红层泥质岩循环干湿风化下变形特性试验研究

孙怡，邓荣贵，文琪鑫，董玲

红层泥质岩循环干湿风化下变形特性试验研究

孙怡，邓荣贵，文琪鑫，董玲

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

泥质岩土石料填筑体因风化引起的工后变形沉降破坏，已成为道路等土建设施成败的关键。基于此，对泥质岩烘干与浸水循环条件下，侧向自由与侧向约束下的膨胀与收缩变形特征进行试验研究，研究结果表明：通过无侧限状态下，自然风干的试样与加热带加速风干的试样变形特征对比可知，加热带加速风干过程不影响试样干湿过程中整体的体积变形趋势，同样可以体现泥质岩试样在自然状态下循环干湿的变化特征；通过加热带风干条件下，无侧限和有侧限约束下的试样对比可知，约束条件不影响试样过程中整体的体积变形趋势；泥质岩在循环干湿风化过程的单次浸水和单次风干过程的体积变形特征与岩石受荷蠕变特征相似，并提出类Kelvin膨胀及收缩模型，与试验数据拟合效果良好；自然风干泥质岩试样在循环干湿风化过程中随干湿次数的增加，体积变形量逐渐增大，循环干湿过程中试样变形稳定所需时间主要取决于试样内部裂隙的扩展情况。

红层泥质岩；干湿循环；膨胀；收缩；蠕变模型

西南地区广泛分布着红层，红层地层岩石多由砂岩和泥质岩组成。同时该地区雨水充足，水分对岩石的作用尤为明显。而岩石的变形会影响上部结构工程的长期稳定性，并且对于含有泥质岩的土石料高填方工程也有诸多不良的影响，已成为高速铁路路基工程急需解决的理论及处治技术难题，并成为许多高铁线路路段限速的直接原因。因此，泥质岩中水分迁移，或者宏观上表征的反复干湿过程对泥质岩变形的影响研究受到了学术界和工程界的高度关注。在水−泥质岩互相作用方面，国内外学者开展了大量的研究。柳培玉等[1]通过砂质泥岩进行吸水试验，分析泥质岩不同水压条件下的吸水量和吸水率的变化特征，并指出岩样微观结构中在吸水前后明显变化的伊蒙混层结构可能是影响吸水规律的重要因素之一；钟志彬等[2]基于对川中红层泥岩开展的浸水膨胀性试验，分析得到泥岩吸水膨胀具有显著的时效性；柴肇云等[3-4]通过对泥质岩进行膨胀性试验，得出泥质岩膨胀特性具有各向异性且受水环境浓度值的影响；王振等[5]基于对钙质泥岩进行物理力学试验，指出钙质泥岩遇水软化是由于其吸、失水过程中水化膨胀反应及其损伤造成的；而梁冰等[6−9]分别通过室内冻融、干湿循环试验和现场地质调查对泥质岩崩解特性及机理进行了研究。而关于泥质岩反复干湿过程中其膨胀及收缩变形特性的试验和理论研究则并不多见，因而对于水环境周期性变化的泥质岩工程，如水库工程的库岸边坡岩体、土石坝的填筑堆石料以及港口工程基础建设等，难以进行长期稳定性分析。在泥质岩的胀缩性能方面，国内外学者也开展了研究。例如， HUANG等[10]对25个页岩试样在不同环境温度下进行2个循环的干湿试验，得出影响页岩的膨胀变形特性的3个因素(页岩水敏感性、环境温度和初始含水率)中，环境温度的影响最小，且在2次循环干湿试验中，第2次循环单次岩样的膨胀压力和膨胀应变与其达到最大膨胀应变的时间均小于第1次循环。Doostmohammadi等[11]通过测试不同静压力下泥质岩的膨胀应变和不同固结条件下泥质岩的膨胀压力，指出泥岩的最大膨胀应变和膨胀压力随循环次数的增加而增大，最终趋于某一极限值，并且增加干湿循环次数可以减少泥岩达到极限膨胀量所需的时长。Inoue等[12]通过水槽试验模拟研究干湿循环对天然河道基岩抗拉强度和基岩侵蚀率的影响，结果显示新鲜基岩侵蚀率与岩石抗拉强度直接相关，而岩石抗拉强度随干湿循环次数呈指数递减。李地元等[13]对不同干湿循环次数下的红页岩进行单轴压缩试验，结果显示干湿循环一次后试样的单轴抗压强度和弹性模量明显降低，并随着循环次数的增加而趋于稳定。上述成果为研究泥质岩遇水膨胀特性和机理提供重要参考。然而，研究很少涉及泥质岩所处的水环境发生多次周期性干、湿变化时，其变形特性的变化规律。泥质岩风化会导致土石料或堆石料填筑体的长期变形失稳，也会影响泥质岩地基上的建筑结构变形及稳定性，而关于泥质岩在反复干湿交替环境下膨胀变形的特征和规律鲜有研究。为此，本文开展不同侧限和不同风干条件下泥质岩的干湿循环试验，对泥质岩在干湿循环作用下的变形性能进行研究，并探讨泥质岩膨胀变形的内在机理。

1 岩样及试验设备

1.1 试验岩样

试验所用岩样采自四川某在建大型机场工程，为侏罗系沙溪庙组泥质岩。所取试样重度为2.38 kN/m³，含水率2%，单轴抗压强度为3.87 MPa。

在现场取原状岩块毛样，采用泡沫板包裹抗扰动措施，室内采用手提式钻机、切样机及手工干式制样法制取试样，试样尺寸直径为50 mm，高度为100 mm的圆柱试件。所有试样均从采自同一位置的岩块制备而成，并选取表面无明显宏观大裂隙且微裂隙发育密度小的试样开展试验。

1.2 试验设备及原理

试验设备采用自主设计的软质岩膨胀性试验设备，以此申请的发明专利已处于实质性审查阶段，可测试水淹没环境下软质岩膨胀及收缩特性，形成不同条件下软质岩的体积变形特征曲线，通过对比这些曲线得出不同条件下软质岩的膨胀性差异。装置示意图见图1及图2。该装置由试样室、浸水槽、透水石、岩芯试样和千分表等组成，其中浸水槽底部留有带阀门的排水孔及排水管。试样室由置于浸水槽中的圆柱形带透水孔钢管、滤纸和顶、底部透水石组成，透水石边缘上方放置圆柱带孔钢管，且钢管与试样紧密接触。为了防止岩屑沿透水石小孔流失，在岩样顶底部铺设滤纸。顶部透水石上方与千分表测头接触。为了便于观察，浸水槽采用15 mm厚的有机玻璃材质，圆柱带孔钢管壁厚3.5 mm，内径51 mm，圆孔半径5 mm，对称分布共16个。

(a) 无侧限自然风干条件；(b) 无侧限加热带风干条件；(c) 侧向约束加热带风干条件

1.3 试验设计

试验时，首先将岩样装入圆柱带孔钢管中，为确保岩样恰好紧密套入钢管中并降低装样过程中岩样与圆孔之间的摩擦力，在岩样环向涂抹薄层凡士林，然后将装有岩样的钢管浸入蒸馏水中，液面高出岩样顶部透水石上表面1 cm。通过置于岩样上表面透水石中心位置处的千分表记录岩样高度变化。为研究泥质岩循环胀缩特性，试验分2步进行：1) 对所加工的6个试样分别进行膨胀性试验，1号和2号试样浸泡时间为168 h，3号，4号，5号和6号试样的浸泡时间为48 h；2) 膨胀试验结束后，对1号和2号试样进行无侧限自然风干的干湿试验①，风干时间为264 h；对3号和4号试样进行无侧限加热带加速风干的干湿试验②，风干时间为72 h；对5号和6号试样进行侧限加热带加速风干的干湿试验③，风干时间为72 h。试验操作如下：

图2 试验设备结构及构件图

待试样膨胀稳定后，将浸水槽底部的排水孔上的阀门打开，放出浸水槽中的蒸馏水，将干湿试验②③的加热带开关打开，为了真实模拟干旱气候的影响，采用部分干缩路径。部分干缩通常有2种试验形式：一种是给定干燥要达到的含水率状态，而不计干燥温度和干燥时间；另一种是给定干燥温度和干燥时间而不计最终的含水率状态。本文3号，4号，5号和6号试样采用后者，设计加热带加热温度为50 ℃，持续烘干72 h，记录试样的收缩变形，完成一次湿干循环。关闭加热带，待冷却至室温后(约1.5 h)，通过浸水槽上部采用漏斗加水，当浸水槽液面达到设定高度时，停止加水，开始下一个循环，如此往复，共进行6个循环。

2 无侧限泥质岩胀缩特性

2.1 自然风干条件下泥质岩的膨胀变形特征

无侧限自然风干情况下泥质岩1号试样轴向和径向膨胀变形特征如图3所示。该试样的初始体积为188.54 cm³，可计算得到试样的体积变形曲线如图4所示。通过膨胀变形曲线与体积变形曲线的对比可得，试样的体积变形曲线与轴向变形及径向变形曲线的变形趋势一致，均是在浸水饱和过程中膨胀变形先是迅速增大，然后缓慢增大并趋于稳定；而风干过程中膨胀变形则显示先迅速减小，然后缓慢减小并趋于稳定。

图3 1号试样单次干湿过程的膨胀变形曲线

图4 1号试样单次干湿过程的体积变形曲线

2号试样由于自身内部原生裂隙比较多，在浸水饱水过程中即发生崩解，致使千分表脱离试样，无法继续测定其遇水膨胀变形特性。

2.2 加热带加速风干条件下泥质岩的膨胀变形特征

3号和4号试样同样采用无侧限约束的条件进行干湿试验，不同于自然风干的试验条件，本次试验采用加热带加速风干的条件进行变形试验研究。其中，3号试样同样由于自身内部原生裂隙比较多，在第一次饱水过程中即发生崩解，千分表脱离试样，无法继续测定其遇水膨胀变形特性。因此，此处仅分析4号试样的变形特征曲线。

图5 1号试样单次干湿过程的膨胀应变曲线

图6 4号试样单次干湿过程的膨胀变形曲线

图7 4号试样单次干湿过程的体积变形曲线

图8 4号试样单次干湿过程的膨胀应变曲线

通过对4号试样加热带加速风干情况下的单次干湿变形曲线与自然风干情况下的单次干湿变形曲线的对比可得，整体趋势是一致，而在排水完成后初始加热阶段，轴向、径向和体积应变都有一段骤升段，这是因为浸水槽排水完成后，试样内部还有大量的水分存在，此时加热带加热初期会导致试样内部裂隙内的水分热胀冷缩，从而引起试样整体膨胀量骤增。从上述1号和4号试样的对比可知，不同风干的试验条件，不影响干湿试验过程试样体积的整体变化趋势，若以风干过程中试样的体积变形速率小于0.2 mm³/min作为风化稳定的判别标准，则自然风干条件下风干时间需要140 h，而加热带加速风干条件下需要36 h，因此，加热带风干情况下明显缩短了风干的时间。

3 侧限泥质岩反复胀缩特性

通过前2个小节的对比可以得出2点：1) 无侧限试验条件下试样的体积变形趋势与轴向变形和径向变形趋势均一致，且无侧限条件下若试样本身原生裂隙较多，可能在浸水饱和过程中因为没有约束而崩解破坏，导致无法有效测定变形；2) 加热带加速风干条件下试样的体积变形趋势与自然风干条件下的体积变形趋势一致，只是缩短了风干条件下持续的时间。因此，采用加热带加速风干条件下侧限情况的反复干湿试验，可以在不改变试验结果趋势的情况下缩短试验时间。

3.1 单次浸水风干条件下泥质岩的膨胀变形特征

取5号和6号泥质岩试样进行反复干湿风化变形试验，在有侧限约束及加热带加速风干的情况下饱水−风干1次的轴向变形曲线如下图。

图9 5号试样第1次干湿过程膨胀变形曲线

图10 6号试样第1次干湿过程膨胀变形曲线

由图9~10可知，试样在饱水过程初期，轴向变形随着时间的增加而迅速增长，随后随着时间的增长试样的轴向变形趋于稳定。

试样风干是通过缠裹在试样侧限钢管外侧的加热带实现，试样排水完毕后打开加热带对试样进行加热，加热初期，试样随着时间的增长轴向变形快速上升，随后随着时间的增长而快速下降，并在最后趋于稳定。

曲线中间阶段出现的急速攀升是由于加热带加热造成的温度急速上升，引起试样裂隙中的水分热胀冷缩；而试样最后阶段出现的快速下降段是由于加热带断电引起的。侧限约束加热带风干条件下岩样的整体变形特征与无侧限约束加热带风干条件下的泥质岩样特征基本一致。

3.2 循环干湿条件下泥质岩的膨胀变形特征

图11~12为5号和6号泥质岩试样胀缩变形随循环次数的变化过程曲线，图13~14为试样在反复干湿过程中绝对膨胀率及绝对收缩率的变化，由图11~14可知：1) 在反复干湿过程下，单次干湿泥质岩的胀缩变形曲线形态相近，单次干湿过程中，在浸水初期膨胀变形较快，然后逐渐变缓并趋于稳定，在随后的风干作用下体积迅速降低并趋于稳定；2) 无论是浸水过程的膨胀率，还是风干后的收缩率均随循环次数的增加而增大，并且随着干湿循环次数的增多而有变缓的趋势；3) 各干湿循环后泥质岩的膨胀率均大于前一次循环，即泥质岩的膨胀变形包含塑性变形，具有不可逆性；4) 2个岩样的膨胀率和收缩率不同是由于原状岩样内部初始裂隙的发育特征不同导致的试样在干湿过程中的损伤积累过程差异而造成的。

图11 5号试样循环干湿过程的膨胀变形曲线

4.3 泥质岩反复胀缩变形机理分析

泥质岩单次膨胀过程和单次收缩过程均类似岩石的受荷载蠕变过程。

参照经典的Kelvin岩石蠕变模型可得浸水膨胀蠕变及风干收缩蠕变方程：

式中：()为与时间有关的膨胀应变，为时长，1，2，3，4和1，2为与岩石本身物理力学性质有关的参数。

图12 6号试样循环干湿过程的膨胀变形曲线

图13 试样循环干湿过程的绝对膨胀率

图14 试样循环干湿过程的绝对收缩率

由膨胀蠕变方程式(1)可知，当=0时，膨胀应变=1，对应单次浸水试验初始状态；当®¥时，®2为定值，也就是2的物理意义为岩石浸水膨胀后应变的最终稳定值。参数1的存在使得膨胀变形从初始状态到最终稳定状态的过程变长，也就是1的物理意义为岩石吸水膨胀的黏滞系数。1越大，岩石吸水膨胀稳定的速率越快。

采用式(1)对5号，6号试样初次膨胀试验数据进行拟合，获得拟合参数1，2和1，拟合曲线如图15。

图15 5号和6号试样初次浸水膨胀试验数据拟合

由收缩蠕变方程式(2)可知，当=0时，膨胀应变=3为定值，3的物理意义为岩石风干收缩前试验的初始状态；当®¥时，®4为定值，也就是4的物理意义为岩石风干收缩后应变的最终稳定值。参数2的存在使得收缩变形从初始状态到最终稳定状态的过程变长，也就是2的物理意义为岩石失水收缩的黏滞系数。2越大，岩石风干收缩稳定的速率越快。

采用式(2)对5号，6号试样初次风干收缩试验数据进行拟合，获得拟合参数3，4和2，拟合曲线如图16。

采用式(1)，(2)对5号，6号试样的单次浸水膨胀、风干收缩变形量进行拟合，分别获得拟合参数1，2，3，4和1，2，拟合数据如表1表2所示。从表1可以看出，浸水膨胀模型曲线的拟合决定系数2均大于0.88；而从表2可以看出，风干收缩模型的拟合决定系数2均大于0.95。

图16 5号和6号试样初次风干收缩试验数据拟合

进一步对试样反复干湿过程进行分析，从图17中试样在反复浸水膨胀过程中，黏滞系数1先增大后减小可以看出，试样在初次浸水过程中黏滞系数较小，即试样浸水膨胀变形稳定速率较慢，后随着试样干湿循环的增加，试样表面裂隙增多，试样浸水饱和速率增大，进而试样在水岩作用下变形速率也增快，而随着试样干湿循环次数的继续增加，试样内部微小裂隙增多，试样浸水饱和所需吸收水分增多，试样饱和速率降低，进而试样在水岩作用下的变形速率减慢。从图18中试样在反复风干收缩过程中，黏滞系数2随循环次数的增大而逐渐减小并趋于稳定，可以看出随着风干次数的增大，试样失水变形稳定的速率减小，即试样内部裂隙增多，非贯通裂隙所含水分不易失去，因此试样失水变形稳定的速率变慢。

表1 浸水膨胀模型拟合参数

表2 风干收缩模型拟合参数

图17 5号和6号试样浸水膨胀模型参数η1与循环次数关系

图18 5号和6号试样风干收缩模型参数η2与循环次数关系

试样反复干湿风化过程中，泥质岩的变形特性主要取决于试样内部裂隙的扩展情况。非贯通微小裂隙的增多将增大试样浸水和失水的难度，从而试样浸水饱和和失水风干过程中变形稳定的速率也会降低。

4 结论

1) 泥质岩试样在无侧限状态下，自然风干与加热带加速风干的试样体积变形特征对比可知，加热带加速风干过程可以体现泥质岩试样在自然状态下反复干湿的变化特征，且缩短了试样风干变形稳定的过程。

2) 泥质岩试样不仅在浸水过程中发生膨胀变形，且随反复干湿风化试验过程中干湿次数的增加，体积变形量逐渐增大。

3) 泥质岩在反复干湿风化过程中，单次浸水或失水过程的体积变形特征与岩石受荷载蠕变特征相似。

4) 本文提出的类Kelvin膨胀及收缩模型可以较好地模拟泥质岩在浸水饱和及失水风干过程中体积变化规律，且模型的参数可以有效地度量泥质岩的变形稳定值及黏滞特征。

[1] 柳培玉, 张娜, 何满潮, 等. 平庄煤矿砂质泥岩吸水特性试验研究[J]. 金属矿山, 2011(9): 49−53. LIU Peiyu, ZHANG Na, HE Manchao, et al. Experimental study on water absorption processes of sandy mudstone in Pingzhuang coal mine[J]. Metal Mine, 2011(9): 49−53.

[2] 钟志彬, 李安洪, 邓荣贵, 等. 川中红层泥岩时效膨胀变形特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(1): 76−86. ZHONG Zhibin, LI Anhong, DENG Ronggui, et al. Experimental study on the time-dependent swelling characteristics of red-bed mudstone in central Sichuan[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38(1): 76−86.

[3] 柴肇云, 张鹏, 郭俊庆, 等. 泥质岩膨胀各向异性与循环胀缩特征[J]. 岩土力学, 2014, 35(2): 346−350, 440. CHAI Zhaoyun, ZHANG Peng, GUO Junqing, et al. Swelling anisotropy and cyclic swelling-shrinkage of argillaceous rock[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(2): 346−350, 440.

[4] 柴肇云, 郭卫卫, 康天合, 等. 水化学环境变化对泥质岩胀缩性的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(2): 281−288. CHAI Zhaoyun, GUO Weiwei, KANG Tianhe, et al. Effect of aqueous environmental chemistry change on swell-shrink property of argillaceous rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(2): 281−288.

[5] 王振, 沈明荣, 刘昂. 钙质泥岩水岩作用特征及遇水软化机理[J]. 西南交通大学学报, 2015, 50(6): 1061− 1066. WANG Zhen, SHEN Mingrong, LIU Ang. Water-rock interaction characteristics and softening mechanism of calcareous mudstone[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2015, 50(6): 1061−1066.

[6] 梁冰, 谭晓引, 姜利国, 等. 冻−融及干−湿循环对泥质岩崩解特性影响的试验研究[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(4): 705−711. LIANG Bing, TAN Xiaoyin, JIANG Liguo, et al. Effects of freeze-thaw and drying-wetting cycles on slaking characteristics of mudstone[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(4): 705−711.

[7] 梁冰, 谭晓引, 姜利国, 等. 泥质岩在不同pH值溶液中的崩解特性试验研究[J]. 土木建筑与环境工程, 2015, 37(2): 23−27, 59. LIANG Bing, TAN Xiaoyin, JIANG Liguo, et al. Expevimental analysis of slaking characteristics of mudstone in different pH solutions[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2015, 37(2): 23−27, 59.

[8] ZHANG Zhenhua, LIU Wu, HAN Lei, et al. Disintegration behavior of strongly weathered purple mudstone in drawdown area of Three Gorges reservoir, China[J]. Geomorphology, 2018, 315: 68−79.

[9] 苏天明, 张艳鸽. 红层泥质岩崩解破坏现象与机理[J]. 公路交通科技, 2014, 31(2): 9−13. SU Tianming, ZHANG Yange. Phenomenon and mechanism of red bed mudstone disintegration[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014, 31(2): 9−13.

[10] HUANG S L, Speck R C, WANG Z. The temperature effect on swelling of shales under cyclic wetting and drying[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1995, 32(3): 227−236.

[11] Doostmohammadi R, Moosavi M, Mutschler T, et al. Influence of cyclic wetting and drying on swelling behavior of mudstone in south west of Iran[J]. Environmental Geology, 2009, 58(5): 999.

[12] Inoue T, Yamaguchi S, Nelson J M. The effect of wet-dry weathering on the rate of bedrock river channel erosion by saltating gravel[J]. Geomorphology, 2017, 285: 152− 161.

[13] 李地元, 莫秋喆, 韩震宇. 干湿循环作用下红页岩静态力学特征研究[J].铁道科学与工程学报, 2018, 15(5): 1171−1177. LI Diyuan, MO Qiuzhe, HAN Zhenyu. Study on static mechanical properties of red shale under dry-wet circulation[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(5): 1171−1177.

Experimental study on deformation characteristics of red-bed mudstone under cyclic dry-wet weathering

SUN Yi, DENG Ronggui, WEN Qixin, DONG Ling

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The post-construction deformation and settlement failure caused by weathering of mudstone earth rockfill has become crucial to the success of road and other civil engineering facilities. Therefore, swelling and shrinkage deformation characteristics of mudstone under the condition of lateral restraint and lateral freedom by means of dry-wet cycle were studied. Accelerated drying of heating belt, under lateral freedom condition, through a comparative analysis of deformation characteristics between natural air-drying specimens and accelerated drying specimens, does not affect the overall volume deformation trend in the process of dry-wet cycle. It can also reflect repeatedly dry-wet variation characteristics of mudstone specimens under natural state. The overall volume deformation trend, in the case of heating belt weathering, according to a comparison of the specimens under the condition of lateral freedom and lateral restraint, does not have a correlation with constraint condition. In the process of dry-wet weathering cycle, the volume deformation characteristic of mudstone under single soaking and single drying being similar to that of rock creep under load, similar Kelvin swelling-shrinkage model fitted well with the test data is proposed. In the process of dry-wet weathering cycle, the volume deformation of natural air-dried mudstone specimens increases with the increase of dry-wet times, and the required time for the deformation stability mainly depends on the expansion of internal cracks of the specimens.

red-bed mudstone; dry-wet cycle; swelling; shrinkage; creep model

10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20190302

TU45

A

1672 − 7029(2020)01 − 0057 − 09

2019−04−14

国家自然科学基金资助项目(41272321，51808458)；中国博士后科学基金资助项目(2018M640934)

邓荣贵(1960−)，男，四川自贡人，教授，博士，从事岩石力学、隧道与洞室稳定性和地质灾害与防治工程方面的教学与研究工作；E−mail：drg60@163.com

(编辑 涂鹏)