0.99，證明擬合效果較好，擬合參數(shù)的不同代表各地泥巖礦物含量與結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。

按照文獻(xiàn)[22]劃分試樣崩解性的標(biāo)準(zhǔn)，試件耐崩解指數(shù)Id2=0.76，為弱～中崩解性。這與文獻(xiàn)[26]按照黏土礦物劃分崩解性標(biāo)準(zhǔn)：黏土礦物成分在3%～15%屬于具有明顯崩解性，結(jié)論基本一致。

4 結(jié)論

本文以樂山紅層泥巖為研究對象，采用濾紙法測定了該地區(qū)泥巖的SWCC，并通過持續(xù)浸水和干濕交替浸水試驗研究了該地區(qū)泥巖的崩解性特征，得出以下結(jié)論。

（1）采用濾紙法測得濾紙含水量并通過率定曲線獲得該地區(qū)泥巖的SWCC，該泥巖SWCC曲線為單峰曲線，基質(zhì)吸力隨含水率的減小而增加，表明其內(nèi)部孔隙主要為顆粒間孔隙。

（2）通過與多種率定曲線對比和多位學(xué)者典型模型擬合，該地區(qū)泥巖SWCC 具有一定代表性，試樣基質(zhì)吸力擬合結(jié)果相關(guān)性良好，擬合度均在92%以上，其中Fredlund &Xing 模型能夠更好地模擬試樣的SWCC。

（3）持續(xù)浸水和干濕交替浸水實驗表明，該地區(qū)泥巖崩解過程分為3 個階段：前6 h 為快速崩解階段，6～12 h 為慢速崩解階段，12 h 后為長期崩解階段。干濕交替浸水可加快泥巖在親水初期的崩解速率，但是對最終崩解量基本沒有影響。

（4）浸水崩解后顆粒粒徑的變化主要集中在2～20 mm，級配曲線D60，D30，D10和Cu隨著浸水時間的增大而減少，表明隨著浸水時間增長，泥巖顆粒粒徑逐漸減少。

（5）通過擬合得出的泥巖耐崩解指數(shù)擬合公式為y=1.17e–0.22x，擬合度良好，根據(jù)Id2=0.76可判定該地區(qū)泥巖崩解性為弱～中等崩解性。