干濕循環(huán)對膨脹性泥巖裂隙和強度的影響研究

宋 磊 張榮寬 湯 勇

（1.華設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210029；2.江蘇禹衡工程質量檢測有限公司，江蘇鹽城 224014）

0 引言

膨脹性巖土遇水膨脹，失水收縮，對水極為敏感。我國膨脹性巖土地區(qū)分布廣泛，受大氣降水等因素的影響，在膨脹性巖土場地進行基坑和邊坡工程建設，干濕循環(huán)問題不可避免。研究干濕循環(huán)對膨脹性巖土強度的影響規(guī)律有助于工程設計和施工。

前人對膨脹土的干濕循環(huán)后強度的變化規(guī)律已有一定研究，但對于膨脹性巖石干濕循環(huán)后的強度變化規(guī)律研究較少。20 世紀50 年代，Badger 等[1]總結提出了干燥頁巖遇水崩解的兩大機理：氣致崩解和膠體物質消散。傅 晏[2]、劉新榮等[3]研究了砂巖在干濕循環(huán)作用下抗剪強度的變化規(guī)律，并在庫岸邊坡的穩(wěn)定分析中應用。鄧華鋒等[4]對三峽庫區(qū)的紅層軟巖進行浸泡-風干循環(huán)水巖作用試驗，表明水的干濕循環(huán)作用對紅層軟巖造成了不可逆的漸進累積損傷，微觀層面由相對致密的結構轉變成微觀裂隙、孔隙發(fā)育的松散多孔結構，宏觀層面巖石抗壓、抗剪強度劣化和破壞模式會變化。

本文針對合肥地區(qū)某水利工程的膨脹性巖石在干濕循環(huán)條件下的裂隙及強度變化規(guī)律進行了研究，研究成果對類似工程建設具有一定的指導意義。

1 試驗巖樣基本特性

試驗巖樣取自合肥地區(qū)某水利工程邊坡開挖現(xiàn)場，暗紅色，結構面發(fā)育，具有遇水膨脹、失水收縮的特性。巖樣的基本物理力學性質指標見表1。

表1 巖樣基本物理力學性質指標

2 試驗方案

按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）制備環(huán)刀原狀樣24個，制備完成的試樣見圖1。試樣制備完成后，稱取環(huán)刀樣質量，并用切削剩余的巖樣量測初始含水率。飽和時采用環(huán)刀飽和器固定環(huán)刀樣（見圖2）。環(huán)刀飽和器限制了浸水飽和時環(huán)刀內巖樣的膨脹，減少了由于巖樣膨脹帶來的次生孔隙，以確保巖樣強度的衰減基本緣自于干濕脹縮引起的裂隙發(fā)展。若不采用環(huán)刀飽和器固定環(huán)刀樣，則烘干后浸水的巖樣會產(chǎn)生明顯膨脹，由膨脹帶來的次生孔隙大大增加，加重了巖樣的損傷劣化，裂隙的發(fā)展、次生孔隙的增加共同引起了抗剪強度的衰減，導致通過直剪試驗得出的巖樣抗剪強度偏小。

圖1 加工后的原狀泥巖環(huán)刀樣

圖2 環(huán)刀飽和器實物

干濕循環(huán)試驗時，首先將原狀樣在真空缸中抽氣2 h 后浸水飽和24 h，將此作為0 次干濕循環(huán)。將抽氣飽和24 h 后的原狀樣在100℃下脫濕24 h，再抽氣飽和24 h，將此作為第1 次干濕循環(huán)。依此類推，共做5 次干濕循環(huán)。對0-5 次干濕循環(huán)后的試樣分別進行直剪固結快剪試驗，豎向壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，得到每次干濕循環(huán)后對應的黏聚力和內摩擦角，直剪試驗按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）的要求進行。以剪應力為縱坐標，剪切位移為橫坐標，繪制剪應力剪切位移關系曲線。選取線上的峰值點或穩(wěn)定值作為抗剪強度，當無明顯峰點時，取剪切位移4 mm 對應的剪應力作為抗剪強度。以抗剪強度為縱坐標，垂直單位壓力為橫坐標，根據(jù)圖上各點擬合出一條直線，直線的傾角為內摩擦角，直線在縱坐標軸上的截距為黏聚力。試樣每次烘干后均對巖樣表面拍照、觀察裂隙，并用裂縫寬度測量儀測量巖樣表面裂縫寬度。拍照時，為保證每次拍攝的距離、位置以及外界光線環(huán)境一致，將攝像頭置于環(huán)刀樣表面正中央約5 cm 高度處拍攝，且均在晴朗白天正常采光的室內進行拍攝。

3 干濕循環(huán)對膨脹性泥巖裂隙的影響

圖3 為1-5 次烘干后的環(huán)刀樣表面的裂隙變化。第一次完全脫濕后，試樣表面裂隙較長，寬度較大；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙數(shù)量增加、長度變短、寬度變小，但裂隙總面積和總長度增加，裂隙將土樣分割成的塊體體積逐漸減小。干濕循環(huán)過程中，裂隙的增加包括原生裂隙的擴展和新裂隙的產(chǎn)生。烘干后的土樣重新飽和時，裂隙會閉合，但裂隙處的土體抗拉強度并未得到恢復。因此，當土樣再次脫濕時，閉合的裂隙由于抗拉性能遭到破壞將會首先張開，且張開更為容易，同時裂隙會進一步開展產(chǎn)生更多次生裂隙。巖樣的完整性被縱橫交錯的裂隙破壞，使巖樣的強度降低。

圖3 不同烘干次數(shù)下的表面裂隙發(fā)育情況

為了定量分析裂隙的數(shù)量、長度、寬度等在干濕循環(huán)過程中的變化規(guī)律，需用圖像處理軟件對5 次烘干后的試樣表面裂隙照片做進一步處理，使裂隙更清晰地展現(xiàn)，以便于定量化計算。首先用photoshop將5 次烘干后表面裂隙照片用直徑比環(huán)刀內徑（61.8 mm）略小的圓截取，這里采用直徑375（像素點個數(shù)）的圓進行裁剪，對應的圓的真實直徑為60 mm，因此6.25 個直線型排列的像素點的長度相當于1 mm。然后對圖像進行USM 銳化處理，使圖像清晰度增加，將裂隙更明顯地展現(xiàn)出來。隨后將圖像二值化，先將圖像的對比度調至最高，然后調整閾值至同一默認值128，即可完成圖像二值化處理，二值化處理結果如圖4 所示。

圖4 不同烘干次數(shù)后二值化處理后的裂隙

運用Image-Pro 圖像處理軟件可將每次烘干后的最大裂隙長度、最大寬度及裂隙度算出。二值化處理后的圖像中黑色代表裂隙，裂隙度為試樣上表面裂隙的面積占總面積的百分比。裂隙長度、寬度與干濕循環(huán)次數(shù)的關系見圖5、圖6。由圖5、圖6 可知，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙度逐漸增加，且增加速度逐漸變緩。從第1 次烘干到第5 次烘干，裂隙度由5.38%增長到7.3%。最大裂隙長度和最大裂隙寬度顯著減小，隨烘干次數(shù)的增加減小速度逐漸變緩，最大裂隙長度由57 mm 減小至23 mm，最大裂隙寬度由0.95 mm 減小至0.63 mm，二者的大幅度減小主要發(fā)生在第1-2 次干濕循環(huán)中。在干濕循環(huán)的初期，失水收縮引起的拉應力大部分以勢能的形式存儲于試樣內部，沒有以產(chǎn)生裂隙的形式釋放，由干縮產(chǎn)生的變形集中在較少的幾條較大寬度的裂隙上，裂隙數(shù)目較少，單個裂隙長度較長，此時裂隙的總面積相對較小。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，干縮引起的拉應力逐步得到釋放，裂隙在原有基礎上逐漸發(fā)展延伸、分叉，同時產(chǎn)生更多新的裂隙，干縮變形分散在數(shù)目逐漸增加的裂隙中，因此單條裂隙寬度和長度減小，但裂隙總面積增加。隨著裂隙發(fā)育到一定程度，由裂隙分割成的塊體體積逐漸減小，干縮產(chǎn)生的拉應力已通過產(chǎn)生眾多裂隙進行釋放，不再產(chǎn)生新的裂隙，裂隙的長度和寬度逐漸趨于穩(wěn)定值。

圖5 裂隙長度與干濕循環(huán)次數(shù)的關系

圖6 裂隙寬度與干濕循環(huán)次數(shù)的關系

4 干濕循環(huán)對膨脹性泥巖強度的影響

膨脹性泥巖原狀樣的強度參數(shù)黏聚力c和內摩擦角φ隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化情況見圖7 和表2。可知黏聚力c值隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加明顯減小，且減小幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而變緩。其中第一次干濕循環(huán)后的黏聚力c下降96.78 kPa，降幅51.48%，而由第一次干濕循環(huán)到第五次干濕循環(huán)，黏聚力c值下降57.23 kPa，降幅30.44%。表明干濕循環(huán)對原狀樣的強度指標c值影響顯著，且前幾次干濕循環(huán)影響較大，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定。內摩擦角φ同樣隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，經(jīng)歷5 次干濕循環(huán)后，內摩擦角減小9°，約減小32%，比黏聚力c的減小幅度小?？辜魪姸葏?shù)的減小是由于干濕循環(huán)使裂隙的逐漸發(fā)育，巖樣內部裂隙增多，內部軟弱結構面數(shù)目增多，影響了巖樣的整體結構性。

圖7 黏聚力和內摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙數(shù)目逐漸增加，試樣結構逐步由完整變?yōu)槠扑?，內部產(chǎn)生大量的軟弱結構面，同時隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加土顆粒由外向內逐漸損失，內部空隙增大，密實度減小，進一步對試樣的結構造成損傷；干濕循環(huán)產(chǎn)生的結構空隙及裂隙使試樣剪切時顆粒間黏聚作用不能充分發(fā)揮，同時在外力作用時結構單元更容易重新排列，因此抗剪強度逐步降低[5]。黏土質膠結物在吸水膨脹和收縮過程中，黏土顆粒內部微元調整，產(chǎn)生了微裂紋及微孔隙，這些微觀損傷是不可逆的[6]，這與試驗結果中孔隙度的逐漸增加和抗剪強度參數(shù)的逐漸減小現(xiàn)象表明的結論是一致的。

烘干脫濕過程中，泥巖試樣表面的脫濕速度大于內部脫濕速度[7]，表層泥巖體積收縮大于內部，不均勻的收縮產(chǎn)生了拉應力，巖樣的抗拉強度不能抵抗收縮拉應力時便產(chǎn)生了裂隙。干燥試樣遇水后，蒙脫石等親水性黏土礦物大量吸水，導致礦物顆粒體積顯著膨脹；部分黏土礦物在水的作用下會產(chǎn)生溶蝕，如在部分鉀長石水的作用下發(fā)生溶解溶蝕；不均勻分布的黏粒吸水后，黏粒周圍形成水膜，使黏粒間距增加，造成泥巖顯著膨脹；水分子進入黏土顆粒的晶格中使黏土顆粒的晶格膨脹，內部產(chǎn)生次生孔隙[8-9]。

黏聚力受顆粒之間的膠結程度影響較大，在干濕循環(huán)作用下劣化較快，而內摩擦角受顆粒嵌固程度和顆粒本身強度的影響較大，干濕循環(huán)作用下劣化速度相對較慢[10]。如圖7 所示，黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小的幅度明顯大于內摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而減小的幅度。

5 結論

（1）隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙度逐漸增加，且增加速度逐漸變緩，同時裂隙寬度減小，裂隙總長度和總面積增加。表明在干濕循環(huán)作用下，膨脹性泥巖結構因裂隙增加逐漸破碎、疏松，干濕循環(huán)對膨脹性泥巖結構損傷是顯著的。

（2）在限制浸水膨脹變形的條件下，膨脹性泥巖的黏聚力和內摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小的幅度更大，且隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力和內摩擦角的衰減速率均減緩。干濕循環(huán)對膨脹性泥巖結構的損傷是不可逆的，在膨脹性泥巖地區(qū)實際工程應用中，應采取措施避免膨脹性泥巖水分的反復蒸發(fā)和飽和。當未采取有效防脹縮措施時，應取多次干濕循環(huán)后的抗剪強度參數(shù)進行工程設計。