不同风化程度下灰岩抗剪强度特性及估算模型研究

邓 涛 ，廖 军 ，王陈宾 ，唐 刚 ，钱小龙 ，龚洪苇

（1.成都理工大学环境与土木工程学院, 四川 成都 610059；2.自贡市城市建设投资开发集团有限公司, 四川 自贡 643000）

风化会影响岩石的性质，岩石抗剪强度是工程界关注的问题。机械和化学两种风化作用均可影响岩石的力学特性，在自然界中总是同时存在的，并相互增强。机械风化通过力的作用导致岩石产生更多更大的裂缝，增加化学风化的作用面积，从而加快分解速度。同时，化学风化通过削弱一些岩石的外部来促进机械风化，这反过来使它们更容易被机械风化过程破坏。灰岩作为一种常见的沉积岩，风化程度与抗剪强度之间的变化规律是灰岩边坡设计与防护中亟待解决的问题。针对风化作用对岩石强度的影响，目前学界多从风化岩样制备、风化程度判定及风化作用下的岩石力学特性开展研究。

不同于现场风化岩石取样，室内风化岩样的制备可以保证试样的质量，同时也克服了现场试样易被无关因素干扰的问题。为了获得不同条件下的风化岩样，研究人员在实验室对包括泥岩、花岗岩和灰岩在内的各种岩石进行干湿循环、冻融循环和冷热循环处理，模拟风化过程，得到不同风化程度的岩样[1-4]。

岩石风化程度的准确判定为开展不同风化程度岩石强度研究提供了基础。为了准确判定岩石的风化程度，研究人员试图应用一些新的仪器和方法[5-10]，对各种岩石提出定量指标，探讨其风化特征规律。Cano等[11]提出了潜在退化指数（PDI），用于描述在非均质岩体中露头的碳酸盐岩的风化行为，消除了由熟化耐久性试验得到的熟化耐久性指数表征方法的缺陷。早已提出的风化岩石与新鲜岩石的波速比方法[12]现今也是常用易行的岩石风化程度定量化评价手段。

室内风化岩样为风化对岩石力学特性影响研究提供了实验条件，众多研究人员对风化影响岩石力学特性进行探讨。这些试验表明，风化处理后，抗剪强度、抗压强度等力学特性普遍发生劣化[13-15]。可利用不同的分析技术从微观/宏观两方面解释风化对岩石微观/宏观力学性质的影响[16]。但上述研究均只讨论了风化的影响，并未探究风化程度对岩石力学特性的影响规律。在探究不同风化程度影响方面，Fan等[17]通过直剪试验研究了不同风化程度对闪长玢岩剪切行为和力学性质的影响。同时，利用定量指标准确预测岩石的工程性质并建立指标与岩石力学强度的关系模型[18-19]，对工程上快速评价岩石力学强度具有重要意义。

以往的研究未关注工程上常见的灰岩不同风化程度下的抗剪强度特性，也没有快速评估灰岩抗剪强度的数学模型，不能满足大量灰岩边坡工程灾害防治的需要。因此，本次研究旨在探讨风化程度对灰岩抗剪强度特性的影响并建立灰岩抗剪强度估算模型，开展实验室加工的灰岩岩样干湿循环试验模拟岩石风化作用，通过岩石波速比对岩石风化程度进行表征，利用岩石表面宏细观特征讨论，结合灰岩岩石剪切强度试验，探讨灰岩抗剪强度特性的变化规律，并建立波速比与灰岩抗剪强度的估算模型。对在岩体工程中了解不同风化程度下灰岩抗剪强度特性变化规律及快速准确评价灰岩抗剪强度具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料制备

对现场获取的新鲜灰岩试样，进行加工处理得到试样尺寸为5 cm×5 cm×5 cm（图1），为确保试样的均一性，对所有试样进行筛选，筛选剔除宏观缺陷试样、称重剔除质量离散型较大试样，避免试样内部出现空洞的现象，保证所选灰岩试样均为未风化，最终制成20个试样。

图1 灰岩试样（部分）Fig.1 Limestone sample (part)

1.2 试验方法

本次研究利用干湿循环试验模拟岩石风化作用，制作20个试样，共分5组，以每4个试样为1组。试样编号见表1，编号为1——4的灰岩试样作为对照试验组，不进行风化试验。

表1 灰岩风化试验方案Table 1 Limestone weathering test plan

1次干湿循环过程是指1次吸水饱和与干燥失水过程，干湿循环具体试验方案设计如下：

（1）吸水饱和过程：为使岩石试样尽快达到吸水饱和状态，本次采用三维浸没吸水法。利用自然浸泡法，浸泡溶液采用Na2SO4溶液，Na2SO4溶液是强电解质，由于盐效应，使方解石（灰岩的主要成分为方解石）等难溶解物质的溶解度增大，对灰岩进行侵蚀[20]。在试验过程中将试样浸没于溶液之中，持续浸泡24 h。

（2）干燥失水过程：根据试验规范要求，烘干温度一般规定为105～110 °C。故本次试验温度选用110 °C，烘烤12 h进行干燥失水试验。

2 风化试验结果

2.1 岩石风化程度判定

开展每组灰岩试样风化作用前后的波速测试，测得不同岩石风化作用的波速值，计算得到灰岩试样风化作用前后的波速比并进行风化程度判断（表2）。由表2可知，其各组灰岩试样波速值均发生改变，实现了对灰岩风化作用的模拟，得到了不同风化程度的灰岩试样。

表2 风化作用下灰岩波速测试及风化程度判定Table 2 Limestone wave speed test and weathering degree judgment under weathering

2.2 不同风化程度灰岩表面宏细观特征

风化模拟过程使得岩石表面宏细观特征形成差异，呈现出颜色、微裂隙等变化，这些现象是风化作用引起岩石风化程度变化的直接反映。根据上述试验结果，对不同风化程度的灰岩试样，从宏细观的角度去定性分析灰岩表面风化特征。以1，6，10，16，20号试样为例，探讨风化作用对灰岩的影响。图2为显微镜放大150倍时岩样表面细观特征。

由图2可知，通过对不同风化灰岩表面的宏细观特征进行分析，发现不同风化作用下的灰岩表面宏细观特征不尽相同。随着风化程度的增加，岩石表面出现风化的现象越发明显，表面裂隙逐步增多且增大，表面裂隙的增大更加有利于外界影响因素作用向岩石内部的渗入。不同风化作用下灰岩的宏细观特征总结如表3所示。

表3 不同风化程度灰岩的宏细观特征Table 3 Macro and mesoscopic characteristics of limestone with different weathering degrees

图2 不同风化程度灰岩的表面宏细观特征Fig.2 Surface macro and mesoscopic characteristics of limestone with different weathering degrees

2.3 风化作用下岩石风化机理浅析

岩石是由一种或几种矿物组成的集合体，其力学性质主要取决于矿物成分和矿物颗粒间的连接作用。水化学环境对岩石的作用包括物理和化学两方面的影响。在物理作用方面，水对岩石内颗粒界面的润滑作用，导致矿物颗粒间连接作用减弱，摩擦力降低，水的孔隙压力会降低围压的有效性，对微裂隙产生劈裂作用等[20]；在化学作用方面，水岩化学作用引起岩石的矿物成分发生改变并会使一些矿物溶解，颗粒被水带走，导致岩石颗粒大小及形态、微孔隙、微裂隙等细微观结构发生变化[21]，从而影响其力学性质。

如果把岩体看作一种理想的均匀介质，风化作用对岩石的影响是一个由表及里的过程，表部岩体为风化营力提供了更为充分的活动空间，而在向深部转移的过程中风化营力逐渐减弱，因此总体上呈现出表部岩体风化强烈而深部岩体风化微弱直至终止于某一界限的规律，如图3所示。

图3 岩石风化示意图Fig.3 Diagram showing rock weathering

3 剪切试验结果与分析

本次试验使用YDS-2型携带式岩土力学性质多功能试验仪器（图4），对不同风化程度灰岩在法向应力分别为1，2，3，4 MPa下进行室内岩石强度剪切试验。

图4 YDS-2型携带式岩土力学性质多功能试验仪Fig.4 YDS-2 portable multifunctional tester for the mechanical properties of rock and soil

3.1 风化程度对剪切试验过程的影响

图5为不同法向应力条件下，灰岩剪切应力与剪切位移的关系曲线。由图5 所示的试验结果整体来看，并结合文献[22]，可将灰岩剪切应力-位移曲线分为5个阶段：压密阶段、弹性变形阶段、剪切破坏阶段、峰后跌落阶段和滑动摩擦阶段。

压密阶段：表现为缓慢的变形调整，剪切应力随剪切位移增长缓慢。其原因为岩石存在微孔隙、微裂隙发育等缺陷，加载的初期，在剪切力的作用下，岩石的微孔隙、微裂隙被压密，因此剪切应力的增幅较小但是位移却增幅较大，导致该阶段曲线斜率较小。由图5可知，本次试验中灰岩试样压密阶段均很短，说明本次所用灰岩试样较为质密，仅需少量的变形调整。从整体上来看，灰岩试样剪切变形调整幅度满足风化程度从弱到强的规律。

图5 灰岩剪切应力与剪切位移的关系曲线Fig.5 Relationship between the shear stress and shear displacement of limestone

弹性变形阶段：经过压密阶段作用，岩石逐渐变得质密而趋于稳定，这时在剪切力的作用下，灰岩发生弹性变形，曲线近似1条直线，剪切应力随着剪切位移的增大大幅增长。从图5中可以看到，同一法向应力下，不同风化程度灰岩试样曲线弹性变形阶段斜率大致相同，风化对剪切弹性变形速率几乎无影响。

剪切破坏阶段：经过弹性变形阶段，可以看到之后很短的一段时间内曲线的斜率减小，直到剪切应力达到峰值，试件发生剪切破坏。在同一法向应力下，不同风化程度试样达到抗剪强度的位移满足风化程度从弱到强的规律。

峰后跌落阶段：在剪切应力达到峰值之后，剪切应力大幅度减少，曲线呈现跌落状，岩石试件开始出现滑移趋势。不同试验条件下的灰岩试样曲线峰后跌落阶段并无明显规律。

滑动摩擦阶段：灰岩试样在剪切破坏后，表现为滑动摩擦，保持有一定的残余抗剪强度。不同风化程度灰岩试样残余抗剪强度随剪切位移的变化总体呈近似水平恒定趋势。

3.2 风化程度对灰岩变形破坏特性的影响

干湿循环模拟风化作用改变了岩石的微细观结构特性，破坏了岩石颗粒或晶体间的连接，岩石变得更加脆弱，致使其力学特性随之发生变化。不同风化程度灰岩试样抗剪强度与残余抗剪强度结果如表4所示。

表4 抗剪强度与残余抗剪强度数据表Table 4 Data of shear strength and residual shear strength

试验结果表明，在同一法向应力下，灰岩抗剪强度随着风化程度的增加而降低。原因在于风化会使灰岩产生不同程度的软化，由表及里发生微细观结构的改变，产生更多的微孔隙和微裂缝或使原有的孔隙和裂缝进一步扩展，让结构变得更加松散，致使其抗剪强度降低。

岩石峰后曲线表征的是破裂后的岩块材料强度、破裂岩块排列的结构效应以及作用在岩块上的围压这三者共同作用的综合表现[23]。由表4可知，残余抗剪强度同样随着风化程度的增加而降低，总体变化规律与抗剪强度变化规律保持有良好的一致性，但残余抗剪强度结果离散性略大，可能是由于不同试样破裂面的粗糙程度不同，导致摩擦系数不同。残余抗剪强度比抗剪强度劣化更严重，且随着风化程度的增加劣化速度更快。

3.3 风化程度对灰岩抗剪强度参数值的影响

风化作用对岩石力学特性影响最直观的表现为岩石强度的降低，而岩石的强度受控于其强度参数黏聚力c及内摩擦角φ。根据库伦准则，采用式（1）将各组灰岩试样在不同法向应力条件下的岩石抗剪强度曲线分别进行线性拟合，拟合直线的截距和斜率分别为2个影响岩石强度的重要力学强度参数c、φ（表5）。

表5 不同风化程度下灰岩力学参数建议值Table 5 Recommended values of the mechanical parameters of limestone under different weathering degrees

式中：τ——灰岩抗剪强度/MPa；

σ——法向应力/MPa；

φ——内摩擦角/（°）；

c——黏聚力/MPa。

图6为抗剪强度参数随岩石风化程度变化的关系曲线。总体上，灰岩试样随着风化程度的增加，其黏聚力c及内摩擦角φ均越来越小，抗剪强度降低。说明灰岩试样在标准硫酸钠溶液浸泡环境下力学性能有一定的劣化，其黏聚力和内摩擦角劣化趋势相似。但其关系曲线集中于风化程度不高的灰岩试样，进一步的工作可通过试验获得风化程度更高的试样，更广泛地探究其力学参数特性劣化机制与规律。

图6 c、φ值变化曲线Fig.6 Curves of c and φ value

4 风化作用下灰岩抗剪强度估算模型

4.1 模型建立

为快速获取不同风化程度下灰岩的力学特性与

强度参数，需建立灰岩风化程度与抗剪强度关系的数学模型。但由于风化程度是一个定性的判定结果，不能清楚地量化数学关系，所以采用波速比这一定量判定风化程度的指标代替风化程度，建立波速比与抗剪强度关系估算模型，可有效解决这一问题。根据室内岩石强度剪切试验，绘制出不同风化程度灰岩在不同法向应力下抗剪强度与波速比之间的关系曲线（图7）。

图7 波速比与抗剪强度关系曲线Fig.7 Curves of relationship between the wave speed ratio and shear strength

由图7可知，在同一法向应力条件下，随着灰岩波速比（kv）的减小即风化程度的增大，灰岩的抗剪强度随之减小，且二者呈现线性关系。在不同法向应力下，抗剪强度与波速比之间存在如下关系式：y=Ax+B，其中系数A、B与法向应力有关（图8）。

图8 系数A、B与法向应力关系曲线Fig.8 Curves of coefficient A, B and normal stress relationship

由图7、图8曲线拟合得到灰岩抗剪强度与波速比和法向应力的之间的关系为：

4.2 模型验证

通过参数数据建模得到了风化作用下灰岩抗剪强度估算模型，为验证其准确性，需要与建模的数据、同批次试样未参与建模的数据、与利用文献[24]模型计算试验数据比对等3个层次进行对比检验。

（1）依据室内试验数据的检验

利用12个参与建模的数据将对估算模型成果进行反演参数，得到风化灰岩的抗剪强度等数据信息，进一步与试验实测值对比验证。同样，将同批次未参与建模的8个试样通过估算模型计算出其抗剪强度值，再与试验实测值对比检验，如图9所示。其中试样5，7，8，12，13，14，15，16等8个试样未参与建模，其余试样参与建模。

图9 室内试验数据验证对比图Fig.9 Comparison of indoor test data validation

对比发现，利用建模数据对估算模型进行反演参数，其抗剪强度模型值与试验实测值相对误差最大仅8.24%。同样，同批次试样未参与建模的试验数据与模型计算值相对误差最大也仅只有9.46%。

（2）与文献[24]模型的比对

文献[24]提出，对于不同破碎程度与风化程度的岩体而言，弹性波测试是一种有效的确定岩体工程性质与风化程度的方法。为了进一步研究利用弹性波速测试结果研究岩体强度参数，引入弹性波速比，以Hoek-Brown 强度准则为基础建立了一个岩体强度参数估算模型，并以贵州灰岩为例，利用该模型分析弹性波速比对强度参数的影响。本次与文献[24]的模型比对从不同波速比与不同法向应力两个方面来进行。由于文献[24]中只给出了抗剪强度参数（黏聚力、内摩擦角）与波速比或法向应力的关系，没有直接给出抗剪强度，而是通过式（3）来反演出对应的灰岩抗剪强度，进而用于与本文提出的风化作用下灰岩抗剪强度估算模型的计算值进行对比检验。

根据文献[24]利用黏聚力与内摩擦角通过式（3）反演抗剪强度值：

式中：σni——法向应力/MPa；

φi——内摩擦角/（°）；

ci——黏聚力/MPa。

首先，当法向应力σn=10 MPa时，在不同波速比条件下，文献[24]中灰岩黏聚力与内摩擦角的变化如图10所示。

图10 波速比与抗剪强度参数关系曲线[24]Fig.10 Relationship between the wave velocity ratio and shear strength parameters[24]

再根据式（3），通过反演计算图10所示的数据得到相应的抗剪强度，同时将利用本文估算模型计算得到的抗剪强度一并示于图11中进行对比。

图11 不同波速比条件下数据验证对比图Fig.11 Comparison of data validation under different wave velocity ratios

其次，当波速比kv=0.5时，在不同法向应力下，文献[24]中灰岩黏聚力与内摩擦角的变化如图12所示。

图12 法向应力与抗剪强度参数关系曲线[24]Fig.12 Relationship between the normal stress and shear strength parameters[24]

再根据式（3），通过反演计算图12所示的数据得到相应的抗剪强度，同时将利用本文估算模型计算得到的抗剪强度一并示于图13中进行对比。

图13 不同法向应力条件下数据验证对比图Fig.13 Comparison of data validation under different normal stresses

对比发现，文献[24]不同波速比下的反演计算值与本文估算模型计算值相对误差最大为28.02%，同样，文献[24]不同法向应力下的反演计算值与本文估算模型计算值相对误差最大为25.37%。从模型效果对比分析看，本文估算模型与文献[24]反演计算值存在一定的差异。差异产生的原因应是人为风化（浸泡Na2SO4溶液24 h后在105～110 °C下烘干12 h这种循环风化）规律与大自然的风化规律的明显差异（从外往里，人为的快速风化对岩块造成的损伤梯度远远大于自然界缓慢风化。人为风化损伤深度浅，损伤衰减快速，而大自然风化损伤深度深，损伤衰减缓慢）所造成的。

从建模数据、同批次试样未参与建模数据、与文献[24]模型比对3个层次检验来看，其中室内试验数据相对误差均小于10%，与文献[24]模型比对误差均小于30%。因此，该风化作用下灰岩抗剪强度估算模型具有良好的可靠性，可快速有效地估算风化作用下灰岩的抗剪强度。

5 结论

（1）利用干湿循环试验对灰岩进行风化模拟试验，进行室内风化岩样制备，对不同风化作用下灰岩的波速值进行测取，以波速比判定灰岩岩样的风化程度。

（2）随着风化程度的增加，灰岩抗剪强度和残余抗剪强度均呈现减小的趋势，但残余抗剪强度比抗剪强度劣化更严重，且劣化速度更快。

（3）灰岩随着风化程度的增加，其黏聚力c及内摩擦角φ均越来越小，两者劣化趋势相似，但其关系曲线集中于风化程度不高的灰岩试样，进一步的工作可通过试验获得风化程度更高的试样，更广泛地探究其力学参数特性劣化机制与规律。

（4）利用波速比量化风化程度，建立起风化作用下灰岩抗剪强度估算模型：τ=1.1183e0.271σkv+ 1.282 7σ0.2303，并通过了检验。通过简单测量计算岩石的波速比，即可快速评估岩石的抗剪强度特性。但该模型是基于室内模拟风化结果建立的，与自然界的风化存在一定的差异性，今后可利用天然风化岩石进行研究，更加符合工程实际。