吳國鵬，諶文武，崔凱，王珮

(1.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730000；2．蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730050)

板巖等低級(jí)變質(zhì)巖常出露于白龍江流域等構(gòu)造交互地區(qū)。該地區(qū)處于秦嶺褶皺系南緣，松潘—甘孜褶皺系東側(cè)，受區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景及其主干斷裂帶的控制，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)顯著，造山活動(dòng)強(qiáng)烈[1]。板巖所在志留紀(jì)地層是該地區(qū)滑坡、崩塌和泥石流發(fā)育最為活躍的地質(zhì)單元[2]。區(qū)內(nèi)年降雨量、蒸發(fā)量大，時(shí)空分布極不均勻，地表溫度變化范圍大，季節(jié)性凍土分布較廣[3]。全年的降水、蒸發(fā)、地表溫度變化、季節(jié)性凍土共同為板巖等低級(jí)變質(zhì)巖創(chuàng)造了充分的凍融-干濕交替環(huán)境。巖石在凍融、干濕交替作用下的劣化是一個(gè)較復(fù)雜的過程，其作為巖土工程相關(guān)學(xué)科研究的前沿領(lǐng)域，是工程巖體穩(wěn)定研究的重要內(nèi)容之一。國內(nèi)外研究者對(duì)巖石在凍融、干濕環(huán)境下劣化的研究成果較多，如：YAMABE等[4-5]研究了砂巖壓縮系數(shù)、剪切率、電阻率、單軸抗壓強(qiáng)度以及三軸抗壓強(qiáng)度等 物理、力學(xué)指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律；DEL ROA等[6-7]研究了花崗巖、安山巖每次凍融后的超聲波波速、抗壓強(qiáng)度和硬度隨循環(huán)時(shí)間的變化情況；FATIH[8]建立了適合特定石灰石凍融循環(huán)后單軸抗壓強(qiáng)度的預(yù)測方程式；JAVIER等[9]認(rèn)為超聲波波速衰減是最合適作為凍巖損傷程度評(píng)價(jià)參數(shù)；BADGER等[10-13]對(duì)砂巖、頁巖這兩種沉積巖在干濕循環(huán)作用下的劣化機(jī)理、力學(xué)性能進(jìn)行了研究；LIU等[14-17]選用不同地區(qū)花崗巖和安山巖研究了凍融循環(huán)后其超聲波波速、強(qiáng)度、泊松比、剛度單軸抗壓強(qiáng)度、峰值變形、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量等隨循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律，并研究了低溫和凍融環(huán)境下巖石力學(xué)特性；傅晏等[18-21]對(duì)砂巖、頁巖在干濕循環(huán)作用下的物理、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，得到了完整砂巖、頁巖在干濕循環(huán)作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量及抗剪強(qiáng)度的下降規(guī)律。然而，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)板巖這種低級(jí)變質(zhì)巖沒有進(jìn)行系統(tǒng)研究。冒海軍等[22-24]認(rèn)為，板巖的強(qiáng)度和破壞形式隨結(jié)構(gòu)面的變化而變化，并初步證實(shí)板巖強(qiáng)度降低的原因是顆粒的飽水性與顆粒間毛細(xì)管力減小。崔凱等[25-27]探討了板巖在飽水、凍融、干濕下波速、強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、峰值變形、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等相關(guān)指標(biāo)的劣化規(guī)律。目前，有關(guān)板巖這種低級(jí)變質(zhì)巖在凍融、干濕交替作 用下相關(guān)指標(biāo)劣化規(guī)律及其劣化機(jī)理的相關(guān)研究較少。為此，本文作者選取舟曲—武都地區(qū)志留紀(jì)板巖為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)條件下觀測經(jīng)歷不同次數(shù)凍融、干濕交替作用后板巖的宏觀形態(tài)和質(zhì)量變化，測試縱波波速和單軸抗壓強(qiáng)度，并對(duì)實(shí)驗(yàn)后的樣品進(jìn)行礦物成分分析和掃描電鏡分析，對(duì)板巖在凍融、干濕交替作用下裂紋擴(kuò)展過程、密度和強(qiáng)度等相關(guān)指標(biāo)的變化進(jìn)行研究，以便揭示板巖在凍融-干濕交替作用下相關(guān)指標(biāo)的劣化規(guī)律，并系統(tǒng)探討其劣化機(jī)理，為該地區(qū)巖體邊坡穩(wěn)定性及地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

試樣選取甘肅舟曲境內(nèi)典型板巖質(zhì)斜坡距斜坡表層2 m的風(fēng)化原狀板巖，并用RSM-SY5 智能聲波檢測儀測定每塊試件的波速，篩選波速相近(0.90＜v＜0.95 km/s)的試件作為實(shí)驗(yàn)巖樣。依據(jù)板巖自然板理，加工成長×寬×高為5 cm×5 cm×3 cm的立方體試件。經(jīng)甘肅省國土資源部蘭州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心檢驗(yàn)，板巖試樣呈顯微粒狀鱗片變晶結(jié)構(gòu)，顯微板狀構(gòu)造，粗略判斷其礦物成分主要由絹云母、石英、綠簾石、綠泥石和少量石英粉砂、褐鐵礦等組成，鏡像顯微照片見圖1。

圖1 千枚巖鏡像顯微照片F(xiàn)ig.1 Micrograph of slate sample

將波速相近的試樣每4 塊分為1 組，共5 組。將選好的巖樣置于溫度為105℃的烘箱中烘干48 h 至恒質(zhì)量，在干燥器中冷卻至室溫后稱質(zhì)量并記錄。將干燥巖樣采用真空抽氣法進(jìn)行強(qiáng)制飽水，稱取飽和后的巖樣質(zhì)量，巖樣初始參數(shù)如表1所示。

表1 初始試樣的基本物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of rock samples

1.2 劣化因素分析

取樣地處于青藏高原向黃土高原過渡帶，屬亞熱帶半濕潤氣候，具有顯著的垂直變化特征，為斜坡表層板巖劣化創(chuàng)造了良好的凍融與干濕環(huán)境。對(duì)已獲得的取樣地的氣候資料(1972—2013年)進(jìn)行分析。取樣 地氣候見圖2。

取樣地在11月份至次年3月份這5月的最低地 表溫度出現(xiàn)小于0℃的情況如下：最低地表溫度分別為-7.3，-11.4，-14.7，-8.3和-6.8℃；全年總降水量達(dá)413.2 mm，月平均降水量為34.4 mm；年蒸發(fā)量達(dá)2 081.26 mm，月平均蒸發(fā)量達(dá)173.4 mm。分析結(jié)果表明：1)取樣地存在凍融環(huán)境但持續(xù)時(shí)間短；斜坡表層板巖只在11月份至次年3月份可受到凍融作用的影響；2)取樣地干濕環(huán)境分明，降水大且集中，蒸發(fā)較劇烈；斜坡表層板巖4～10月份受干濕作用的影響，尤以5～9月份最強(qiáng)烈。凍融、干濕作用共同為該地區(qū)斜坡表面板巖劣化進(jìn)程提供了先決條件。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程與方法

將巖樣分組進(jìn)行0，5，10，20和30 次凍融、干濕及凍融-干濕交替循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)完成試驗(yàn)的試樣測量其質(zhì)量及波速，并對(duì)其進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)、礦物成分分析和掃描電鏡分析，以研究板巖在凍融、干濕及凍融-干濕這3 種不同作用形式下質(zhì)量、波速、強(qiáng)度變化規(guī)律及其劣化機(jī)理。

根據(jù)GB/T 50266—2013“工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”及取樣地氣候特征，設(shè)置凍融循環(huán)控制巖樣所處溫度為-20℃，冷凍時(shí)間為12 h，取出試樣放入10℃蒸餾水中浸泡12 h，稱為1 次凍融循環(huán)；設(shè)置干濕循環(huán)控制巖樣所處溫度為105℃，烘干時(shí)間為12 h，取出試樣放入干燥器中冷卻至室溫后，放入10℃蒸餾 水中浸泡12 h，稱為1 次干濕循環(huán)；設(shè)置交替循環(huán)為先進(jìn)行1 次凍融循環(huán)，再進(jìn)行1 次干濕循環(huán)，其所控制巖樣所處溫度與凍融循環(huán)、干濕循環(huán)巖樣所處的溫度相同。

圖2 取樣地氣候Fig.2 Local climate

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 質(zhì)量變化

對(duì)每次凍融循環(huán)、干濕循環(huán)及其交替循環(huán)后試樣質(zhì)量進(jìn)行測定。試樣采用飽和試樣，結(jié)果取平均值。其中，在凍融循環(huán)條件下，試樣未發(fā)生開裂；在干濕循環(huán)條件下，第11和第23 次時(shí)各有1 塊試樣發(fā)生破裂；第29 次時(shí)，剩余2 塊試樣發(fā)生破裂；在凍融-干濕交替循環(huán)條件下，在第18和第29 次時(shí)，各有1 塊試樣發(fā)生破裂。

不同交替循環(huán)試樣質(zhì)量變化見圖3。從圖3可見：在凍融循環(huán)條件下，試樣質(zhì)量變化不大；在干濕循環(huán)條件下，試樣質(zhì)量發(fā)生明顯變化，試樣質(zhì)量在干濕循環(huán)過程中發(fā)生3 次明顯變化，最大質(zhì)量減小為96.67 g，占總質(zhì)量的21.22%，總質(zhì)量損失為54.6%；在凍融-干濕交替條件下，試樣共發(fā)生2 次質(zhì)量變化，最大減小質(zhì)量為57.45 g，占總質(zhì)量的12.6%，總質(zhì)量損失為28.0%。

圖3 不同交替循環(huán)試樣質(zhì)量變化Fig.3 Average gradient of quality under Velocities of vertical wave under F-T,D-W and their alternating cycles

2.2 彈性波速變化

對(duì)上述試塊測試垂直層面的縱波波速，試樣采用飽和試樣，結(jié)果取平均值，結(jié)果表明：在凍融、干濕及其交替條件下，波速都隨循環(huán)次數(shù)增加而減小(見圖4)；在干濕條件下，試樣波速隨循環(huán)次數(shù)的變化最大，共降低41.44%；在交替條件下，試樣波速隨循環(huán)次數(shù)的變化次之，共降低41.28%；在凍融條件下，試樣波速隨循環(huán)次數(shù)的變化最小，共降低27.34%。

圖4 不同次數(shù)交替循環(huán)條件下試樣縱波波速變化Fig.4 Velocities of vertical wave under F-T,D-W and their alternating cycles

2.3 單軸抗壓試驗(yàn)

2.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)儀器采用蘭州大學(xué)CSS-WAW300DL 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試樣分別進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，加載速度為3 mm/min。由于尺寸效應(yīng)的影響，將非標(biāo)準(zhǔn)試件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果均采用試驗(yàn)的樣本均值，且由于30 次干濕循環(huán)試驗(yàn)后的試樣全部開裂，為了進(jìn)行對(duì)比，在本次試驗(yàn)中均采用20 次循環(huán)試驗(yàn)以前試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

不同次數(shù)交替循環(huán)條件下板巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖5可見上述試樣的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了凍融、干濕及凍融-干濕交替循環(huán)條件試驗(yàn)下的板巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變具有如下共同特征：1)隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，試樣破壞時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變都明顯減??；2)隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率都隨循環(huán)次數(shù)增加而減小，即試件的變形模量E都隨循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣反映了2 種條件試驗(yàn)下板巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯差異：1)在相同試驗(yàn)次數(shù)及凍融作用下，板巖試樣變形模量Edr、交替作用下的變形模量Ejt、干濕作用下的變形模量Egs依次減??；2)在相同試驗(yàn)次數(shù)下，試樣破壞時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)變具有明顯差異，表現(xiàn)為凍融作用下的試樣破壞時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)變、交替作用下試樣破壞時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)變、干濕作用下的試樣破壞時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)變依次減小。

圖5 不同次數(shù)交替循環(huán)條件下 板巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of slate under F-T,D-W and their alternating cycles

2.3.2 單軸抗壓強(qiáng)度

在不同次數(shù)的凍融循環(huán)、干濕循環(huán)下，后板巖的抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。從圖6可見：板巖在凍融循環(huán)條件下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，強(qiáng)度變化明顯；從開始到第5 次結(jié)束，板巖抗壓強(qiáng)度下降緩慢，由36.05 MPa降低到28.91 MPa，降低19.8%；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度降低幅度變大，各個(gè)凍融循環(huán)期間其抗壓強(qiáng)度降幅分別為31.2%，32.90%和30.44%，到30次凍融循環(huán)結(jié)束，板巖的強(qiáng)度為2.66 MPa，共降低92.71%。

圖6 不同次數(shù)的交替循環(huán)下試樣單軸抗壓強(qiáng)度變化Fig.6 Uniaxial compressive strength under F-T,D-W and their alternating cycles

2.4 X 線衍射(XRD)試驗(yàn)

為研究不同試驗(yàn)條件下試樣內(nèi)礦物成分的變化規(guī)律，試驗(yàn)選用XRD 對(duì)礦物成分進(jìn)行分析。XRD 測量在飛利浦PW2000 型X 線衍射儀上進(jìn)行，采用Cu-Kα輻射。2θ測量范圍為3°～30°，步長為0.02°。晶體結(jié)構(gòu)由 MS Modeling(美國Accelry 公司)軟件計(jì)算，去除 Cu Kα2散射和衍射背底的貢獻(xiàn)，采用波長λ=1.540 562 nm進(jìn)行計(jì)算。

本次試驗(yàn)選取干濕循環(huán)試驗(yàn)后的板巖碎屑50 g，用瑪瑙研缽研碎，并通過0.05 mm 篩分，通過XRD全礦物分析確定板巖所含主要礦物成分隨循環(huán)次數(shù)的變化。該板巖中共有10 種礦物，其中黏土礦物、石英、云母是板巖的主要礦物，鉀長石、斜長石、方解石、普通輝石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，石膏、菱鐵礦、赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(見表2)。

不同次數(shù)下XRD 礦物分析結(jié)果見圖7。從圖7可見：在3 種試驗(yàn)條件下，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，且增加速率從小到大對(duì)應(yīng)條件依次為凍融循環(huán)、凍融-干濕交替循環(huán)、干濕循環(huán)；同時(shí)，在干濕循環(huán)和凍融-干濕交替循環(huán)條件下，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化表現(xiàn)為先快后慢的特征，并符合指數(shù)增長法則；而在凍融條件下，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性增大。

表2 全礦物分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Component if all minerals %

圖7 在不同次數(shù)的交替循環(huán)下XRD 礦物分析Fig.7 XRD analysis for all minerals that undergone alternating cycles for different times

云母、鉀長石、斜長石、方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨循環(huán)次數(shù)增加而減小，且減小速率由小到大對(duì)應(yīng)條件依次為凍融循環(huán)、凍融-干濕交替循環(huán)、干濕循環(huán)；同時(shí)，鉀長石、斜長石、方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化在3 種試驗(yàn)條件下總體表現(xiàn)為先快后慢的特征(斜長石在凍融條件下表現(xiàn)為線性減小特征)。

圖8 在不同次數(shù)的交替循環(huán)下黏土礦物XRD分析Fig.8 XRD analysis for clay minerals that undergone alternating cycles for different times

由于黏土礦物與石英礦物為板巖的主要成巖礦物，而黏土礦物穩(wěn)定性較差，易在干濕作用下發(fā)生變化，因此，有必要對(duì)不同次數(shù)干濕試驗(yàn)后的板巖黏土礦物成分進(jìn)深入分析。圖8所示為不同循環(huán)次數(shù)試驗(yàn) 后板巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況。從圖8可見：伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3 種不同條件下隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，且增加速率由小到大依次為凍融循環(huán)、凍融-干濕交替循環(huán)、干濕循環(huán)；同時(shí)，在干濕循環(huán)條件下，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為先快后慢的特征，并符合指數(shù)增長法則，而在凍融和凍融-干濕交替循環(huán)條件下，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性增大。高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3種不同條件下隨循環(huán)次數(shù)增加而表現(xiàn)出先增大后減小的特征，其變化速率有小到大對(duì)應(yīng)條件依次為凍融循環(huán)、凍融-干濕交替循環(huán)、干濕循環(huán)。

2.5 掃描電子顯微鏡(SEM)實(shí)驗(yàn)

為研究不同干濕試驗(yàn)條件下試樣破壞機(jī)理，試驗(yàn)采用微觀組織觀察與分析，選用Quanta FEG-450 場發(fā)射掃描電鏡(SEM)，該設(shè)備適合多種材料的表征，能夠?qū)Ω黝悩悠?金屬、非金屬、粉末等)進(jìn)行高分辨率觀察和分析。掃描電鏡同時(shí)安裝有能譜儀(EDS)與背散射衍射(EBSD)配件。EDS 附件能夠?qū)膾呙桦娮语@微鏡采集到的樣品微觀組織進(jìn)行化學(xué)成分分析，其中，分析形式分為點(diǎn)分析、線分析以及面分析3 種，可以根據(jù)需要自行選擇。

選取干濕試驗(yàn)后板巖試樣的斷裂面，以觀測干濕作用后試樣的破裂機(jī)理；同時(shí)，取不同次數(shù)干濕循環(huán)的板巖試樣，用瑪瑙研缽研碎，并通過0.05 mm 篩分，將粉末用酒精分散并蘸于導(dǎo)電膠布，以觀察不同次數(shù)干濕循環(huán)后礦物顆粒形態(tài)的變化。

2.5.1 斷面微觀照片

試樣斷面微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。從圖9可見：1)方解石與長石發(fā)生溶蝕(圖9(a)和圖9(b))，在晶體內(nèi)部產(chǎn)生空洞，從而增大板巖內(nèi)部空隙；2)對(duì)斷面上白色物質(zhì)進(jìn)行拍攝，其顆粒形態(tài)為針狀的石膏礦物(圖9(c))；3)在長石表層風(fēng)化為伊利石并在周圍產(chǎn)生次生膨脹性黏土礦物(伊、蒙混層)(圖9(d))。

2.5.2 顆粒形態(tài)微觀照片

板巖礦物顆粒微觀照片拍攝在電壓為20 kV、放大倍數(shù)為500 倍的條件下進(jìn)行，如圖10所示。從圖10可見：在3 種試驗(yàn)條件下，第30 次循環(huán)后，試樣的顆粒形態(tài)發(fā)生很大變化，由小顆粒團(tuán)聚為大顆粒，其中干濕循環(huán)后試樣顆粒形態(tài)變化最明顯，凍融-干濕交替循環(huán)的次之，凍融循環(huán)后試樣顆粒形態(tài)變化較不明顯。

圖9 試樣斷面微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Micro structures of failure plane

同時(shí)，對(duì)不同次數(shù)凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、凍融-干濕交替循環(huán)后試樣顆粒粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖11。由圖11可見：板巖礦物顆粒數(shù)量隨試驗(yàn)次數(shù)增多而減小，而顆粒粒度隨試驗(yàn)次數(shù)增多而增大，其增大速率由小到大對(duì)應(yīng)的條件依次為凍融循環(huán)、凍融-干濕交替循環(huán)、干濕循環(huán)；在干濕循環(huán)和凍融-干濕循環(huán)條件下，粒度變化表現(xiàn)為先快后慢的特征，并符合指數(shù)增長規(guī)律，而在凍融條件下，粒徑變化呈線性增長規(guī)律。

圖10 30 次凍融、干濕及其交替試驗(yàn)后板巖顆粒微觀結(jié)構(gòu)Fig.10 Micro structures of particle that undergone F-T cycles,T-F cycles and their alternating cycles for 30 times

圖11 凍融、干濕及其交替作用下試樣微觀顆粒粒徑Fig.11 Micro-particle of slate undergone F-T cycles,D-W cycles and their alternating

3 分析與討論

3.1 分析

為系統(tǒng)研究板巖在凍融、干濕及凍融-干濕交替條件下的劣化過程及機(jī)理，對(duì)不同次數(shù)凍融、干濕及凍融-干濕交替試驗(yàn)后的板巖質(zhì)量、波速及單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，并進(jìn)行XRD、微觀照片和點(diǎn)掃描分析。研究結(jié)果表明：板巖在凍融、干濕及凍融-干濕交替作用下，風(fēng)化主要以物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化為主；物理風(fēng)化具體表現(xiàn)為密度減少、波速降低、抗壓強(qiáng)度減小、試樣延性增強(qiáng)等；化學(xué)風(fēng)化則表現(xiàn)為云母、長石、方解石溶蝕，高嶺石、伊利石等次生礦物增多。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣證明板巖在凍融、干濕及其交替作用下產(chǎn)生明顯的劣化響應(yīng)，具體表現(xiàn)為：隨著循環(huán)次數(shù)增加，板巖發(fā)生層面裂隙擴(kuò)展，質(zhì)量減少，彈性波速減小，強(qiáng)度衰減，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化形式不同。但板巖在干濕條件下和凍融條件下的劣化行為存在差異，在凍融條件下，板巖始終沒有沿板理面分離，總質(zhì)量沒有明顯變化，彈性波速、抗壓強(qiáng)度的變化較??；在干濕作用下，板巖迅速沿板理面分離，總質(zhì)量發(fā)生明顯變化，彈性波速、抗壓強(qiáng)度明顯衰減，衰減幅度明顯比凍融循環(huán)后的大；而在凍融、干濕交替作用下，板巖沿板理面分離，總質(zhì)量產(chǎn)生明顯變化，彈性波速、抗壓強(qiáng)度明顯衰減，衰減幅度明顯比凍融循環(huán)后的大，與干濕作用后試樣的相關(guān)指標(biāo)接近。在凍融、干濕交替交替作用中，板巖交替進(jìn)行凍融、干濕作用，其劣化不僅僅是凍融、干濕作用疊加。交替循環(huán)采用凍融與干濕等時(shí)間進(jìn)行，即12 h 凍融作用，12 h 干濕作用，試驗(yàn)結(jié)果顯示凍融干濕交替交替循環(huán)后試樣宏觀形態(tài)、質(zhì)量、波速、抗壓強(qiáng)度等物理、力學(xué)性能劣化指標(biāo)都與干濕作用后相關(guān)指標(biāo)相近，而不是兩者的簡單平均。

板巖中的黏土礦物為質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多的礦物，且其質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著試驗(yàn)次數(shù)增多而不斷增加。黏土礦物晶體是典型的四面體結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的離子交換能力，極易與其他黏土晶體結(jié)合，團(tuán)聚成簇狀，常常具有很大的比表面積和較強(qiáng)的吸水能力。即隨著凍融次數(shù)增加，黏土顆粒不斷聚集，對(duì)凍融、干濕作用的響應(yīng)不斷加強(qiáng)，從而進(jìn)一步導(dǎo)致巖石內(nèi)部空隙增大，物理、力學(xué)性能降低，使斜坡板巖性能發(fā)生劣化。

云母、長石、方解石、云母等礦物在凍融、干濕及凍融-干濕交替作用下發(fā)生溶蝕，在增大板巖空隙率的同時(shí)也在板巖內(nèi)部形成孔道，使板巖中的自由水含量增大。大量的自由水通過孔道與更多的黏土礦物、石膏發(fā)生吸水膨脹現(xiàn)象，水進(jìn)入微空隙并與親水礦物相結(jié)合，在冷凍過程中水變成固態(tài)，體積膨脹，微空隙進(jìn)一步擴(kuò)展，在變干過程中，產(chǎn)生更加不均勻的膨脹，使更多的水參與凍融、干濕交替作用。板巖在上述反復(fù)凍融過程中，微裂紋不斷擴(kuò)展并聯(lián)通。當(dāng)裂紋沿板理面貫通后，板巖在外營力作用下沿裂紋產(chǎn)生破壞。其中，云母、長石、方解石在凍融、干濕及凍融-干濕試驗(yàn)條件下可能發(fā)生如下反應(yīng)。

1)云母轉(zhuǎn)化為鉀長石：

KAl3Si3O10(OH)2+6SiO2+2K+=3KAlSi3O8+2H+

KAl3Si3O10(OH)2+6SiO2+3Na+=3NaAlSi3O8+2H++K+

2)云母轉(zhuǎn)化為鈉長石：

3)鉀長石發(fā)生水化作用生成高嶺石：

2KAl3Si3O8+2H++9H2O=Al2Si3O8(OH)4+2K++4H4SiO4

4)鉀長石發(fā)生水化作用生成伊利石：

3KAlSi3O8+2H++12H2O=KAl3Si3O10(OH)2+H4SiO4+2K+

5)鈉長石發(fā)生水化作用生成高嶺石：

2NaAlSi3O8+2H++9H2O=Al2Si2O5(OH)4+2Na++4H4SiO4

6)方解石溶蝕：

CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2

3.2 討論

板巖作為一種區(qū)域變質(zhì)作用下形成的低級(jí)變質(zhì)巖，常出露于舟曲—武都這類區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜的交互地區(qū)[28]。該區(qū)域內(nèi)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，危害嚴(yán)重。究其原因，其實(shí)質(zhì)是板巖等低級(jí)變質(zhì)巖在以凍融、干濕及其交替作用為代表的氣候環(huán)境動(dòng)力因素作用下 發(fā)生明顯的劣化響應(yīng)，力學(xué)性能降低，礦物成分發(fā)生改變，微結(jié)構(gòu)裂隙增多，沿板理開裂，常常誘發(fā)巖體失穩(wěn)。

在凍融過程中，組成板巖的三相介質(zhì)發(fā)生液-固態(tài)的相態(tài)轉(zhuǎn)化。在凍結(jié)過程中，板巖孔隙中的自由水發(fā)生凍結(jié)，體積膨脹。為了限制體積膨脹，在礦物顆粒之間產(chǎn)生局部應(yīng)力調(diào)整，伴隨應(yīng)力調(diào)整，礦物顆粒發(fā)生彈塑性變形，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在融解過程中，凍解應(yīng)力釋放和水分遷移使其發(fā)生的彈性形變得到恢復(fù)，塑性變形則無法恢復(fù)。同時(shí)，伴隨著云母、方解石、長石風(fēng)化及黏土礦物增多吸水膨脹，巖石內(nèi)部微空隙不斷增多、增大。隨著循環(huán)次數(shù)增加，板巖重復(fù)同樣的行為，塑性變形不斷積累，形成局部損傷域。這些局部損傷域逐步擴(kuò)展，連成微裂隙，不斷破壞板巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使微裂隙規(guī)模不斷增大，強(qiáng)度不斷降低。

在干濕過程中，板巖孔隙中的自由水與親水性礦物的結(jié)合水發(fā)生液-氣、固-氣的相態(tài)轉(zhuǎn)化及其疊加作用。在吸水過程中，云母、方解石、長石風(fēng)化及黏土礦物增多吸水使板巖內(nèi)空隙被更多自由水填充；同時(shí)，原有的黏土礦物與新生成的黏土礦物吸附水膜增厚，引起體積膨脹，失水過程使親水礦物產(chǎn)生干縮，體積收縮，同時(shí)，水分相態(tài)變化而產(chǎn)生的氣體以裂隙為通道開始向外擴(kuò)散。在親水礦物體積膨脹、收縮與氣體擴(kuò)散的共同作用下，板巖內(nèi)部塑性變形不斷積累形成損傷域。塑性域規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)展形成微裂隙，微裂隙迅速發(fā)展，其擴(kuò)展規(guī)模比凍融作用下的擴(kuò)展規(guī)模顯著增大。

在凍融、干濕及凍融-干濕交替過程中，長石、方解石等礦物溶蝕和黏土礦物吸收膨脹使弱風(fēng)化板巖中原有的微裂隙張開聯(lián)通，增大板巖與水的接觸面積，使更多礦物與水接觸并產(chǎn)生溶蝕，增大板巖內(nèi)部孔隙，力學(xué)性能產(chǎn)生明顯劣化。板巖在凍融、干濕及凍融-干濕交替作用下，密度、波速、抗壓強(qiáng)度等劣化指標(biāo)的變化以及XRD和SEM的試驗(yàn)結(jié)果為其提供了有力佐證。

4 結(jié)論

1)板巖宏觀形態(tài)、質(zhì)量、彈性波速、抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)在凍融作用、干濕作用及凍融-干濕交替作用過程中產(chǎn)生明顯的劣化響應(yīng)，隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，試驗(yàn)質(zhì)量減少，波速降低，抗壓強(qiáng)度減小。

2)試樣在凍融作用、干濕作用及凍融-干濕交替作用下，方解石、長石等礦物發(fā)生溶蝕，生成伊利石與高嶺石等次生黏土礦物，其中，礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在干濕及凍融-干濕交替作用下呈指數(shù)規(guī)律變化，而在凍融作用下呈線性減小規(guī)律。

3)隨著凍融、隨著干濕及凍融-干濕交替試驗(yàn)次數(shù)增加，黏土礦物發(fā)生聚集，使顆粒粒度、間距增大；在凍融作用下，顆粒聚集速度呈線性緩慢增大；而在干濕及凍融-干濕交替作用下，顆粒聚集速度服從指數(shù)規(guī)律，即在試驗(yàn)次數(shù)為0～10 次時(shí)，顆粒聚集速度較慢，而試驗(yàn)次數(shù)為20～30 次時(shí)，顆粒聚集速度急劇增大。

4)板巖對(duì)凍融、干濕及凍融-干濕交替作用響應(yīng)比較明顯，5 次試驗(yàn)后板巖質(zhì)量、波速、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、單軸抗壓強(qiáng)度、礦物成分和顆粒形態(tài)發(fā)生改變；在這3 種作用中，板巖對(duì)干濕作用的劣化響應(yīng)行為最強(qiáng)，交替作用次之，凍融作用最弱，這表明泥板巖在凍融、干濕及凍融-干濕交替作用下耐久性較差，是斜坡表層板巖風(fēng)化的主要原因之一。