楊志全, 李飛洋, 甘 進(jìn), 趙鵬飛, 付 夢(mèng), 閆 煜, 譚 皓, 張 建, 朱穎彥

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院, 云南 昆明 650093; 2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院, 云南 昆明 650093; 3.昆明理工大學(xué) 應(yīng)急管理部地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650093; 4.昆明理工大學(xué) 云南省高校高烈度地震山區(qū)交通走廊工程地質(zhì)病害早期快速判識(shí)與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650093)

硅質(zhì)板巖作為我國(guó)西部地區(qū)一種普遍存在的復(fù)雜地質(zhì)巖體, 尤其在云南, 分布廣泛。因其內(nèi)部節(jié)理發(fā)育充分, 層間膠結(jié)差, 使得硅質(zhì)板巖吸水作用明顯。尤其是強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖, 在富水環(huán)境下能快速吸水, 導(dǎo)致層間膠結(jié)物溶解、脫落, 巖石內(nèi)部孔隙和裂隙發(fā)展, 引起物理力學(xué)性質(zhì)的大幅度降低。這極易誘發(fā)邊坡失穩(wěn)[1–2], 開挖隧道掉塊、坍塌[3]等災(zāi)害事故, 從而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的弱化和災(zāi)害的發(fā)展起著重要作用[4], 為此, 學(xué)者們針對(duì)不同巖石的吸水特性開展了諸多研究工作。LI等[5]對(duì)頁(yè)巖開展了吸水及力學(xué)試驗(yàn), 結(jié)果表明水顯著劣化了頁(yè)巖的物理力學(xué)特性, 且雙電層理論可以很好地解釋頁(yè)巖吸水時(shí)宏、微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化; 張秀蓮等[6]也通過(guò)對(duì)綠泥角閃巖進(jìn)行吸水和單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)探究巖石的吸水特性和遇水強(qiáng)度折減規(guī)律, 并結(jié)合電鏡和壓汞試驗(yàn)分析了影響巖石吸水特性的因素及吸水后微觀結(jié)構(gòu)的變化; 何滿潮等[7–9]分別以不同種類的巖石為研究對(duì)象, 進(jìn)行吸水、電鏡掃描和X射線衍射試驗(yàn), 得出了試樣吸水的過(guò)程函數(shù), 并發(fā)現(xiàn)有效孔隙度、黏土礦物的形態(tài)、含量和初始含水率是影響巖石吸水能力的重要因素; MENG等[10]等探究了溫度對(duì)膨脹巖吸水特性的影響, 試驗(yàn)結(jié)果顯示,提高溫度可以顯著提高試樣的吸水率; 張芳等[11]探索了在降雨溫濕環(huán)境下礫巖、砂巖和綠簾角閃巖的吸水特征, 指出溫度對(duì)巖石吸水量的影響較小,但大于濕度的影響; 趙二平等[12]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)研究了卸荷程度對(duì)砂巖吸水性能的影響, 結(jié)論顯示, 砂巖吸水率總體隨著卸荷量和圍壓的增加而增大; 齊懷遠(yuǎn)等[13]以砂巖為研究對(duì)象, 測(cè)試了巖樣超聲波波速與吸水率, 開展了單軸壓縮試驗(yàn), 分析了砂巖力學(xué)損傷特征; 楊曉杰等[14–15]采用自主設(shè)計(jì)的吸水試驗(yàn)系統(tǒng), 對(duì)不同巖石進(jìn)行了有壓和無(wú)壓吸水試驗(yàn), 得出相似的結(jié)論: 壓力的存在會(huì)顯著提高巖石的吸水率; 呂情緒等[16]研究表明, 奧灰含水層頂部地層巖石, 吸水、滲透性較差, 孔隙結(jié)構(gòu)性較差;張曦等[17]利用自主設(shè)計(jì)搭建的承壓瓦斯自然吸水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究含瓦斯煤體滲吸水變形特征; 張鐳等[18]研究了浸水時(shí)間對(duì)浸水風(fēng)干煤初始自燃特性的影響機(jī)制; 連清旺等[19]探討了泥質(zhì)頁(yè)巖吸水特性的尺寸效應(yīng), 結(jié)果表明, 增大試樣的尺寸會(huì)導(dǎo)致飽和吸水率的降低; 李鵬[20]研究了不同含水率下復(fù)合壩體試件彈性模量、抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的變化關(guān)系; 寇瑞堂等[21]通過(guò)抗壓抗折強(qiáng)度、吸水率試驗(yàn)及XRD, TG微觀測(cè)試分析了水泥砂漿各項(xiàng)性能,研究結(jié)果表明, 隨著底泥摻量增加, 砂漿強(qiáng)度逐漸降低、吸水率升高。除上述試驗(yàn)方法外, 最近, 數(shù)值模擬方法也被用于研究巖石的吸水軟化效應(yīng)[22–23]。

綜上所述, 吸水過(guò)程中巖石的軟化效應(yīng)、影響因素及宏、微觀結(jié)構(gòu)變化是目前探究巖石吸水特征的主要研究?jī)?nèi)容, 但針對(duì)強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的吸水特征研究尚未較好把握。因此, 筆者以玉溪至楚雄段國(guó)家高速公路舊寨隧道中的強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖為研究對(duì)象, 通過(guò)開展浸水試驗(yàn)、吸水強(qiáng)度試驗(yàn)、電鏡掃描(SEM)試驗(yàn)和X射線衍射試驗(yàn), 探討其在富水環(huán)境下的吸水特性及吸水過(guò)程微觀演化規(guī)律。研究成果可為開展強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水軟化特性的理論研究提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試 樣

試驗(yàn)巖樣取自國(guó)高網(wǎng)G8012玉溪至楚雄段高速公路舊寨隧道K22+702掌子面。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查看, 該區(qū)域不僅屬于典型的強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖發(fā)育區(qū),也屬于典型的富水區(qū)域。采用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備, 取樣加工得到了80余塊直徑90 mm、高度100 mm的圓柱形試樣供浸水試驗(yàn)使用。同時(shí), 在現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)量得到巖石的天然密度為2.36±0.05 g/cm3, 天然含水率為2.27%±0.35%。

1.2 浸水試驗(yàn)

依據(jù)GB/T50266—2013《工程巖體使用方法標(biāo)準(zhǔn)》開展強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖浸水試驗(yàn)(圖1)。操作步驟如下: 首先將所有試樣置于105~110 ℃烘箱內(nèi)24 h, 之后取出放入干燥箱冷卻至室溫并稱取質(zhì)量;采取自由浸水法, 注水沒過(guò)水槽中的試樣, 達(dá)到預(yù)定時(shí)間后取出試樣, 并用濕毛巾沾去表面水分后稱取質(zhì)量, 通過(guò)式(1)計(jì)算相應(yīng)時(shí)間內(nèi)巖石的吸水率。本次試驗(yàn)設(shè)置0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 4.0, 6.0, 12.0, 18.0,24.0, 36.0, 48.0, 72.0, 96.0 h共14個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的浸水試驗(yàn), 每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)至少開展5個(gè)巖樣的浸水試驗(yàn),保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖1 浸水試驗(yàn)Fig.1 Immersion test

式中, ωat為浸水第t時(shí)間巖石的吸水率;mat為t時(shí)刻巖樣吸水后的質(zhì)量, g;mdt為吸水前的干燥質(zhì)量, g。

同時(shí)為測(cè)定強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的飽和吸水率,依據(jù)GB/T50266—2013《工程巖體使用方法標(biāo)準(zhǔn)》開展強(qiáng)制飽和吸水率試驗(yàn), 其飽和吸水率計(jì)算方法同式(1)。

舊寨隧道板巖圍巖孔隙率較大, 且板巖自身吸水量主要集中在前期。根據(jù)吸水的穩(wěn)定情況在吸水后半段設(shè)定了其他時(shí)間節(jié)點(diǎn), 用于觀察巖石的飽和吸水程度。當(dāng)巖石質(zhì)量不在增長(zhǎng), 處于緩慢吸水狀態(tài)時(shí), 則認(rèn)為強(qiáng)–中風(fēng)化板巖達(dá)到了飽和吸水程度。不同時(shí)刻強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的吸水試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中數(shù)據(jù)表明, 相同時(shí)間內(nèi)不同試樣的吸水率差距可達(dá)10%左右, 這是由于人為操作誤差和巖石結(jié)構(gòu)非均質(zhì)分布導(dǎo)致。

表1 不同浸水時(shí)間下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水率Table 1 Water absorption rate of strongly-moderately weathered siliceous slate in different soaking time

1.3 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)浸水試驗(yàn)所得試樣, 對(duì)不同吸水率條件下的巖石進(jìn)行單軸壓縮變形試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)以期獲取板巖因吸水而導(dǎo)致的強(qiáng)度變化特征, 探究在不同吸水率下巖石的強(qiáng)度變化(圖2)。單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備采用微機(jī)屏顯萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī), 型號(hào)為WEW–3008, 精度為1級(jí)。試驗(yàn)設(shè)置了0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0,4.0, 6.0, 12.0, 18.0, 24.0, 36.0, 48.0, 72.0, 96.0 h共14個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的浸水試驗(yàn); 在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄時(shí), 因巖石自身巖性存在差異, 所以存在一定的誤差; 為了減少因試樣本身帶來(lái)的誤差, 在計(jì)算平均值時(shí), 將異常數(shù)據(jù)剔除, 而后再對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

圖2 放置巖樣Fig.2 Placing the rock sample

1.4 掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)

根據(jù)浸水試驗(yàn)結(jié)果(表1), 選取浸水0(完全干燥), 2.0, 24.0, 72.0 h等4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的巖樣進(jìn)行SEM試驗(yàn), 試驗(yàn)所用電鏡為捷克所生產(chǎn)的VEGA3 TESCAN 鎢燈絲電鏡。在浸水后的強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖上選取長(zhǎng)×寬約為2 mm×2 mm的巖片, 根據(jù)要求將巖樣加工成規(guī)定大小的試樣, 并將試樣表面的碎屑清除干凈, 盡量保持巖片上下面平行; 為了增強(qiáng)試樣的導(dǎo)電性和消除電荷聚集, 需要用離子濺射儀對(duì)其進(jìn)行鍍金處理; 最后置入鎢燈絲電鏡下的載物臺(tái)上并固定進(jìn)行掃描(圖3), 最終得到所需要的SEM圖像。

圖3 電鏡掃描和圖像生成系統(tǒng)Fig.3 Electron microscope scanning (left) and image generation system (right)

1.5 X射線衍射(XRD)試驗(yàn)

為了解舊寨隧道板巖的礦物成分以及浸水后巖石的成分變化, 選取部分典型樣品進(jìn)行礦物成分分析。所用X射線衍射儀為產(chǎn)自荷蘭PANalytical公司, 型號(hào)為X’Pert Powder的XRD設(shè)備; 根據(jù)浸水試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì), 選取浸水為0(完全干燥)、6.0,72.0 h(近飽和狀態(tài))的巖樣進(jìn)行XRD試驗(yàn)。將達(dá)到相應(yīng)浸水時(shí)間的巖樣用研磨機(jī)制成粉末, 并過(guò)200目篩子篩選, 得到最終的粉末狀試樣(圖4), 用工具將試樣放入具有凹槽的玻璃片中心處, 然后用濾紙壓平后清除玻璃片表面多余粉末; 最后將裝有試樣的玻璃片放入X射線衍射儀進(jìn)行試驗(yàn), 得到衍射圖譜, 并采用MDI Jade 6.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖4 粉末狀巖樣Fig.4 Powdered rock sample

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 浸水試驗(yàn)結(jié)果

最終可測(cè)得強(qiáng)–中風(fēng)化板巖的強(qiáng)制飽和吸水率為4.85%, 由表1數(shù)據(jù)可得富水環(huán)境下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的吸水特征曲線, 如圖5(a)所示。圖5中顯示強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的吸水過(guò)程可劃分為急速吸水、緩速吸水、平衡吸水等3個(gè)階段, 各階段具體劃分如下:

圖5 吸水特性曲線Fig.5 Water absorption characteristic curves

(1)急速吸水階段(圖5(b)): 在前2 h的浸水時(shí)間內(nèi), 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖急速吸水, 平均吸水速率達(dá)1.61%/h; 尤其在1.5 h時(shí), 其吸水速率為3.21%/h。該階段結(jié)束后吸水率能達(dá)到強(qiáng)制飽和吸水率的66.19%。

(2)緩速吸水階段(圖5(c)): 在2~24 h的浸水時(shí)間范圍內(nèi), 巖石吸水速率較急速吸水階段大幅度減小, 平均吸水速率為0.08%/h, 為急速吸水階段的1/20; 達(dá)到24 h時(shí), 其吸水率為4.44%, 達(dá)到了強(qiáng)制飽和吸水率的91.55%。

(3)平衡吸水階段(圖5(d)): 超過(guò)24 h后, 巖石吸水和失水基本達(dá)到平衡狀態(tài)。表現(xiàn)為在達(dá)到72 h(24~96 h)的浸水時(shí)長(zhǎng)時(shí), 其吸水率僅增加0.19%, 平均吸水速率也僅為3.00×10–3%/h。

2.2 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)得到了14個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的不同自由浸水歷時(shí)下巖樣的力學(xué)參數(shù), 因篇幅有限,此處僅列舉天然狀態(tài)下自由浸水0, 6.0, 72.0 h的巖樣力學(xué)參數(shù), 部分試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同自由浸水歷時(shí)下巖樣的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock samples under different free immersion durations

試驗(yàn)設(shè)置了0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 4.0, 6.0, 12.0,18.0, 24.0, 36.0, 48.0, 72.0, 96.0 h共14個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的浸水試驗(yàn); 單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律如圖6和圖7所示。由圖6可知, 隨著自由浸水時(shí)間的增長(zhǎng), 巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度在逐漸減小[12]; 天然狀態(tài)巖石試樣的抗壓強(qiáng)度為43.28 MPa, 在0~6 h內(nèi), 巖石抗壓強(qiáng)度平均每小時(shí)下降約1.17 MPa, 下降幅度約為16.2%。干燥狀態(tài)下的巖石抗壓強(qiáng)度為43.27 MPa, 在測(cè)試浸水時(shí)間達(dá)到24 h時(shí), 巖石進(jìn)入平衡吸水階段, 巖石的抗壓強(qiáng)度變化幅度很小, 浸水時(shí)間達(dá)到72 h時(shí), 巖石抗壓強(qiáng)度降至33.58 MPa, 在平衡吸水階段, 巖石抗壓強(qiáng)度最多減小僅有0.27 MPa, 巖石的抗壓強(qiáng)度變化在測(cè)試浸水時(shí)間達(dá)到24 h后開始變化很小, 在浸水時(shí)間達(dá)到48 h后, 發(fā)現(xiàn)強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的抗壓強(qiáng)度基本不再發(fā)生變化。

圖6 單軸抗壓強(qiáng)度隨浸水時(shí)間的變化曲線Fig.6 Variation curve of uniaxial compressive strength with immersion time

圖7 彈性模量隨浸水時(shí)間的變化曲線Fig.7 Change curve of elastic modulus with immersion time

由圖6可知, 在前2 h內(nèi), 隨著巖石試樣的急速吸水, 巖石的抗壓強(qiáng)度下降尤為明顯, 巖石的抗壓強(qiáng)度下降量達(dá)到總下降量的1/3; 2 h后, 巖石進(jìn)入緩速吸水狀態(tài), 同時(shí)巖石抗拉強(qiáng)度的下降速率也逐漸降低, 平均每個(gè)小時(shí)下降0.45 MPa, 24 h時(shí)下降至33.32 MPa, 之后巖石的抗壓強(qiáng)度變化幅度很小, 與巖石的吸水變化基本一致, 當(dāng)巖石不再吸水后, 隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng), 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度未發(fā)生變化。

由圖6可知, 將強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖浸水0, 6,72 h的強(qiáng)度變化與天然強(qiáng)度對(duì)比發(fā)現(xiàn), 當(dāng)浸水時(shí)間在0~6 h時(shí),抗壓強(qiáng)度由43.27 MPa減小為36.26 MPa,折減16.2%, 由于強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的吸水損傷,巖石強(qiáng)度明顯降低, 當(dāng)浸水時(shí)間在6~72 h時(shí), 抗壓強(qiáng)度由36.26 MPa減小為33.58 MPa, 折減7.4%, 這表明隨著巖石逐漸由緩速吸水階段進(jìn)入平衡吸水階段, 巖石強(qiáng)度降低幅度減小。

由圖7可知, 彈性模量在浸水6 h左右有一定的波動(dòng), 分析主要原因是巖石自身的孔隙率及節(jié)理面的不同, 從整體上看, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖彈性模量的變化曲線與單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線基本一致,隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng), 彈性模量也逐漸降低, 隨著浸水時(shí)間的增加, 彈性模量的波動(dòng)小于單軸抗壓強(qiáng)度波動(dòng), 相較于單軸抗壓強(qiáng)度曲線表現(xiàn)更加平穩(wěn)。干燥狀態(tài)下的強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖試樣的彈性模量為41.01 GPa，在浸水時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)，彈性模量變?yōu)?7.16 GPa，下降了3.85 GPa，巖石進(jìn)入平衡吸水階段，彈性模量隨浸泡時(shí)間的變化曲線較為平穩(wěn)，彈性模量變化幅度減小；在浸泡時(shí)間達(dá)到72 h時(shí)，彈性模量下降至36.81 GPa，之后基本不再發(fā)生變化。

由圖8可知, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的泊松比基本保持在0.20~0.25, 沒有發(fā)生太大變化, 故認(rèn)為強(qiáng)–中硅質(zhì)板巖的泊松比與浸水時(shí)間無(wú)關(guān), 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的吸水率只會(huì)改變其彈性模量和強(qiáng)度。

圖8 泊松比隨浸水時(shí)間變化曲線Fig.8 Poisson's ratio variation curve

2.3 SEM試驗(yàn)結(jié)果

為較清楚直觀地分析強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水過(guò)程中礦物顆粒、孔隙與裂隙結(jié)構(gòu)等微觀演化規(guī)律, 對(duì)浸水0, 2, 24, 72 h后的巖樣進(jìn)行了電鏡掃描,結(jié)果如圖9所示。

圖9 富水環(huán)境下不同浸水時(shí)間的強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖SEM圖Fig.9 SEM images of strongly-moderately weathered siliceous slate at different soaking times

(1)在浸水0 h(完全干燥)狀態(tài)(圖9(a))下, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖礦物顆粒間排列緊密且顆粒粒徑較大(標(biāo)識(shí)A), 僅局部分布有小孔隙但未貫通(標(biāo)識(shí)B),局部顆粒間發(fā)育小孔隙且分布密度低(標(biāo)識(shí)C), 巖體結(jié)構(gòu)整體緊密;

(2)在浸水2 h狀態(tài)(圖9(b))下, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖礦物顆粒排列較松散, 表現(xiàn)為顆粒粒徑逐漸變小, 部分膠結(jié)物被分解或溶解, 出現(xiàn)片狀較大顆粒(標(biāo)識(shí)A), 小孔隙延伸發(fā)展(標(biāo)識(shí)B), 顆粒間孔隙尺寸變大且逐步發(fā)展貫穿(標(biāo)識(shí)C), 巖體結(jié)構(gòu)整體較為松散;

(3)在浸水24, 72 h狀態(tài)(圖9(c), 9(d))下, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的礦物顆粒、孔隙與裂隙結(jié)構(gòu)等方面均具有較一致的變化規(guī)律, 即礦物顆粒排列松散、幾乎無(wú)聯(lián)結(jié)作用, 顆粒間發(fā)育的孔隙清晰可見, 顆粒排列松散(標(biāo)識(shí)A), 并且數(shù)量增多, 形成了顯著的貫穿性裂隙(標(biāo)識(shí)B), 當(dāng)浸水時(shí)間達(dá)到72 h時(shí), 顆粒間開始出現(xiàn)細(xì)微斷裂和掉落痕跡(標(biāo)識(shí)B,A), 巖體結(jié)構(gòu)整體呈松散狀態(tài)。

綜上所述, 在富水環(huán)境下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水過(guò)程中, 隨著浸水時(shí)間的增加, 礦物顆粒排列由緊密向松散演化, 且大粒徑顆粒逐漸崩解變小,被分解為小粒徑顆粒, 同時(shí)部分小粒徑顆粒被水溶解; 孔隙由局部顆粒間發(fā)育的、分布密度低的小孔隙逐步演化為清晰可見、數(shù)量增多且逐漸貫通的大孔隙, 裂隙由局部分布的微裂隙逐漸演化形成顯著的貫穿性裂隙。

采用PCAS軟件對(duì)圖9中4種狀態(tài)的SEM圖像進(jìn)一步分析, 得到不同浸水時(shí)間下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖其孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)的微觀分布圖(圖10), 其中深黑色區(qū)域?yàn)榈V物顆粒分布區(qū)域, 白色區(qū)域?yàn)榭紫丁⒘严督Y(jié)構(gòu)發(fā)育區(qū)域。由圖10可知, 隨著浸水時(shí)間的增加, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖內(nèi)部產(chǎn)生不均勻膨脹,浸水時(shí)間為0 h時(shí), 巖石內(nèi)部孔隙較小, 處于發(fā)展階段, 浸水時(shí)間達(dá)到2 h時(shí), 部分孔隙增大明顯, 且延伸發(fā)展, 浸水時(shí)間達(dá)到24 h時(shí), 礦物顆粒排列松散,延伸發(fā)育的孔隙清晰可見, 浸水時(shí)間達(dá)到72 h時(shí),顆粒間發(fā)育的貫穿性孔隙清晰可見, 并且數(shù)量不斷增多, 貫穿性孔隙的增多使巖石內(nèi)部的顆粒松散排列, 造成巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散, 從而強(qiáng)度降低。由此分析可得到其孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)的定量分布結(jié)果, 見表3。

表3 不同浸水時(shí)間下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖孔隙及裂隙結(jié)構(gòu)的定量分布結(jié)果Table 3 Quantitative distribution results of pore and fracture structure of strongly-moderately weathered siliceous slate at different soaking times

圖10 不同浸水時(shí)間下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)微觀分布Fig.10 Microscopic distribution of pore and fracture structure of strongly-moderately weathered siliceous slate at different water invasion times

由表3可以得到:

(1)在浸水0~2 h的過(guò)程中, 巖石孔隙率由8.30%變化到13.31%, 增長(zhǎng)幅度為60.36%, 這說(shuō)明在急速吸水階段, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的礦物顆粒排列由緊密向較為松散的狀態(tài)變化, 顆粒間孔隙和微裂隙尺寸變大并逐步發(fā)展;

(2)在浸水2~24 h的過(guò)程中, 孔隙率由13.31%增長(zhǎng)到16.21%, 變化幅度為21.79%, 表明了強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖在緩速吸水階段, 礦物顆粒間結(jié)構(gòu)進(jìn)一步向松散狀態(tài)轉(zhuǎn)化, 顆粒間的孔隙和微裂隙進(jìn)一步發(fā)育, 形成顯著的貫穿性裂隙;

(3)在浸水24~72 h的過(guò)程中, 孔隙率由16.21%變化到16.46%, 孔隙率未發(fā)生明顯變化, 這說(shuō)明強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖在整個(gè)平衡吸水階段, 其礦物顆粒、孔隙及裂隙結(jié)構(gòu)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 XRD試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同浸水時(shí)間巖樣的X射線衍射圖譜進(jìn)行分析, 不同浸水時(shí)間及天然狀態(tài)下的X射線衍射圖如圖11所示, 利用MDI Jade 6.0軟件的物相搜索功能并參考相關(guān)資料, 可以得到強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖不同浸水時(shí)間巖樣的基本礦物成分和不同黏土成分含量, 見表4。

表4 不同浸水時(shí)間下巖石礦物和不同黏土成分Table 4 Mineral composition of rocks and different clay under different immersion time

圖11 不同狀態(tài)下X射線衍射圖譜Fig.11 X-ray diffraction patterns under different conditions

表4中, I代表伊利石; I/S代表伊蒙混層; K代表高嶺石; C代表綠泥石; Py代表黃鐵礦。

由表4可知: 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖主要礦物組成為石英和黏土礦物, 在黏土組分中, 伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺石占據(jù)主要地位, 其中伊利石和伊蒙混層含量隨著浸水時(shí)間的增加而下降, 而高嶺石和綠泥石含量隨著浸水時(shí)間的增加而增加; 伊利石隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)所占比例逐漸減小, 高嶺石和綠泥石所占比例逐漸增大, 說(shuō)明伊利石與水發(fā)生反應(yīng)后迅速溶解, 而高嶺石溶解程度較小。隨著浸水時(shí)長(zhǎng)的增加, 黏土礦物含量由43.8%下降到31.6%, 同時(shí)通過(guò)結(jié)合SEM電鏡掃描觀察到的現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn), 這是由于伊利石、伊蒙混層、高嶺石等黏土礦物遇水極不穩(wěn)定, 既能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[23], 轉(zhuǎn)化成石英和其他黏土礦物, 這也是石英含量隨著浸水時(shí)間的增加而顯著增加的原因; 此外,伊利石、伊蒙混層、高嶺石等黏土礦物又能與水發(fā)生物理反應(yīng), 表現(xiàn)出膨脹、破碎和分解等特性,是造成強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖內(nèi)部強(qiáng)度降低的主要原因。

3 分析與討論

對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析可知, 試樣的吸水特征曲線(圖5)斜率不斷減小, 即吸水速率不斷降低, 其原因可由以下機(jī)理解釋: ①黏土礦物的存在。首先黏土礦物具有很強(qiáng)的膨脹性, 隨著浸水時(shí)間的增加, 黏土體積膨脹導(dǎo)致裂隙通道變窄, 從而使吸水速率下降; 其次黏土礦物具有較大的比表面積, 容易吸附孔隙中的水, 隨著試驗(yàn)的進(jìn)行, 使巖石具有較高的束水含量, 從而降低吸水速率; 同時(shí),有些黏土礦物易被溶解和破碎, 當(dāng)碎屑顆粒經(jīng)過(guò)孔道狹窄處時(shí)會(huì)導(dǎo)致堵塞, 使吸水速率下降[7,24]。②孔隙的變化。由圖9所示, 吸水前巖石內(nèi)部多為微小且呈蜂窩狀的孔隙, 此時(shí)不易存在孔角毛細(xì)水,吸水通道較通暢, 吸水速率大; 之后由于黏土和膠結(jié)物等遇水膨脹、溶解或流失的作用, 致使孔隙形狀多呈三角形和不規(guī)則多邊形(圖9(b), (c)和(d)), 此時(shí)易在孔角處形成孔角毛細(xì)水, 進(jìn)而導(dǎo)致孔隙有效半徑降低, 使吸水速率減小[7,15]。

分析圖5(b)曲線出現(xiàn)類似雙峰現(xiàn)象的原因, 可由雙電層理論說(shuō)明: 水與巖石相互作用后, 會(huì)在晶體層間和表面形成擴(kuò)散雙電層, 雙電層的增厚受到約束, 將會(huì)產(chǎn)生膨脹力, 膨脹力會(huì)因持續(xù)的積累使巖石骨架坍塌, 孔隙變大, 吸水速率變大; 之后開裂的疊層體持續(xù)吸水再次膨脹, 導(dǎo)致孔隙變小, 吸水速率下降, 至此產(chǎn)生雙峰形曲線[10,25]。分析圖5(c)可得: 緩速吸水結(jié)束階段吸水率(4.44%)與強(qiáng)制飽和吸水率(4.85%)差異較小, 僅為0.41%。加上在自然浸水條件下難以達(dá)到與試驗(yàn)相同的強(qiáng)制飽和條件, 因此建議將緩速吸水結(jié)束階段的吸水率(4.44%)作為強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖在自然浸水條件下的飽和吸水率。

通過(guò)吸水強(qiáng)度試驗(yàn)得出了強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的強(qiáng)度受浸水作用的影響而發(fā)生極大的改變, 且吸水強(qiáng)度變化規(guī)律與巖石的吸水特性變化規(guī)律大致相同; 利用掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)和X射線衍射試驗(yàn)(XRD)著重探討不同浸水時(shí)間強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖在浸水作用下其微觀結(jié)構(gòu)變化過(guò)程及物相變化規(guī)律; 通過(guò)電鏡掃描試驗(yàn)分析得到了板巖在吸水過(guò)程時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化, 浸泡后部分黏土顆粒膨脹, 導(dǎo)致表面的空隙度增大, 黏聚力下降, 進(jìn)一步解釋了由板巖吸水特性試驗(yàn)得到的吸水膨脹微觀機(jī)理(吸水3階段); 采用PCAS軟件對(duì)4種狀態(tài)的SEM圖像孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)的微觀分布圖進(jìn)一步分析, 得到了板巖吸水膨脹微觀機(jī)理, 并通過(guò)XRD試驗(yàn)得到試驗(yàn)所取巖樣內(nèi)部主要成分為石英和黏土礦物, 板巖在吸水過(guò)程中, 水進(jìn)入巖石的內(nèi)部, 與自身含有的黏土礦物中的蒙脫石、綠泥石、高嶺石等發(fā)生反應(yīng), 產(chǎn)生膨脹作用和溶解作用導(dǎo)致巖石內(nèi)部的孔隙增加, 進(jìn)而導(dǎo)致巖石本身的強(qiáng)度降低。綜合吸水強(qiáng)度試驗(yàn)得到結(jié)論, 揭示了富水狀態(tài)下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖強(qiáng)度的損傷機(jī)理。

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果綜合分析, 得到以下板巖吸水損傷機(jī)理: ①板巖內(nèi)部黏土礦物發(fā)生溶解作用及膨脹作用。板巖經(jīng)過(guò)溶解作用會(huì)形成較多的孔隙, 經(jīng)過(guò)膨脹作用在巖石中行成微裂隙, 溶解作用與膨脹作用共同耦合作用是導(dǎo)致板巖吸水軟化其中的一個(gè)重要原因。黏土礦物與水發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致垂直方向上的膨脹率比層理方向的膨脹率更大, 使板巖更容易產(chǎn)生沿層理面的裂紋。②顆粒形態(tài)與孔隙狀態(tài)的變化。從顆粒形態(tài)變化角度分析, 在水中浸泡過(guò)程中, 黏土礦顆粒因膨脹作用發(fā)生體積膨脹, 顆粒間的相互作用力逐漸降低, 顆粒表面吸附水的結(jié)合力并沒有太大變化; 與此同時(shí), 巖石內(nèi)部的毛細(xì)管壓力逐漸減小, 表面張力也隨之降低, 導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低, 發(fā)生軟化。從膠結(jié)方式和孔隙變化角度分析, 在干燥狀態(tài)時(shí), 板巖內(nèi)顆粒之間的膠結(jié)主要為孔隙充填式、孔隙襯墊式膠結(jié)兩種, 結(jié)構(gòu)緊密。通過(guò)PCAS軟件進(jìn)行微觀圖像分析得到板巖浸水后孔隙的變化情況, 在浸泡后, 由于部分黏土顆粒體積膨脹, 產(chǎn)生膨脹應(yīng)力, 膨脹應(yīng)力使得板巖內(nèi)部黏結(jié)力變小, 結(jié)構(gòu)松散, 導(dǎo)致板巖強(qiáng)度降低。③水對(duì)板巖產(chǎn)生的物理化學(xué)作用。水與板巖所產(chǎn)生的物理作用主要為水進(jìn)入巖石層理面后, 溶于水的礦物會(huì)產(chǎn)生泥化效應(yīng), 而且會(huì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),對(duì)巖石的層理面產(chǎn)生巨大的影響, 除泥化作用外,水在浸入巖石后還會(huì)產(chǎn)生一定潤(rùn)滑作用, 使層理面的滑動(dòng)力有所增加, 巖石更容易發(fā)生沿層理面的剪切破壞。④水巖作用的應(yīng)力耦合。水巖的耦合作用會(huì)伴隨著應(yīng)力的產(chǎn)生, 而水的滲流作用降低了巖石的有效應(yīng)力, 板巖的剪切強(qiáng)度也會(huì)隨之降低, 水巖的耦合作用力同樣會(huì)影響板巖的層理面力學(xué)特性。當(dāng)巖石處于自然狀態(tài)時(shí), 巖石內(nèi)部不含水, 而在浸泡之后, 水會(huì)隨著孔隙進(jìn)入巖石內(nèi)部, 而原本處于孔隙中的氣體會(huì)被擠壓, 排到巖石外部。因此在浸水過(guò)程中可能會(huì)聽到氣體冒出的聲音。巖石試樣中主要的礦物顆粒間的黏結(jié)力可以包括顆粒之間的吸引力, 顆粒與水之間的作用力(強(qiáng)作用力、弱作用力、毛細(xì)管力)及水的壓力。巖石內(nèi)部存在著許多的孔隙和裂縫, 而且這些裂縫與孔隙隨機(jī)分布于巖石之中。當(dāng)巖石處于含水狀態(tài)時(shí), 水會(huì)賦存在這些裂縫和孔隙當(dāng)中。當(dāng)對(duì)巖石施加載荷時(shí), 巖石內(nèi)部孔隙和裂縫的體積被壓縮, 導(dǎo)致巖石發(fā)生一定的變形或其他改變。

4 結(jié) 論

(1)富水環(huán)境下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水過(guò)程可分為急速吸水、緩速吸水、平衡吸水等3個(gè)階段。在急速吸水階段(0~2 h)巖石吸水速率最大, 在緩速吸水階段(2~24 h), 吸水速率大幅度減小, 在平衡吸水階段(超過(guò)24 h), 巖石僅能吸入極少量的水, 處于動(dòng)態(tài)平衡吸水狀態(tài)。

(2)富水環(huán)境下強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水過(guò)程的微觀演化規(guī)律為: 急速吸水階段, 礦物顆粒結(jié)構(gòu)由緊密向較為松散狀態(tài)變化, 孔隙和微裂隙逐步延伸發(fā)展; 緩速吸水階段, 結(jié)構(gòu)進(jìn)一步向松散狀態(tài)轉(zhuǎn)化、孔隙和微裂隙進(jìn)一步發(fā)育并逐漸貫通, 形成了顯著的貫穿性裂隙; 平衡吸水階段, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的礦物顆粒、孔隙及裂隙結(jié)構(gòu)基本不再變化, 達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖主要礦物組成為石英和黏土礦物, 石英含量隨著浸水時(shí)間的增加而增加,而黏土礦物含量隨著浸水時(shí)長(zhǎng)的增加不斷下降; 在黏土組分中, 伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺石占據(jù)主要地位。

(4)通過(guò)強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水強(qiáng)度試驗(yàn)得到了板巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律, 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的泊松比與浸水時(shí)間無(wú)關(guān), 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的吸水率只會(huì)改變其彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度。

(5)通過(guò)對(duì)板巖的浸水特性試驗(yàn)、吸水強(qiáng)度特征試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)得到: 強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖吸水損傷機(jī)理主要受板巖內(nèi)部黏土礦物發(fā)生溶解作用及膨脹作用、顆粒形態(tài)與孔隙狀態(tài)的變化、水對(duì)板巖產(chǎn)生的物理作用、水巖作用的應(yīng)力耦合等幾方面的影響。

(6)強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖的吸水損傷機(jī)理為: 水進(jìn)入巖石內(nèi)部的方式必須通過(guò)巖石的層理弱面, 水進(jìn)入巖石內(nèi)部后, 會(huì)發(fā)生一定的物理、化學(xué)作用,這些耦合作用會(huì)導(dǎo)致板巖內(nèi)部產(chǎn)生一定的裂隙, 內(nèi)部黏聚力逐步下降, 導(dǎo)致強(qiáng)–中風(fēng)化硅質(zhì)板巖在宏觀上力學(xué)性能下降。