库区红层泥岩水化特性及干湿循环作用下的渐进损伤研究

陈纪昌; Ji-chang CHEN

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 143-147,152.

陈纪昌

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Research on the Hydration Characteristics and Progressive Damage of Red Bed Mudstone under Dry-wet Cycle in Reservoir Areas

Ji-chang CHEN

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摘要

库岸边坡长期受到大气循环、水位调节等水流往复运动而带来的渗透侵蚀影响。特别是在我国西南红层区的水利工程中，水的长期浸入和干湿循环作用导致红层泥岩特性出现严重的劣化。以川西南红层区某水库为工程依托，通过室内试验和理论分析深入研究了红层区泥岩的水化特性及干湿循环作用下的渐进损伤破坏。结果表明：红层泥岩发生水岩作用后微观结构更加疏松，颗粒间黏结变弱。浸水初期变形显著，并且干湿循环进一步加剧了岩体膨胀变形。红层泥岩抗压强度和黏聚力分别同干湿循环次数呈线性降低和凹二次函数下降关系，内摩擦角在多次循环后有小幅上升。围压和干湿循环耦合效应对红层泥岩的渐进损伤积累产生严重不利影响，当循环超过3次时，多数工况下试样损伤变量值已超过60%，岩体强度大幅衰减。

Abstract

The bank slope of the reservoir is affected by seepage erosion caused by the reciprocating movement of water flow for a long time， such as atmospheric circulation and water level regulation. Especially in the water conservancy project in the red bed area in southwest China， the long-term water immersion and the dry-wet cycle result in the serious deterioration of the red bed mudstone characteristics. Based on a reservoir in the red bed area of southwest Sichuan Province， the hydration characteristics of red bed mudstone and progressive damage and failure under dry and wet cycles are deeply studied through laboratory tests and theoretical analysis. The results show that the microstructure of red bed mudstone becomes looser after water-rock interaction. The expansion and deformation of red mudstone in the initial stage of flooding is significant， and the vertical deformation of rock mass is further aggravated by the dry-wet cycle. The compressive strength and cohesion of the red-bed mudstone decrease linearly with the number of dry and wet cycles and decrease with the concave quadratic function respectively， and the angle of internal friction increase slightly with the increase in the number of cycles. Both confining pressure and the number of dry and wet cycles have a great adverse effect on the progressive damage accumulation of red-bed mudstone. When the cycles are over 3 times， the damage variable value of samples under different working conditions generally exceeds 60%， the strength of the rock mass is greatly reduced.

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陈纪昌. 库区红层泥岩水化特性及干湿循环作用下的渐进损伤研究[J].中国农村水利水电, 2021(3): 143-147,152

Ji-chang CHEN. Research on the Hydration Characteristics and Progressive Damage of Red Bed Mudstone under Dry-wet Cycle in Reservoir Areas[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 143-147,152

随着近年来我国西南地区水利工程事业的蓬勃发展，库区工程建设面临的挑战也日益增加。在我国西南滇中地区，广泛分布着由棕红色、褐黄色，薄-中厚层状的泥岩、砂岩、粉砂质泥岩等组成的红层地区。红层泥岩在水影响下易发生崩解，具有强度衰减严重，亲水性较强，透水性较弱等不良工程地质特征^［1，2］。特别是对于红层地区的库岸边坡，坡脚在库区内水位的季节性调整和降雨-地表水蒸发的自然循环作用下，极易发生侵蚀、滑塌甚至出现堰塞等严重灾害^［3，4］。针对这一问题，许多学者开展了大量红层地区泥岩的特性研究。谭罗荣^［5］等通过实验发现了红层黏土岩的崩解特性，发现了黏土矿物失水引发的水活性复活作用是红层岩开裂崩解的主要原因。范祥^［6］等则针对红砂岩进行了不同饱水时间下的吸水量测试，并通过施密特测试法得到了岩体不同含水状态下的强度特性。田巍巍^［7］研究了干湿循环作用下不同风化程度的软岩崩解特性。唐朝生^［8］等针对干湿作用下膨胀土涨缩变形开展了室内试验研究。Kim^［9］等通过室内试验研究了加载速率和含水量对红砂岩的力学特性影响。Kholghifard^［10］等研究了干湿循环作用下下红土湿陷性特征，并提出了红层区基础失陷预测公式。

综上分析可以发现，目前针对红层区的研究主要集中在不同静含水条件下岩体物理力学性能的变化规律，而干湿循环作用的研究也多着重于特殊性岩体等，较少考虑红层泥岩在往复饱水，失水条件下的强度变形特征，以及多次干湿循环作用下岩体发生的渐进性破坏损伤规律。故本文以川西南红层区某水库为工程依托，开展了红层泥岩水化作用下的基本物理特征研究，通过设置不同干湿循环次数，获取红层泥岩不同循环条件下变形及强度衰减规律，提出了可以量化分析的红层泥岩渐进性损伤破坏评价指标。研究成果可为红层区库岸工程提供支撑。

1 试验方法

1.1 采样及试样制备

试样取自川西南某水库库区内的红层岩质岸坡，为侏罗系中统上沙溪庙组泥岩，薄~中厚层状构造，因含有大量MgO，CaO，Fe³⁺等使得表面呈紫红色、黄棕色。在库区内选则含水率差异较大的三个不同点位进行取样。经过测试统计发现，研究区红层泥岩天然含水率平均为7.8%。岩样以泥质胶结为主，可见局部有少量钙质结核。根据《水利水电工程岩石试验规程》，将试样切削打磨成D _直径=50 mm，H _高度=100 mm的标准圆柱体。试样垂直度偏差<0.25°，尺寸误差控制在1 mm范围内，并及时做好岩样表面的平整处理工作。试样制作完成后，还需进行岩样的二次选取，将裂纹扩展明显或尺寸与标准要求差异较大的试样进行及时剔除，泥岩现场特征及试样如图1所示。

图1 试样采集及制备

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1.2 试验方案设计

首先将现场取得的红层泥岩试样首先开展密度、颗分等基础室内试验。采用XRD-6000L型衍射仪对粉末状红层泥岩开展定量物相成分分析，扫描速度为2 °/min。为了初步分析水对红层泥岩结构的影响，开展了天然条件和静态饱水48 h的岩体电镜扫描对比试验。

其次，基于研究区岩样天然含水率分布，选取含水率差异较大的3组制作好的红层泥岩试样，在上下端各设置一块透水石并覆盖等圆面积的滤纸一张。放置于真空饱和箱后进行真空抽取120 min，并通过胶皮软管注入蒸馏水进行饱和，每次饱和时间为24 h。将饱和后的试样取出后放置于70 ℃恒高温的烘箱内烘干24 h，并视作为一次干湿循环。根据研究库区水位调节情况共设置循环为5次的往复饱水失水试验。同时整个过程中采用量尺进行初始状态和每次循环后的尺寸测试，研究竖向膨胀率变化规律。

最后将不同循环次数下的试样分别放置于MTS全自动三轴伺服液压试验仪中进行压缩。试验采用位移控制式，加载速率设为0.003 mm/s，围岩压力分别设置为1，2，4 MPa，研究不同循环次数条件下红层泥岩的强度劣化特征，每组保证3个有效试样。试验工况如表1所示。

表1 试验测试设计

工况	初始含水率/%	干湿循环次数（Xi）	试验项目
原始状态	-	0	室内试验（XRD,SEM）
A	2.1	1~5	竖向膨胀率测试
B	7.8
C	11.3
D	7.8	1~5	三轴压缩试验测试（围压分别为1，2，4 MPa）

2 试验成果分析

2.1 物质组分及微观结构特性

2.1.1 基本物理力学参数

通过室内试验得出所取的红层泥岩天然密度约为2.37 g/cm³。如图2所示，通过XRD衍射进行半定量推断得出红层泥岩主要由少量黏土矿物（约25%）加大量碎屑矿物（约75%）组成。其中伊利石、蒙脱石和高岭石为主要组成物质。碎屑矿物则主要由方解石、石英和少量赤铁矿等组成。化学成分主要为SiO₂、Al₂O₃，其中SiO₂占比60%~70%，Al₂O₃占比10%~20%，其次为Fe₂O₃、CaO、MgO，Fe³⁺等。在进行干湿循环前，选取浸水崩解后的泥岩试样，通过筛分试验得出红层泥岩的颗粒粒径累计曲线如图3。可以看出，红层泥岩颗粒粒径<0.075 mm的占比约为总体的10.1%。

图2 红层泥岩颗粒级配曲线

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图3 红层泥岩颗粒级配曲线

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2.1.2 细观结构特征

通过对比天然状态和长期浸水状态下红层泥岩的微观结构可以看出（如图4），天然状态下，泥岩整体结构致密。骨架完整性及颗粒间胶结性质较好。颗粒多呈凝块状叠聚，局部定向性排列特征明显。然而，在长期浸水条件下，水分通过岩体内部裂隙逐步运移扩散，缓慢发生水岩作用，进而导致微观结构也发生了明显变化。在长期浸水状态下，岩样颗粒之间的叠聚状态受到破坏，岩体结构整体由致密向疏松逐步转化。值得注意的是，长期浸水后岩样表面出现了明显的泥皮结构。水的逐步扩散运移和水岩作用使得部分凝聚颗粒脱落，散落于其他颗粒及孔隙附近。试样表面凹凸起伏，孔隙数量和空间均有一定程度的增加，颗粒间黏结变弱，为进一步水岩反应提供了便利的入渗条件。长期浸水后取出的岩样表观状态也已变的极度松散。

图4 试样微观结构扫描电镜图

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2.2 红层泥岩水化变形特性

为了对不同工况下的红层泥岩水化变形特征进行定量评价，引入竖向膨胀率P_i 进行分析。由于试样环向有约束，忽略径向直径的变化而近似认为变形只发生在试样轴向，可以得到如下计算公式：

P_{i} = \frac{H_{i} - H_{a}}{H_{a}}

（1）

式中：

H_{a}

为试样初始高度；

H_{i}

为试样在第i次循环中变形后的高度；P_i 为试样竖向膨胀率。

通过试验研究发现，不同含水率条件下的红层泥岩试样随着饱水时间的增加其体积膨胀率变化趋势相同，如图5所示。可以看出，试样竖向膨胀率的激增主要发生在浸水初期，并很快达到稳定。随后即使增加浸水时间，P_i 也仅出现微小提升，增加量小于总变形量的10%~15%。此外，在一定初始含水率分布区间（2.1%~11.3%），试样初始含水率越高，相同饱水时间下竖向膨胀率也越大，但随着初始含水率的增加其增幅呈逐渐降低趋势。从循环次数的影响来看，如图6所示。在前3次循环中，竖向膨胀率基本随循环次数的增加而呈线性增长的态势。随着循环次数的继续提升，曲线斜率出现降低，竖向膨胀率变化趋于稳定。在相同循环次数条件下，初始含水率较高的试样其竖向膨胀率也越大。这主要是由于长期浸水条件下的红层泥岩发生了一定的水化反应，使得结构内部的原生裂隙进一步发育和扩大，同时增加了岩体和水的接触面积，导致无论是吸水率还是竖向膨胀率都出现明显提升。但是裂纹发育和结构完整性的破坏存在一定的阈值，即当大量微裂纹演化发育贯通或岩体局部结构变形达到一定程度后，水化作用的影响逐渐趋于稳定。与静态水的扩散作用相比，干湿循环效应下的动力渗透作用使得竖向膨胀率更快达到稳定变形。

图5 红层泥岩试样竖向膨胀率时变曲线

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图6 不同循环次数条件下试样竖向膨胀率变化曲线

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2.3 红层泥岩力学强度特性

2.3.1 单轴抗压强度

由单轴压缩试验测得不同循环次数下红层泥岩单轴抗压强度的变化曲线如图7。从图7中可以明显看出红层泥岩单轴抗压强随循环次数增加而线性下降。初次循环时，单轴抗压强度下降了25%，当循环次数达到5次时，强度仅为0次循环时的15.6%，并且试样已经出现严重的结构破坏，整体十分散状。通过对试验数据进行拟合，可以得到红层泥岩单轴抗压强度随干湿循环次数X的关系式如下。

T = - 0.539 X + 2.988

（2）

式中：T为红层泥岩单轴抗压强度；X为循环次数。

图7 循环次数与单轴抗压强度关系

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这主要是由于在长期浸水状态下，红层泥岩发生水化反应多是由于水分子的缓慢扩散并与泥岩中亲水性矿物成分相结合，导致强度出现降低。不同的是，干湿循环作用还附加了水分子的动力渗透作用。除了由于长期浸水后产生的部分泥皮结构外，干湿循环作用下水的多次往复运移使得部分凝聚颗粒运移脱落，零散的堆落其他颗粒及孔隙附近，加大了水岩反应范围以及对由水岩作用导致的泥岩松散结构的进一步扰动破坏。在无侧限条件下，红层泥岩的单轴抗压强度急剧降低，难以抵抗外部荷载。

2.3.2 剪切强度参数

红层泥岩的抗剪强度参数在干湿循环作用下的变化规律差异较大。如图8所示，泥岩黏聚力随着循环次数的增加呈现出先快后慢的下降趋势，在首次干湿循环和二次循环时，黏聚力相比上次循环后的强度分别下降了26.4%和23.9%。而X增加至4次和5次时，黏聚力相对变化量则分别为18.8%和18.5%。第五次循环结束后，黏聚力仅为天然条件下黏聚力的30%。主要是由于在多次失水和浸水的往复条件下，红层泥岩亲水矿物成分无论是遇水膨胀还是失水收缩都会对微单元结构造成无法逆转的渐进性损伤，裂纹的发育连通和岩体结构的局部破坏导致试样强度的衰减。但由于存在一定的围压，在轴向压力下对试样的变形破坏具有一定的约束作用。而红层泥岩内摩擦角随着循环次数的增加有2%~6%的小幅提升。并且多次循环后，内摩擦角的增长趋势逐渐变缓。试验过程中红层泥岩试样不断收缩，体积减小，颗粒接触也变得更为紧密，剪切破坏更加趋向于破裂面内颗粒间的滑动摩擦。对比试样膨胀率变化也可以发现，在前几次干湿循环条件下，体积膨胀率增幅较大，而在后两次干湿循环效果下内摩擦增幅不明显。

图8 抗剪强度参数曲线

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通过对试验数据的分析，可以得到循环次数与剪切强度参数之间的拟合关系如下：

c = 0.044 X^{2} - 0.471 X + 1.799

（3）

φ = - 0.059 X^{2} + 0.709 X - 0.059

（4）

式中：

c

为黏聚力；

φ

为内摩擦角；X为循环次数。

2.4 干湿循环下的渐进损伤特性

基于上述红层泥岩的物理力学特征变化规律可以得出，静水浸入和干湿循环作用都会对岩样的结构完整性和强度特性产生较大影响，干湿循环次数的增加均可视作是岩体内部损伤累计的过程。为了定量化分析红层泥岩在多次干湿循环作用下的渐进性损伤规律，引入岩石微单元体强度理念，依据等效应变原理和损伤力学理论^［11］，假设红层泥岩的微元强度服从二维Weibull分布。

从微元体受力角度来看，干湿循环作用导致微单元体有效应力的降低，可表示如下：

σ^{*} = σ (1 - D)

（5）

式中：

σ^{*}

为微单元有效应力；

σ

为微单元实际应力；D为损伤变量采用能反映干湿循环对微元体影响的变量表示方法，即假定软岩岩体破坏表达式如下：

f (σ^{*}) - F = 0

（6）

式中：F为材料强度相关参数。假设主应力差和D满足如下双曲线关系^［12］：

(1 - D) = \frac{m}{σ_{1} - σ_{3}} + n

（7）

结合本文的三轴试验结果，对上述公式进行拟合和修正，可以得到不同干湿循环次数、不同围压条件下的红层泥岩损伤变量D的取值如图9。结果表明，循环3次后，损伤变量普遍达到60%以上。随着干湿循环次数的增加，岩体内部是不断发生渐进性累计损伤破坏。特别是初始阶段的干湿循环，对于岩体结构性破坏最为显著，损伤变量的增幅也最为明显。但当试样经历了多次循环后，损伤变量D的增幅逐步下降。例如在围压为1 MPa时，相比于1次干湿循环，2，3，4次循环后损伤变量分别比前一次循环增加了68%、22%和10%。主要是因为初期干湿循环作用引起的水的动力渗透作用对于红层泥岩影响较大，水岩反应加速，岩体损伤积累速度快。循环多次后，岩体局部已发生破坏，失去抵抗外荷载能力，达到一定的损伤阈值。

图9 损伤变量随围压和循环次数变化曲线

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曲线走势同样表明了围压（P）对损伤变量D也具有显著影响。低围压条件下，循环次数（X）的增加使得损伤变量值D逐步上升，如1 MPa条件下。而在围压为4 MPa时，干湿循环两次后，损伤变量的增长仅在2.5%~7.4%，表明高围压条件下较少的循环次数与围压的耦合作用进一步加速了红层泥岩的损伤积累，这与前述岩体力学强度的发展趋势也较为符合。通过对试验结果的拟合，可以得到红层泥岩干湿循环作用下的渐进性损伤耦合计算公式。

D = 0.354 X - 0.042 - 0.074 X^{2} + 0.0054 X^{3} + 0.111 / P - 0.0064 / P^{2}

R^{2} = 0.973

（8）

3 结论与展望

（1）红层泥岩浸水后发生的水岩作用使得岩体微观结构更加疏松多孔，裂隙发育。浸水初期具有显著的膨胀变形特性，在前3次干湿循环引发的动力渗透作用下，岩体竖向膨胀率呈近直线上升。

（2）红层泥岩的单轴抗压强度在多次循环作用下线性降低。抗剪强度参数中黏聚力随循环次数增加先快速衰减后缓慢降低，最大降低70%，而内摩擦角在多次循环后有2%~6%小幅提升。

（3）围压和干湿循环次数的增加均会加速红层泥岩的内部损伤积累。初始循环引发的岩体强度衰减最为显著。对于深埋或构造运动强烈区的库岸工程，应着重考虑水位变动引起的工程安全问题。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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收稿日期	出版日期
2020-06-20	2021-03-15
发布日期
2021-04-07

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1 试验方法

1.1 采样及试样制备

图1 试样采集及制备

1.2 试验方案设计

表1 试验测试设计

2 试验成果分析

2.1 物质组分及微观结构特性

2.1.1 基本物理力学参数

图2 红层泥岩颗粒级配曲线

图3 红层泥岩颗粒级配曲线

2.1.2 细观结构特征

图4 试样微观结构扫描电镜图

2.2 红层泥岩水化变形特性

图5 红层泥岩试样竖向膨胀率时变曲线

图6 不同循环次数条件下试样竖向膨胀率变化曲线

2.3 红层泥岩力学强度特性

2.3.1 单轴抗压强度

图7 循环次数与单轴抗压强度关系

2.3.2 剪切强度参数

图8 抗剪强度参数曲线

2.4 干湿循环下的渐进损伤特性

图9 损伤变量随围压和循环次数变化曲线

3 结论与展望

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