富水環(huán)境下強–中風化硅質(zhì)板巖吸水特性及微觀演化規(guī)律

楊志全, 李飛洋, 甘 進, 趙鵬飛, 付 夢, 閆 煜, 譚 皓, 張 建, 朱穎彥

(1.昆明理工大學 公共安全與應(yīng)急管理學院, 云南 昆明 650093; 2.昆明理工大學 國土資源工程學院, 云南 昆明 650093; 3.昆明理工大學 應(yīng)急管理部地質(zhì)災(zāi)害風險防控與應(yīng)急減災(zāi)重點實驗室, 云南 昆明 650093; 4.昆明理工大學 云南省高校高烈度地震山區(qū)交通走廊工程地質(zhì)病害早期快速判識與防控重點實驗室, 云南 昆明 650093)

硅質(zhì)板巖作為我國西部地區(qū)一種普遍存在的復雜地質(zhì)巖體, 尤其在云南, 分布廣泛。因其內(nèi)部節(jié)理發(fā)育充分, 層間膠結(jié)差, 使得硅質(zhì)板巖吸水作用明顯。尤其是強–中風化硅質(zhì)板巖, 在富水環(huán)境下能快速吸水, 導致層間膠結(jié)物溶解、脫落, 巖石內(nèi)部孔隙和裂隙發(fā)展, 引起物理力學性質(zhì)的大幅度降低。這極易誘發(fā)邊坡失穩(wěn)[1–2], 開挖隧道掉塊、坍塌[3]等災(zāi)害事故, 從而造成較大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

水對巖石力學性質(zhì)的弱化和災(zāi)害的發(fā)展起著重要作用[4], 為此, 學者們針對不同巖石的吸水特性開展了諸多研究工作。LI等[5]對頁巖開展了吸水及力學試驗, 結(jié)果表明水顯著劣化了頁巖的物理力學特性, 且雙電層理論可以很好地解釋頁巖吸水時宏、微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化; 張秀蓮等[6]也通過對綠泥角閃巖進行吸水和單軸壓縮試驗來探究巖石的吸水特性和遇水強度折減規(guī)律, 并結(jié)合電鏡和壓汞試驗分析了影響巖石吸水特性的因素及吸水后微觀結(jié)構(gòu)的變化; 何滿潮等[7–9]分別以不同種類的巖石為研究對象, 進行吸水、電鏡掃描和X射線衍射試驗, 得出了試樣吸水的過程函數(shù), 并發(fā)現(xiàn)有效孔隙度、黏土礦物的形態(tài)、含量和初始含水率是影響巖石吸水能力的重要因素; MENG等[10]等探究了溫度對膨脹巖吸水特性的影響, 試驗結(jié)果顯示,提高溫度可以顯著提高試樣的吸水率; 張芳等[11]探索了在降雨溫濕環(huán)境下礫巖、砂巖和綠簾角閃巖的吸水特征, 指出溫度對巖石吸水量的影響較小,但大于濕度的影響; 趙二平等[12]通過三軸壓縮試驗研究了卸荷程度對砂巖吸水性能的影響, 結(jié)論顯示, 砂巖吸水率總體隨著卸荷量和圍壓的增加而增大; 齊懷遠等[13]以砂巖為研究對象, 測試了巖樣超聲波波速與吸水率, 開展了單軸壓縮試驗, 分析了砂巖力學損傷特征; 楊曉杰等[14–15]采用自主設(shè)計的吸水試驗系統(tǒng), 對不同巖石進行了有壓和無壓吸水試驗, 得出相似的結(jié)論: 壓力的存在會顯著提高巖石的吸水率; 呂情緒等[16]研究表明, 奧灰含水層頂部地層巖石, 吸水、滲透性較差, 孔隙結(jié)構(gòu)性較差;張曦等[17]利用自主設(shè)計搭建的承壓瓦斯自然吸水實驗系統(tǒng)研究含瓦斯煤體滲吸水變形特征; 張鐳等[18]研究了浸水時間對浸水風干煤初始自燃特性的影響機制; 連清旺等[19]探討了泥質(zhì)頁巖吸水特性的尺寸效應(yīng), 結(jié)果表明, 增大試樣的尺寸會導致飽和吸水率的降低; 李鵬[20]研究了不同含水率下復合壩體試件彈性模量、抗壓強度及抗拉強度的變化關(guān)系; 寇瑞堂等[21]通過抗壓抗折強度、吸水率試驗及XRD, TG微觀測試分析了水泥砂漿各項性能,研究結(jié)果表明, 隨著底泥摻量增加, 砂漿強度逐漸降低、吸水率升高。除上述試驗方法外, 最近, 數(shù)值模擬方法也被用于研究巖石的吸水軟化效應(yīng)[22–23]。

綜上所述, 吸水過程中巖石的軟化效應(yīng)、影響因素及宏、微觀結(jié)構(gòu)變化是目前探究巖石吸水特征的主要研究內(nèi)容, 但針對強–中風化硅質(zhì)板巖的吸水特征研究尚未較好把握。因此, 筆者以玉溪至楚雄段國家高速公路舊寨隧道中的強–中風化硅質(zhì)板巖為研究對象, 通過開展浸水試驗、吸水強度試驗、電鏡掃描(SEM)試驗和X射線衍射試驗, 探討其在富水環(huán)境下的吸水特性及吸水過程微觀演化規(guī)律。研究成果可為開展強–中風化硅質(zhì)板巖吸水軟化特性的理論研究提供參考。

1 試驗方案

1.1 試 樣

試驗巖樣取自國高網(wǎng)G8012玉溪至楚雄段高速公路舊寨隧道K22+702掌子面。從現(xiàn)場調(diào)查看, 該區(qū)域不僅屬于典型的強–中風化硅質(zhì)板巖發(fā)育區(qū),也屬于典型的富水區(qū)域。采用現(xiàn)場設(shè)備, 取樣加工得到了80余塊直徑90 mm、高度100 mm的圓柱形試樣供浸水試驗使用。同時, 在現(xiàn)場取樣測量得到巖石的天然密度為2.36±0.05 g/cm3, 天然含水率為2.27%±0.35%。

1.2 浸水試驗

依據(jù)GB/T50266—2013《工程巖體使用方法標準》開展強–中風化硅質(zhì)板巖浸水試驗(圖1)。操作步驟如下: 首先將所有試樣置于105~110 ℃烘箱內(nèi)24 h, 之后取出放入干燥箱冷卻至室溫并稱取質(zhì)量;采取自由浸水法, 注水沒過水槽中的試樣, 達到預(yù)定時間后取出試樣, 并用濕毛巾沾去表面水分后稱取質(zhì)量, 通過式(1)計算相應(yīng)時間內(nèi)巖石的吸水率。本次試驗設(shè)置0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 4.0, 6.0, 12.0, 18.0,24.0, 36.0, 48.0, 72.0, 96.0 h共14個時間節(jié)點的浸水試驗, 每個時間節(jié)點至少開展5個巖樣的浸水試驗,保證試驗結(jié)果的可靠性。

圖1 浸水試驗Fig.1 Immersion test

式中, ωat為浸水第t時間巖石的吸水率;mat為t時刻巖樣吸水后的質(zhì)量, g;mdt為吸水前的干燥質(zhì)量, g。

同時為測定強–中風化硅質(zhì)板巖的飽和吸水率,依據(jù)GB/T50266—2013《工程巖體使用方法標準》開展強制飽和吸水率試驗, 其飽和吸水率計算方法同式(1)。

舊寨隧道板巖圍巖孔隙率較大, 且板巖自身吸水量主要集中在前期。根據(jù)吸水的穩(wěn)定情況在吸水后半段設(shè)定了其他時間節(jié)點, 用于觀察巖石的飽和吸水程度。當巖石質(zhì)量不在增長, 處于緩慢吸水狀態(tài)時, 則認為強–中風化板巖達到了飽和吸水程度。不同時刻強–中風化硅質(zhì)板巖的吸水試驗結(jié)果見表1。表1中數(shù)據(jù)表明, 相同時間內(nèi)不同試樣的吸水率差距可達10%左右, 這是由于人為操作誤差和巖石結(jié)構(gòu)非均質(zhì)分布導致。

表1 不同浸水時間下強–中風化硅質(zhì)板巖吸水率Table 1 Water absorption rate of strongly-moderately weathered siliceous slate in different soaking time

1.3 強–中風化硅質(zhì)板巖吸水強度試驗

根據(jù)浸水試驗所得試樣, 對不同吸水率條件下的巖石進行單軸壓縮變形試驗及劈裂試驗以期獲取板巖因吸水而導致的強度變化特征, 探究在不同吸水率下巖石的強度變化(圖2)。單軸壓縮試驗設(shè)備采用微機屏顯萬能材料試驗機, 型號為WEW–3008, 精度為1級。試驗設(shè)置了0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0,4.0, 6.0, 12.0, 18.0, 24.0, 36.0, 48.0, 72.0, 96.0 h共14個時間節(jié)點的浸水試驗; 在對試驗結(jié)果進行記錄時, 因巖石自身巖性存在差異, 所以存在一定的誤差; 為了減少因試樣本身帶來的誤差, 在計算平均值時, 將異常數(shù)據(jù)剔除, 而后再對試驗數(shù)據(jù)進行整理。

圖2 放置巖樣Fig.2 Placing the rock sample

1.4 掃描電鏡(SEM)試驗

根據(jù)浸水試驗結(jié)果(表1), 選取浸水0(完全干燥), 2.0, 24.0, 72.0 h等4個時間節(jié)點的巖樣進行SEM試驗, 試驗所用電鏡為捷克所生產(chǎn)的VEGA3 TESCAN 鎢燈絲電鏡。在浸水后的強–中風化硅質(zhì)板巖上選取長×寬約為2 mm×2 mm的巖片, 根據(jù)要求將巖樣加工成規(guī)定大小的試樣, 并將試樣表面的碎屑清除干凈, 盡量保持巖片上下面平行; 為了增強試樣的導電性和消除電荷聚集, 需要用離子濺射儀對其進行鍍金處理; 最后置入鎢燈絲電鏡下的載物臺上并固定進行掃描(圖3), 最終得到所需要的SEM圖像。

圖3 電鏡掃描和圖像生成系統(tǒng)Fig.3 Electron microscope scanning (left) and image generation system (right)

1.5 X射線衍射(XRD)試驗

為了解舊寨隧道板巖的礦物成分以及浸水后巖石的成分變化, 選取部分典型樣品進行礦物成分分析。所用X射線衍射儀為產(chǎn)自荷蘭PANalytical公司, 型號為X’Pert Powder的XRD設(shè)備; 根據(jù)浸水試驗方案的設(shè)計, 選取浸水為0(完全干燥)、6.0,72.0 h(近飽和狀態(tài))的巖樣進行XRD試驗。將達到相應(yīng)浸水時間的巖樣用研磨機制成粉末, 并過200目篩子篩選, 得到最終的粉末狀試樣(圖4), 用工具將試樣放入具有凹槽的玻璃片中心處, 然后用濾紙壓平后清除玻璃片表面多余粉末; 最后將裝有試樣的玻璃片放入X射線衍射儀進行試驗, 得到衍射圖譜, 并采用MDI Jade 6.0軟件對試驗結(jié)果進行分析。

圖4 粉末狀巖樣Fig.4 Powdered rock sample

2 試驗結(jié)果分析

2.1 浸水試驗結(jié)果

最終可測得強–中風化板巖的強制飽和吸水率為4.85%, 由表1數(shù)據(jù)可得富水環(huán)境下強–中風化硅質(zhì)板巖的吸水特征曲線, 如圖5(a)所示。圖5中顯示強–中風化硅質(zhì)板巖的吸水過程可劃分為急速吸水、緩速吸水、平衡吸水等3個階段, 各階段具體劃分如下:

圖5 吸水特性曲線Fig.5 Water absorption characteristic curves

(1)急速吸水階段(圖5(b)): 在前2 h的浸水時間內(nèi), 強–中風化硅質(zhì)板巖急速吸水, 平均吸水速率達1.61%/h; 尤其在1.5 h時, 其吸水速率為3.21%/h。該階段結(jié)束后吸水率能達到強制飽和吸水率的66.19%。

(2)緩速吸水階段(圖5(c)): 在2~24 h的浸水時間范圍內(nèi), 巖石吸水速率較急速吸水階段大幅度減小, 平均吸水速率為0.08%/h, 為急速吸水階段的1/20; 達到24 h時, 其吸水率為4.44%, 達到了強制飽和吸水率的91.55%。

(3)平衡吸水階段(圖5(d)): 超過24 h后, 巖石吸水和失水基本達到平衡狀態(tài)。表現(xiàn)為在達到72 h(24~96 h)的浸水時長時, 其吸水率僅增加0.19%, 平均吸水速率也僅為3.00×10–3%/h。

2.2 強–中風化硅質(zhì)板巖吸水強度試驗結(jié)果

經(jīng)過單軸抗壓試驗得到了14個時間節(jié)點的不同自由浸水歷時下巖樣的力學參數(shù), 因篇幅有限,此處僅列舉天然狀態(tài)下自由浸水0, 6.0, 72.0 h的巖樣力學參數(shù), 部分試驗結(jié)果見表2。

表2 不同自由浸水歷時下巖樣的力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock samples under different free immersion durations

試驗設(shè)置了0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 4.0, 6.0, 12.0,18.0, 24.0, 36.0, 48.0, 72.0, 96.0 h共14個時間節(jié)點的浸水試驗; 單軸抗壓強度和彈性模量隨浸泡時間的變化規(guī)律如圖6和圖7所示。由圖6可知, 隨著自由浸水時間的增長, 巖石試樣的單軸抗壓強度在逐漸減小[12]; 天然狀態(tài)巖石試樣的抗壓強度為43.28 MPa, 在0~6 h內(nèi), 巖石抗壓強度平均每小時下降約1.17 MPa, 下降幅度約為16.2%。干燥狀態(tài)下的巖石抗壓強度為43.27 MPa, 在測試浸水時間達到24 h時, 巖石進入平衡吸水階段, 巖石的抗壓強度變化幅度很小, 浸水時間達到72 h時, 巖石抗壓強度降至33.58 MPa, 在平衡吸水階段, 巖石抗壓強度最多減小僅有0.27 MPa, 巖石的抗壓強度變化在測試浸水時間達到24 h后開始變化很小, 在浸水時間達到48 h后, 發(fā)現(xiàn)強–中風化硅質(zhì)板巖的抗壓強度基本不再發(fā)生變化。

圖6 單軸抗壓強度隨浸水時間的變化曲線Fig.6 Variation curve of uniaxial compressive strength with immersion time

圖7 彈性模量隨浸水時間的變化曲線Fig.7 Change curve of elastic modulus with immersion time

由圖6可知, 在前2 h內(nèi), 隨著巖石試樣的急速吸水, 巖石的抗壓強度下降尤為明顯, 巖石的抗壓強度下降量達到總下降量的1/3; 2 h后, 巖石進入緩速吸水狀態(tài), 同時巖石抗拉強度的下降速率也逐漸降低, 平均每個小時下降0.45 MPa, 24 h時下降至33.32 MPa, 之后巖石的抗壓強度變化幅度很小, 與巖石的吸水變化基本一致, 當巖石不再吸水后, 隨著浸泡時間的增長, 巖石的單軸抗壓強度未發(fā)生變化。

由圖6可知, 將強–中風化硅質(zhì)板巖浸水0, 6,72 h的強度變化與天然強度對比發(fā)現(xiàn), 當浸水時間在0~6 h時,抗壓強度由43.27 MPa減小為36.26 MPa,折減16.2%, 由于強–中風化硅質(zhì)板巖的吸水損傷,巖石強度明顯降低, 當浸水時間在6~72 h時, 抗壓強度由36.26 MPa減小為33.58 MPa, 折減7.4%, 這表明隨著巖石逐漸由緩速吸水階段進入平衡吸水階段, 巖石強度降低幅度減小。

由圖7可知, 彈性模量在浸水6 h左右有一定的波動, 分析主要原因是巖石自身的孔隙率及節(jié)理面的不同, 從整體上看, 強–中風化硅質(zhì)板巖彈性模量的變化曲線與單軸抗壓強度變化曲線基本一致,隨著浸泡時間的增長, 彈性模量也逐漸降低, 隨著浸水時間的增加, 彈性模量的波動小于單軸抗壓強度波動, 相較于單軸抗壓強度曲線表現(xiàn)更加平穩(wěn)。干燥狀態(tài)下的強–中風化硅質(zhì)板巖試樣的彈性模量為41.01 GPa，在浸水時間達到24 h時，彈性模量變?yōu)?7.16 GPa，下降了3.85 GPa，巖石進入平衡吸水階段，彈性模量隨浸泡時間的變化曲線較為平穩(wěn)，彈性模量變化幅度減??；在浸泡時間達到72 h時，彈性模量下降至36.81 GPa，之后基本不再發(fā)生變化。

由圖8可知, 強–中風化硅質(zhì)板巖的泊松比基本保持在0.20~0.25, 沒有發(fā)生太大變化, 故認為強–中硅質(zhì)板巖的泊松比與浸水時間無關(guān), 強–中風化硅質(zhì)板巖的吸水率只會改變其彈性模量和強度。

圖8 泊松比隨浸水時間變化曲線Fig.8 Poisson's ratio variation curve

2.3 SEM試驗結(jié)果

為較清楚直觀地分析強–中風化硅質(zhì)板巖吸水過程中礦物顆粒、孔隙與裂隙結(jié)構(gòu)等微觀演化規(guī)律, 對浸水0, 2, 24, 72 h后的巖樣進行了電鏡掃描,結(jié)果如圖9所示。

圖9 富水環(huán)境下不同浸水時間的強–中風化硅質(zhì)板巖SEM圖Fig.9 SEM images of strongly-moderately weathered siliceous slate at different soaking times

(1)在浸水0 h(完全干燥)狀態(tài)(圖9(a))下, 強–中風化硅質(zhì)板巖礦物顆粒間排列緊密且顆粒粒徑較大(標識A), 僅局部分布有小孔隙但未貫通(標識B),局部顆粒間發(fā)育小孔隙且分布密度低(標識C), 巖體結(jié)構(gòu)整體緊密;

(2)在浸水2 h狀態(tài)(圖9(b))下, 強–中風化硅質(zhì)板巖礦物顆粒排列較松散, 表現(xiàn)為顆粒粒徑逐漸變小, 部分膠結(jié)物被分解或溶解, 出現(xiàn)片狀較大顆粒(標識A), 小孔隙延伸發(fā)展(標識B), 顆粒間孔隙尺寸變大且逐步發(fā)展貫穿(標識C), 巖體結(jié)構(gòu)整體較為松散;

(3)在浸水24, 72 h狀態(tài)(圖9(c), 9(d))下, 強–中風化硅質(zhì)板巖的礦物顆粒、孔隙與裂隙結(jié)構(gòu)等方面均具有較一致的變化規(guī)律, 即礦物顆粒排列松散、幾乎無聯(lián)結(jié)作用, 顆粒間發(fā)育的孔隙清晰可見, 顆粒排列松散(標識A), 并且數(shù)量增多, 形成了顯著的貫穿性裂隙(標識B), 當浸水時間達到72 h時, 顆粒間開始出現(xiàn)細微斷裂和掉落痕跡(標識B,A), 巖體結(jié)構(gòu)整體呈松散狀態(tài)。

綜上所述, 在富水環(huán)境下強–中風化硅質(zhì)板巖吸水過程中, 隨著浸水時間的增加, 礦物顆粒排列由緊密向松散演化, 且大粒徑顆粒逐漸崩解變小,被分解為小粒徑顆粒, 同時部分小粒徑顆粒被水溶解; 孔隙由局部顆粒間發(fā)育的、分布密度低的小孔隙逐步演化為清晰可見、數(shù)量增多且逐漸貫通的大孔隙, 裂隙由局部分布的微裂隙逐漸演化形成顯著的貫穿性裂隙。

采用PCAS軟件對圖9中4種狀態(tài)的SEM圖像進一步分析, 得到不同浸水時間下強–中風化硅質(zhì)板巖其孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)的微觀分布圖(圖10), 其中深黑色區(qū)域為礦物顆粒分布區(qū)域, 白色區(qū)域為孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育區(qū)域。由圖10可知, 隨著浸水時間的增加, 強–中風化硅質(zhì)板巖內(nèi)部產(chǎn)生不均勻膨脹,浸水時間為0 h時, 巖石內(nèi)部孔隙較小, 處于發(fā)展階段, 浸水時間達到2 h時, 部分孔隙增大明顯, 且延伸發(fā)展, 浸水時間達到24 h時, 礦物顆粒排列松散,延伸發(fā)育的孔隙清晰可見, 浸水時間達到72 h時,顆粒間發(fā)育的貫穿性孔隙清晰可見, 并且數(shù)量不斷增多, 貫穿性孔隙的增多使巖石內(nèi)部的顆粒松散排列, 造成巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散, 從而強度降低。由此分析可得到其孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)的定量分布結(jié)果, 見表3。

表3 不同浸水時間下強–中風化硅質(zhì)板巖孔隙及裂隙結(jié)構(gòu)的定量分布結(jié)果Table 3 Quantitative distribution results of pore and fracture structure of strongly-moderately weathered siliceous slate at different soaking times

圖10 不同浸水時間下強–中風化硅質(zhì)板巖的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)微觀分布Fig.10 Microscopic distribution of pore and fracture structure of strongly-moderately weathered siliceous slate at different water invasion times

由表3可以得到:

(1)在浸水0~2 h的過程中, 巖石孔隙率由8.30%變化到13.31%, 增長幅度為60.36%, 這說明在急速吸水階段, 強–中風化硅質(zhì)板巖的礦物顆粒排列由緊密向較為松散的狀態(tài)變化, 顆粒間孔隙和微裂隙尺寸變大并逐步發(fā)展;

(2)在浸水2~24 h的過程中, 孔隙率由13.31%增長到16.21%, 變化幅度為21.79%, 表明了強–中風化硅質(zhì)板巖在緩速吸水階段, 礦物顆粒間結(jié)構(gòu)進一步向松散狀態(tài)轉(zhuǎn)化, 顆粒間的孔隙和微裂隙進一步發(fā)育, 形成顯著的貫穿性裂隙;

(3)在浸水24~72 h的過程中, 孔隙率由16.21%變化到16.46%, 孔隙率未發(fā)生明顯變化, 這說明強–中風化硅質(zhì)板巖在整個平衡吸水階段, 其礦物顆粒、孔隙及裂隙結(jié)構(gòu)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 XRD試驗結(jié)果

對不同浸水時間巖樣的X射線衍射圖譜進行分析, 不同浸水時間及天然狀態(tài)下的X射線衍射圖如圖11所示, 利用MDI Jade 6.0軟件的物相搜索功能并參考相關(guān)資料, 可以得到強–中風化硅質(zhì)板巖不同浸水時間巖樣的基本礦物成分和不同黏土成分含量, 見表4。

表4 不同浸水時間下巖石礦物和不同黏土成分Table 4 Mineral composition of rocks and different clay under different immersion time

圖11 不同狀態(tài)下X射線衍射圖譜Fig.11 X-ray diffraction patterns under different conditions

表4中, I代表伊利石; I/S代表伊蒙混層; K代表高嶺石; C代表綠泥石; Py代表黃鐵礦。

由表4可知: 強–中風化硅質(zhì)板巖主要礦物組成為石英和黏土礦物, 在黏土組分中, 伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺石占據(jù)主要地位, 其中伊利石和伊蒙混層含量隨著浸水時間的增加而下降, 而高嶺石和綠泥石含量隨著浸水時間的增加而增加; 伊利石隨著浸水時間的增長所占比例逐漸減小, 高嶺石和綠泥石所占比例逐漸增大, 說明伊利石與水發(fā)生反應(yīng)后迅速溶解, 而高嶺石溶解程度較小。隨著浸水時長的增加, 黏土礦物含量由43.8%下降到31.6%, 同時通過結(jié)合SEM電鏡掃描觀察到的現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn), 這是由于伊利石、伊蒙混層、高嶺石等黏土礦物遇水極不穩(wěn)定, 既能與水發(fā)生化學反應(yīng)[23], 轉(zhuǎn)化成石英和其他黏土礦物, 這也是石英含量隨著浸水時間的增加而顯著增加的原因; 此外,伊利石、伊蒙混層、高嶺石等黏土礦物又能與水發(fā)生物理反應(yīng), 表現(xiàn)出膨脹、破碎和分解等特性,是造成強–中風化硅質(zhì)板巖內(nèi)部強度降低的主要原因。

3 分析與討論

對以上試驗結(jié)果進行綜合分析可知, 試樣的吸水特征曲線(圖5)斜率不斷減小, 即吸水速率不斷降低, 其原因可由以下機理解釋: ①黏土礦物的存在。首先黏土礦物具有很強的膨脹性, 隨著浸水時間的增加, 黏土體積膨脹導致裂隙通道變窄, 從而使吸水速率下降; 其次黏土礦物具有較大的比表面積, 容易吸附孔隙中的水, 隨著試驗的進行, 使巖石具有較高的束水含量, 從而降低吸水速率; 同時,有些黏土礦物易被溶解和破碎, 當碎屑顆粒經(jīng)過孔道狹窄處時會導致堵塞, 使吸水速率下降[7,24]。②孔隙的變化。由圖9所示, 吸水前巖石內(nèi)部多為微小且呈蜂窩狀的孔隙, 此時不易存在孔角毛細水,吸水通道較通暢, 吸水速率大; 之后由于黏土和膠結(jié)物等遇水膨脹、溶解或流失的作用, 致使孔隙形狀多呈三角形和不規(guī)則多邊形(圖9(b), (c)和(d)), 此時易在孔角處形成孔角毛細水, 進而導致孔隙有效半徑降低, 使吸水速率減小[7,15]。

分析圖5(b)曲線出現(xiàn)類似雙峰現(xiàn)象的原因, 可由雙電層理論說明: 水與巖石相互作用后, 會在晶體層間和表面形成擴散雙電層, 雙電層的增厚受到約束, 將會產(chǎn)生膨脹力, 膨脹力會因持續(xù)的積累使巖石骨架坍塌, 孔隙變大, 吸水速率變大; 之后開裂的疊層體持續(xù)吸水再次膨脹, 導致孔隙變小, 吸水速率下降, 至此產(chǎn)生雙峰形曲線[10,25]。分析圖5(c)可得: 緩速吸水結(jié)束階段吸水率(4.44%)與強制飽和吸水率(4.85%)差異較小, 僅為0.41%。加上在自然浸水條件下難以達到與試驗相同的強制飽和條件, 因此建議將緩速吸水結(jié)束階段的吸水率(4.44%)作為強–中風化硅質(zhì)板巖在自然浸水條件下的飽和吸水率。

通過吸水強度試驗得出了強–中風化硅質(zhì)板巖的強度受浸水作用的影響而發(fā)生極大的改變, 且吸水強度變化規(guī)律與巖石的吸水特性變化規(guī)律大致相同; 利用掃描電鏡試驗(SEM)和X射線衍射試驗(XRD)著重探討不同浸水時間強–中風化硅質(zhì)板巖在浸水作用下其微觀結(jié)構(gòu)變化過程及物相變化規(guī)律; 通過電鏡掃描試驗分析得到了板巖在吸水過程時內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化, 浸泡后部分黏土顆粒膨脹, 導致表面的空隙度增大, 黏聚力下降, 進一步解釋了由板巖吸水特性試驗得到的吸水膨脹微觀機理(吸水3階段); 采用PCAS軟件對4種狀態(tài)的SEM圖像孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)的微觀分布圖進一步分析, 得到了板巖吸水膨脹微觀機理, 并通過XRD試驗得到試驗所取巖樣內(nèi)部主要成分為石英和黏土礦物, 板巖在吸水過程中, 水進入巖石的內(nèi)部, 與自身含有的黏土礦物中的蒙脫石、綠泥石、高嶺石等發(fā)生反應(yīng), 產(chǎn)生膨脹作用和溶解作用導致巖石內(nèi)部的孔隙增加, 進而導致巖石本身的強度降低。綜合吸水強度試驗得到結(jié)論, 揭示了富水狀態(tài)下強–中風化硅質(zhì)板巖強度的損傷機理。

對上述試驗結(jié)果綜合分析, 得到以下板巖吸水損傷機理: ①板巖內(nèi)部黏土礦物發(fā)生溶解作用及膨脹作用。板巖經(jīng)過溶解作用會形成較多的孔隙, 經(jīng)過膨脹作用在巖石中行成微裂隙, 溶解作用與膨脹作用共同耦合作用是導致板巖吸水軟化其中的一個重要原因。黏土礦物與水發(fā)生反應(yīng)導致垂直方向上的膨脹率比層理方向的膨脹率更大, 使板巖更容易產(chǎn)生沿層理面的裂紋。②顆粒形態(tài)與孔隙狀態(tài)的變化。從顆粒形態(tài)變化角度分析, 在水中浸泡過程中, 黏土礦顆粒因膨脹作用發(fā)生體積膨脹, 顆粒間的相互作用力逐漸降低, 顆粒表面吸附水的結(jié)合力并沒有太大變化; 與此同時, 巖石內(nèi)部的毛細管壓力逐漸減小, 表面張力也隨之降低, 導致巖石的強度降低, 發(fā)生軟化。從膠結(jié)方式和孔隙變化角度分析, 在干燥狀態(tài)時, 板巖內(nèi)顆粒之間的膠結(jié)主要為孔隙充填式、孔隙襯墊式膠結(jié)兩種, 結(jié)構(gòu)緊密。通過PCAS軟件進行微觀圖像分析得到板巖浸水后孔隙的變化情況, 在浸泡后, 由于部分黏土顆粒體積膨脹, 產(chǎn)生膨脹應(yīng)力, 膨脹應(yīng)力使得板巖內(nèi)部黏結(jié)力變小, 結(jié)構(gòu)松散, 導致板巖強度降低。③水對板巖產(chǎn)生的物理化學作用。水與板巖所產(chǎn)生的物理作用主要為水進入巖石層理面后, 溶于水的礦物會產(chǎn)生泥化效應(yīng), 而且會與水發(fā)生化學反應(yīng),對巖石的層理面產(chǎn)生巨大的影響, 除泥化作用外,水在浸入巖石后還會產(chǎn)生一定潤滑作用, 使層理面的滑動力有所增加, 巖石更容易發(fā)生沿層理面的剪切破壞。④水巖作用的應(yīng)力耦合。水巖的耦合作用會伴隨著應(yīng)力的產(chǎn)生, 而水的滲流作用降低了巖石的有效應(yīng)力, 板巖的剪切強度也會隨之降低, 水巖的耦合作用力同樣會影響板巖的層理面力學特性。當巖石處于自然狀態(tài)時, 巖石內(nèi)部不含水, 而在浸泡之后, 水會隨著孔隙進入巖石內(nèi)部, 而原本處于孔隙中的氣體會被擠壓, 排到巖石外部。因此在浸水過程中可能會聽到氣體冒出的聲音。巖石試樣中主要的礦物顆粒間的黏結(jié)力可以包括顆粒之間的吸引力, 顆粒與水之間的作用力(強作用力、弱作用力、毛細管力)及水的壓力。巖石內(nèi)部存在著許多的孔隙和裂縫, 而且這些裂縫與孔隙隨機分布于巖石之中。當巖石處于含水狀態(tài)時, 水會賦存在這些裂縫和孔隙當中。當對巖石施加載荷時, 巖石內(nèi)部孔隙和裂縫的體積被壓縮, 導致巖石發(fā)生一定的變形或其他改變。

4 結(jié) 論

(1)富水環(huán)境下強–中風化硅質(zhì)板巖吸水過程可分為急速吸水、緩速吸水、平衡吸水等3個階段。在急速吸水階段(0~2 h)巖石吸水速率最大, 在緩速吸水階段(2~24 h), 吸水速率大幅度減小, 在平衡吸水階段(超過24 h), 巖石僅能吸入極少量的水, 處于動態(tài)平衡吸水狀態(tài)。

(2)富水環(huán)境下強–中風化硅質(zhì)板巖吸水過程的微觀演化規(guī)律為: 急速吸水階段, 礦物顆粒結(jié)構(gòu)由緊密向較為松散狀態(tài)變化, 孔隙和微裂隙逐步延伸發(fā)展; 緩速吸水階段, 結(jié)構(gòu)進一步向松散狀態(tài)轉(zhuǎn)化、孔隙和微裂隙進一步發(fā)育并逐漸貫通, 形成了顯著的貫穿性裂隙; 平衡吸水階段, 強–中風化硅質(zhì)板巖的礦物顆粒、孔隙及裂隙結(jié)構(gòu)基本不再變化, 達到較穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)強–中風化硅質(zhì)板巖主要礦物組成為石英和黏土礦物, 石英含量隨著浸水時間的增加而增加,而黏土礦物含量隨著浸水時長的增加不斷下降; 在黏土組分中, 伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺石占據(jù)主要地位。

(4)通過強–中風化硅質(zhì)板巖吸水強度試驗得到了板巖單軸抗壓強度和彈性模量隨浸水時間的變化規(guī)律, 強–中風化硅質(zhì)板巖的泊松比與浸水時間無關(guān), 強–中風化硅質(zhì)板巖的吸水率只會改變其彈性模量和單軸抗壓強度。

(5)通過對板巖的浸水特性試驗、吸水強度特征試驗和微觀試驗得到: 強–中風化硅質(zhì)板巖吸水損傷機理主要受板巖內(nèi)部黏土礦物發(fā)生溶解作用及膨脹作用、顆粒形態(tài)與孔隙狀態(tài)的變化、水對板巖產(chǎn)生的物理作用、水巖作用的應(yīng)力耦合等幾方面的影響。

(6)強–中風化硅質(zhì)板巖的吸水損傷機理為: 水進入巖石內(nèi)部的方式必須通過巖石的層理弱面, 水進入巖石內(nèi)部后, 會發(fā)生一定的物理、化學作用,這些耦合作用會導致板巖內(nèi)部產(chǎn)生一定的裂隙, 內(nèi)部黏聚力逐步下降, 導致強–中風化硅質(zhì)板巖在宏觀上力學性能下降。