干湿循环作用下预崩解炭质泥岩强度特性及其劣化机制

2023-10-30曾铃邱健匡波肖源杰刘杰卞汉兵

中南大学学报（自然科学版） 2023年9期

曾铃，邱健，匡波，肖源杰，刘杰，卞汉兵

(1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙，410114；2.广西交通设计集团有限公司，广西南宁，530029；3.中南大学土木工程学院，湖南长沙，410075；4.重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南长沙，410075；5.长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南长沙，410114；6.桥梁工程安全控制教育部重点实验室(长沙理工大学)，湖南长沙，410114；7.法国里尔大学土木工程与岩土环境工程实验室，法国里尔，59655)

我国西南地区优质填料匮乏，为节约建设成本、减少废弃物，常因地制宜将开挖后的预崩解炭质泥岩用于路堤填筑。然而，在季节性降雨作用下，路堤长期经受干燥和浸水反复作用，其内部预崩解炭质泥岩强度急剧劣化[1]，导致路堤发生不均匀沉降甚至诱发坍塌、滑坡等地质灾害。预崩解炭质泥岩黏土矿物质量分数高[2]、遇水软化崩解[3]，在干湿循环作用下，内部微观孔隙及颗粒结构变化复杂，极大增加了其强度的不可预测性，严重威胁预崩解炭质泥岩路堤长期稳定。为减少或避免预崩解炭质泥岩路堤灾害，亟需明确干湿循环作用下预崩解炭质泥岩强度特性及其劣化机制。目前，国内外学者主要从以下几个方面开展岩土体强度特性及其劣化机制研究：

1)采用扫描电镜等手段从微观颗粒及孔隙形貌演变等方面推断其微观结构变化对宏观力学的影响，发现随着干湿循环次数增加，微观层面上的孔隙出现贯通[4]，颗粒结构经历表层整齐、结构错动、结构破碎、形成大尺度软弱面4 个阶段[5]，在宏观层面上表现为弹性模量和峰值强度明显衰减。

2)基于图像识别技术，探索颗粒及孔隙结构特征变化对岩土体强度的影响规律。扫描电镜技术是一种能对孔隙及颗粒结构进行定量分析的有效手段[6]，通过提取SEM 图像中孔隙及颗粒结构信息，发现残积土劣化主要由大孔隙引起[7]，孔隙形态是评价土体强度的一个重要微观结构参数，并可结合颗粒定向性参数探究强度劣化机制[8]。

3)结合微观结构参数和宏观强度两者之间的关联程度，探究岩土体劣化的微观机制。

干湿循环作用后，黏聚力急剧降低，内摩擦角变化很小。采用相关方法分析发现颗粒的平均周长和形状系数是影响强度的微结构显著参数[9]，颗粒圆度对黏聚力和内摩擦角影响较大[10]。然而，预崩解炭质泥岩不同于一般岩土体，其崩解性强，在干湿循环作用下，微观结构变化更加复杂；同时，无论是微观结构的定性分析还是定量分析，现有研究很少考虑各向异性带来的结构特征差异，导致对干湿循环作用下强度劣化机制的认识存在片面性。因此，如何定量分析干湿循环作用下预崩解炭质泥岩微观结构变化规律，并揭示其强度劣化机制是当前研究的难点。为此，本文作者通过三轴剪切试验，分析干湿循环次数对预崩解炭质泥岩宏观强度特性的影响规律，并基于扫描电镜试验及图像分析技术定量研究微观孔隙及颗粒结构参数的演变规律，同时探究微观结构参数与宏观强度指标的相关性，揭示干湿循环作用下预崩解炭质泥岩强度劣化机制，以便为炭质泥岩路堤的干湿运营环境研究提供参考。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验用炭质泥岩取自广西南天高速公路某路堤，将其置于室外经反复降雨及暴晒，直至完全崩解成粒径小于2 mm 的预崩解炭质泥岩[1]，经室内试验可得到预崩解炭质泥岩基本物理指标(见表1)，其颗粒级配曲线见图1。依据GB/T 50145—2007[11]，粒径在2 mm以下的预崩解炭质泥岩中的粗粒组质量分数为81.33%，属于粗砂中的细粒土质砂；粉粒在细粒组中的质量分数为81.36%，故属于细粒土质砂中的粉土质砂。X射线衍射分析发现其矿物成分主要为石英(38%，质量分数，下同)、高岭石(32%)、伊利石(18%)，其余各矿物成分质量分数均低于5%。

图1 预崩解炭质泥岩颗粒级配曲线Fig.1 Grain gradation curve of pre-caved carbonaceous mudstone

表1 预崩解炭质泥岩基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

1.2 试验方法

预崩解炭质泥岩强度劣化机制研究主要包括重塑样制备、干湿循环试验、强度测试、微观结构测试4 部分，试验流程及设备见图2，具体试验方法如下。

图2 试验流程及设备Fig.2 Test process and equipment

1)试样制备。控制试样含水率为10.56%(最佳含水率)，压实度为96%(路堤填筑规范要求土体压实度不低于90%)[12]。取适量蒸馏水与完全干燥的预崩解炭质泥岩充分拌和，密封静置48 h 使水分均匀分布。采用静压法分5 层制备直径为50 mm、高为100 mm 的圆柱试样，并用塑料薄膜密封保存。

2)干湿循环试验。采用真空饱和法对试样进行湿化饱和，烘干法进行干燥，饱和与烘干时间均控制为24 h[13]，烘箱温度控制为106 ℃。采用干燥—湿化的循环路径，干湿循环次数设置为0、2、4、6次。

3)强度测试。采用GDS 三轴仪对上述不同干湿循环次数后试样进行三轴固结排水剪切试验，围压选择100、200、300、400 kPa。采用应变控制法加载，剪切速率为0.05%/min。在剪切过程中，若曲线出现峰值且轴向应变增加3%～5%，则结束试验；若无峰值且轴向应变为16%，则停止试验[14]。

4)微观结构测试。采用ZEISS 高分辨电子扫描显微镜-EVO 10，最大分辨率为3 nm，加速电压为0.2～30.0 kV，10 V 步进可调，最大探针电流为5 μA。为探究不同干湿循环次数后预崩解炭质泥岩水平和竖直断面的孔隙及颗粒结构特征演变规律，在试样中心处切取长×宽×高为2 cm×2 cm×1 cm 的块状样，长轴方向与主应力σ1方向垂直；沿长轴方向从中间折断得到2个试块，以与主应力方向水平、垂直的断面为测试平面，分别制作竖直断面、水平断面SEM样品。对SEM样品进行充分干燥、喷金处理，进行扫描电镜试验。

2 微观结构特征分析方法

2.1 图像处理方法

为确定预崩解炭质泥岩SEM 图像二值化时的分割阈值T，对所有图像亮度进行归一化处理，以保证SEM图像的亮度一致。在SEM图像中取宽度为1像素的扫描线，分析该扫描线上所有像素点灰度分布曲线(见图3)，以阈值T为标准作1条水平虚线(虚线以下像素点表示孔隙、以上表示颗粒)，调节阈值T使灰度图像中代表孔隙与颗粒的像素点与SEM 图像中孔隙与颗粒区域相对应，则该阈值T为最佳阈值。通过分析大量预崩解炭质泥岩的SEM图像可知，最佳阈值T=53。

图3 扫描线上灰度变化曲线Fig.3 Gray change curve on scan line

对阈值分割后SEM 图像进行二值化处理，将颗粒和孔隙分开，随后对二值化后的图像进行降噪处理，以去除噪点对图像的干扰，由此提取预崩解炭质泥岩的微观特征信息，具体步骤如图4所示。

图4 SEM图像分析过程Fig.4 SEM image analysis processes

2.2 微观结构特征指标

岩土体微观结构主要包括孔隙与颗粒结构两方面。由于孔隙形态结构多样，为简化计算，采用相同的面积、取向、重心的椭圆代替相应的不规则孔隙[15]。对于多维度颗粒结构，采用水平断面颗粒边缘任意2点之间的距离最大值、最小值分别作为颗粒的平均长度L、平均宽度B，采用竖直断面颗粒厚度的平均值作为平均厚度T，且利用L与x轴之间的夹角α作为颗粒的排列角度，如图5所示。

图5 预崩解炭质泥岩孔隙及颗粒结构示意图Fig.5 Schematic diagrams of pore and particle structure of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

微观结构特征变化可引起岩土体强度、黏聚力及内摩擦角发生改变。为定量评价预崩解炭质泥岩孔隙及颗粒结构的形态、大小等特征，选择以下6种微观结构指标进行分析，各参数表示方法与意义如下。

1)孔隙圆度F及面积S，其中F表征孔隙形状与圆形的接近程度(图5)，其大小与狭长度呈正相关。

式中：a、b分别为等效椭圆孔隙的短轴长度、长轴长度。

2)颗粒三轴几何平均直径R及球度Sp，其中，Sp表征颗粒与球形的接近程度。

3)颗粒定向频率Fi(α)[16]及概率熵H，表征颗粒结构单元排列的有序性，颗粒排列的混乱程度与Fi(α)呈负相关，与H呈正相关，可表示为

式中：α为颗粒排列的单个区间角度，取15°；ni为第i角度区间内的颗粒数量；m和n分别为角度区间数和总颗粒数量。本文假定预崩解炭质泥岩在0°～360°范围内对称分布。

3 试验结果与分析

3.1 干湿循环下预崩解炭质泥岩强度特性劣化研究

3.1.1 预崩解炭质泥岩应力-应变曲线和抗剪强度

图6所示为干湿循环前后预崩解炭质泥岩应力-应变曲线和抗剪强度变化曲线。由于不同围压下的应力-应变曲线规律基本一致，故以100 kPa和400 kPa 围压下不同干湿循环次数N的应力-应变规律曲线为例进行分析。由图6(a)可知：1)各应力-应变曲线均呈应变硬化型，且均可分为快速增长和缓慢增长2个阶段；2)当围压一定时，随着干湿循环次数增加，应力-应变曲线向下移动，这表明干湿循环导致预崩解炭质泥岩强度劣化，究其原因是干湿循环过程中的水岩作用引起内部结构松散，且松散程度与循环次数呈正相关。由图6(b)可知：1)当围压一定时，预崩解炭质泥岩的抗剪强度随干湿循环次数增加而降低。2)当干湿循环次数一致时，抗剪强度与围压呈正相关。以6次干湿循环次数为例，围压为100、200、300、400 kPa时的抗剪强度分别为125.81、154.81、178.48、323.06 kPa，与干湿循环前相比较，抗剪强度分别降低了34.53%、31.44%、27.15%、22.06%，这说明围压越高，对预崩解炭质泥岩内部结构松散的抑制作用越强。

图6 干湿循环前后预崩解炭质泥岩应力-应变曲线和抗剪强度变化曲线Fig.6 Stress-strain curves and shear strength curves of pre-disintegrating carbonaceous mudstone before and after dry-wet cycle

3.1.2 抗剪强度指标

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩黏聚力和内摩擦角的变化如图7所示。由图7可知：预崩解炭质泥岩黏聚力受干湿循环次数的影响较大，干湿循环0～4次时，黏聚力随干湿循环次数的增加而减小，干湿循环4次后黏聚力随干湿循环的次数增加而增加；总体而言，6次干湿循环次数后，黏聚力从32.95 kPa 降至13.16 kPa，减幅达60.1%。与黏聚力相比，6 次干湿循环次数后，内摩擦角从15.52°降至14.15°，较0 次干湿循环时仅减小8.83%，变化不明显。这表明干湿循环下预崩解炭质泥岩黏聚力的减小是强度劣化的主要原因，而内摩擦角的作用较小。

图7 干湿循环前后抗剪强度指标演化曲线Fig.7 Evolution curves of shear strength index before and after wetting and drying

3.2 干湿循环下预崩解炭质泥岩微观结构演化规律

3.2.1 微观结构形貌

岩土体的微观结构变化极大影响其宏观力学性能。刘禹阳等[17-18]发现黄土、粉土、黏土微米级孔隙发育明显，且对于预崩解炭质泥岩等软岩而言，干湿循环后颗粒崩解破碎严重，细粒质量分数剧增将引起级配进一步细化[19]，同时，颗粒中的部分矿物溶解，将产生大量的颗粒内孔隙和颗粒表面孔隙。该孔隙尺寸(直径)虽是微米级别，但与颗粒间孔隙相连，增强水岩作用，对预崩解炭质泥岩强度产生重要影响。为全面分析干湿循环作用下预崩解炭质泥岩颗粒结构及孔隙特征，分别从水平和竖直方向观察预崩解炭质泥岩断面的微观孔隙及颗粒结构特征，如图8所示。

图8 水平、竖直断面微观孔隙及颗粒结构特征Fig.8 Micromorphologies of horizontal and vertical sections

由图8(a)和图8(d)可知：干湿循环前，预崩解炭质泥岩水平断面结构致密均匀，竖直断面存在大量紧密接触的叠聚体。由图8(b)、(c)、(e)、(f)可知：干湿循环后，水平断面出现颗粒间孔隙和颗粒内孔隙，结构松散隆起，最终形成破碎体；竖直断面叠聚体出现分离剥落，厚度降低，间隙增大等，面-面接触的颗粒逐渐向边-面接触转变。可见，干湿循环后的预崩解炭质泥岩强度劣化在其微观结构演变趋势中得到体现。究其原因，叠聚体是岩土体中产生胀缩性最主要的基本单元，其通过胶结物质联结而成[20]。在湿化过程中，预崩解炭质泥岩叠聚体中被水分子率先包裹的伊利石和高岭石亲水性黏土矿物产生膨胀，撑开临近孔隙；在干燥过程中，颗粒及孔隙结构由于伊利石和高岭石失水，导致体积缩小，其受力体系发生改变，故叠聚体结构无法恢复完全[21]。结构性黏土堆砌模型理论认为，岩土体由多个完整岩土块与其之间的胶结薄弱面组成。经干湿循环后，颗粒崩解破碎，岩土中部分矿物软化，溶解流失，粒径减小，将在颗粒表面和内部产生孔洞，引起孔隙度增大[21]，从而降低岩土体强度。另外，土体破坏具有渐进性，孔隙发育亦如此。颗粒间孔隙作为土体强度变化的决定性因素之一，其也是由颗粒内或表面孔隙扩展、汇集、贯通而形成。同时，部分孔洞与连通孔隙之间相连，构成复杂的孔隙网络[22]，增强了水岩作用，削弱了矿物、岩土颗粒间的联系[23]，引起黏聚力降低，造成叠聚体间的不可逆联结强度不断下降，叠聚体在剪切过程中将沿着岩土体薄弱面而发生破坏，进而使得完整岩土块被碎裂成小岩土块直至剪切破坏[24-25]。预崩解炭质泥岩的叠聚体在干湿循环中反复胀缩而逐渐疏松，叠聚体间的不可逆联结强度降低，孔隙发育汇集，导致预崩解炭质泥岩完整岩土块破碎，强度不断劣化。

3.2.2 微观结构特征指标分析

1)孔隙结构特征分析。孔隙圆度可用于描述孔隙的形态分布变化情况，在相同孔隙率下，存在狭长孔隙的岩土体比存在圆形孔隙的岩土体更易受到损伤[26]。在干湿循环下，预崩解炭质泥岩各孔隙圆度区间内孔隙数量占比如图9所示。由图9 可知：在干湿循环前后，孔隙圆度F在[0.9,1.0](圆形)区间呈增大趋势，且孔隙数量占比始终最高，最低为48.50%；F为[0,0.3)(细长形)的孔隙最少，但孔隙数量占比随干湿循环次数增加呈增大趋势；F为[0.3,0.9)(椭圆形)区间孔隙数量占比相当且呈减小趋势。这表明干湿循环前后，预崩解炭质泥岩的孔隙趋于圆形和细长形2 个极端形态，圆形孔数量占比始终最高。

图9 各孔隙圆度区间孔隙数量占比Fig.9 Proportion of pore quantity in each pore roundness interval

为探究干湿循环过程中预崩解炭质泥岩孔隙趋于圆形和细长形这2个极端形态的原因，结合图9 统计不同干湿循环次数下[0,0.3)、[0.3,0.9)、[0.9,1.0]孔隙圆度F区间内平均孔隙面积S变化规律，如图10所示。从图10可知：对于平均孔隙面积，F为(0.9～1.0]范围的最小(小孔)，最大面积仅为0.010 μm2，F为(0.3～0.9]的面积相当(中孔)；F为[0～0.3)的面积最大(大孔)，最小面积为0.626 μm2；干湿循环后，大孔的平均孔隙面积呈增大趋势，小孔、中孔的平均孔隙面积基本不变。结合图9和图10 分析可知：在干湿循环过程中，水分对预崩解炭质泥岩孔壁周围颗粒造成冲刷和磨蚀，在产生新圆形小孔的同时，部分小孔逐步发育汇集成细长形的大孔，导致预崩解炭质泥岩在外力作用下应力更加集中，驱动孔隙进一步发育，强度不断劣化。孔隙发育示意图如图11所示。

图10 某孔隙圆度区间平均孔隙面积Fig.10 Average pore area of a certain circularity interval

图11 孔隙发育示意图Fig.11 Pore development diagrams

2)颗粒结构特征分析。在外界环境作用下，岩土体颗粒定向排列状态会发生显著变化，进而影响其宏观力学特征。图12所示为不同干湿循环次数下，预崩解炭质泥岩风化后的颗粒定向频率Fi(α)分布。由图12 可知：随干湿循环次数增加，0°～180°区间内的预崩解炭质泥岩颗粒定向频率Fi(α)经历均匀分布—大区间局部优先分布—小区间局部优先分布阶段。未经干湿循环时，Fi(α)在各区间均匀分布；2、4 次干湿循环后均表现为大区间优先分布，其中2次循环后的优先分布区间为60°～105°，Fi(α)为37.75%；4 次循环后，在45°～75°区间内排列角度为15°的颗粒分布较多，Fi(α)达29.38%，其他区间较少；6次干湿循环后，Fi(α)在小区间内优先分布，0°～30°区间内Fi(α)较高，为34.46%，其余范围的Fi(α)适中，尤其以15°～30°的Fi(α)极高，达23.65%，出现了“去极化”[27]的现象。

图12 颗粒定向频率分布Fig.12 Directional frequency distribution of particles

干湿循环下预崩解炭质泥岩风化后的颗粒结构定向概率熵H、三轴几何平均径R和球度Sp变化见表2。从表2 可见：干湿循环下预崩解炭质泥岩颗粒H、R和Sp均呈减小趋势，6 次干湿循环后，H、R分别从0.994 7、1.03 μm 衰减至0.945 5、0.78 μm，降幅分别为4.95%、24.27%，故干湿循环后的预崩解炭质泥岩的定向性增强、粒径减小、球度降低。分析图12 可知：干湿循环使预崩解炭质泥岩混乱排列的颗粒重新排列，其定向性增强，同时，由于水岩作用使颗粒结构松散，粒径减小，在外力作用下颗粒的运动能力更强，滑动摩擦减小；球度降低，颗粒间的团聚能力增强，咬合摩擦适当增大。

表2 预崩解炭质泥岩颗粒结构特征Table 2 Particle structure characteristics of predisintegrated carbonaceous mudstone

4 讨论

4.1 微观结构参数与强度指标相关性

将大孔、中孔、小孔的孔隙面积S，颗粒的定向概率熵H、三轴几何平均径R和球度Sp等微观结构参数与抗剪强度指标相结合，所得干湿循环作用下预崩解炭质泥岩微观结构参数对黏聚力c、内摩擦角φ的影响如图13所示。从图13 可知：黏聚力、内摩擦角均与大孔面积呈负相关，与中孔及小孔面积、颗粒的定向概率熵H、三轴几何平均径R、球度Sp均呈正相关。

图13 微观结构参数与黏聚力c、内摩擦角φ的关系Fig.13 Relationship among microstructure parameters and cohesion and internal friction Angle

为定量评价预崩解炭质泥岩微观结构参数和强度指标之间的紧密程度，通过Pearson相关系数γ分析抗剪强度指标(黏聚力或内摩擦角)与各微观结构参数之间相关性，其计算方法如下：

其中：xi为第i次干湿循环后的抗剪强度指标(黏聚力或内摩擦角)；yi为第i次干湿循环后的微观结构参数；和分别为n次(n=6)干湿循环内抗剪强度指标(黏聚力或内摩擦角)、微观结构参数；Pearson系数的范围为-1～1。黏聚力、内摩擦角与预崩解炭质泥岩微观参数相关性见表3。由表3 可知：对于黏聚力而言，其与大孔面积、中孔面积、小孔面积、颗粒结构定向概率熵、三轴几何平均径、颗粒球度等微观参数的相关系数分别为-0.85、0.19、0.93、0.80、0.80、0.71。中孔面积与黏聚力间的相关系数仅为0.19，中孔由于其面积较大，会引起整体粒间引力减小，而其形态存在差异(椭圆形)，短轴方向的粒间引力较大，会适当增大黏聚力，因此，在两者共同作用下，中孔面积与黏聚力的相关性低。就内摩擦而言，其与大孔面积、中孔面积、小孔面积、颗粒结构定向概率熵、三轴几何平均径、颗粒球度等微观参数的相关系数分别-0.04、0.82、0.82、0.94、0.93、0.48。

表3 微观结构参数与黏聚力、内摩擦角的相关性Table 3 Relativity between microstructure parameters and cohesion and angle of internal friction

4.2 强度劣化的微观机制

黏聚力和内摩擦角是影响岩土体抵抗发生剪切破坏能力的重要指标。黏聚力包括原始黏聚力和加固黏聚力，胶结物质水解、孔隙粗化贯通、颗粒崩解及圆化均会造成原始黏聚力和加固黏聚力削减；内摩擦角包含滑动摩擦与咬合摩擦，其中滑动摩擦通过颗粒粒径、排列控制[28]，咬合摩擦受颗粒形态控制[29]。结合上述分析结果可知，在干湿循环下，预崩解炭质泥岩叠聚体结构趋于松散、破碎。对于黏聚力而言，其与小孔、大孔面积相关度高，在干湿循环下，叠聚体反复胀缩，颗粒流失，不断形成新的圆形小孔，且其数量始终最多。随着干湿循环次数增加，部分小孔发育汇集成细长形大孔，内部应力更加集中，在外力作用下更易诱发孔隙发育，导致孔隙直径及面积不断增大，同时，预崩解炭质泥岩内的胶结物质不断水解，颗粒间的胶结力降低[29]，最终导致黏聚力显著降低。就内摩擦角而言，其与颗粒的定向概率熵、粒径关系紧密。首先，在干湿循环前，预崩解炭质泥岩颗粒排列是紧密且无序的，历经干湿循环的颗粒重新排列后定向性增强，颗粒的长轴方向趋于一致；其次，在水岩作用过程中，颗粒破碎，粒径减小，两者共同作用导致颗粒在水力作用下的迁移能力增强，摩擦力降低。

综上所述，在干湿循环过程中，预崩解炭质泥岩强度劣化机制为：预崩解炭质泥岩内叠聚体反复胀缩，在不断形成小孔的同时，部分汇集成细长形大孔，内部应力更加集中，更易驱动孔隙发育；同时，部分胶结物质不断水解，最终引起黏聚力显著降低；内摩擦角受颗粒定向分布和颗粒破碎的影响，呈现出小幅度减小；黏聚力及内摩擦角以不同幅度衰减，最终导致预崩解炭质泥岩强度劣化。