干燥失水对泥质粉砂岩遇水后物理力学性质的影响

周华，靳鹏

（重庆市二零八工程勘察设计院有限公司，重庆 400700）

近年来，中国西南地区多次出现长期干旱后突发强降雨的特殊天气[1]，岩土体性质发生较大变化，从干燥失水快速转变为饱和状态。为评价长期干旱后突遇强降雨时岩土体强度和稳定性，针对干燥失水岩土体遇水后物理力学性质的研究显得尤为必要。目前，对于水岩作用的研究已取得丰富的成果，已知水对岩土体的物理力学性质有着重要的影响[2-4]。对于水岩作用造成的物理力学性质变化的研究过去主要针对天然状态下岩体，对干燥失水状态下岩体研究较少。

基于以上背景，本文进行了干燥条件下泥质粉砂岩浸水试验。以遇水后天数为变量，通过岩石单轴压缩试验，研究干燥条件下泥质粉砂岩遇水后力学性质的变化。研究采用岩体波速测试获取泥质粉砂岩遇水后裂隙变化，通过X射线衍射测试，获取泥质粉砂岩遇水后矿物成分变化。通过多种手段共同揭示泥质粉砂岩在特殊条件下物理力学性质的变化规律，为地质体防治提供理论依据。

1 制样及岩体物理力学性质

以往对岩土体的水岩作用研究多集中于成分单一的泥岩[5-10]，对于含砂量较高的泥质粉砂岩的研究相对较少，然而在四川的东部地区分布着大量的泥质粉砂岩，其力学性质对地基稳定性及边坡稳定性起着决定性作用[11-13]。因此，本次研究选取四川省德阳市某人工边坡（图1）中的泥质粉砂岩为研究对象。现场采取新鲜完整的泥质粉砂岩样品，用蜡封法进行密封。样品规格：Φ90×100mm，每组试验3个试样。天然试样的基本物理力学参数见表1。

图1 取样地点及试样

表1 天然试样基本物理力学参数

2 干燥失水条件下泥质粉砂岩浸水试验

2.1 参数选取

干燥失水条件下泥质粉砂岩浸水试验，就是首先通过烘箱将岩样烘干，再对烘干后的岩样做浸水处理。试验过程涉及四个条件，包含烘干温度、烘干后含水率、浸水试验所用水及浸水时间。

（1）烘干温度设置

以往研究人员通过对土体温度与湿度进行观测，认为最高温度在45℃左右[14]。为接近长期干旱条件下的土体温度和土体剩余含水率，同时加快烘干过程，本次试验设置烘干温度55℃。

（2）烘干后含水率

本文以剩余含水率来表示烘干后含水率。以往研究[15]表明岩土体在不同温度下剩余含水量不同，随着温度上升剩余含水率降低。为获取泥质粉砂岩烘干后含水率的变化情况及达到剩余含水率所需时间，通过烘干试验，得到泥质粉砂岩含水率变化曲线（图2），发现泥质粉砂岩在55℃下剩余含水率约为1.18%，时间约27h。

（3）浸水试验所用水

由于河水、雨水含有不同的化学成分，对试验岩土体作用不明，因此选用蒸馏水。

（4） 浸水时间

王森[5]认为泥岩在遇水7d后含水率稳定，接近饱和状态。泥质粉砂岩较泥岩渗透性大，故该试验设置遇水后7d为最大饱水浸泡天数，保证浸水后试样处于饱水状态。

图2 泥质粉砂岩含水率变化曲线

2.2 试验方案

试验具体内容为：首先，通过烘箱设置55℃烘干温度，烘干至1.18%初始含水率，模拟泥质粉砂岩在长期干旱条件下的失水过程；然后冷却至常温，模拟自然条件下的降温过程；通过室内浸水试验浸泡7d，模拟强降雨过程。通过以上进行的干燥条件下泥质粉砂岩的浸水试验，最后对干燥失水条件下泥质粉砂岩浸水不同天数后的样品进行单轴压缩试验、纵波波速测试和X射线衍射测试。干燥失水条件下岩石浸水试验方案见图3。

图3 干燥失水条件下泥质粉砂岩浸水试验设计

3 试验结果与分析

干燥失水条件下泥质粉砂岩浸水后，强度变化曲线见图4，强度及波速试验数据见表2。

3.1 干燥失水对泥质粉砂岩浸水后物理力学性质的影响

（1）弹性纵波波速与干燥失水后浸水天数的关系

在干燥失水后，泥质粉砂岩弹性纵波波速从2494.40m/s下降至1597.43m/s。邓华锋等[16]认为波速的下降应与含水率的下降和内部裂隙的发育两方面因素有关。

图4 干燥失水条件下泥质粉砂岩浸水后强度变化曲线

表2 干燥失水条件下泥质粉砂岩浸水后强度、纵波波速测试结果

在开始浸水后波速进一步下降，稳定在1200～1350m/s范围内（表3），测试时仪器上显示的波速曲线几乎无稳定值且波动较大，说明裂隙较为发育。通常来说干燥失水的岩样在浸水后，因含水率升高波速应变大，但波速反而变小，说明试样在浸水过程中，因黏土矿物吸水膨胀与吸水过程中气泡产生对试样的张拉力的影响，导致泥质粉砂岩内部因干燥失水后裂隙进一步扩张，使得裂隙造成波速下降的影响远大于含水率增高的影响。

表3 干燥条件下泥质粉砂岩浸水后矿物成分含量测试结果

泥质粉砂岩在干燥失水后浸水1～7d时，波速几乎为稳定值，但在试样放入水中2h内，气泡大量产生，表面开始产生裂纹、少量粘粒掉落在容器内，试样顶部在气泡的拉应力作用下产生裂纹（图5）。说明干燥失水后的泥质粉砂岩在饱水浸泡过程中，因前期短时间内吸水速率较大，在试样内部的裂隙中可能形成“水击锤”效应，使得裂隙迅速发展。

图5 吸水气泡产生的顶部拉裂缝

（2）单轴抗压强度与干燥失水后浸水天数的关系

泥质粉砂岩在干燥失水后强度有明显的上升现象。干燥失水后的单轴抗压强度约为8.03MPa，相比于天然抗压强度2.73MPa明显的增大。干燥失水使得含水率减少、孔隙收缩，从而使得强度增加，显现硬岩的性质。

干燥失水后随浸水时间的增加，泥质粉砂岩的单轴抗压强度出现明显下降趋势（图3）。浸水后1d之内强度大幅下降，但随着浸水时间的增加，强度变化幅度逐渐降低，最终趋于稳定值。伴随着波速的大幅下降，强度也大幅下降，因此反映裂隙发育主要集中在浸水初期。

（3）矿物成分与干燥失水后浸水天数的关系

随着干燥失水试样饱水浸泡时间的增加，蒙脱石、石英、方解石含量也增加，而伊利石、长石含量下降。反映了随着干燥失水后饱水浸泡时间的增加，伊利石、长石逐渐分解为蒙脱石等矿物的过程[17]（图 6）。

图6 黏土矿物形成演化过程（柯夫达，1981）

4 讨论

4.1 干燥失水岩体浸水劣化规律与天然岩体浸水劣化规律对比

通过该试验可知：干燥失水后的泥质粉砂岩在浸泡至稳定强度后呈现82.42%的最终衰减幅度（较天然单轴抗压强度），与王森[5]认为的未经历失水的岩体直接浸水的最终衰减幅度40%左右（天然抗剪强度）相比较，衰减幅度大幅增加；干燥失水后泥质粉砂岩在浸水处理1d内强度大幅下降段就基本结束，较天然岩体直接浸水处理7d后强度才逐渐趋于稳定相比[5]，强度大幅衰减的时间段变短。虽然该试验的单轴抗压强度和抗剪强度不具有直接对比性，但衰减幅度和规律应是类似的，单轴抗压强度的衰减变化规律反映了抗剪强度的变化规律。

4.2 干燥失水对泥质粉砂岩遇水后快速劣化机理探讨

干燥失水后试样内部因失水收缩会产生微裂隙[15]，在后续浸水过程中，微裂隙在初期较大的吸水速率和吸水产生的气泡张拉作用影响下，裂缝尖端产生应力聚集，从而使裂缝进一步扩张，导致岩石劣化。相较于天然试样浸水过程，干燥失水后岩体初始含水率更低，吸水速率更大，因此与天然试样相比较，其在吸水过程中胶结破坏更严重，强度更低，劣化速度和程度都大为增加。

5 结论

通过干燥失水条件下泥质粉砂岩浸水试验、单轴抗压试验、纵波波速测试及X射线衍射等一系列试验，从宏观、细观和微观角度研究了干燥失水条件下泥质粉砂岩遇水后7d的物理力学特性的变化，试验结果表明：

（1）中江红层泥质粉砂岩虽然具有较高的含砂量，但在干燥失水条件下遇水后其物理力学特性发生显著变化，纵波波速及强度先大幅下降后趋于稳定。

（2）干燥失水条件下浸水1d后强度大幅下降阶段就完成，远低于天然试样浸水后7d的强度快速下降时间段[5]；干燥失水条件下浸水7d后泥质粉砂岩稳定强度低于天然试样饱水浸泡后稳定强度。

（3）纵波波速变化与强度有一定的相关性，波速与强度下降趋势接近，裂隙的产生为强度下降的主要因素。

（4）X射线衍射结果表明，随着干燥失水后浸水时间的增加，伊利石、长石等分解，形成蒙脱石等矿物。