水化作用下白垩系砂岩崩解特性及耗散能分析*

左清军 朱 盛 张中君 赵先强 李朝铭 童 权 罗忠权

(三峡大学， 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站， 宜昌 443002， 中国)

0 引 言

白垩系砂岩沉积环境复杂，沉积时间较短且沉积作用不充分，导致成岩后岩石胶结强度相对较低，水理性质较差，遇水易发生软化崩解，水通过孔隙渗透进入岩石内部之后导致强度劣化，表层砂颗粒或矿物迅速剥落进而由外至内发生崩解破坏，随之引发一系列地质灾害问题，如边坡失稳、路基沉陷等。随着我国城乡建设的大力推进，在白垩系砂岩地区进行工程建设，难免会遭遇因白垩系砂岩软化崩解诱发的工程地质问题。因此，有必要对白垩系砂岩的崩解过程和崩解机制开展深入研究。

软岩崩解极易受外界环境影响(张丹等， 2012； 柴肇云等， 2015； 李国维等， 2020)，崩解机理十分复杂(梁冰等， 2016)，如何定量描述岩石崩解过程显得至关重要。实际上，软岩遇水崩解存在能量的转化、传递和耗散，可以从能量耗散的角度描述软岩的崩解过程。关于岩石的崩解特性，国内外学者已取得诸多成果(Mol et al.，2010；Saad et al.，2010； 左清军等， 2015； Rincon et al.，2016； Chan et al.，2017)，认为岩性与外界干湿循环是导致岩石崩解的重要影响因素(吴道祥等， 2010； 唐军等， 2011)。目前关于岩石崩解模型大多是基于统计学理论而构建(潘艺等， 2017； 李昆鹏等， 2020； 赵晓彦等， 2020)，赵明华(2007)、邓涛等(2014a，2014b)、张宗堂等(2019)从软岩崩解物的数量、尺寸与质量的关联性入手，采用分形维数来定量描述软岩的崩解过程，建立了软岩崩解的分形模型。关于岩石崩解过程的能量学解释，部分学者(谢和平等， 2005； 彭瑞东等， 2007； 刘晓明等， 2011； 柴波等， 2012； 黄明等， 2015)从能量耗散和标准基础熵角度开展了初步探索，然而岩石崩解受多种因素影响，崩解机理较为复杂，目前还没有一套成熟的理论定量描述岩石的崩解过程，有必要从内部微细观结构和外部宏观崩解表象两个角度逐层剖析岩石的崩解机制。

本文以湖北宜昌地区白垩系五龙组砂岩的软化崩解问题为出发点，开展室内静态与动态崩解试验， 通过测定崩解循环后不同粒径范围内崩解物颗粒质量百分含量的变化分析白垩系砂岩的崩解过程，采用电镜扫描试验观察崩解前后白垩系砂岩的镜下微观特征，根据崩解后崩解残留物的形态分析白垩系砂岩的崩解破坏模式，试图从内部微细观结构角度研究白垩系砂岩的崩解机理； 从能量耗散的角度入手，引用表面能增量指标定量描述白垩系砂岩崩解过程的破碎程度。研究成果可为白垩系砂岩地区因崩解诱发的地质灾害评价及防治提供理论参考。

1 崩解特性试验

1.1 试样准备

试验所需的砂岩样品取自湖北省宜昌市西陵区城区北侧建筑用地开挖边坡，属于白垩系五龙组下段红褐色泥质粉砂岩。采用X射线衍射法(XRD)进行矿物成分分析，矿物组成为：石英含量66.2%、方解石含量13.8%、钠长石含量9.2%、钾长石含量1.5%、云母含量4.4%、白云石含量3.5%，黏土矿物含量1.4%。

图 1 原始试验样品Fig. 1 Original test sample

选取完整性较好的砂岩岩块作为试样母体，将砂岩岩块制作成质量在40～60g之间的试样，如图 1 所示。在初步加工的试样中，选取形状相似，尺寸在40mm×40mm×40mm左右无尖锐棱角的试样； 分为2组，每组10个试样。

1.2 试验方法

岩石崩解试验分别采用静态崩解和动态崩解两种方式，试验步骤按照《岩石物理力学性质试验规程》(中华人民共和国行业标准编写组， 2015)进行。

静态崩解试验具体步骤如下： ①将制成的试样称重后放入烘箱中烘干至恒重后，在干燥箱中冷却至室温并称重； ②将称重后的试样放入敞口的透明容器中，注入蒸馏水并使试样完全浸没在水中(图 2)，静置24h以上； ③将试样及其崩解物从水中取出，放入烘箱中在105℃的条件下烘干至恒重，在干燥箱中冷却至室温后使用孔径为40mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm的标准筛进行筛分并称重记录，颗粒粒径在0.075mm以下的部分通过质量守恒的方法求得； ④步骤②、③结束即视为一次循环完成，重复上述步骤②、③，直到完成试验所需循环次数为止。

图 2 岩石静态崩解试验Fig. 2 Rock static disintegration test

动态崩解试验采用耐崩解性试验仪(HNB-1型)进行操作，试验设备如图 3所示。试验步骤同静态崩解试验相比只需将步骤②调整为：将称重后的试样放入岩石耐崩解性试验仪的筛筒之中，将装有试样的筛筒放置在水槽中，注入蒸馏水并使试样完全浸没在水中，启动崩解仪参照规范使其以20r·min-1的转速转动10min； 其他步骤相同。

图 3 岩石耐崩解性试验仪Fig. 3 Rock disintegration resistance tester

1.3 试样耐崩解性指数

岩石耐崩解性指数的计算公式如下：

(1)

式中：IdN为岩石第N次循环的耐崩解性指数；ms为原试件烘干质量(g)；mr为残留试样(即粒径大于2mm)的烘干质量(g)。岩石耐崩解性指数反映了粒径大于2mm的残留试样抵抗崩解的能力。不同循环次数下静态崩解与动态崩解岩石的耐崩解指数如图 4所示。

图 4 砂岩耐崩解性指数与循环次数关系曲线Fig. 4 The relationship curve between sandstone disintegration resistance index and cycle number

本次试验岩石崩解循环次数共计16次。由图 4可知，在静态崩解条件下砂岩耐崩解性指数IdN可分为两个阶段； 循环次数小于4次时，IdN曲线下降速率缓慢，循环次数在4次之后，IdN曲线呈稳定速率下降。在动态崩解情况下，IdN则在初期急剧下降，当循环次数大于6次时，IdN下降速率逐渐减小，循环次数大于12次时，IdN曲线趋于平缓，达到稳定状态。

2 水化作用下崩解特性分析

2.1 崩解物各粒组颗粒含量

每次崩解循环之后，针对崩解残留物使用标准筛进行筛分并称重记录，得到不同循环次数下，砂岩静态崩解与动态崩解对应的不同粒径范围内崩解物质量百分含量变化情况如图 5、图 6所示。通过对比两种崩解条件不同循环次数下各粒径范围内崩解物质量占比可知，两种不同崩解条件下崩解物颗粒级配曲线形状存在较大差别。

图 5 静态崩解下颗粒崩解特征曲线Fig. 5 Disintegration characteristic curve of particles under static disintegration

图 6 动态崩解下颗粒崩解特征曲线Fig. 6 Disintegration characteristic curve of particles under dynamic disintegration

静态崩解下，崩解物粒径范围分布广，但主要集中在10～40mm以及2～0.075mm范围内。崩解特征曲线在初期首先大幅抬升，随着循环次数的增加，抬升幅度变小，最终崩解特征曲线发生重叠，崩解达到稳定状态。崩解特征曲线在形状上呈现两个波峰，在10～40mm范围内峰值最高，相应的崩解物质量百分含量最高，另外一个波峰出现在0.25～0.075mm小粒径范围。2～1mm、1～0.5mm以及0.5～0.25mm范围内崩解物含量均小于两个波峰。

动态崩解下，崩解物粒径范围主要集中在0.5mm以下。崩解特征曲线在初期首先发生较大抬升，随着循环次数的增加，抬升幅度变缓，在循环次数达到6次时曲线趋于平缓，最终达到稳定状态。曲线在形状上呈现一个波峰，波峰处于0.25～0.075mm粒径范围内，相应的崩解物质量百分含量最高。此外0.075mm以下的崩解物百分含量较大，仅次于峰值。

从崩解速率上来看，动态崩解情况下的崩解速率远大于静态崩解情况下的崩解速率。动态崩解过程中，试样放置在耐崩解试验仪的转筒中，试验时转筒在水中以一定转速转动试样，一方面由于试样和水槽中的水之间存在相对运动，导致试样会受到水槽中水的冲刷作用，水的冲刷作用加速了试样颗粒间胶结物的溶解，与此同时水的冲击力在一定程度上加速了砂岩试样裂纹的扩展，从而加速了砂岩试样的崩解； 另一方面，转筒与试样之间的摩擦与碰撞加速了砂岩试样的崩解。

从崩解物质量占比分布情况上可以发现，静态崩解情况下崩解物颗粒粒径整体分布范围比动态崩解大。静态崩解条件下，试件在水中崩解需要经过裂隙产生、发育、贯通直至断裂(周翠英等， 2019a，2019b)。整个静态崩解过程中试样最容易沿着表面崩解成小颗粒，而较大粒径的块体需要经过一定时间的裂隙发育贯通后再往小粒径方向崩解，崩解后的物质相对于之前虽然尺寸变小，但是耐崩解性增强，颗粒越小，再次往更小粒径崩解的难度会增加，最终崩解状态达到平衡； 动态崩解条件下，试样在耐崩解试验仪中随转筒转动，在水的冲刷以及筒壁的摩擦碰撞下砂岩试样沿着表层局部薄弱面迅速发生崩解，试样裂隙快速且全方位发育，导致试样与水的接触面积增加，从而加剧了试样的崩解进程，在达到一定循环次数时，裂隙贯通整个试样进而全面发生断裂破坏，从一个大块体转化成多个小块体，然后迅速崩解成小颗粒。动态崩解下，多种扰动导致裂隙加剧扩展，软弱结构面快速扩张，表面颗粒迅速崩解，最终达到稳定状态，所需循环次数比静态崩解少。

图 7 扫描电镜图像Fig. 7 Scanning electron microscope imagea. 原始砂岩表面； b. 崩解物断面

2.2 崩解前后扫描电镜特征

为了分析崩解过程中断面的微观结构变化，选择原始的砂岩表面薄片和典型片状崩解物断面开展扫描电镜试验(SEM)。白垩系砂岩崩解前后的SEM图像如图 7所示(从左到右放大倍数依次为100倍， 200倍， 500倍以及1000倍)。

由图 7可知，白垩系砂岩的微观结构较为松散，组成物质形状主要为块状以及薄片状，且棱角分明、结构疏松，颗粒长度一般为0.05～0.15mm，颗粒与颗粒之间以点面和线面接触为主，少量面面接触。崩解物断面上有明显颗粒剥落后留下的凹槽，通过凹槽可见颗粒间发育有碳酸盐胶结物，可见少量的片状黏土矿物。此外，由于长石具有一定的风化程度，表面有一定的溶蚀堆积，部分已经转变为片状黏土矿物。在高倍数显微镜下可见绿泥石膜、伊蒙混层黏土膜覆盖在颗粒表面以及填充在孔隙中，形态呈鳞片状，边缘略微弯曲。

对比初始砂岩表面与崩解物断裂面电镜图像，可以发现崩解前表面颗粒排列较均匀，裂隙及微孔隙数量较崩解物断裂面少，高倍数显微镜下可明显观察到粒间填充物，未见大量由颗粒剥落后产生的凹槽。透过电镜图像整体来看白垩系砂岩的微观孔隙分布较为明显，孔隙度较高，岩石透水性强，有利于水分子的渗入，这种相对松散的微观结构导致白垩系砂岩极易在水化作用下发生崩解，崩解后断面的裂隙明显比崩解前多。

2.3 崩解残留物形态特征及崩解模式

砂岩岩块在浸水之前表面并未存在宏观裂隙，浸入水中之后开始急剧性吸水，表面产生大量气泡，在边角或尖锐处出现局部的放射裂纹使岩块表面薄层外翻脱落； 4～5h后岩石内部缺陷、微裂隙面及其他软弱结构面在局部开始缓慢相连，导致裂隙增大的同时又加剧了裂隙向内扩展的速度； 随着崩解循环次数的增加，裂隙最终由表及里，贯通整个岩石块体导致岩石发生崩解，逐渐从完整的岩块崩解成若干个小尺寸岩块，随着崩解循环次数的增加，大颗粒崩解物含量降低，小颗粒崩解物的含量逐渐增加，最终达到稳定状态。白垩系砂岩试样在静态和动态崩解条件下，经过16次崩解循环后的崩解残留物如图 8所示。

图 8 崩解物残留样图Fig. 8 Sample image of disintegration residuea. 静态崩解； b. 动态崩解

对图 8中崩解残留物的形态进行统计分析，砂岩崩解物可以分为6种形态：仅仅发生表层剥落的浑圆状、沿着软弱结构面劈裂破坏的层状崩解物、大块状崩解物、沿着表面开裂形成的薄片状崩解物、1～5mm小块状崩解物以及小于1mm的颗粒状崩解物。

根据图 2所示原始试样形态，白垩系砂岩崩解破坏模式分为两种：表层剥落破坏和结构面断裂破坏，其崩解破坏概化图如图 9所示。砂岩崩解初期，主要表现为表层剥落破坏，剥落破坏过程中崩解物主要呈薄片状、小块状和细颗粒状(图 9a)，当在水化作用下裂隙沿着软弱结构面发育到达一定程度后贯通试样发生断裂，较大的崩解残留物逐渐崩解成层状、块状以及薄片状(图 9b)，裂隙进一步扩展后，大尺寸崩解物逐渐解体(图 9c)，崩解物数量增多且与水的接触面增大导致更易发生软化崩解，由于崩解物尺寸减小再崩解难度增大，崩解物最终为薄片状、小块状和细颗粒状(图 9d)。

图 9 破坏模式示意图Fig. 9 Schematic diagram of destruction mode

综合断裂力学的理论和试验现象可知，裂纹的扩展路径总是沿着最薄弱的表面进行，砂岩的崩解破坏是沿着节理裂隙面、颗粒间的胶结面以及微裂隙面方向裂隙逐渐发育贯通造成的。观察发现两种崩解条件下其崩解物形态也有所不同，静态崩解条件下6种形态都可以观察到； 而在动态崩解条件下，由于水和筒壁的作用加快了裂隙的发育进程，层状和片状崩解物呈现细而长的形态，承受力差且不稳定，在转动过程中迅速被破坏转化成形状较稳定的球状与细颗粒状，动态崩解条件下稳定状态的大尺寸残留物表面光滑，磨圆度好，呈浑圆球状。

3 岩石崩解过程中的能量耗散模型

试验发现白垩系砂岩崩解过程实际上是较大尺寸的岩块逐渐分裂为层状、薄片状，小块状，再崩解成更细小的颗粒，如此循环往复，最终崩解达到相对稳定状态。可以看出，崩解过程中岩块的表面积是随着崩解循环不断增加，从能量的角度来看，岩块崩解的过程实际上是内部能量逐渐耗散为弹性及塑性变形能、表面能、热能、声能以及电磁辐射能等其他形式能量的过程。与岩石受拉、压破坏不同，岩石的崩解过程并没有明显的声音以及电磁辐射，此外崩解前后溶液的温度变化亦不明显，本文忽略了热能、声能以及电磁辐射能等能量的影响。软岩的崩解破碎是由干燥表面吸水楔裂造成，其崩解破碎的能量来源于岩石块体的水分丧失，并由此获得了较大的表面能，因此表面能大小可以定量表征岩块在崩解这一复杂过程中的破碎程度。因此本文引入表面能，从能量的角度研究白垩系砂岩崩解机制。

3.1 表面积增量计算方法

断裂力学理论中指出，材料表面能的大小同其自身强度相关，表面能的大小可按照如下公式计算得到(赵建生， 2003)：

Eb=GICA

(2)

式中：Eb为岩石的表面能；GIC为岩石的单位表面能；A为岩石的表面积。此式可用于描述岩石新增加的表面能与新增加的表面积之间的关系。

(3)

(4)

3.2 单位表面能的确定

根据断裂力学理论中的能量平衡、断裂力学及断裂物理理论，已知裂纹延伸单位面积需要能量为GIC，若在裂纹延伸单位面积可被提供的能量不小于裂纹延伸单位面积所需的能量GIC，那么裂纹会发生失稳扩展，将岩石崩解看做是张开型断裂，对于非均质的岩石材料考虑到其崩解前后强度与尺寸的关系，结合文献(刘晓明等， 2011)导出GIC的计算公式为：

(5)

式中：σR为粒径为R时岩石的抗拉强度；l为组成岩石的矿物的晶粒粒径；df为岩石裂纹剖线的分形维数；G为荷载作用与裂纹方位相关的一个常数；γ为岩石裂纹的平均密度；V为岩石的体积；d为岩石裂纹的分形维数；α为岩石的应力状态因子；Γ为Gamma函数；D为岩石的损伤变量；r为崩解后的颗粒粒径；E为岩石的弹性模量。

那么崩解1次后，岩石总体表面能较初始时的增加量W为：

W=GIC(r)·ΔA

(6)

本文假定砂岩试样在其崩解过程微观参数为不变量，令：

(7)

则式(6)简化为：

(8)

当崩解次数大于1时，每次崩解后表面能较初始时的增加的大小为：

(9)

式中：j=2， 3， 4，…，n，n次崩解循环后新增的表面能较n-1次增加量ΔWj=Wj-Wj-1。

岩石崩解后能量不断转化成表面能的形式，且新增表面能的大小与崩解物颗粒粒径大小及所占的质量百分比相关。小颗粒含量越多，颗粒越细小，则新增表面积越大，相应的表面能增量越大，当颗粒质量百分比趋于稳定时，累计表面能同样趋于稳定。因此，通过对砂岩崩解循环前后表面能累计增量与单次增量进行比较可以直观地反映砂岩的崩解状况。

3.3 耗散能分析

模型中计算所需要的相关参数主要通过室内试验获得，其他参数可通过参考相关文献获得。试验获得砂岩单轴抗拉强度在1.6～3.4MPa之间，本文取中间值，即2.5MPa。使用IPP软件对崩解物电镜图像进行分析提取微细观参数，组成岩石的矿物的晶粒粒径在40～70μm之间，本文取l=0.055mm； 岩石裂纹的分形维数d在区间1.226～1.253内，取1.240； 岩石的体积V=1/6πR3； 确定参数γ、df、G需要大量实验且较难获取，本文假定这些参数值在试验过程中不发生较大变动，因此计算后取k=1×10-7，由于崩解过程不受平面限制，应力状态因子α=1，岩石的损伤变量反映了岩石受损伤的程度，其取值大小与岩石的含水量相关，在自然条件下砂岩的初始损伤变量取值为D=12.5%。计算过程中每个区间范围内崩解物颗粒粒径取值遵从如下原则：小于0.075mm范围内的颗粒粒径取值为0.075mm，大于40mm范围内的颗粒粒径取值为40mm。其余每个区间范围内的颗粒粒径均取中间值。岩石的弹性模量E与含水量相关，本文取砂岩天然状态下的弹性模量为25MPa。

将砂岩耐崩解试验过程中筛分获得的不同循环次数下的不同颗粒粒径质量百分比结果带入至式(9)中，计算得到崩解循环次数N与崩解过程表面能累计增量ΔW总和单次增量ΔW之间的关系，如图 10、图 11所示。

图 10 砂岩崩解过程表面能累计增量曲线Fig. 10 Surface energy cumulative increase curve during sandstone disintegration

图 11 砂岩崩解过程表面能单次增量曲线Fig. 11 Single increment curve of surface energy during disintegration of sandstone

由图 10可知，静态崩解条件下，砂岩在最开始1～4次崩解循环时表面能增速缓慢，之后增速开始变快，表面能以稳定速度增长； 而动态崩解条件下，砂岩在最开始1～6次崩解循环时其表面能急剧增加，之后表面能稳定增加，当崩解循环次数到达12次时表面能增长缓慢，整体保持稳定状态。当循环次数相同时，动态崩解条件下砂岩的累计表面能增量总是大于静态崩解条件下的累计表面能增量。之所以呈现这种现象，是由于在动态崩解条件下水对试样的冲刷作用以及试样与转筒壁之间的摩擦作用，将试样看作一个独立系统，外界干扰为试样提供了系统以外的能量输入，导致了能量的迅速积累与释放。对比两种崩解条件下砂岩崩解过程中表面能的单次增量曲线(图 11)可知，动态崩解下，在初始崩解次数较小时，砂岩表面能迅速增加到峰值，随后经过几次崩解快速下降，增量趋近于0，这种崩解方式下砂岩迅速释放自身能量从而快速达到新的稳态位置。静态崩解下初始能量增速慢，之后存在加速并逐渐变缓，最终维持稳定增速，在此种崩解方式下砂岩释放自身能量的过程缓慢，内部损伤缓慢积累，持续时间比动态崩解长，需要较长时间才会达到稳态位置。

对比图 10与图 4，在静态崩解与动态崩解两种条件下，图 10所示的砂岩崩解过程表面能累计增量曲线与图 4中砂岩耐崩解性指数与循环次数关系曲线呈现出明显的一致性。由此可以看出，采用表面能增量来反映崩解过程中岩石的破碎程度是合理的，岩石累计表面能增量越大其相应的崩解程度越高，岩石越破碎。岩石单次表面能增量越大，说明岩石越容易发生崩解。岩石累计表面能增量越小其相应的崩解程度越低，岩石越完整。岩石单次表面能增量越小，说明岩石越不容易发生崩解。

4 结 论

(1)由于水的扰动和转筒壁的摩擦作用加速了崩解的进程，使白垩系砂岩在动态崩解条件下的崩解速率远大于静态崩解条件下的崩解速率，由于扰动导致试样裂隙扩展加快，动态崩解条件下崩解物颗粒粒径整体分布范围比静态崩解下小，崩解物残留物整体偏细小。

(2)白垩系砂岩的崩解破坏模式可总结为两种：表层剥落破坏和结构面断裂破坏。崩解初期主要是砂岩试样表层边角处剥落破坏，随着崩解循环次数的增大，砂岩内部的节理裂隙面、颗粒间的胶结面以及微裂隙面逐渐发育导致崩解加剧，大尺寸崩解物逐渐解体，崩解物与水的接触面增大导致更易发生软化崩解。由于裂隙面贯通路径变短，崩解物逐渐崩解为薄片状、小块状和细颗粒状。

(3)静态崩解条件下，白垩系砂岩在前4次崩解循环时表面能增速缓慢，之后增速开始变快，表面能以稳定速度增长； 而动态崩解条件下，砂岩在前6次崩解循环时其表面能急剧增加，之后表面能稳定增加，当崩解循环次数到达12次时表面能增长缓慢，整体保持稳定状态。用表面能增量的变化情况来反映白垩系砂岩崩解过程中的破碎程度是合理的，岩石累计表面能增量越大其相应的崩解程度越高，岩石越破碎。白垩系砂岩单次表面能增量越大越容易发生崩解。