車(chē) 平，宋翔東，虞 翔，任凱杰

（1.南京大學(xué)－有色金屬華東地質(zhì)勘查局 地下空間與地質(zhì)環(huán)境研究所，江蘇 南京 210093；2.有色金屬華東地質(zhì)勘查局 地下空間與地質(zhì)環(huán)境研究所，江蘇 南京 210007；3.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093）

大部分軟巖工程問(wèn)題是由水與軟巖相互作用而產(chǎn)生的，目前，水與軟巖相互作用是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一［1－3］.

對(duì)于泥巖遇水軟化特性，以往一般從以下三方面進(jìn)行研究：① 泥巖與水作用后力學(xué)特性的變化［4－5］；② 泥巖礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)的變化［6－7］；③水和泥巖相互作用時(shí)，通過(guò)分析水溶液成分變化，研究水巖相互作用的特性［8］.其中，泥巖與水作用后力學(xué)特性變化的研究較多.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取安徽巢湖鳳凰山地區(qū)墳頭組中段海相粉砂質(zhì)泥巖層采石場(chǎng)采出的新鮮巖石.將鉆取的泥巖加工成10個(gè)直徑5cm的圓柱狀試樣，試樣分為5組（每組2個(gè)），分別浸于1L蒸餾水中，浸水時(shí)間分別為0，15，30，90，120d.對(duì)不同浸水時(shí)間巖樣進(jìn)行如下試驗(yàn)：波速測(cè)定，單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定；取部分碎屑測(cè)定含水率，將所得烘干樣粉碎，用X射線衍射儀分析礦物成分；使用熒光光譜法分析化學(xué)成分；浸泡液用電感耦合等離子體法研究化學(xué)成分變化；利用電子掃描顯微鏡（SEM）觀察微觀結(jié)構(gòu).在綜合分析上述各類(lèi)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)所研究泥巖遇水軟化的特性與機(jī)理進(jìn)行科學(xué)判斷.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 物理力學(xué)特性

泥巖基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1.

不同浸水時(shí)間的泥巖含水率、波速、單軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2.

表1 泥巖物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical index of mudstone

表2 泥巖物理力學(xué)性質(zhì)隨浸水時(shí)間的變化Tab.2 Variation of physical characters of mudstone with time

如表2所示，巖石在浸水120d期間，含水率呈遞增趨勢(shì)，單軸抗壓強(qiáng)度則有明顯下降，巖石波速下降也十分明顯.浸水30d后，巖石波速、單軸抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定.在浸水120d時(shí)，巖石軟化系數(shù)（浸水后抗壓強(qiáng)度÷自然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度）為0.53.

浸水之前，巖石表面無(wú)肉眼可見(jiàn)的裂隙（圖1a）；而浸水15d后，有少量肉眼可見(jiàn)的非貫通性裂隙；浸水30d后，裂隙增加并貫通（圖1b）；隨著浸水時(shí)間的增加，裂隙數(shù)目增加，且裂隙方向多呈水平向（圖1c）.

通過(guò)觀察斷面（圖2），可以看出，斷面兩側(cè)巖石與其他位置的巖石在形態(tài)、顏色、結(jié)構(gòu)上有一定差異，如存在透鏡體狀大塊團(tuán)粒、結(jié)晶較好的單礦物及鐵紅色浸染面.對(duì)鐵紅色浸染面交界處的微觀結(jié)構(gòu)（圖3）觀察可見(jiàn)，兩側(cè)在礦物形態(tài)大小、孔隙數(shù)目上有較大差異.浸染側(cè)礦物粒徑較小，多為圓球狀，浸染層較薄，可見(jiàn)片狀黏土礦物顆粒.這說(shuō)明，泥巖浸水產(chǎn)生的裂隙是在巖石原有微裂隙基礎(chǔ)上發(fā)育形成的.

圖2 巖石斷面Fig.2 Broken surface

斷面兩側(cè)差異產(chǎn)生的原因，與巖石的沉積環(huán)境和應(yīng)力歷史有密切關(guān)系：某一時(shí)期的不均勻沉積或者外力使巖石產(chǎn)生塑性流動(dòng)和小規(guī)模剪切錯(cuò)動(dòng)，液體進(jìn)入巖石內(nèi)部，重新膠結(jié)，均可導(dǎo)致巖石在成分、結(jié)構(gòu)等方面的微小差異.這種微小差異導(dǎo)致的巖石內(nèi)某些部分上的不均一性，以往較少被重視，但實(shí)際可能控制著巖石局部微裂隙的發(fā)展，進(jìn)而影響到巖石整體特性.而這些微小差異在空間分布上的不均勻性，會(huì)導(dǎo)致同一巖性巖石試樣的力學(xué)性質(zhì)（如抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等）存在一定差異.而對(duì)于較大的巖體，由于這些局部的不均一性并未連通，其對(duì)較大巖體的影響有時(shí)并不顯著.

（1）病毒學(xué)指標(biāo)：大多數(shù)患者抗病毒治療后血漿病毒載量4周內(nèi)應(yīng)下降1個(gè)log以上，在治療后的3～6個(gè)月病毒載量應(yīng)達(dá)到檢測(cè)不到的水平。

對(duì)于浸水30d的巖石，在裂隙兩側(cè)稍加側(cè)向剪切力，即可剪斷巖石.將斷面磨平后做波速實(shí)驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，得到波速2400m·s－1、單軸抗壓強(qiáng)度25.6MPa，均高于原始巖樣浸水30d后的波速（1300m·s－1）和單軸抗壓強(qiáng)度（18MPa），與未浸水巖樣的波速（2700m·s－1）及單軸抗壓強(qiáng)度（32 MPa）相差不大.這說(shuō)明，浸水過(guò)程對(duì)無(wú)明顯裂隙發(fā)育的“完整巖塊”的波速、單軸抗壓強(qiáng)度影響不大，進(jìn)而可推斷浸水過(guò)程中泥巖發(fā)育的貫通裂隙是導(dǎo)致巖石波速下降、單軸抗壓強(qiáng)度降低的主要宏觀原因.

2.2 礦物與化學(xué)成分分析

圖4a，b分別是巖樣浸水前和浸水120d后X射線衍射分析圖譜.從圖4a可知，墳頭組下部泥巖的主要成分是石英、伊利石、綠泥石，無(wú)蒙脫石，其中伊利石、綠泥石含量大致相當(dāng).石英化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具較強(qiáng)的抗水性與抗風(fēng)化能力，親水性極弱.伊利石晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石相似，是一種2∶1的三層層狀結(jié)構(gòu).但由于同晶置換而使晶胞中剩余大量負(fù)電荷，層間非交換性的K＋正好和負(fù)電荷平衡.層間K＋通過(guò)靜電引力使上下結(jié)構(gòu)層牢固相連，水分子及極化液體難以進(jìn)入晶胞層間，因而伊利石幾乎沒(méi)有層間膨脹，但其在斷口處仍將帶有負(fù)電荷，具有一定的活動(dòng)性及親水性.

對(duì)比X射線衍射圖譜可見(jiàn)（圖4），浸水前后，衍射峰強(qiáng)度、衍射角大小并沒(méi)有明顯變化.可見(jiàn)，長(zhǎng)時(shí)間浸水并沒(méi)有使晶格間的距離增大，黏土礦物沒(méi)有與水發(fā)生不可逆反應(yīng).

由前期試驗(yàn)知，本次試驗(yàn)所用泥巖的滲透系數(shù)k為5×10－10cm·s－1左右，短時(shí)間內(nèi)水不易進(jìn)入巖石內(nèi)部，因此測(cè)試浸水巖石表面的化學(xué)成分變化更有代表性.使用熒光光譜法對(duì)浸水前后巖石表面化學(xué)成分（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)w，%）進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示，泥巖表面化學(xué)成分中氧化物含量較高.浸水120 d后，巖石表面化學(xué)成分變化不大，其中K，Ca，Mg，Mn等元素所占比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)w，%）有所減?。ū?），進(jìn)而可推斷泥巖內(nèi)部化學(xué)成分變化也不大.

表3 浸水前巖石表面化學(xué)成分Tab.3 Statistics chemistry component date of mudstone surface before soaking %

表4 浸水120d后巖石表面化學(xué)成分有較大變化的物質(zhì)Tab.4 Significant changes of chemistry component of mudstone surface after soaking for 120d %

采用電感耦合等離子體法對(duì)巖石浸泡液研究化學(xué)成分（質(zhì)量濃度ρ）變化，見(jiàn)表5及圖5所示.

表5 巖石浸泡液離子質(zhì)量濃度的變化Tab.5 Changes of ion concentration in soaking solution of mudstone mg·L－1

可以看到，隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，水溶液中K＋，Ca2＋，Mg2＋，Na＋質(zhì)量濃度逐漸升高.喬麗蘋(píng)認(rèn)為，發(fā)生這種狀況的原因是長(zhǎng)石與水反應(yīng)［12］.但本研究的泥巖中不含長(zhǎng)石.

如表3，4所示，巖石表面化學(xué)成分變化不大.為了解水溶液中離子含量與巖石表面化學(xué)成分變化之間的關(guān)系，以水溶液中K＋為例，進(jìn)行如下計(jì)算：對(duì)于直徑5cm的500g泥巖（k取為5×10－10cm·s－1），浸于1L水中120d.取水力梯度i＝1（實(shí)際遠(yuǎn)小于1），由達(dá)西定律v＝ki知，水在泥巖中滲透速率不超過(guò)5×10－10cm·s－1，則泥巖浸水120d時(shí)，水進(jìn)入泥巖的深度為120×24×60×60×5×10－10＝5.184×10－3cm，即水浸泡到的泥巖質(zhì)量為［52－（5－5.184×10－3）2］×500／52＝1g，而巖石表面氧化鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5.200%變化至5.192%，故120d時(shí)巖石表面溶于水的K＋的質(zhì)量為（5.200－5.192）／100×1×78／（39×2＋16）＝6.6×10－2mg.由圖5離子變化曲線可得，水溶液中K＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)從開(kāi)始的零變?yōu)榱?20d時(shí)的1.5mg·L－1，即水溶液中K＋實(shí)際有1.5mg，遠(yuǎn)大于巖石表面溶解的K＋含量.這說(shuō)明，水溶液中鉀離子含量的變化與巖石表面物質(zhì)溶解的關(guān)系不大.進(jìn)而可間接證明，是由于巖石裂隙面可溶性鹽的溶解，才使水溶液中K＋含量升高.通過(guò)類(lèi)似的計(jì)算推理，可推斷水溶液中Ca2＋，Mg2＋，Na＋質(zhì)量濃度的升高，也與巖石表面物質(zhì)溶解的關(guān)系不大.

圖5 巖石浸泡液離子質(zhì)量濃度變化Fig.5 Changes of ion concentration in soaking solution of mudstone

2.3 微觀結(jié)構(gòu)變化

從掃描電鏡照片（圖6）可以看出，泥巖多呈絮狀、不規(guī)則結(jié)構(gòu)，多微孔隙，黏土礦物排列有定向性.伊利石、綠泥石等黏土礦物相互交織定向排列，石英顆粒與黏土礦物呈面－面接觸或點(diǎn)－面接觸的結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)的形成與沉積環(huán)境有密切關(guān)系.墳頭組泥巖為濱－淺海到陸棚－淺海的沉積環(huán)境，在海相沉積環(huán)境下，沉積物顆粒均勻，較細(xì)小的沉積顆粒在咸水中處于懸浮狀態(tài)，當(dāng)細(xì)小顆粒被帶到電解質(zhì)較大的海水中，土粒相互接觸表現(xiàn)為凈引力，彼此聚集成鏈環(huán)狀的集合體.伊利石、綠泥石為片狀礦物，而石英為柱狀礦物，兩者在形態(tài)上不一致，因此，孔隙一般都產(chǎn)生于石英富集部位和黏土礦物富集部位之間.由于黏土礦物是非水穩(wěn)性的，而石英是水穩(wěn)性的，這種連接不穩(wěn)定，遇水后兩者間接觸力減小，產(chǎn) 生孔隙.

由于無(wú)裂隙發(fā)育泥巖滲透系數(shù)在10－10～10－12cm·s－1左右［13］，短時(shí)間內(nèi)水不易進(jìn)入巖石內(nèi)部，因此，巖石內(nèi)部顆粒及膠結(jié)物形態(tài)沒(méi)有變化.而在巖石表面和層理面附近，顆粒變化較大，充填在孔隙中的黏土礦物如綠泥石、伊利石等，當(dāng)水貫入泥巖的孔、裂隙中，細(xì)小巖粒的吸附水膜便會(huì)增厚，引起了泥巖的體積膨脹.伊利石與水化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為

隨著浸水時(shí)間變長(zhǎng)，微觀結(jié)構(gòu)變化并不十分明顯，孔隙由原來(lái)的不規(guī)則的多邊形變得趨向渾圓，顆粒之間的連接趨向松散.

對(duì)于孔隙率、孔隙表面積的計(jì)算，采用GIS軟件提供的三維分析模塊，通過(guò)對(duì)樣品的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖像處理和分析，利用圖像分析手段和三維方法，計(jì)算巖樣的孔隙率與表面積［14］.需要指出的是，用上述方法計(jì)算的巖石孔隙率與通常的巖石孔隙率不同.一般意義上的巖石孔隙率是通過(guò)吸水率試驗(yàn)間接獲得，表征的是巖石中允許水進(jìn)出的連通大孔隙的多少，數(shù)值一般偏小.而本次主要分析的是微觀孔隙率及表面積，其數(shù)值可半定量反映真實(shí)微觀孔隙率、孔隙表面積隨浸水時(shí)間的相對(duì)變化情況.

從圖7，8可以看出，隨著浸水時(shí)間延長(zhǎng)，巖石孔隙率下降，浸水90d時(shí)減小6%左右，而孔隙表面積則有所增加.（圖中y代表孔隙率，R2為相關(guān)系數(shù).）這是由于泥巖內(nèi)伊利石、綠泥石等與水作用，引起了礦物的體積膨脹導(dǎo)致孔隙表面積增加，與此同時(shí)，局部區(qū)域微孔隙被周?chē)w粒充填，又導(dǎo)致孔隙率降低.此外，周翠英認(rèn)為，飽水6個(gè)月為軟巖結(jié)構(gòu)變化的分界點(diǎn)，6個(gè)月后孔隙率會(huì)增加［15］.而本次分析的泥巖是否如此，還需通過(guò)試驗(yàn)繼續(xù)研究.

綜合泥巖浸水前后物理力學(xué)特性、礦物與化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)等因素分析可知，當(dāng)泥巖中存在微裂隙時(shí)，水可沿微裂隙進(jìn)入巖石內(nèi)部，溶解可溶鹽，與黏土礦物作用.由于微裂隙是力學(xué)薄弱面，內(nèi)聚力偏低，較易楔破，使裂隙向縱深發(fā)展，進(jìn)而使裂隙連通導(dǎo)致泥巖軟化.

3 結(jié)論

（1）泥巖浸水后，120d內(nèi)未崩解或泥化.而浸水過(guò)程中泥巖發(fā)育的貫通裂隙，是導(dǎo)致巖石波速下降和單軸抗壓強(qiáng)度降低的主要宏觀原因.

（2）浸水前后，泥巖化學(xué)成分變化不大；隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，巖石表面的K，Ca，Mg，Mn等元素所占比例減小，而水溶液中 K＋，Ca2＋，Mg2＋，Na＋離子質(zhì)量濃度則逐漸升高.這主要由巖石內(nèi)部裂隙面可溶鹽的溶解所致，與巖石表面物質(zhì)溶解關(guān)系不大.

（3）隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，泥巖內(nèi)伊利石、綠泥石等與水作用，引起礦物的體積膨脹，導(dǎo)致巖石孔隙表面積增加，孔隙率下降.而孔隙由原來(lái)的不規(guī)則多邊形趨向渾圓，顆粒連接趨向松散.

（4）當(dāng)泥巖中存在微裂隙時(shí)，水可沿微裂隙進(jìn)入巖石內(nèi)部，溶解可溶鹽.由于微裂隙是力學(xué)薄弱面，內(nèi)聚力偏低，較易楔破，使裂隙向縱深發(fā)展，進(jìn)而使裂隙連通導(dǎo)致泥巖軟化.

（5）巖石內(nèi)部的不均一性，與巖石的沉積環(huán)境和應(yīng)力歷史等有密切關(guān)系，并且可能實(shí)際控制著巖石局部微裂隙的發(fā)展，進(jìn)而影響巖石整體特性.

［1］車(chē)平，黃宏偉，薛亞?wèn)|，等.巷道底板泥巖泥化物固化體的力學(xué)性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2007，10（6）：657.CHE Ping，HUANG Hongwei，XUE Yadong，et al.Mechanical properties of stabilized slaking mudstone（SSM）on roadway floor［J］.Journal of Building Materials，2007，10（6）：657.

［2］劉長(zhǎng)武，陸士良.泥巖遇水崩解軟化機(jī)理的研究［J］.巖土力學(xué)，2000，21（1）：28.LIU Changwu，LU Shiliang. Research on mechanism of mudstone degradation and softening in water［J］.Rock and Soil Mechanics，2000，21（1）：28.

［3］湯連生，張鵬程，王思敬.水－巖化學(xué)作用的巖石宏觀力學(xué)效應(yīng)的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（4）：526.TANG Liansheng，ZHANG Pengcheng，WANG Sijing.Testing study on macroscropic mechanics effect of chemical action of water on rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（4）：526.

［4］張永安，李峰，陳軍.紅層泥巖水巖作用特征研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16（1）：22.ZHANG Yong’an，LI Feng，CHEN Jun.Analysis of the interaction between mudstone and water［J］.Journal of Engineering Geology.2008，16（1）：22.

［5］朱珍德，邢福東，王思敬，等.地下水對(duì)泥板巖強(qiáng)度軟化的損傷力學(xué)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（增2）：4739.ZHU Zhende，XIN Fudong，WANG Sijing，et al.Analysis on strength softening argillite under groundwater by damage mechanics［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（Suppl.2）：4739.

［6］孟召平，彭蘇萍.煤系泥巖組分特征及其對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2004，32（2）：14.MENG Zhaoping，PENG Supin.Mudstone composition of coal measures and its influence on the mechanical properties［J］.Coal Geology ＆Exploration，2004，32（2）：14.

［7］何少云.新安江大壩2號(hào)、3號(hào)壩段壩基厚層頁(yè)巖軟化泥化機(jī)理及趨勢(shì)分析［J］.水電站設(shè)計(jì)，2005，21（2）：55.HE Shaoyun.Analysis of Xin’anjiang Dam No.2 ＆NO.3 block foundation thick shale softening and argillation mechanism and tendency［J］.Design of Hydroelectric Power Station，2005，21（2）：55.

［8］CHEN Hungta.Effects of leaching parameters on swelling and permeability behaviors of compacted mudstone liners［D］.Kaohsiung：Cheng Kung University.Department of Resources Engineering，2002.

［9］黃宏偉，車(chē)平.泥巖遇水軟化微觀機(jī)理研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（6）：1.HUANG Hongwei，CHE Ping.Research on micromechanism of softening and argillitization of mudstone［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2007，35（6）：1.

［10］譚羅榮.關(guān)于黏土巖崩解、泥化機(jī)理的討論［J］.巖土力學(xué)，2001，22（1）：1.TAN Luorong.Discussion on mechanism of disintegration and argillitization of clay－rock［J］.Rock and Soil Mechanics，2001，22（1）：1.

［11］余宏明，胡艷欣，張純根.三峽庫(kù)區(qū)巴東地區(qū)紫紅色泥巖的崩解特性研究［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2002，21（4）：77.YU Hongming，HU Yanxin，ZHANG Chungen.Research on disintegration characters of red mudstone of Xirangpo in Badong area of the reservior of three gorge project［J］.Geological Science and Technology Information，2002，21（4）：77.

［12］喬麗蘋(píng)，劉建，馮夏庭.砂巖水物理化學(xué)損傷機(jī)制研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（10）：2117.QIAO Liping，LIU Jian，F(xiàn)ENG Xiating.Study on damage mechanism of sandstone underhydro－physico－chemical effects［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（10）：2117.

［13］劉佑榮.巖體力學(xué)［M］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1999.LIU Yourong.Rock mass mechanics［M］.Beijing：Publishing House of China University of Geosciences，1999.

［14］王寶軍，施斌，蔡奕，等.基于GIS的黏性土SEM圖像三維可視化與孔隙度計(jì)算［J］.巖土力學(xué)，2008，29（1）：251.WANG Baojun，SHI Bin，CAI Yi，et al.3D visualization and porosity computation of clay soil SEM image by GIS［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（1）：251.

［15］周翠英，鄧毅梅，譚祥韶.軟巖在飽水過(guò)程中水溶液化學(xué)成分變化規(guī)律研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（22）：3813.ZHOU Cuiying，DENG Yimei，TAN Xiangshao.Testing study on variation refularities of solution components in saturation of soft rocks［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（22）：3813.