， ，

(河海大學(xué) a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室；b.巖土工程科學(xué)研究所， 南京 210098)

泥頁巖浸水力學(xué)特性試驗研究

金成a,b，王芳a,b，石崇a,b

(河海大學(xué) a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室；b.巖土工程科學(xué)研究所， 南京 210098)

為研究泥頁巖遇水軟化后力學(xué)特性變化，進(jìn)行了泥頁巖不同浸水時間下的常規(guī)三軸壓縮試驗，分析了浸水后巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，研究了泥頁巖水劣化力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律研究。結(jié)果表明：隨著浸水時間的延長，試樣的強(qiáng)度和彈性模量降低幅度較大，浸水對泥頁巖的摩擦角影響較小，對黏聚力影響顯著；試樣破壞形式逐漸由脆性張拉劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔羝茐牡幕旌掀茐男问剑浕饔迷絹碓矫黠@。巖石浸水時間對其強(qiáng)度、變形及破壞形式有較為明顯的影響。研究結(jié)果可為該類巖體的巖土力學(xué)參數(shù)取值或力學(xué)分析提供參考。

泥頁巖;軟化作用；浸水時間；三軸壓縮試驗；力學(xué)特性；應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1 研究背景

泥頁巖是一種典型的沉積巖，成分復(fù)雜，通常具有薄頁狀或薄片層狀的節(jié)理，沉積的黏土經(jīng)壓力和溫度作用形成巖石，其中一般混雜有石英、長石的碎屑，其成分與構(gòu)造和頁巖相似，但較不易碎。存在泥頁巖的工程，在降雨、地下水的浸泡作用下巖石力學(xué)特性往往發(fā)生巨大變化，造成工程穩(wěn)定問題，受到工程人員的普遍關(guān)注。

針對遇水軟化巖石，劉新榮等[1-2]從力學(xué)作用和物化角度初步分析了巖石遇水后的強(qiáng)度影響；陳鋼林等[3]根據(jù)砂巖和灰?guī)r等在不同飽水度下的單軸壓縮試驗結(jié)果，得出其強(qiáng)度峰值和彈性模量隨飽水度增加而衰減直至穩(wěn)定的結(jié)論；王偉等[4]從水溶液的化學(xué)作用方面入手，對不同溶液腐蝕下的紅砂巖強(qiáng)度及變形特性進(jìn)行了研究；丁梧秀等[5-6]針對龍門石窟灰?guī)r，通過單軸壓縮試驗獲得了不同化學(xué)溶液對灰?guī)r的強(qiáng)度損傷特性；鄧華鋒等[7-10]通過飽水-風(fēng)干循環(huán)試驗獲得了砂巖強(qiáng)度和力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律；周翠英等[11-12]從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析了不同飽水時間下紅色砂巖孔隙率的變化；劉建等[13-14]對砂巖在不同水化學(xué)溶液下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗，探討了水化學(xué)對砂巖的損傷機(jī)制。李鈾等[15]針對堅硬完整的花崗巖在飽水和風(fēng)干的情況下研究其流變特性。這些研究結(jié)果表明，巖石浸水后各項力學(xué)性能會有一定程度的下降；如以砂巖浸水為例，在2 MPa圍壓下，待各項力學(xué)參數(shù)穩(wěn)定后，強(qiáng)度下降30%～40%，彈性模量下降20%～30%。但目前針對泥頁巖遇水軟化力學(xué)特性的研究還相對較少。

本文針對泥頁巖浸水軟化，從強(qiáng)度變化、變形特性和破壞形式這3個方面具體分析巖石強(qiáng)度和力學(xué)參數(shù)的變化，對預(yù)防浸水作用下的泥頁巖巖體破壞具有重要的意義，并針對典型泥頁巖制定了不同浸水試驗方案，開展了三軸壓縮試驗研究，分析浸水時間對巖石參數(shù)和破壞模式的影響，得出不同浸水時間對泥頁巖宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律，成果可為相應(yīng)巖石工程的防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

2 浸水試驗設(shè)備與方案

通過對試樣在不同浸水時間下進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗，可對不同浸水時間下的泥頁巖瞬時力學(xué)特性進(jìn)行研究，并得出泥頁巖不同浸水時間下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，據(jù)此可分析得出浸水時間對試樣的強(qiáng)度、變形特性以及破壞形式的影響。

2.1 試驗材料與試驗儀器

試驗巖樣為灰黑色泥頁巖，除了黏土礦物，礦物組分中還包含一些自生礦物。從現(xiàn)場采集的泥頁巖被制作成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣：高100 mm，直徑50 mm。為防止泥頁巖的物理力學(xué)性質(zhì)被空氣中的水所影響，用保鮮膜封裝，并妥善存放。試驗在如圖1所示巖石三軸伺服儀上進(jìn)行。軸向膨脹采用自由膨脹變形測試，其膨脹變形量的記錄方式采用在圓柱形試樣側(cè)面中心對稱位置貼2組應(yīng)變片，應(yīng)變片周圍應(yīng)進(jìn)行蠟封。統(tǒng)計不同浸泡時間試樣的軸向膨脹應(yīng)變量和自由膨脹儀測得的膨脹量，并研究應(yīng)變量和浸泡時間的關(guān)系曲線。

圖1 巖石三軸伺服儀試驗Fig.1 Triaxial test instrument and specimens

2.2 常規(guī)三軸試驗方案

巖樣為灰黑色的泥頁巖，現(xiàn)場層厚超過5 m，在試驗尺度上層理不發(fā)育，屬于一種較為密實的泥頁巖。初期采用不同方向取樣進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)各向異性不明顯，因此本文只考慮浸水后力學(xué)特性的變化，忽略不同加載方向的影響。

為評價泥頁巖浸水后的力學(xué)特性，試驗考慮彈性模量E、抗壓強(qiáng)度σ等因素。試驗主要考慮浸水時間對泥頁巖物理力學(xué)性能所帶來的影響。試驗設(shè)計方案將試樣分為6組，每組5個，然后對試樣進(jìn)行巖石力學(xué)瞬時試驗。試樣編號及浸水時間見表1。

表1 試驗方案設(shè)計Table 1 Design of test schemes

在進(jìn)行三軸壓縮試驗前，通過單軸壓縮試驗得到試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為40.72 MPa，表明天然狀態(tài)下該試樣整體性較好。然后在各組試樣達(dá)到浸水時間后對其進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(對于天然試樣，直接在三軸伺服儀上試驗)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并通過對比分析探討浸水時間對泥頁巖力學(xué)參數(shù)和彈性模量的影響。

在不同圍壓下進(jìn)行常規(guī)三軸試驗，受試樣個數(shù)及試驗條件限制，試樣分為6組，每組5個，測得一組中5個數(shù)據(jù)然后取平均值?？紤]到泥頁巖的天然賦存情況，試驗圍壓分別為：0(天然狀態(tài))，0.5，1.0，2.0 MPa(部分4.0 MPa圍壓)。

圖2 不同浸水時間的泥頁巖常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of conventional triaxial compression tests on shale soaked for different durations

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 泥頁巖的常規(guī)三軸壓縮試驗

遇水膨脹軟化是泥頁巖這類巖石的重要性質(zhì)，不同浸水時間下的試樣由于經(jīng)過浸泡，其宏觀力學(xué)特性發(fā)生了一些變化。

對不同浸水時間下的試樣進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗，可以得到泥頁巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而分析對泥頁巖物理力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。圖2為不同浸水時間下泥頁巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及彈性模量變化值見表2。數(shù)據(jù)前的負(fù)號(-)代表數(shù)據(jù)的減小。

表2 不同浸水時間下泥頁巖強(qiáng)度及力學(xué)參數(shù)Table 2 Strength and mechanical parameters of shale soaked for different durations

3.2 泥頁巖浸水后強(qiáng)度特性的變化規(guī)律

3.2.1 浸水時間對巖石的峰值和殘余強(qiáng)度的影響

(1) 由表2可知，相同浸水時間下，峰值偏應(yīng)力隨圍壓的增加而增加。試樣三軸壓縮過程中，天然狀態(tài)下的巖石、浸水30 d、浸水90 d和浸水150 d的巖石試驗時常伴隨著輕微的響聲，應(yīng)力下降顯著，其他浸水時間下的巖石在試驗時沒有明顯的響聲，說明應(yīng)力下降幅度較小。

(2) 相同圍壓下，浸水時間越長，峰值偏應(yīng)力下降越多。圍壓為1.0 MPa時，與天然試樣的峰值強(qiáng)度相比，浸水30 d試樣的峰值強(qiáng)度下降了31.11%，浸水90 d試樣的峰值強(qiáng)度下降了32.78%，浸水150 d試樣的峰值強(qiáng)度下降了45.22%，浸泡210 d和270 d后，試樣峰值強(qiáng)度分別下降48.10%和49.35%。成果表明：在150 d前，峰值強(qiáng)度下降明顯，150 d后趨于穩(wěn)定。

(3) 相同圍壓下，天然試樣殘余強(qiáng)度最大。與天然試樣相比，當(dāng)圍壓為0.5 MPa，浸泡30 d后，殘余強(qiáng)度降低37.01%；浸泡90 d后，殘余強(qiáng)度降低27.81%；浸泡150 d后，殘余強(qiáng)度降低37.16%；浸泡210 d后，殘余強(qiáng)度降低52.41%；浸泡270 d后，殘余強(qiáng)度降低50.27%?？傮w上，隨著浸泡時間的延長，試樣殘余強(qiáng)度明顯降低。

3.2.2 時間對巖石強(qiáng)度參數(shù)的影響

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，可求出不同浸水時間下強(qiáng)度參數(shù)c，φ的值。表3是不同狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)及變化幅度值(數(shù)據(jù)前負(fù)號(-)表示減小)。

表3 不同浸水時間下強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Strength parameters under differentsoaking durations

圖3表示不同浸泡時間后試樣常規(guī)三軸壓縮試驗獲得的散點圖、線性擬合直線及其擬合方程。根據(jù)式(1)和式(2)分別計算內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c。

(1)

(2)

式中：m為擬合直線的斜率；b為直線與縱坐標(biāo)軸的截距。

圖3 不同條件下線性擬合曲線Fig.3 Linear curve fitting under different conditions

將擬合直線的截距和斜率代入式(1)得到天然試樣及不同浸泡時間后試樣的強(qiáng)度參數(shù)。

根據(jù)表3可知，巖樣強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生不同程度變化，可得到以下幾點規(guī)律：

(1) 與天然狀態(tài)相比，隨著浸水時間的增加，試樣內(nèi)摩擦角φ值的變化幅度并不明顯，說明浸水時間對巖樣內(nèi)摩擦角影響并不明顯。

(2) 與天然狀態(tài)的巖樣相比，隨著浸水時間的增加，浸水后巖樣的黏聚力c值出現(xiàn)大幅下降，說明浸水時間對黏聚力的影響較為顯著。

3.3 浸水時間對泥頁巖彈性模量的影響

彈性模量是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線段的斜率，泥頁巖不同浸水時間下常規(guī)三軸壓縮試驗的彈性模量見表4，彈性模量隨浸水時間變化曲線見圖4。

表4 各狀態(tài)下的彈性模量Table 4 Modulus of elasticity at each state

圖4 不同圍壓下的彈性模量與浸水時間的關(guān)系曲線Fig.4 Relation between elastic modulus and soaking duration under different confining pressures

相同圍壓下，彈性模量隨浸水時間的增加而降低。圍壓為0.5 MPa時，與天然狀態(tài)試樣相比，浸水30，90，150，210， 270 d后，彈性模量分別降低4.53%，22.90%，52.38%，47.61%，55.78%；浸水150 d試樣的下降幅度略高于浸水210 d的下降幅度，應(yīng)是由巖樣的離散型導(dǎo)致的。

3.4 浸水時間對泥頁巖破壞形式的影響和評價

巖石是一種非均質(zhì)、非連續(xù)、非線彈性、各向異性的材料，內(nèi)部隨機(jī)分布著大量的微裂隙，這些裂隙通常是點或線的接觸。在外部荷載壓縮下，微裂隙逐漸發(fā)育、開展、搭接最后聚合貫通，線接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|，變形超過極限值時巖石破壞。巖石的破壞形式從力學(xué)角度可為3類：剪切破壞、脆性張拉劈裂破壞、張拉和剪切混合破壞。

表5為不同浸水時間下泥頁巖試樣的破壞形式。 泥頁巖的破壞形式隨著浸水時間的延長，從脆性張拉破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔魹橹骰旌掀茐闹敝良羟衅茐模@說明了浸水作用下的泥頁巖有由脆性向延性轉(zhuǎn)變的趨勢。

表5 試樣三軸壓縮試驗破壞形式Table 5 Failure modes of specimens undertriaxial compression

由表5可知，泥頁巖試樣沿軸向存在多條劈裂面，試樣的破壞形式多為脆性張拉劈裂破壞及張拉和剪切混合破壞2種形式。當(dāng)試樣浸水時間為0 d時，其破壞形式主要為脆性張拉劈裂破壞，當(dāng)浸水時間為30～150 d時，試樣出現(xiàn)相互搭接的剪切裂紋，除個別試樣發(fā)生局部破壞外，多數(shù)試樣存在貫通裂紋，試樣破壞形式仍以脆性張拉劈裂破壞為主；隨著浸泡時間的增加，尤其當(dāng)浸水時間為210～270 d時，泥頁巖破裂面明顯增多，出現(xiàn)多條交錯的剪切裂紋，試樣破壞形式主要以剪切破壞、張拉和剪切混合破壞2種形式為主。因此通過試驗可認(rèn)為：在圍壓較低時，泥頁巖呈現(xiàn)拉剪混合破壞，以張拉為主，表現(xiàn)為明顯的脆性破壞。

4 結(jié) 論

基于泥頁巖三軸壓縮試驗，探討了浸水時間對泥頁巖強(qiáng)度、變形及破壞形式的影響，得到主要結(jié)論如下。

(1) 對比分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)在微裂隙從發(fā)育到貫通階段出現(xiàn)了較為明顯的屈服點；隨著浸水時間的延長，泥頁巖在軸向的破壞應(yīng)變也逐漸增大，說明了隨著浸水時間的延長，試樣的應(yīng)變軟化更加明顯。

(2) 浸水后的試樣在彈性變形階段，前90 d彈性模量幾乎不變，但在90～150 d后，彈性模量下降顯著，210 d后彈性模量下降幅度較小，趨于穩(wěn)定。這表明短期浸水對試樣彈性模量沒有太大影響，但長期浸水卻極大降低試樣的彈性模量。這說明浸水時間是影響泥頁巖變形性能劣化的重要因素。

(3) 天然狀態(tài)下，試樣呈脆性破壞，出現(xiàn)多道劈裂紋。但隨著浸水時間的延長，試樣破壞形式逐漸由脆性張拉劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔羝茐臑橹鞯幕旌掀茐摹?/p>

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(編輯：姜小蘭)

Experimental Study on Mechanical Properties of Soaked Shale

JIN Cheng1,2, WANG Fang1,2, SHI Chong1,2
(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The mechanical properties of shale vary after being soaked and softened in water. In view of this, triaxial compression tests were conducted on shale soaked in water for different durations. The relationship between stress and strain of soaked shale was revealed, and the variation regularity of mechanics parameters of shale was obtained under the action of water deterioration. Results indicate that the strength and elastic modulus of soaked shale specimens reduced greatly with the increase of soaking duration. Water soaking had small influence on frictional angle of soaked shale, but significant impact on cohesion. In addition, as the softening effect became increasingly significant, the failure mode of shale specimens gradually changed from brittle tensile splitting failure to a mixed failure form of tension and shear. The strength reduced and ductility increased when softening action became increasingly significant. Soaking duration has significant impact on strength, deformation and failure mode. The results offer reference for determining geotechnical parameters or mechanical analysis of shale.

shale; softening action; soaking time; triaxial compression test; mechanical characteristics; stress-strain curve

2016-06-06；

：2016-08-05

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2015CB057903)；國家自然科學(xué)基金青年項目(51309089)；江蘇省基礎(chǔ)研究計劃(自然科學(xué)基金)項目( BK20130846)

金 成(1992-)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，研究方向為巖石力學(xué)與工程安全，(電話)15895933889(電子信箱)616421611@qq.com。

石 崇(1978-)，男，山東臨沂人，副教授，博士，研究方向為多尺度巖土力學(xué)與工程，(電話)13770773434(電子信箱)scvictory@hhu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160572

2017,34(9):122-126

TU521.22

：A

：1001-5485(2017)09-0122-05