干湿循环下不同初始干密度泥岩强度劣化研究

2021-04-02朱江鸿余荣光韩淑娴童艳梅张虎元甄作林

铁道学报 2021年10期

朱江鸿，余荣光，韩淑娴，童艳梅，张虎元,2，甄作林,3

(1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州 730000；2.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州 730000；3.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

泥岩一般在天然状态下处于硬塑或坚硬状态，力学性能良好，但具有遇水易软化、抗风化能力弱、易崩解等特征[1-3]。在我国西北部地区，泥岩分布广泛且物理力学性质复杂，对铁路和边坡稳定性具有重要影响[4]。在旱季，由于水分蒸发和地下水位降低，泥岩的含水率降低，产生干缩、开裂等现象；在雨季，由于降雨入渗和地下水位升高，泥岩的含水率升高，产生软化甚至泥化等现象[5-6]。因此，在西北部地区，长期处于旱季雨季交替的泥岩岩性在干湿循环中往往会发生劣化，强度急剧降低，造成边坡稳定性下降[7]，对铁路的安全性产生了威胁。研究干湿循环对泥岩强度的劣化影响，对分析西北部地区岩质边坡的稳定性及制定防护措施具有参考意义，有利于提高铁路运营的安全性。

岩石强度在干湿循环中往往会发生劣化，许多学者进行了相关研究。Hale等[8]、Ulusay等[9]对岩石试样进行了干湿循环试验，研究发现干湿循环对岩样造成不可逆的渐进性损伤。邓华锋等[10]研究了干湿循环对砂岩纵波波速、强度的影响，结果表明两者在干湿循环过程中变化规律不一致。文献[11-12]进行了不同酸性干湿循环的泥质砂岩室内试验，发现酸性干湿循环对力学特性的劣化影响最大，并建立干湿循环中泥质砂岩的细观损伤模型。王亚坤等[13]对泥岩开展了干湿循环的强度试验，试验表明泥岩的抗剪强度和CBR强度与干湿循环次数成反比，其减小趋势随循环次数的增大而降低。杨建林等[14]通过分析泥岩遇水后的成分变化和遇水-风干循环作用下泥岩三维形貌的变化规律，得到泥岩在遇水-风干循环下断裂的微观机制。

上述研究主要围绕某一初始干密度(干湿循环前试样的干密度)条件下干湿循环对岩石强度的劣化影响，关于不同初始干密度条件下干湿循环对岩石强度的劣化研究较少，特别是泥岩方面。然而，对于岩质边坡，不同埋深处的泥岩干密度有所差异，仅分析干湿循环对某一特定初始干密度泥岩强度的劣化影响是不够的，文献[15-16]表明在干湿循环中，初始干密度对岩土体力学特性的劣化影响不可忽略。本文以不同初始干密度的泥岩试样为研究对象，分析干湿循环过程中泥岩试样强度参数的变化规律，探讨不同初始干密度条件下干湿循环对泥岩强度和微观结构的劣化影响。

1 试验概况

1.1 试验材料

泥岩试样取自兰新高铁附近的岩质边坡，位于甘肃省兰州市内，取样地点及岩质边坡地质剖面图见图1。

图1 取样地点及岩质边坡地质剖面

泥岩属于白垩系河口群，中风化，红褐色。根据取样位置不同，将泥岩试样分成3类。同一位置处泥岩试样干密度的平均值设为该处的干密度(平行差值小于0.03 g/cm3)[18]，即3类泥岩试样干密度ρd分别为1.94、2.04、2.13 g/cm3，含水率均为5%左右。泥岩试样主要由石英、长石、白云母等矿物成分组成，见表1。由表1可知，泥岩试样的矿物含量随初始干密度的增大变化较小。

表1 泥岩试样的矿物成分

为满足同一类泥岩强度相近的要求，进行纵波波速测试，保证每一类泥岩试样波速相近，且泥岩试样在初始状态下没有风化裂隙存在。每一类泥岩试样分成Ⅰ～Ⅳ组，其中Ⅰ组和Ⅲ组为直径50 mm、高度100 mm的圆柱体，Ⅱ组为直径50 mm、高度50 mm的圆柱体，Ⅳ组为备用组。

1.2 试验仪器与方法

对岩质边坡的泥岩进行大面积取样，并对其进行含水率试验，根据试验结果，泥岩最小含水率接近0%，最大含水率接近7%，与工程地质手册的经验数据[17]的范围相符。为了与实际情况相近，泥岩试样在干湿循环中含水率幅度控制在0%～7%。

对泥岩试样进行预实验，研究发现：泥岩试样以(100±5) ℃的条件烘干24 h与烘干48 h的质量差小于后一次称量的0.1%，表明烘干24 h后泥岩试样处于干燥状态；烘干24 h后采用喷水法增湿，可以保证泥岩试样在干湿循环中保持较为完整的状态，并且喷水后泥岩试样密封养护72 h，泥岩试样内部含水率分布较为均匀，含水率在7%左右。因此，干湿循环的控制条件为：首先将泥岩试样置于烘箱以(100±5) ℃的条件烘干24 h；然后采用喷水法进行增湿，当达到7%含水率所对应的质量时停止喷水；最后将泥岩试样密封并置于保湿缸中养护72 h，保证水分充分运移后进行强度或电镜扫描观察(SEM)试验，此为一次干湿循环。干湿循环次数为5次，试验过程示意图见图2。

图2 试验过程示意

根据规范[18]，Ⅰ组进行n=0、1、2、3、4、5等不同循环次数下单轴抗压强度测试；Ⅱ组进行n=0、1、2、3、4、5等不同循环次数下抗拉强度测试。强度试验所用仪器为CSS-44100电子万能试验机，试验机加载过程通过位移方式控制，位移速率为0.005 mm/s。Ⅲ组进行n=0、1、5等不同干湿循环次数下SEM试验，试验仪器为日立SU-1500型扫描电子显微镜。每一种泥岩试样的平行样为3个。

2 干湿循环下泥岩强度参数劣化影响

2.1 抗压性能

2.1.1 单轴抗压强度

根据文献[19]，定义泥岩试样初始状态强度参数与经历干湿循环n次后强度参数的差值和初始状态强度参数之比为总劣化度Sn，定义每一次干湿循环后总劣化度的变化为阶段劣化度ΔSn，即

(1)

ΔSn=Sn-Sn-1

(2)

式中：U0为初始状态强度参数值；Un为经历干湿循环n次后强度参数值。

泥岩试样的单轴抗压强度σc及其阶段劣化度随n的变化见图3。由图3可知，初始干密度相同时，随着n的增大，泥岩试样的单轴抗压强度σc逐渐减小。以初始干密度为1.94 g/cm3的泥岩试样为例，随着n的增大，σc的阶段劣化度依次为37.31%、18.92%、7.90%、12.46%、4.11%，呈减小的趋势；其中，σc的阶段劣化度在第一次干湿循环中最大，与其他阶段相差较大。对于另两种泥岩试样，σc的阶段劣化度随着n的变化有相似规律。

图3 干湿循环下σc及其阶段劣化度趋势

因此，泥岩试样的初始干密度相同时，随着n的增大，干湿循环对σc的劣化速率呈减小的趋势；其中，在第一次干湿循环中，σc的劣化速率最大，与其他阶段相差较大。

由图3可知，n相同时，随着初始干密度的增大，泥岩试样的σc及其下降值呈增大的趋势。对比三种初始干密度泥岩试样的σc，n=0时，σc之间差值最大的是4.12 MPa；从n=1到n=5中，σc之间的最大差值依次是2.03、1.75、0.29、0.72、0.46 MPa，呈减小的趋势。因此，三种初始干密度泥岩试样σc之间差别随n的增大呈减小的趋势，当n=5时三种泥岩试样的σc相差较小。

对图3的试验点进行拟合，得到σc-n的拟合关系式，发现σc和n具有良好指数关系，见表2。

表2 σc-n的拟合关系式

2.1.2 弹性模量

泥岩试样的弹性模量Ec及其阶段劣化度随n的变化见图4。由图4可知，初始干密度相同时，泥岩试样的弹性模量Ec及其阶段劣化度随n的增大而逐渐减小；其中，Ec的阶段劣化度在第一次干湿循环中最大，与其他阶段相差较大。因此，初始干密度相同时，干湿循环对泥岩试样Ec的劣化速率随n的增大呈减小的趋势；其中，在第一次干湿循环中，Ec的劣化速率最大，与其他阶段相差较大。

图4 干湿循环下Ec及其阶段劣化度趋势

在n相同的条件下，随初始干密度的增大，Ec及其下降值呈增大的趋势。随n的增大，三种初始干密度泥岩试样Ec之间的最大差值呈减小的趋势，当n=5时，三种泥岩试样的Ec之间相差较小。因此，三种初始干密度泥岩试样Ec之间的差别随n的增大呈减小的趋势，当n=5时，三种泥岩试样的Ec相差较小。

对图4的试验点进行拟合，得到Ec-n的拟合关系式，发现Ec和n具有良好指数关系，见表3。

表3 Ec-n的拟合关系式

2.2 抗拉强度

由图5可知，初始干密度相同时，泥岩试样的抗拉强度σt及其阶段劣化度随n的增大呈减小的趋势。因此，在初始干密度相同的条件下，干湿循环对泥岩试样σt的劣化速率随n的增大呈减小的趋势；其中，n=1时，σt的劣化速率最大，与其他阶段相差较大。

图5 干湿循环下σt及其阶段劣化度趋势

由图5可知，每一次干湿循环中，随初始干密度的增大，σt及其下降值都呈增大的趋势。随n的增大，三种初始干密度泥岩试样σt的最大差值呈减小的趋势。因此，三种初始干密度泥岩试样σt之间的差别随n的增大呈减小的趋势，当n=5时，三种泥岩试样的σt相差较小。

对图5的试验点进行拟合，得到σt-n的拟合关系式，发现σt和n具有良好指数关系，见表4。

表4 σt-n的拟合关系式

2.3 各个强度值的劣化程度对比

对比同一强度参数，在初始干密度相同的条件下，从n=0到n=5时，曲线连续上升发展，上升速率逐渐变缓，且曲线有趋于平缓的趋势，则泥岩试样的各个强度参数总劣化度随n的增大而增大，见图6。因此，干湿循环对泥岩试样各个强度参数的劣化程度随n的增大而增大，但劣化程度的增大速率逐渐变缓，最终趋于平缓。

图6 干湿循环下各个强度参数总阶段劣化度变化图

对比同一强度参数，n相同时，随初始干密度增大，泥岩试样总劣化度逐渐增大。经历相同干湿循环次数后，干湿循环对泥岩试样的强度参数劣化程度随初始干密度的增大而增大。

在n和初始干密度相同的条件下，对比泥岩试样各个强度参数总劣化度，总体来说，σc总劣化度最大，σt总劣化度次之，Ec总劣化度最小。因此，泥岩试样在相同干湿循环中，σc的劣化程度>σt的劣化程度>Ec的劣化程度。

2.4 M-C屈服准则

泥岩试样处于极限平衡状态时最大主应力圆与强度曲线相切，其包络线强度条件可表达为[20]

(3)

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；c为黏聚力；φ为摩擦角。

而单轴抗压强度σc和抗拉强度σt与黏聚力c、摩擦角φ的关系式为[20]

(4)

(5)

将式(4)和式(5)代入式(3)，可得

(6)

将干湿循环作用下泥岩试样的σc和σt代入式(6)中，绘制出M-C强度包络线(剪切应力τ>0)，见图7。

图7 干湿循环下M-C强度包络线(τ>0)

由图7可知，对于同一种初始干密度的泥岩试样，随着n的增大，M-C强度包络线逐渐向下移动并向顺时针偏转，使得M-C强度包络线覆盖范围变窄；且M-C强度包络线与y轴的交点向下变化幅度逐渐减小，说明泥岩试样的c及其劣化速率随n的增大呈减小的趋势；而M-C强度包络线斜率在干湿循环中下降幅度不大，表明泥岩试样的φ的劣化程度较小。

比较三种初始干密度泥岩试样的M-C强度包络线，在n相同的条件下，随初始干密度的增大，M-C强度包络线逐渐向上移动，使得M-C强度包络线覆盖范围变宽，表明泥岩试样的c随初始干密度的增大呈增大的趋势。三种泥岩试样M-C强度包络线之间间距随n的增大呈减小的趋势，当n=5时，三种泥岩试样的M-C强度包络线之间间距相差较小，说明三种泥岩试样c之间的差别在干湿循环过程中逐渐减小，可以推测，c的劣化程度随初始干密度的增大呈减小的趋势。

3 干湿循环下泥岩微观结构劣化影响

干湿循环对泥岩试样强度参数劣化影响中，第一次干湿循环对泥岩试样强度参数的劣化速率最大，随n的增大，泥岩试样强度参数的劣化速率呈减小的趋势，且第一次干湿循环的劣化速率远大于其他阶段。因此，选取n=0、1、5时三种初始干密度泥岩试样侧表面中部的薄片进行SEM试验。

3.1 微观结构形貌

不同初始干密度条件下干湿循环次数n=0、1、5的泥岩试样的SEM照片见图8。由图8(a)～图8(c)可知，干湿循环前，颗粒排列紧密，细小黏粒分布在颗粒表面，颗粒之间存在较少的孔隙，零星分布；第一次干湿循环后，产生了许多细小片状颗粒，颗粒间孔隙分布较为均匀，孔隙相对于初始状态更多；第五次干湿循环后颗粒破碎严重，以片状为主，排列松散，颗粒间孔隙大小分布不均匀，存在大孔隙。

图8(d)～图8(f)依次与图8(a)～图8(c)比较。对比发现，相对于初始干密度为1.94 g/cm3的泥岩试样，初始干密度为2.04 g/cm3的泥岩试样颗粒在干湿循环前联结更加紧密，颗粒表面上黏粒相对更少；在第一次干湿循环后产生的片状颗粒相对更大，片状颗粒镶嵌更为紧密；在第五次干湿循环后出现许多粒状颗粒，但颗粒排列松散程度相对更小，大孔隙数量相对更少。

由图8(g)～图8(i)可知，对于初始干密度为2.13 g/cm3的泥岩试样，n=0时颗粒镶嵌最为紧密，干湿循环后，微观结构与另两种不同初始干密度的泥岩试样进行比较，可以发现，颗粒排列松散程度最小，颗粒间联结能力最强。

图8 不同初始干密度条件下和不同干湿循环次数n的泥岩试样的SEM照片

3.2 孔隙数量和面积

对泥岩试样的SEM照片进行二值化处理，运用大津法进行阈值的选取，对照片的面积孔隙率Ns和孔隙数N进行统计分析。分析结果见表5。

表5 泥岩试样孔隙定量分析

(1)分析面孔隙率。初始干密度相同时，随着n的增大，面孔隙率逐渐增大，且从n=0到n=1的增幅大于从n=1到n=5的增幅，则泥岩试样的面孔隙率在干湿循环过程中有增大的趋势，且在第一次循环增幅最大。n相同时，面孔隙率随初始干密度的增大而减小，其中n=0时减幅最大，n=5时减幅最小，说明不同初始干密度泥岩试样面孔隙率之间差值在干湿循环过程中有减小的趋势。

(2)分析孔隙数。初始干密度相同时，从n=0到n=1再到n=5，孔隙数先增大后减小，主要原因是泥岩试样在第一次干湿循环中产生许多细小孔隙，数量增多，然后在循环递进过程中细小孔隙之间合并发展为大孔隙，数量减少。n相同时，孔隙数随初始干密度的增大而减小，其中n=0时减幅最大，n=5时减幅最小，说明不同初始干密度泥岩试样孔隙数之间差值在干湿循环过程中有减小趋势。

3.3 孔隙的分形特征

在平面中，分析泥岩试样孔隙的分形维数来定量孔隙表面的复杂程度[21]。孔隙表面的分形维数范围为1～2，其值越大，说明孔隙表面的复杂程度越高。

采用二维计盒维数[21]对泥岩试样孔隙表面分形维数进行计算。计算过程中，圆形网格覆盖SEM图片的孔隙，网格直径为l，网格数为nl，逐渐减小l，得到一系列nl。表面分形维数D计算式为

(7)

计算结果见表6。由表6可知，二维计盒维数的R2都大于0.99，说明泥岩试样孔隙具有良好的分形特征。初始干密度相同时，D随n的增大而增大，则泥岩试样孔隙表面在干湿循环递进过程中越来越复杂。n相同的条件下，D随初始干密度的增大逐渐减小，则初始干密度越大，泥岩试样孔隙表面越光滑，复杂程度越低。n=5时，三种初始干密度泥岩试样孔隙表面的D之间最大差值小于0.01，相差较小，表明三种初始干密度泥岩试样之间复杂程度的差别在第5次干湿循环后相差较小。

表6 孔隙表面分形维数

4 讨论

4.1 劣化机制

干湿循环前，在微观方面，同一初始干密度泥岩试样，颗粒排列较为紧密，孔隙少，反映到宏观方面，泥岩试样力学强度表现良好。在第一次干湿循环中，泥岩试样孔隙增多、强度下降较大的原因是：首先干燥过程，水分沿着孔隙从泥岩试样内部向外部渗出，内部的细小松散颗粒随水渗出，产生次生孔隙；随后进行增湿过程，伴随孔隙面积的增大和孔隙数量的增多，更有利于水浸入泥岩试样，沿着孔隙向内部渗透并进行水-岩作用，泥岩试样中的钾长石与水发生化学反应生成高岭石[19,22]，高岭石与钾长石的结构、成分不同导致二者空间体积不同，从而颗粒间胶结物发生破裂，泥岩试样细小次生孔隙，且钾长石在水中发生溶解溶蚀，产生更多地细小孔隙；高岭石等黏土矿物亲水性较强，在水进入泥岩试样内部时往往会被吸附，其周围的水膜增厚，引起岩石体积不均匀的膨胀，使得试样内部产生不均匀的膨胀应力，胶结物发生软化，较大的片状颗粒分解成许多细小片状颗粒，产生更多的孔隙，颗粒间的联系发生减弱，导致泥岩试样的强度发生急剧减小。随干湿循环次数的递增，颗粒间连接的胶结物在不断被溶解和软化，同时孔隙也在不断得产生，并使原有孔隙向大孔隙发展，颗粒间联系逐渐降低，最终泥岩试样的力学强度下降到一个较低的水平。

对比三种初始干密度的泥岩试样，在初始状态下，随初始干密度的增大，泥岩试样的面孔隙率、孔隙数和孔隙分形特征呈减小趋势，则泥岩试样的颗粒间联结能力呈增大趋势，泥岩试样孔隙表面的复杂程度呈减小趋势。反映到宏观方面，随初始干密度的增大，泥岩试样力学强度逐渐增大。随干湿循环不断进行，三种初始干密度泥岩试样的面孔隙率差别和孔隙数差别呈减小趋势，则三种初始干密度泥岩试样的颗粒间联结能力之间差别在干湿循环下呈减小趋势，且三种初始干密度泥岩试样孔隙表面复杂程度的差别在第5次干湿循环后相差较小，三种初始干密度泥岩试样微观结构的差别随干湿循环次数的增大逐渐减小。因此，三种初始干密度泥岩试样的力学强度之间差别在干湿循环过程中呈减小趋势，在第5次干湿循环后差别较小。

4.2 工程运用

4.2.1 倾倒式危岩的防治

本文发现不同初始干密度泥岩的抗拉强度和单轴抗压强度在多次干湿循环后下降到较低水平，到最后不同干密度泥岩的强度差别较小，并针对该变化规律进行了公式拟合。因此，对于以泥岩为主要成分的倾倒式危岩，危岩体在水位升降的环境中，危岩体内部的泥岩处于干湿循环状态，其抗拉强度会发生降低，倾倒式危岩的稳定性发生下降。分析危岩体稳定性的过程中，应考虑抗拉强度在干湿循环条件下降低的因素，可以参考本文拟合公式判断抗拉强度下降的程度。同时，为了简化计算的复杂性，对于不同干密度泥岩的抗拉强度，在多次反复干湿循环后，可以考虑一个强度值进行计算。

在危岩体设计防治措施中，采用支撑的加固措施时，主要考虑了支撑体的单轴抗压强度。但是，危岩体在水位升降的环境中，还应考虑危岩体中泥岩单轴抗压强度降低这个因素，因为较大干密度的泥岩强度经过若干次干湿循环之后依旧下降得较低；若岩体与支撑体的接触面积设计过小，会造成接触面压强大，可能会发生危岩体的压断破坏。

因此，在水位升降环境中，针对以泥岩为主要成分的倾倒式危岩，应考虑危岩体的抗拉强度和单轴抗压强度变化，有效得对其稳定性分析和防治。

4.2.2 干湿循环下岩石抗剪强度劣化的判断

测试岩石的抗剪强度，一般采用三轴压缩仪。但是，在实际工程中，单轴压缩仪使用得多，三轴压缩仪使用得少。测试岩石的抗剪强度较不方便，测试岩石抗剪强度在干湿循环过程中的变化更为困难。若使用单轴压缩仪，测试出岩石试样的单轴抗压强度与抗拉强度，再运用式(6)，得到岩石的强度包络线，分析出抗剪强度，便能较为方便得出干湿循环过程中岩石抗剪强度在干湿循环过程中的变化规律。