红层软岩浸水裂纹扩展试验与破裂机制分析*

张 磊，刘 镇，周翠英

(中山大学工学院∥岩土工程与信息技术研究中心，广东 广州 510275)

红层软岩在华南地区分布广泛，仅在广东省境内其分布面积就近3万km2，占陆地面积的16%。其遇水软化破坏特性是造成该地区重大工程建设中边坡、基坑、隧道等产生变形破裂或安全隐患的重要原因之一。同时，软岩遇水软化破坏研究也是当前岩石力学和工程地质领域的前沿课题之一。国内外学者已经针对软岩遇水破坏问题展开了较为深入的试验和理论研究。在试验研究方面，主要通过开展软岩在浸水条件或渗透压力条件下的力学加载试验，研究浸水条件和力学加载条件对软岩破裂过程的影响，分析其破裂的物质基础。在理论研究方面，主要从物质组成、微观结构、水岩相互作用等方面进行软岩破裂机制解释[1-10]：①当软岩浸水时，其中的黏土矿物吸水发生膨胀，产生膨胀力，对周围矿物颗粒挤压导致裂纹产生和发展，直至软岩发生破裂；②水岩作用造成矿物颗粒间胶结物的削弱，使岩体强度降低，当软岩内应力增大时更易发生破裂。从以上研究，可以看出：现有研究多侧重于加载和水环境条件对软岩破坏过程的影响，针对软岩破坏中裂纹扩展规律的研究尚不多见，但裂纹的产生与扩展是软岩浸水破坏过程的外在表征，与软岩强度衰减过程具有正相关性[6]，其规律和机制是软岩浸水破坏过程研究的重要方面[11-19]。

因此，本文选取华南地区较为典型的红层——粉砂质泥岩，针对含一条初始裂纹软岩和不含初始裂纹软岩两类岩石，开展了红层软岩浸水裂纹扩展试验，对软岩已有裂纹扩展和新裂纹产生扩展过程进行了全过程观测，获得软岩浸水条件下裂纹扩展规律。在此基础上，从膨胀力的角度解释了软岩浸水裂纹发育的细观力学机制，并分析了其破裂全过程规律。

1 红层软岩浸水裂纹扩展试验

1.1 试验设计

试验样品取自为华南地区较为典型的红层——粉砂质泥岩，选取含一条初始裂纹和不含初始裂纹的两类岩芯制作试验样品，研究初始裂纹对软岩浸水破裂过程的影响及裂纹扩展特征。该岩样呈紫红色，平均天然重度γ=2.347 g/cm3,平均吸水率14.38%，平均饱水率26.35%。岩样层理明显，近垂直层理方向节理较为发育，中等风化，岩质软弱。根据薄片显微镜的观测，该类软岩为鳞片构造，孔隙、微裂隙和隐裂隙较多，石英以隐晶质形态存在。其主要矿物为高岭石、伊利石、石英，次要矿物为绢云母，绿泥石，白云母、蒙脱石、铁质。黏土矿物含量为60%，碎屑矿物含量约为40%。化学成分以SiO2，Al2O3为主， K2O、Ti2O、Fe2O3次之，其中Fe2O3较少，因此，本文暂不考虑赤铁矿颗粒胶结作用的影响。

首先分别将含一条初始裂纹(以下简称含初始裂纹样品)和不含初始裂纹的岩芯分别制取4组样品，平行试验。将样品置入透明的容器中，加水没过岩样顶面1 cm，进行浸水软化试验。实验过程中不加载，采用体视显微镜进行裂纹观察。为了实现多角度观察，课题组自行设计了三轴可调支架，将之与显微镜连接在一起构成三轴可调显微系统，方便观察。试验中，观察裂纹发育、扩展的现象，并以高清晰相机记载不同时间时裂纹扩展特征，通过对比两类岩样品裂纹扩展和破裂特征，分析裂纹对软岩破裂的影响。步骤如下：

1)利用三轴可调显微观察系统，对浸水前的岩样表面进行观察，记录岩样表面物质组成和细观结构特点；

2)将选取的岩样放入烧杯中，注水至浸没岩样，注水时以较小的水流沿烧杯壁注水，保持水面稳定上升直至将岩样全部淹没，继续注水使水面达到岩样上方1 cm处；

3) 观察裂纹出现、扩展、连通的过程，记录相应特征现象的时间，直至岩样破裂；

4)岩样破裂后，取出样品，利用三轴可调显微观察系统对岩样表面及裂纹特征进行细观观察，获取裂纹的显微照片。

1.2 试验结果

根据上述试验，得到软岩样品浸水过程中裂纹发育特点，如表1、2所示。

表1 含初始裂纹试验样品的裂纹特征与破裂时间

表2 不含初始裂纹试验样品的裂纹特征与破裂时间

依次发育结合表1、2和试验过程特点，可总结裂纹产生和扩展规律如下：

1.2.1 裂纹出现至岩样破裂的时间特征 不含初始裂纹样品，软岩浸水后15～33 min内，开始出现第一条裂纹； 32～170 min裂纹开始快速扩展，局部丛集；浸水144～262 min后，岩样破裂。

含初始裂纹的样品：初始裂纹开始扩展的时间7～30 min； 18～98 min裂纹开始快速扩展，局部丛集；浸水137～330 min后，岩样破裂。

根据上述结果结合试验观察可知，含初试裂纹岩样开始发生破裂时间以及裂纹局部丛集时间比不含初始裂纹岩样要早，一般情况下样品破裂也要快些。因此，可以认为，初始裂纹的存在是加快软岩发生破裂的重要原因之一。

1.2.2 裂纹扩展的几何特征 初始裂纹在岩样浸水初期，裂纹长度和宽度均发生较快的扩展，有时会在样品内形成贯穿裂纹，如图1所示；新裂纹发育时，长度的增长是其主要的扩展方式，宽度扩展并不明显；新裂纹在岩样边界附近多呈弧形发育；当岩样表面发育多条裂纹时，多呈现由外向内逐层发育的特点，该特点在不含初始裂纹岩样上表现较明显；新裂纹多在已有裂纹的转折处或端点处与已有裂纹发生丛集，其扩展方向较少受已有裂纹扩展方向的影响，如图2所示。

图1 含初始裂纹软岩样品破裂前后照片

图2 不含初始裂纹软岩样品破裂照片

1.2.3 裂纹扩展和物质结构关系的特征 图3(a)是不含初始裂纹样品浸水破裂前后显微照片，可以看出：新裂纹在石英矿物颗粒之间的间隙和石英矿物颗粒间的黏土矿物中发育；图3(b)是含初始裂纹样品裂纹扩展前后显微照片，照片显示：初始裂纹在石英矿物颗粒边缘的黏土矿物中扩展和丛集，且宽度明显大于新产生裂纹的宽度。综合二者特征可知：不管是否含初始裂纹，裂纹总是沿石英矿物颗粒之间的间隙或填充在石英矿物颗粒间的黏土矿物中发育和扩展。

图3 软岩浸水裂纹发育前后显微照片

2 软岩浸水后裂纹发育的细观力学机制解释与破裂过程分析

2.1 软岩浸水中裂纹发育的细观力学机制解释

一般认为，软岩浸水时，黏土矿物浸水膨胀是导致软岩裂纹产生扩展的重要原因之一。对于含初始裂纹岩样，浸水后，水沿初始裂纹浸入岩样内部，裂纹两侧黏土矿物吸水后膨胀，在膨胀力和静水压力的同时作用下，初始裂纹快速扩展，连通，丛集，直至破坏；对于不含初始裂纹样品，其破裂过程是随着水的浸入而逐渐发生的，浸水部分的黏土矿物膨胀产生膨胀力，导致软岩内部力的分布不均匀，当局部作用力较大时，裂纹产生，随着这一过程的进行，裂纹扩展、丛集直至岩样破裂；由于水是由表及里浸入岩样的，故在裂纹发育过程呈由外向内逐渐发育的趋势。

2.2 软岩浸水后裂纹发育和破坏的细观力学过程分析

课题组前期通过能谱分析等手段对粉砂质泥岩进行了矿物成分分析，表明：本研究所涉及的粉砂质泥岩中，黏土矿物颗粒与石英矿物颗粒的含量之比约为4∶1，在软岩浸水试验中通过对该类软岩矿物成分的显微镜鉴定后，结果大体符合上述规律。基于这一认识，课题组前期曾提出该类软岩在软化过程中的微观结构力学模型[20](图4)，结合这一模型，同时考虑软岩浸水过程中吸水膨胀时产生的膨胀力的作用，分别对含初始裂纹样品和不含初始裂纹样品的破裂过程进行分析。

图4 软岩细观力学结构模型

2.2.1 含初始裂纹样品破裂过程分析 首先，图5(a)中f1表示结构单元体存在的初始裂纹，当岩样浸水后，水将从初始裂纹的地方进入，到达孔隙A1中，则孔隙A1周围的黏土矿物吸水后将产生膨胀，产生膨胀力；当这些膨胀力在结构单元内部作用不均匀时，将会在某些部位产生集中(例如在L1处集中)，那么，在膨胀力较为集中处(L1)首先发生破裂，继之，裂纹穿过空隙A2，水沿裂纹继续浸入孔隙A2中，如图5(b)所示，同样，孔隙A2周围的黏土矿物吸水后将产生膨胀，产生膨胀力；当这些膨胀力在某些部位产生集中(例如在L2处)，那么， L2同样将发生破裂。这一过程反复作用，持续发展，直至样品完全破裂。

图5 含初始裂纹样品破裂过程

2.2.2 不含初始裂纹样品破裂过程分析 红层软岩浸水后裂纹扩展试验表明：不含初始裂纹样品破裂时裂纹由外向内逐层发育，这一现象在岩样边角处最为明显，因此，这里在概化的细观结构模型中取代表性单元进行破裂过程分析(如图6(a)中黑框内部分)。首先，图6(a)中孔隙A1周围有两个黏土矿物元件L1和L2与水接触，因此相对于周围仅有一个黏土矿物元件与水接触的孔隙A2、A3和A4，孔隙A1周围膨胀力增长较快；当这些膨胀力在结构单元内部作用不均匀时，将会在某些部位产生集中(例如在L2处)，那么，在膨胀力较为集中处(L2)，岩样将首先发生破裂，产生新裂纹f1穿过孔隙A1，水沿裂纹浸入孔隙A1中(如图6(b)所示)；孔隙A1进水后，孔隙A2和A4周围有两个黏土矿物元件与水接触，因此，同样地，孔隙A2和A4有两个黏土矿物结构元件与水接触，周围膨胀力增长更快，当这些膨胀力在一些局部产生集中时(例如在L3和L4处)，那么， L3和L4处就会发生破裂，由于L3位于孔隙A1周围，因此，已产生的裂纹f1将穿过L3继续扩展，而L4不在孔隙A1周围，因此L4处将有一条新裂纹f2发育，且处于f1内侧，如图6(c)所示。这一过程将反复作用，持续发展，直至样品完全破裂。

图6 不含初始裂纹样品破裂过程

3 结 论

1)根据裂隙红层软岩浸水破坏的特点，针对含初始裂纹和不含初始裂纹的两组岩样，设计了软岩浸水裂纹扩展对比试验，结果表明：含有初始裂纹的软岩样品，裂纹的扩展首先沿已有裂纹进行，其扩展、丛集、破坏所用时间较不含初始裂纹样品短，裂纹长度和宽度均扩展较快，一般在石英矿物颗粒边缘的黏土矿物中扩展和丛集；不含初始裂纹的样品，新裂纹产生、扩展、丛集、破坏所用时间较含初始裂纹的要长，扩展方式以长度增长为主，由外向内逐层发育，裂纹的发育也多在石英矿物颗粒之间的间隙和石英矿物颗粒间的黏土矿物中；研究表明：无论是否含初始裂纹，软岩裂纹均在石英矿物颗粒之间的间隙或填充在石英矿物颗粒间的黏土矿物中发育和扩展，其扩展、丛集、破坏均在5～6 h内完成。

2)在软岩浸水裂纹扩展试验研究基础上，笔者从黏土矿物浸水膨胀产生的膨胀力的角度，分别解释了含初始裂纹和不含初始裂纹软岩浸水破裂过程的细观力学机制：含初始裂纹软岩，其初始裂纹两侧黏土矿物吸水后膨胀产生膨胀力，进而导致其扩展、丛集、破坏；不含初始裂纹软岩，主要是在黏土矿物吸水后膨胀力的作用下，由外到内产生新裂纹，继之发生扩展、丛集，直至破坏；在此基础上，结合软岩软化的微观结构力学模型，分析了裂纹扩展和破坏的全过程特点。

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