三峽庫區巴東組紅層泥巖崩解和強度弱化特性研究

鄔斌杰,徐光黎,,劉 維

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院,湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢) 地質調查研究院,湖北 武漢 430074)

侏羅系巴東組紅層軟巖廣泛分布于三峽庫區，因其與水反應后表現出較強的崩解和強度弱化特性而經常以塊體的形式出露并被歸為致災地層[1-3]。分布于紅層軟巖區的堆積層滑坡，如白水河滑坡、八字門滑坡等[4]，均受紅層軟巖塊體崩解和強度弱化的影響。紅層軟巖堆積塊體在連續性降雨、暴雨和庫水位升降條件下有不斷崩解、弱化的趨勢，導致紅層軟巖的強度存在不同程度的弱化，進而造成滑坡穩定性有不同程度的降低，這給附近居民和建筑物帶來了極大的安全隱患。因此，開展三峽庫區侏羅系巴東組紅層軟巖堆積塊體崩解和強度弱化特性的研究，可為紅層軟巖區內堆積層滑坡的穩定性分析和防治工作提供一定的參考依據。

耐崩解試驗和干濕循環試驗是開展軟巖塊體崩解特性研究的基本方法，一些學者為此開展了大量的工作。如Franklin等[5]提出通過耐崩解試驗來計算軟巖的耐崩解指數，進而評價軟巖的易崩解程度，并據此將軟巖分為極易崩解、非常易崩解、易崩解、中等崩解、不易崩解和非常不易崩解六類，該方法為軟巖工程性質的快速分類提供了一種便捷的途徑。此外，為了滿足不同工況的需求，Gautam等[6]和Fereidooni等[7]對比研究了軟巖塊體在室內環境、酸性環境和天然氣候下的崩解特性。然而隨著研究的深入，越來越多的學者發現使用耐崩解指數來評價軟巖的崩解特性具有一定的局限性，即傳統的耐崩解指數由試樣經歷耐崩解試驗(兩次干濕循環)后計算得到，并不能代表軟巖的長期崩解特征，而通過干濕循環試驗來評價軟巖的崩解特性更為可靠[8-9]。因此，一些學者嘗試通過干濕循環試驗從能量、塊體形態、波速和分形等方面來進一步量化軟巖的崩解特性。如Sharma等[10]研究了軟巖崩解過程中耗散能和P波波速的變化特征，并指出其可以很好地應用于軟巖的崩解程度評價；Shen等[2]研究了崩解過程中軟巖塊體的形態和分形特征，發現軟巖的崩解過程與圓形度和分形維數有很好的對應關系；劉曉明等[11]、潘藝等[12]和Kolay等[13]在軟巖崩解特性的量化評價方面也開展了系統的研究，并取得了一些有意義的成果。另外，在對軟巖塊體的穩定性進行評價時不可避免地會涉及到巖石的強度參數，由于軟巖的強度參數一般較難測得，且力學試驗耗時而昂貴，一些研究者嘗試通過耐崩解系數等特征參數來估算軟巖的力學參數。如Sharma等[14]直接通過耐崩解指數來估算軟巖的單軸抗壓強度；Khanlari等[15]和Hajdarwish等[16]基于耐崩解指數采用神經網絡方法來預測軟巖的抗剪強度參數；Ghasem等[17]采用模型樹方法來估算軟巖的楊氏模量和單軸抗壓強度。

盡管一些學者在軟巖的崩解特性和強度預測方面開展了大量的研究，但這些研究很少能直接測試得到不規則軟巖塊體的強度參數，也未對軟巖塊體崩解過程中強度參數的弱化機理做相應的分析。因此，本文以三峽庫區巴東組紅層泥巖塊體為研究對象，通過干濕循環試驗、點荷載強度試驗和顆粒直剪試驗研究了干濕循環試驗過程中紅層泥巖塊體點荷載強度、單軸抗壓及抗拉強度的變化特征，并進一步分析了紅層泥巖塊體抗剪強度參數的弱化規律，以期為軟巖區內堆積塊體的穩定性評價提供參考。

1 研究思路與方法

1. 1 研究的技術路線

三峽庫區巴東組紅層泥巖崩解和強度弱化特性研究的技術路線，見圖1。

圖1 三峽庫區巴東組紅層泥巖塊體的崩解和強度弱化 特性研究的技術路線Fig.1 Technological route of the study on the disinte- gration and strength weakening characteristics of red-bed mudstone in Badong Formation in the Three Gorges Reservoir Region

1. 2 研究方法

試樣為巴東組紅層泥巖，取自三峽庫區巴東縣城某邊坡(見圖2)，主要成分為綠泥石、伊利石、長石，天然含水率為0.5%，天然密度為2.45 g/cm3。本研究通過干濕循環試驗、點荷載試驗和顆粒直剪試驗研究了紅層泥巖塊體試樣的崩解和強度弱化特性。

圖2 研究區域和取樣位置Fig.2 Research region and sampling site of the study

1.2.1 干濕循環試驗

干濕循環試驗作為研究軟巖崩解特性的一種常用試驗方法，已被列入巖石試驗規范[18]中。將現場取得的紅層泥巖塊體密封保存，在室內測得其基本物理參數后，并制備成符合試驗規范[18]的試樣開展干濕循環試驗。干濕循環試驗的主要步驟如下：

(1) 試樣的制備。用鋼鋸和鑿子打磨出30塊厚度約為65 mm±5 mm、長度約為125～150 mm 的巖塊，切割除去試樣的雜質部分；然后將試樣平分為6組，每一組包含5塊試樣(見圖3)；將6組試樣分別放置于6個金屬盤中，并于烘箱中(110 ℃)干燥24 h，自然冷卻。

(2) 試樣的浸泡。將6組試樣分別置于6個透明水缸中，并將純凈水沿水缸內壁緩慢倒入至完全浸沒試樣；然后遮擋水缸口部并將水缸置于室內，靜置12 h。

(3) 試樣的干燥。將浸泡后的6組試樣濾水取出，分別置于6個金屬盤中，并于烘箱中(70 ℃)干燥12 h，自然冷卻。

(4) 干濕循環試驗后試樣的分組。上述步驟(2)和(3)為一次干濕循環，干濕循環示意圖見圖4。重復步驟(2)和(3)，直至6組試樣分別經歷5次、10次、15次、20次、25次和30次干濕循環；然后，將6組試樣分別篩分，依據篩分結果將每一組試樣按粒徑≤50 mm和粒徑>50 mm分為2個亞組(見圖5)，以便進行后期的顆粒直剪試驗和點荷載強度試驗。

圖4 試樣干濕循環示意圖Fig.4 Schematic diagram of the cyclic wet-dry test of the samples

圖5 試樣干濕循環試驗后的分組Fig.5 Grouping of the samples after the cyclic wet-dry test

1.2.2 點荷載強度試驗

圖6 點荷載強度試驗儀器Fig.6 Apparatus for point loading strength test

點荷載強度試驗是測試巖石點荷載強度指數、進而估算巖石強度參數的一種常用試驗方法，該方法具有便攜、操作簡單和成本低等優點，且在測定不規則巖石的強度參數方面尚未有其他可替代的方法。根據《公路工程巖石試驗規程》(JTG E41—2005)[19]中有關巖石點荷載強度試驗的要求，本文從干濕循環后6組粒徑>50 mm的試樣中的6個亞組試樣各挑選7塊巖塊，用以開展點荷載強度試驗(見圖6)。需要指出的是，為了驗證由點荷載強度指數計算得到的巖石強度參數的可靠性，補充了1組0次干濕循環后的試樣用以開展點荷載強度試驗，由于該組試樣未經崩解，其強度參數的計算結果可與實際力學試驗結果進行對比。點荷載強度試驗流程見文獻[19]，試驗過程中需記錄試樣的破壞荷載、加載點間距以及通過兩加載點最小截面的寬度。試樣的點荷載強度指數按下式計算：

(1)

式中:Is為試樣的點荷載強度指數(MPa);P為試樣的破壞荷載(N);De為試樣的等效直徑(mm)，其計算公式為

(2)

其中：b為試樣通過兩加載點最小截面的寬度(mm)；D為試樣加載點間距(mm)。

由于試樣較少，需對試樣的點荷載強度指數進行修正，修正后的試樣點荷載強度指數可表示為

Is(50)=FIs

(3)

式中:Is(50)為修正后的試樣點荷載強度指數(MPa);F為試樣尺寸修正系數，其計算公式為

(4)

其中:m為修正系數，一般取值為0.45。

因巖石的點荷載強度指數與其單軸抗壓強度、抗拉強度有較強的經驗關系，故巖石的點荷載強度指數一般也可用來計算不規則巖石的強度參數[20]。

《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)[21]中建議采用下式計算巖石的單軸抗壓強度：

Rc=22.82Is(50)

(5)

式中:Rc為巖石的單軸抗壓強度(MPa)。

文獻[20]建議采用下式計算巖石的抗拉強度：

Rt=1.25Is(50)

(6)

式中:Rt為巖石的抗拉強度(MPa)。

1.2.3 顆粒直剪試驗

直剪試驗是確定巖石抗剪強度參數的常用試驗方法，但是，當前有關巖石直剪試驗的規范均是針對較大尺寸的規則試樣(如尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試樣)，對于不規則巖塊甚至巖石顆粒尚未有明確的試驗規范。一些學者在顆粒直剪試驗方面開展了嘗試性的工作，如Han等[22]、Winter等[23]和Louati等[24]開展了不同形態、壓實度和含水率條件下顆?？辜魪姸鹊难芯?，但當前有關軟巖崩解過程中顆?？辜魪姸葏笛莼^程的研究尚不充分。本文將干濕循環后6組粒徑≤50 mm的試樣中6個亞組試樣分別進行篩分，篩分粒徑分別為20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm和0.075 mm，然后將每一亞組中篩分后的各粒徑組平分為4份，進而將每一亞組中各粒組中的一份均勻混合，得到每一亞組中用于開展顆粒直剪試驗的4組試樣。6個亞組試樣均進行軸壓分別為0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa和1.2 MPa的直剪試驗(見圖7)。若試樣不足以充滿剪切盒，則在剪切盒底端墊置適配的多尺寸鐵塊。試驗過程中主要記錄試樣的剪切位移與剪切應力值。

圖7 直剪試驗儀器Fig.7 Apparatus for direct shear test

2 研究結果與分析

2. 1 干濕循環試驗結果與分析

將6組試樣在分別經歷5次、10次、15次、20次、25次和30次干濕循環后，結束干濕循環試驗，并對各組試樣進行篩分處理，其篩分處理結果見圖8。

圖8 不同干濕循環試驗后試樣的顆粒級配曲線Fig.8 Curves of the grain gradation of samples after the cyclic wet-dry tests

由圖8可見，崩解過程中，試樣的級配逐漸變好而分選性逐漸變差；試樣崩解過程主要集中在前20次干濕循環，且崩解過程中粒徑大于50 mm的試樣仍然占據主要部分。

2. 2 點荷載強度試驗結果與分析

不同干濕循環試驗后試樣的修正點荷載強度指數分布點圖，見圖9。

圖9 不同干濕循環試驗后試樣的修正點荷載強度 指數分布點圖Fig.9 Point diagram of distribution of modified point loading strength index of samples after the cyclic wet-dry tests

由圖9可見，試樣的修正點荷載強度指數主要集中在0.25～4 MPa之間；按試驗規范[19]剔除各組的最大值與最小值后，得到0次(驗證組)、5次、10次、15次、20次、25次和30次干濕循環后試樣的修正點荷載強度指數平均值分別為2.89 MPa、2.69 MPa、1.99 MPa、1.84 MPa、1.69 MPa、0.93 MPa與0.68 MPa。

為了進一步驗證公式(5)應用于本文試樣的可行性，計算了0次干濕循環后試樣的單軸抗壓強度、抗拉強度，其結果分別為65.95 MPa、3.61 MPa，該結果與文獻[25]中巴東組紅層軟巖單軸抗壓強度和抗拉強度的測試值63.34 MPa和3.47 MPa基本接近(相對誤差分別為4.12%、4.03%)，因此采用公式(5)計算本文紅層泥巖塊體的單軸抗壓強度和抗拉強度具有可行性。由公式(3)、(5)、(6)計算得到試樣的點荷載強度指數、單軸抗壓強度和抗拉強度值，并繪制其隨干濕循環次數變化的曲線，見圖10。

圖10 試樣的修正點荷載強度指數、單軸抗壓強度和 抗拉強度隨干濕循環次數的變化曲線Fig.10 Curves of the modified point loading strength index,unixial compressive strength and tensile strength of samples versus cycles

由圖10可見，試樣的修正點荷載強度指數、單軸抗壓強度和抗拉強度均隨干濕循環次數的增加呈下降趨勢，且表現出較高擬合度的負線性關系，其線性擬合關系式表示如下：

(7)

式中:n為干濕循環次數。

該線性擬合關系式可為試樣強度參數的估計提供參考。

2. 3 顆粒直剪試驗結果與分析

由剪切試驗過程中記錄的試樣剪切位移與剪切應力值，得到5次、10次、15次、20次、25次和30次干濕循環后試樣的剪切應力-位移曲線，見圖11。

由圖11可見，試樣的剪切應力值在初始變形階段(1 mm剪切位移內)增長較快，其后增長緩慢并最終趨于穩定；同一干濕循環條件下，試樣的剪切應力值隨著軸向壓力的增大而逐漸增強；相同軸向壓力條件下，試樣的剪切應力值隨著干濕循環次數的增加而逐漸降低；0.4～0.8 MPa軸向壓力條件下，試樣的剪切應力值增長更快；在前15次干濕循環條件下，試樣的整體剪切應力值處于0.8～1.4 MPa之間，而在后15次干濕循環條件下，試樣的整體剪切應力值降低，處于0.6～1.2 MPa之間，這與試樣在前15次干濕循環過程中崩解程度較高相對應。

圖11 不同軸向壓力條件下5次、10次、15次、20次、25次和30次干濕循環后試樣的剪切應力-位移曲線Fig.11 Curves of the shear stress versus shear displacement of samples under different axial pressure conditions after 5,10,15,20,25,30 cycles

此外，由圖11可見，盡管試樣的剪切應力值隨剪切位移的變化曲線在宏觀上表現為先增長后穩定的變化規律，但實際上在達到峰值強度的過程中存在一段波動的過程，這一過程中試樣會不分先后順序地出現輕微的剪切應力增加、減小和平穩三個階段(見圖12)。這一現象與試樣顆粒的剪切過程相關：在初始剪切階段，試樣的運動方式主要以壓密為主，其剪切應力-位移曲線在這一階段表現出較快的增長趨勢；在試樣的密實度達到一定程度后，剪切過程趨于平緩，剪切應力值逐漸達到穩定；此后，隨著剪切位移的持續增加，試樣的運動方式主要表現為顆粒間的壓裂或顆粒的旋轉，顆粒間的壓裂作用導致剪切應力值局部降低而顆粒的旋轉效應對剪切應力的影響不明顯，由于此時試樣整體達到穩定，剪切應力的局部變化對試樣抗剪強度的影響較為輕微。

圖12 剪切過程中試樣的運動方式示意圖Fig.12 Schematic diagram of the movement models of samples in the shear process

為了進一步分析崩解過程中試樣黏聚力和內摩擦角的變化規律，使用摩爾-庫侖準則擬合試樣抗剪強度與軸向壓力的線性關系，見圖13。

圖13 不同干濕循環條件下試樣抗剪強度隨軸向壓力的 變化曲線Fig.13 Curves of the shear strength of samples versus axial stress under different cyclic dry-wet tests

由圖13可見，不同干濕循環條件下試樣的抗剪強度與軸向壓力具有較好的線性關系，其線性擬合關系式可表示如下：

(8)

式中：τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6分別為5次、10次、15次、20次、25次和30次干濕循環后試樣的抗剪強度(MPa);σn為所施加的軸向壓力(MPa)。

試樣黏聚力和內摩擦角(以正切值表示)隨干濕循環次數的變化曲線，見圖14。

圖14 試樣黏聚力和內摩擦角(正切值)隨干濕循環 次數的變化曲線Fig.14 Curves of the cohesion and internal friction angle (tangent value) versus cycles

由圖14可見，試樣的摩擦角(以正切值表示)、黏聚力分別在0.37～0.43、0.66～0.81 MPa之間變化。試樣產生的黏聚力主要來自兩個方面：①用于開展顆粒直剪試驗的試樣顆粒粒徑介于0～50 mm之間，直剪過程中有大粒徑顆粒被剪斷，使得試樣表現出部分黏聚力；②高黏土礦物含量的試樣顆粒受擠壓后容易聚集成塊，在直剪的過程中也表現出一定的黏聚力。試樣的內摩擦角和黏聚力均隨干濕循環次數的增加而逐漸減小至穩定，并主要表現出三個變化階段：試樣的黏聚力在前15次干濕循環中緩慢減小，在第15次至20次干濕循環中快速減小，之后趨于穩定；試樣的內摩擦角在前10次干濕循環中減小較慢，在第10次至20次循環中快速減小，之后趨于穩定。此外，由圖14還可見，試樣的崩解程度在第20次干濕循環時已基本趨于穩定，且試樣的摩擦角和黏聚力與干濕循環次數有較好的玻爾茲曼(Boltzmann)函數擬合關系，其擬合關系式可表示如下：

(9)

式中:c為試樣的黏聚力(MPa);tanφ為試樣的內摩擦角正切值。

該函數關系式可為試樣抗剪強度參數的估計提供參考。

3 結 論

株羅系巴東組紅層軟巖廣泛分布于三峽庫區，區內堆積層滑坡的穩定性受該紅層泥巖堆積塊體崩解和強度弱化的影響而出現較大的不確定性。本文以三峽庫區某邊坡開挖過程中出露的巴東組紅層泥巖塊體為研究對象，通過干濕循環試驗、點荷載試驗和顆粒直剪試驗研究了紅層泥巖塊體試樣的崩解特性和強度弱化特性，并主要得到以下結論：

(1) 崩解過程中，試樣的級配逐漸變好而分選性逐漸變差；試樣崩解過程主要集中在前20次干濕循環，且崩解過程中粒徑大于50 mm的試樣仍然占據主要部分。

(2) 試樣的修正點荷載強度指數主要集中在0.25～4 MPa之間；采用本文公式(5)、(6)計算紅層泥巖塊體的單軸抗壓強度、抗拉強度，經驗證具有較好的可行性；試樣的點荷載強度指數、單軸抗壓強度和抗拉強度均隨干濕循環次數的增加呈下降趨勢，且表現出較高擬合度的負線性關系。

(3) 試樣的剪切應力值在初始變形階段(1 mm剪切位移內)增長較快，其后增長緩慢并最終趨于穩定；試樣的抗剪強度隨著軸向壓力的增大而逐漸增強，隨著干濕循環次數的增加而逐漸降低；在0.4～0.8 MPa的軸向壓力條件下，試樣的抗剪強度增長更快；試樣的剪切過程可分為壓密、壓裂和旋轉三個階段；試樣的內摩擦角和黏聚力均隨干濕循環次數的增加而逐漸減小并趨于穩定，且表現出較好的玻爾茲曼函數擬合關系。