泥页岩浸水力学特性试验研究

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(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室；b.岩土工程科学研究所， 南京 210098)

泥页岩浸水力学特性试验研究

金成a,b，王芳a,b，石崇a,b

(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室；b.岩土工程科学研究所， 南京 210098)

为研究泥页岩遇水软化后力学特性变化，进行了泥页岩不同浸水时间下的常规三轴压缩试验，分析了浸水后岩石的应力-应变关系，研究了泥页岩水劣化力学参数变化规律研究。结果表明：随着浸水时间的延长，试样的强度和弹性模量降低幅度较大，浸水对泥页岩的摩擦角影响较小，对黏聚力影响显著；试样破坏形式逐渐由脆性张拉劈裂破坏转变为拉剪破坏的混合破坏形式，软化作用越来越明显。岩石浸水时间对其强度、变形及破坏形式有较为明显的影响。研究结果可为该类岩体的岩土力学参数取值或力学分析提供参考。

泥页岩;软化作用；浸水时间；三轴压缩试验；力学特性；应力-应变曲线

1 研究背景

泥页岩是一种典型的沉积岩，成分复杂，通常具有薄页状或薄片层状的节理，沉积的黏土经压力和温度作用形成岩石，其中一般混杂有石英、长石的碎屑，其成分与构造和页岩相似，但较不易碎。存在泥页岩的工程，在降雨、地下水的浸泡作用下岩石力学特性往往发生巨大变化，造成工程稳定问题，受到工程人员的普遍关注。

针对遇水软化岩石，刘新荣等[1-2]从力学作用和物化角度初步分析了岩石遇水后的强度影响；陈钢林等[3]根据砂岩和灰岩等在不同饱水度下的单轴压缩试验结果，得出其强度峰值和弹性模量随饱水度增加而衰减直至稳定的结论；王伟等[4]从水溶液的化学作用方面入手，对不同溶液腐蚀下的红砂岩强度及变形特性进行了研究；丁梧秀等[5-6]针对龙门石窟灰岩，通过单轴压缩试验获得了不同化学溶液对灰岩的强度损伤特性；邓华锋等[7-10]通过饱水-风干循环试验获得了砂岩强度和力学参数的变化规律；周翠英等[11-12]从微观结构的角度分析了不同饱水时间下红色砂岩孔隙率的变化；刘建等[13-14]对砂岩在不同水化学溶液下的抗剪强度进行试验，探讨了水化学对砂岩的损伤机制。李铀等[15]针对坚硬完整的花岗岩在饱水和风干的情况下研究其流变特性。这些研究结果表明，岩石浸水后各项力学性能会有一定程度的下降；如以砂岩浸水为例，在2 MPa围压下，待各项力学参数稳定后，强度下降30%～40%，弹性模量下降20%～30%。但目前针对泥页岩遇水软化力学特性的研究还相对较少。

本文针对泥页岩浸水软化，从强度变化、变形特性和破坏形式这3个方面具体分析岩石强度和力学参数的变化，对预防浸水作用下的泥页岩岩体破坏具有重要的意义，并针对典型泥页岩制定了不同浸水试验方案，开展了三轴压缩试验研究，分析浸水时间对岩石参数和破坏模式的影响，得出不同浸水时间对泥页岩宏观力学性能的影响规律，成果可为相应岩石工程的防灾减灾提供依据。

2 浸水试验设备与方案

通过对试样在不同浸水时间下进行常规三轴压缩试验，可对不同浸水时间下的泥页岩瞬时力学特性进行研究，并得出泥页岩不同浸水时间下的应力-应变曲线，据此可分析得出浸水时间对试样的强度、变形特性以及破坏形式的影响。

2.1 试验材料与试验仪器

试验岩样为灰黑色泥页岩，除了黏土矿物，矿物组分中还包含一些自生矿物。从现场采集的泥页岩被制作成标准圆柱形试样：高100 mm，直径50 mm。为防止泥页岩的物理力学性质被空气中的水所影响，用保鲜膜封装，并妥善存放。试验在如图1所示岩石三轴伺服仪上进行。轴向膨胀采用自由膨胀变形测试，其膨胀变形量的记录方式采用在圆柱形试样侧面中心对称位置贴2组应变片，应变片周围应进行蜡封。统计不同浸泡时间试样的轴向膨胀应变量和自由膨胀仪测得的膨胀量，并研究应变量和浸泡时间的关系曲线。

图1 岩石三轴伺服仪试验Fig.1 Triaxial test instrument and specimens

2.2 常规三轴试验方案

岩样为灰黑色的泥页岩，现场层厚超过5 m，在试验尺度上层理不发育，属于一种较为密实的泥页岩。初期采用不同方向取样进行试验，发现各向异性不明显，因此本文只考虑浸水后力学特性的变化，忽略不同加载方向的影响。

为评价泥页岩浸水后的力学特性，试验考虑弹性模量E、抗压强度σ等因素。试验主要考虑浸水时间对泥页岩物理力学性能所带来的影响。试验设计方案将试样分为6组，每组5个，然后对试样进行岩石力学瞬时试验。试样编号及浸水时间见表1。

表1 试验方案设计Table 1 Design of test schemes

在进行三轴压缩试验前，通过单轴压缩试验得到试样的单轴抗压强度为40.72 MPa，表明天然状态下该试样整体性较好。然后在各组试样达到浸水时间后对其进行常规三轴压缩试验(对于天然试样，直接在三轴伺服仪上试验)，根据试验数据绘制应力-应变曲线，并通过对比分析探讨浸水时间对泥页岩力学参数和弹性模量的影响。

在不同围压下进行常规三轴试验，受试样个数及试验条件限制，试样分为6组，每组5个，测得一组中5个数据然后取平均值。考虑到泥页岩的天然赋存情况，试验围压分别为：0(天然状态)，0.5，1.0，2.0 MPa(部分4.0 MPa围压)。

图2 不同浸水时间的泥页岩常规三轴压缩应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of conventional triaxial compression tests on shale soaked for different durations

3 试验结果及分析

3.1 泥页岩的常规三轴压缩试验

遇水膨胀软化是泥页岩这类岩石的重要性质，不同浸水时间下的试样由于经过浸泡，其宏观力学特性发生了一些变化。

对不同浸水时间下的试样进行常规三轴压缩试验，可以得到泥页岩的应力-应变曲线，进而分析对泥页岩物理力学性能产生的影响。图2为不同浸水时间下泥页岩的应力-应变曲线。试验的峰值强度、残余强度及弹性模量变化值见表2。数据前的负号(-)代表数据的减小。

表2 不同浸水时间下泥页岩强度及力学参数Table 2 Strength and mechanical parameters of shale soaked for different durations

3.2 泥页岩浸水后强度特性的变化规律

3.2.1 浸水时间对岩石的峰值和残余强度的影响

(1) 由表2可知，相同浸水时间下，峰值偏应力随围压的增加而增加。试样三轴压缩过程中，天然状态下的岩石、浸水30 d、浸水90 d和浸水150 d的岩石试验时常伴随着轻微的响声，应力下降显著，其他浸水时间下的岩石在试验时没有明显的响声，说明应力下降幅度较小。

(2) 相同围压下，浸水时间越长，峰值偏应力下降越多。围压为1.0 MPa时，与天然试样的峰值强度相比，浸水30 d试样的峰值强度下降了31.11%，浸水90 d试样的峰值强度下降了32.78%，浸水150 d试样的峰值强度下降了45.22%，浸泡210 d和270 d后，试样峰值强度分别下降48.10%和49.35%。成果表明：在150 d前，峰值强度下降明显，150 d后趋于稳定。

(3) 相同围压下，天然试样残余强度最大。与天然试样相比，当围压为0.5 MPa，浸泡30 d后，残余强度降低37.01%；浸泡90 d后，残余强度降低27.81%；浸泡150 d后，残余强度降低37.16%；浸泡210 d后，残余强度降低52.41%；浸泡270 d后，残余强度降低50.27%。总体上，随着浸泡时间的延长，试样残余强度明显降低。

3.2.2 时间对岩石强度参数的影响

根据摩尔-库伦准则，可求出不同浸水时间下强度参数c，φ的值。表3是不同状态下的强度参数及变化幅度值(数据前负号(-)表示减小)。

表3 不同浸水时间下强度参数Table 3 Strength parameters under differentsoaking durations

图3表示不同浸泡时间后试样常规三轴压缩试验获得的散点图、线性拟合直线及其拟合方程。根据式(1)和式(2)分别计算内摩擦角φ和黏聚力c。

(1)

(2)

式中：m为拟合直线的斜率；b为直线与纵坐标轴的截距。

图3 不同条件下线性拟合曲线Fig.3 Linear curve fitting under different conditions

将拟合直线的截距和斜率代入式(1)得到天然试样及不同浸泡时间后试样的强度参数。

根据表3可知，岩样强度参数发生不同程度变化，可得到以下几点规律：

(1) 与天然状态相比，随着浸水时间的增加，试样内摩擦角φ值的变化幅度并不明显，说明浸水时间对岩样内摩擦角影响并不明显。

(2) 与天然状态的岩样相比，随着浸水时间的增加，浸水后岩样的黏聚力c值出现大幅下降，说明浸水时间对黏聚力的影响较为显著。

3.3 浸水时间对泥页岩弹性模量的影响

弹性模量是应力-应变曲线上直线段的斜率，泥页岩不同浸水时间下常规三轴压缩试验的弹性模量见表4，弹性模量随浸水时间变化曲线见图4。

表4 各状态下的弹性模量Table 4 Modulus of elasticity at each state

图4 不同围压下的弹性模量与浸水时间的关系曲线Fig.4 Relation between elastic modulus and soaking duration under different confining pressures

相同围压下，弹性模量随浸水时间的增加而降低。围压为0.5 MPa时，与天然状态试样相比，浸水30，90，150，210， 270 d后，弹性模量分别降低4.53%，22.90%，52.38%，47.61%，55.78%；浸水150 d试样的下降幅度略高于浸水210 d的下降幅度，应是由岩样的离散型导致的。

3.4 浸水时间对泥页岩破坏形式的影响和评价

岩石是一种非均质、非连续、非线弹性、各向异性的材料，内部随机分布着大量的微裂隙，这些裂隙通常是点或线的接触。在外部荷载压缩下，微裂隙逐渐发育、开展、搭接最后聚合贯通，线接触逐渐变为面接触，变形超过极限值时岩石破坏。岩石的破坏形式从力学角度可为3类：剪切破坏、脆性张拉劈裂破坏、张拉和剪切混合破坏。

表5为不同浸水时间下泥页岩试样的破坏形式。 泥页岩的破坏形式随着浸水时间的延长，从脆性张拉破坏逐渐转变为拉剪为主混合破坏直至剪切破坏，这说明了浸水作用下的泥页岩有由脆性向延性转变的趋势。

表5 试样三轴压缩试验破坏形式Table 5 Failure modes of specimens undertriaxial compression

由表5可知，泥页岩试样沿轴向存在多条劈裂面，试样的破坏形式多为脆性张拉劈裂破坏及张拉和剪切混合破坏2种形式。当试样浸水时间为0 d时，其破坏形式主要为脆性张拉劈裂破坏，当浸水时间为30～150 d时，试样出现相互搭接的剪切裂纹，除个别试样发生局部破坏外，多数试样存在贯通裂纹，试样破坏形式仍以脆性张拉劈裂破坏为主；随着浸泡时间的增加，尤其当浸水时间为210～270 d时，泥页岩破裂面明显增多，出现多条交错的剪切裂纹，试样破坏形式主要以剪切破坏、张拉和剪切混合破坏2种形式为主。因此通过试验可认为：在围压较低时，泥页岩呈现拉剪混合破坏，以张拉为主，表现为明显的脆性破坏。

4 结 论

基于泥页岩三轴压缩试验，探讨了浸水时间对泥页岩强度、变形及破坏形式的影响，得到主要结论如下。

(1) 对比分析应力-应变曲线，发现在微裂隙从发育到贯通阶段出现了较为明显的屈服点；随着浸水时间的延长，泥页岩在轴向的破坏应变也逐渐增大，说明了随着浸水时间的延长，试样的应变软化更加明显。

(2) 浸水后的试样在弹性变形阶段，前90 d弹性模量几乎不变，但在90～150 d后，弹性模量下降显著，210 d后弹性模量下降幅度较小，趋于稳定。这表明短期浸水对试样弹性模量没有太大影响，但长期浸水却极大降低试样的弹性模量。这说明浸水时间是影响泥页岩变形性能劣化的重要因素。

(3) 天然状态下，试样呈脆性破坏，出现多道劈裂纹。但随着浸水时间的延长，试样破坏形式逐渐由脆性张拉劈裂破坏转变为拉剪破坏为主的混合破坏。

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(编辑：姜小兰)

Experimental Study on Mechanical Properties of Soaked Shale

JIN Cheng1,2, WANG Fang1,2, SHI Chong1,2
(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The mechanical properties of shale vary after being soaked and softened in water. In view of this, triaxial compression tests were conducted on shale soaked in water for different durations. The relationship between stress and strain of soaked shale was revealed, and the variation regularity of mechanics parameters of shale was obtained under the action of water deterioration. Results indicate that the strength and elastic modulus of soaked shale specimens reduced greatly with the increase of soaking duration. Water soaking had small influence on frictional angle of soaked shale, but significant impact on cohesion. In addition, as the softening effect became increasingly significant, the failure mode of shale specimens gradually changed from brittle tensile splitting failure to a mixed failure form of tension and shear. The strength reduced and ductility increased when softening action became increasingly significant. Soaking duration has significant impact on strength, deformation and failure mode. The results offer reference for determining geotechnical parameters or mechanical analysis of shale.

shale; softening action; soaking time; triaxial compression test; mechanical characteristics; stress-strain curve

2016-06-06；

：2016-08-05

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB057903)；国家自然科学基金青年项目(51309089)；江苏省基础研究计划(自然科学基金)项目( BK20130846)

金 成(1992-)，男，江苏淮安人，硕士研究生，研究方向为岩石力学与工程安全，(电话)15895933889(电子信箱)616421611@qq.com。

石 崇(1978-)，男，山东临沂人，副教授，博士，研究方向为多尺度岩土力学与工程，(电话)13770773434(电子信箱)scvictory@hhu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160572

2017,34(9):122-126

TU521.22

：A

：1001-5485(2017)09-0122-05