宋 磊 張榮寬 湯 勇

（1.華設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210029；2.江蘇禹衡工程質量檢測有限公司，江蘇鹽城 224014）

0 引言

膨脹性巖土遇水膨脹，失水收縮，對水極為敏感。我國膨脹性巖土地區(qū)分布廣泛，受大氣降水等因素的影響，在膨脹性巖土場地進行基坑和邊坡工程建設，干濕循環(huán)問題不可避免。研究干濕循環(huán)對膨脹性巖土強度的影響規(guī)律有助于工程設計和施工。

前人對膨脹土的干濕循環(huán)后強度的變化規(guī)律已有一定研究，但對于膨脹性巖石干濕循環(huán)后的強度變化規(guī)律研究較少。20 世紀50 年代，Badger 等[1]總結提出了干燥頁巖遇水崩解的兩大機理：氣致崩解和膠體物質消散。傅 晏[2]、劉新榮等[3]研究了砂巖在干濕循環(huán)作用下抗剪強度的變化規(guī)律，并在庫岸邊坡的穩(wěn)定分析中應用。鄧華鋒等[4]對三峽庫區(qū)的紅層軟巖進行浸泡-風干循環(huán)水巖作用試驗，表明水的干濕循環(huán)作用對紅層軟巖造成了不可逆的漸進累積損傷，微觀層面由相對致密的結構轉變成微觀裂隙、孔隙發(fā)育的松散多孔結構，宏觀層面巖石抗壓、抗剪強度劣化和破壞模式會變化。

本文針對合肥地區(qū)某水利工程的膨脹性巖石在干濕循環(huán)條件下的裂隙及強度變化規(guī)律進行了研究，研究成果對類似工程建設具有一定的指導意義。

1 試驗巖樣基本特性

試驗巖樣取自合肥地區(qū)某水利工程邊坡開挖現場，暗紅色，結構面發(fā)育，具有遇水膨脹、失水收縮的特性。巖樣的基本物理力學性質指標見表1。

表1 巖樣基本物理力學性質指標

2 試驗方案

按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）制備環(huán)刀原狀樣24個，制備完成的試樣見圖1。試樣制備完成后，稱取環(huán)刀樣質量，并用切削剩余的巖樣量測初始含水率。飽和時采用環(huán)刀飽和器固定環(huán)刀樣（見圖2）。環(huán)刀飽和器限制了浸水飽和時環(huán)刀內巖樣的膨脹，減少了由于巖樣膨脹帶來的次生孔隙，以確保巖樣強度的衰減基本緣自于干濕脹縮引起的裂隙發(fā)展。若不采用環(huán)刀飽和器固定環(huán)刀樣，則烘干后浸水的巖樣會產生明顯膨脹，由膨脹帶來的次生孔隙大大增加，加重了巖樣的損傷劣化，裂隙的發(fā)展、次生孔隙的增加共同引起了抗剪強度的衰減，導致通過直剪試驗得出的巖樣抗剪強度偏小。

圖1 加工后的原狀泥巖環(huán)刀樣

圖2 環(huán)刀飽和器實物

干濕循環(huán)試驗時，首先將原狀樣在真空缸中抽氣2 h 后浸水飽和24 h，將此作為0 次干濕循環(huán)。將抽氣飽和24 h 后的原狀樣在100℃下脫濕24 h，再抽氣飽和24 h，將此作為第1 次干濕循環(huán)。依此類推，共做5 次干濕循環(huán)。對0-5 次干濕循環(huán)后的試樣分別進行直剪固結快剪試驗，豎向壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，得到每次干濕循環(huán)后對應的黏聚力和內摩擦角，直剪試驗按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）的要求進行。以剪應力為縱坐標，剪切位移為橫坐標，繪制剪應力剪切位移關系曲線。選取線上的峰值點或穩(wěn)定值作為抗剪強度，當無明顯峰點時，取剪切位移4 mm 對應的剪應力作為抗剪強度。以抗剪強度為縱坐標，垂直單位壓力為橫坐標，根據圖上各點擬合出一條直線，直線的傾角為內摩擦角，直線在縱坐標軸上的截距為黏聚力。試樣每次烘干后均對巖樣表面拍照、觀察裂隙，并用裂縫寬度測量儀測量巖樣表面裂縫寬度。拍照時，為保證每次拍攝的距離、位置以及外界光線環(huán)境一致，將攝像頭置于環(huán)刀樣表面正中央約5 cm 高度處拍攝，且均在晴朗白天正常采光的室內進行拍攝。

3 干濕循環(huán)對膨脹性泥巖裂隙的影響

圖3 為1-5 次烘干后的環(huán)刀樣表面的裂隙變化。第一次完全脫濕后，試樣表面裂隙較長，寬度較大；隨著干濕循環(huán)次數的增加，裂隙數量增加、長度變短、寬度變小，但裂隙總面積和總長度增加，裂隙將土樣分割成的塊體體積逐漸減小。干濕循環(huán)過程中，裂隙的增加包括原生裂隙的擴展和新裂隙的產生。烘干后的土樣重新飽和時，裂隙會閉合，但裂隙處的土體抗拉強度并未得到恢復。因此，當土樣再次脫濕時，閉合的裂隙由于抗拉性能遭到破壞將會首先張開，且張開更為容易，同時裂隙會進一步開展產生更多次生裂隙。巖樣的完整性被縱橫交錯的裂隙破壞，使巖樣的強度降低。

圖3 不同烘干次數下的表面裂隙發(fā)育情況

為了定量分析裂隙的數量、長度、寬度等在干濕循環(huán)過程中的變化規(guī)律，需用圖像處理軟件對5 次烘干后的試樣表面裂隙照片做進一步處理，使裂隙更清晰地展現，以便于定量化計算。首先用photoshop將5 次烘干后表面裂隙照片用直徑比環(huán)刀內徑（61.8 mm）略小的圓截取，這里采用直徑375（像素點個數）的圓進行裁剪，對應的圓的真實直徑為60 mm，因此6.25 個直線型排列的像素點的長度相當于1 mm。然后對圖像進行USM 銳化處理，使圖像清晰度增加，將裂隙更明顯地展現出來。隨后將圖像二值化，先將圖像的對比度調至最高，然后調整閾值至同一默認值128，即可完成圖像二值化處理，二值化處理結果如圖4 所示。

圖4 不同烘干次數后二值化處理后的裂隙

運用Image-Pro 圖像處理軟件可將每次烘干后的最大裂隙長度、最大寬度及裂隙度算出。二值化處理后的圖像中黑色代表裂隙，裂隙度為試樣上表面裂隙的面積占總面積的百分比。裂隙長度、寬度與干濕循環(huán)次數的關系見圖5、圖6。由圖5、圖6 可知，隨干濕循環(huán)次數的增加，裂隙度逐漸增加，且增加速度逐漸變緩。從第1 次烘干到第5 次烘干，裂隙度由5.38%增長到7.3%。最大裂隙長度和最大裂隙寬度顯著減小，隨烘干次數的增加減小速度逐漸變緩，最大裂隙長度由57 mm 減小至23 mm，最大裂隙寬度由0.95 mm 減小至0.63 mm，二者的大幅度減小主要發(fā)生在第1-2 次干濕循環(huán)中。在干濕循環(huán)的初期，失水收縮引起的拉應力大部分以勢能的形式存儲于試樣內部，沒有以產生裂隙的形式釋放，由干縮產生的變形集中在較少的幾條較大寬度的裂隙上，裂隙數目較少，單個裂隙長度較長，此時裂隙的總面積相對較小。隨干濕循環(huán)次數的增加，干縮引起的拉應力逐步得到釋放，裂隙在原有基礎上逐漸發(fā)展延伸、分叉，同時產生更多新的裂隙，干縮變形分散在數目逐漸增加的裂隙中，因此單條裂隙寬度和長度減小，但裂隙總面積增加。隨著裂隙發(fā)育到一定程度，由裂隙分割成的塊體體積逐漸減小，干縮產生的拉應力已通過產生眾多裂隙進行釋放，不再產生新的裂隙，裂隙的長度和寬度逐漸趨于穩(wěn)定值。

圖5 裂隙長度與干濕循環(huán)次數的關系

圖6 裂隙寬度與干濕循環(huán)次數的關系

4 干濕循環(huán)對膨脹性泥巖強度的影響

膨脹性泥巖原狀樣的強度參數黏聚力c和內摩擦角φ隨著干濕循環(huán)次數的變化情況見圖7 和表2?？芍ぞ哿值隨著干濕循環(huán)次數的增加明顯減小，且減小幅度隨干濕循環(huán)次數的增加而變緩。其中第一次干濕循環(huán)后的黏聚力c下降96.78 kPa，降幅51.48%，而由第一次干濕循環(huán)到第五次干濕循環(huán)，黏聚力c值下降57.23 kPa，降幅30.44%。表明干濕循環(huán)對原狀樣的強度指標c值影響顯著，且前幾次干濕循環(huán)影響較大，隨干濕循環(huán)次數的增加而趨于穩(wěn)定。內摩擦角φ同樣隨干濕循環(huán)次數的增加而減小，經歷5 次干濕循環(huán)后，內摩擦角減小9°，約減小32%，比黏聚力c的減小幅度小?？辜魪姸葏档臏p小是由于干濕循環(huán)使裂隙的逐漸發(fā)育，巖樣內部裂隙增多，內部軟弱結構面數目增多，影響了巖樣的整體結構性。

圖7 黏聚力和內摩擦角隨干濕循環(huán)次數的變化

隨著干濕循環(huán)次數的增加，裂隙數目逐漸增加，試樣結構逐步由完整變?yōu)槠扑?，內部產生大量的軟弱結構面，同時隨著干濕循環(huán)次數的增加土顆粒由外向內逐漸損失，內部空隙增大，密實度減小，進一步對試樣的結構造成損傷；干濕循環(huán)產生的結構空隙及裂隙使試樣剪切時顆粒間黏聚作用不能充分發(fā)揮，同時在外力作用時結構單元更容易重新排列，因此抗剪強度逐步降低[5]。黏土質膠結物在吸水膨脹和收縮過程中，黏土顆粒內部微元調整，產生了微裂紋及微孔隙，這些微觀損傷是不可逆的[6]，這與試驗結果中孔隙度的逐漸增加和抗剪強度參數的逐漸減小現象表明的結論是一致的。

烘干脫濕過程中，泥巖試樣表面的脫濕速度大于內部脫濕速度[7]，表層泥巖體積收縮大于內部，不均勻的收縮產生了拉應力，巖樣的抗拉強度不能抵抗收縮拉應力時便產生了裂隙。干燥試樣遇水后，蒙脫石等親水性黏土礦物大量吸水，導致礦物顆粒體積顯著膨脹；部分黏土礦物在水的作用下會產生溶蝕，如在部分鉀長石水的作用下發(fā)生溶解溶蝕；不均勻分布的黏粒吸水后，黏粒周圍形成水膜，使黏粒間距增加，造成泥巖顯著膨脹；水分子進入黏土顆粒的晶格中使黏土顆粒的晶格膨脹，內部產生次生孔隙[8-9]。

黏聚力受顆粒之間的膠結程度影響較大，在干濕循環(huán)作用下劣化較快，而內摩擦角受顆粒嵌固程度和顆粒本身強度的影響較大，干濕循環(huán)作用下劣化速度相對較慢[10]。如圖7 所示，黏聚力隨干濕循環(huán)次數的增加而減小的幅度明顯大于內摩擦角隨干濕循環(huán)次數增加而減小的幅度。

5 結論

（1）隨干濕循環(huán)次數的增加，裂隙度逐漸增加，且增加速度逐漸變緩，同時裂隙寬度減小，裂隙總長度和總面積增加。表明在干濕循環(huán)作用下，膨脹性泥巖結構因裂隙增加逐漸破碎、疏松，干濕循環(huán)對膨脹性泥巖結構損傷是顯著的。

（2）在限制浸水膨脹變形的條件下，膨脹性泥巖的黏聚力和內摩擦角均隨干濕循環(huán)次數的增加而減小，黏聚力隨干濕循環(huán)次數的增加而減小的幅度更大，且隨干濕循環(huán)次數的增加，黏聚力和內摩擦角的衰減速率均減緩。干濕循環(huán)對膨脹性泥巖結構的損傷是不可逆的，在膨脹性泥巖地區(qū)實際工程應用中，應采取措施避免膨脹性泥巖水分的反復蒸發(fā)和飽和。當未采取有效防脹縮措施時，應取多次干濕循環(huán)后的抗剪強度參數進行工程設計。