曾鈴，邱健，匡波，肖源杰，劉杰，卞漢兵

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410114；2.廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，廣西 南寧，530029；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；4.重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410075；5.長沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長沙，410114；6.橋梁工程安全控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長沙理工大學(xué))，湖南 長沙，410114；7.法國里爾大學(xué) 土木工程與巖土環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室，法國 里爾，59655)

我國西南地區(qū)優(yōu)質(zhì)填料匱乏，為節(jié)約建設(shè)成本、減少廢棄物，常因地制宜將開挖后的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖用于路堤填筑。然而，在季節(jié)性降雨作用下，路堤長期經(jīng)受干燥和浸水反復(fù)作用，其內(nèi)部預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度急劇劣化[1]，導(dǎo)致路堤發(fā)生不均勻沉降甚至誘發(fā)坍塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高[2]、遇水軟化崩解[3]，在干濕循環(huán)作用下，內(nèi)部微觀孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，極大增加了其強(qiáng)度的不可預(yù)測性，嚴(yán)重威脅預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤長期穩(wěn)定。為減少或避免預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤災(zāi)害，亟需明確干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度特性及其劣化機(jī)制。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要從以下幾個方面開展巖土體強(qiáng)度特性及其劣化機(jī)制研究：

1)采用掃描電鏡等手段從微觀顆粒及孔隙形貌演變等方面推斷其微觀結(jié)構(gòu)變化對宏觀力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，微觀層面上的孔隙出現(xiàn)貫通[4]，顆粒結(jié)構(gòu)經(jīng)歷表層整齊、結(jié)構(gòu)錯動、結(jié)構(gòu)破碎、形成大尺度軟弱面4 個階段[5]，在宏觀層面上表現(xiàn)為彈性模量和峰值強(qiáng)度明顯衰減。

2)基于圖像識別技術(shù)，探索顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)特征變化對巖土體強(qiáng)度的影響規(guī)律。掃描電鏡技術(shù)是一種能對孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析的有效手段[6]，通過提取SEM 圖像中孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)信息，發(fā)現(xiàn)殘積土劣化主要由大孔隙引起[7]，孔隙形態(tài)是評價土體強(qiáng)度的一個重要微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，并可結(jié)合顆粒定向性參數(shù)探究強(qiáng)度劣化機(jī)制[8]。

3)結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和宏觀強(qiáng)度兩者之間的關(guān)聯(lián)程度，探究巖土體劣化的微觀機(jī)制。

干濕循環(huán)作用后，黏聚力急劇降低，內(nèi)摩擦角變化很小。采用相關(guān)方法分析發(fā)現(xiàn)顆粒的平均周長和形狀系數(shù)是影響強(qiáng)度的微結(jié)構(gòu)顯著參數(shù)[9]，顆粒圓度對黏聚力和內(nèi)摩擦角影響較大[10]。然而，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖不同于一般巖土體，其崩解性強(qiáng)，在干濕循環(huán)作用下，微觀結(jié)構(gòu)變化更加復(fù)雜；同時，無論是微觀結(jié)構(gòu)的定性分析還是定量分析，現(xiàn)有研究很少考慮各向異性帶來的結(jié)構(gòu)特征差異，導(dǎo)致對干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度劣化機(jī)制的認(rèn)識存在片面性。因此，如何定量分析干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，并揭示其強(qiáng)度劣化機(jī)制是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。為此，本文作者通過三軸剪切試驗(yàn)，分析干濕循環(huán)次數(shù)對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖宏觀強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，并基于掃描電鏡試驗(yàn)及圖像分析技術(shù)定量研究微觀孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)參數(shù)的演變規(guī)律，同時探究微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀強(qiáng)度指標(biāo)的相關(guān)性，揭示干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度劣化機(jī)制，以便為炭質(zhì)泥巖路堤的干濕運(yùn)營環(huán)境研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用炭質(zhì)泥巖取自廣西南天高速公路某路堤，將其置于室外經(jīng)反復(fù)降雨及暴曬，直至完全崩解成粒徑小于2 mm 的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖[1]，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)可得到預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖基本物理指標(biāo)(見表1)，其顆粒級配曲線見圖1。依據(jù)GB/T 50145—2007[11]，粒徑在2 mm以下的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖中的粗粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.33%，屬于粗砂中的細(xì)粒土質(zhì)砂；粉粒在細(xì)粒組中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.36%，故屬于細(xì)粒土質(zhì)砂中的粉土質(zhì)砂。X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)其礦物成分主要為石英(38%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、高嶺石(32%)、伊利石(18%)，其余各礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于5%。

圖1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒級配曲線Fig.1 Grain gradation curve of pre-caved carbonaceous mudstone

表1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

1.2 試驗(yàn)方法

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度劣化機(jī)制研究主要包括重塑樣制備、干濕循環(huán)試驗(yàn)、強(qiáng)度測試、微觀結(jié)構(gòu)測試4 部分，試驗(yàn)流程及設(shè)備見圖2，具體試驗(yàn)方法如下。

圖2 試驗(yàn)流程及設(shè)備Fig.2 Test process and equipment

1)試樣制備?？刂圃嚇雍蕿?0.56%(最佳含水率)，壓實(shí)度為96%(路堤填筑規(guī)范要求土體壓實(shí)度不低于90%)[12]。取適量蒸餾水與完全干燥的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖充分拌和，密封靜置48 h 使水分均勻分布。采用靜壓法分5 層制備直徑為50 mm、高為100 mm 的圓柱試樣，并用塑料薄膜密封保存。

2)干濕循環(huán)試驗(yàn)。采用真空飽和法對試樣進(jìn)行濕化飽和，烘干法進(jìn)行干燥，飽和與烘干時間均控制為24 h[13]，烘箱溫度控制為106 ℃。采用干燥—濕化的循環(huán)路徑，干濕循環(huán)次數(shù)設(shè)置為0、2、4、6次。

3)強(qiáng)度測試。采用GDS 三軸儀對上述不同干濕循環(huán)次數(shù)后試樣進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，圍壓選擇100、200、300、400 kPa。采用應(yīng)變控制法加載，剪切速率為0.05%/min。在剪切過程中，若曲線出現(xiàn)峰值且軸向應(yīng)變增加3%～5%，則結(jié)束試驗(yàn)；若無峰值且軸向應(yīng)變?yōu)?6%，則停止試驗(yàn)[14]。

4)微觀結(jié)構(gòu)測試。采用ZEISS 高分辨電子掃描顯微鏡-EVO 10，最大分辨率為3 nm，加速電壓為0.2～30.0 kV，10 V 步進(jìn)可調(diào)，最大探針電流為5 μA。為探究不同干濕循環(huán)次數(shù)后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖水平和豎直斷面的孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)特征演變規(guī)律，在試樣中心處切取長×寬×高為2 cm×2 cm×1 cm 的塊狀樣，長軸方向與主應(yīng)力σ1方向垂直；沿長軸方向從中間折斷得到2個試塊，以與主應(yīng)力方向水平、垂直的斷面為測試平面，分別制作豎直斷面、水平斷面SEM樣品。對SEM樣品進(jìn)行充分干燥、噴金處理，進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)。

2 微觀結(jié)構(gòu)特征分析方法

2.1 圖像處理方法

為確定預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖SEM 圖像二值化時的分割閾值T，對所有圖像亮度進(jìn)行歸一化處理，以保證SEM圖像的亮度一致。在SEM圖像中取寬度為1像素的掃描線，分析該掃描線上所有像素點(diǎn)灰度分布曲線(見圖3)，以閾值T為標(biāo)準(zhǔn)作1條水平虛線(虛線以下像素點(diǎn)表示孔隙、以上表示顆粒)，調(diào)節(jié)閾值T使灰度圖像中代表孔隙與顆粒的像素點(diǎn)與SEM 圖像中孔隙與顆粒區(qū)域相對應(yīng)，則該閾值T為最佳閾值。通過分析大量預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的SEM圖像可知，最佳閾值T=53。

圖3 掃描線上灰度變化曲線Fig.3 Gray change curve on scan line

對閾值分割后SEM 圖像進(jìn)行二值化處理，將顆粒和孔隙分開，隨后對二值化后的圖像進(jìn)行降噪處理，以去除噪點(diǎn)對圖像的干擾，由此提取預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的微觀特征信息，具體步驟如圖4所示。

圖4 SEM圖像分析過程Fig.4 SEM image analysis processes

2.2 微觀結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)

巖土體微觀結(jié)構(gòu)主要包括孔隙與顆粒結(jié)構(gòu)兩方面。由于孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)多樣，為簡化計算，采用相同的面積、取向、重心的橢圓代替相應(yīng)的不規(guī)則孔隙[15]。對于多維度顆粒結(jié)構(gòu)，采用水平斷面顆粒邊緣任意2點(diǎn)之間的距離最大值、最小值分別作為顆粒的平均長度L、平均寬度B，采用豎直斷面顆粒厚度的平均值作為平均厚度T，且利用L與x軸之間的夾角α作為顆粒的排列角度，如圖5所示。

圖5 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagrams of pore and particle structure of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

微觀結(jié)構(gòu)特征變化可引起巖土體強(qiáng)度、黏聚力及內(nèi)摩擦角發(fā)生改變。為定量評價預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)的形態(tài)、大小等特征，選擇以下6種微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行分析，各參數(shù)表示方法與意義如下。

1)孔隙圓度F及面積S，其中F表征孔隙形狀與圓形的接近程度(圖5)，其大小與狹長度呈正相關(guān)。

式中：a、b分別為等效橢圓孔隙的短軸長度、長軸長度。

2)顆粒三軸幾何平均直徑R及球度Sp，其中，Sp表征顆粒與球形的接近程度。

3)顆粒定向頻率Fi(α)[16]及概率熵H，表征顆粒結(jié)構(gòu)單元排列的有序性，顆粒排列的混亂程度與Fi(α)呈負(fù)相關(guān)，與H呈正相關(guān)，可表示為

式中：α為顆粒排列的單個區(qū)間角度，取15°；ni為第i角度區(qū)間內(nèi)的顆粒數(shù)量；m和n分別為角度區(qū)間數(shù)和總顆粒數(shù)量。本文假定預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在0°～360°范圍內(nèi)對稱分布。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 干濕循環(huán)下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度特性劣化研究

3.1.1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度

圖6所示為干濕循環(huán)前后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度變化曲線。由于不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線規(guī)律基本一致，故以100 kPa和400 kPa 圍壓下不同干濕循環(huán)次數(shù)N的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律曲線為例進(jìn)行分析。由圖6(a)可知：1)各應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化型，且均可分為快速增長和緩慢增長2個階段；2)當(dāng)圍壓一定時，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線向下移動，這表明干濕循環(huán)導(dǎo)致預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度劣化，究其原因是干濕循環(huán)過程中的水巖作用引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，且松散程度與循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)。由圖6(b)可知：1)當(dāng)圍壓一定時，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低。2)當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)一致時，抗剪強(qiáng)度與圍壓呈正相關(guān)。以6次干濕循環(huán)次數(shù)為例，圍壓為100、200、300、400 kPa時的抗剪強(qiáng)度分別為125.81、154.81、178.48、323.06 kPa，與干濕循環(huán)前相比較，抗剪強(qiáng)度分別降低了34.53%、31.44%、27.15%、22.06%，這說明圍壓越高，對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散的抑制作用越強(qiáng)。

圖6 干濕循環(huán)前后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度變化曲線Fig.6 Stress-strain curves and shear strength curves of pre-disintegrating carbonaceous mudstone before and after dry-wet cycle

3.1.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化如圖7所示。由圖7可知：預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏聚力受干濕循環(huán)次數(shù)的影響較大，干濕循環(huán)0～4次時，黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，干濕循環(huán)4次后黏聚力隨干濕循環(huán)的次數(shù)增加而增加；總體而言，6次干濕循環(huán)次數(shù)后，黏聚力從32.95 kPa 降至13.16 kPa，減幅達(dá)60.1%。與黏聚力相比，6 次干濕循環(huán)次數(shù)后，內(nèi)摩擦角從15.52°降至14.15°，較0 次干濕循環(huán)時僅減小8.83%，變化不明顯。這表明干濕循環(huán)下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏聚力的減小是強(qiáng)度劣化的主要原因，而內(nèi)摩擦角的作用較小。

圖7 干濕循環(huán)前后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)演化曲線Fig.7 Evolution curves of shear strength index before and after wetting and drying

3.2 干濕循環(huán)下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

3.2.1 微觀結(jié)構(gòu)形貌

巖土體的微觀結(jié)構(gòu)變化極大影響其宏觀力學(xué)性能。劉禹陽等[17-18]發(fā)現(xiàn)黃土、粉土、黏土微米級孔隙發(fā)育明顯，且對于預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖等軟巖而言，干濕循環(huán)后顆粒崩解破碎嚴(yán)重，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)劇增將引起級配進(jìn)一步細(xì)化[19]，同時，顆粒中的部分礦物溶解，將產(chǎn)生大量的顆粒內(nèi)孔隙和顆粒表面孔隙。該孔隙尺寸(直徑)雖是微米級別，但與顆粒間孔隙相連，增強(qiáng)水巖作用，對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。為全面分析干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒結(jié)構(gòu)及孔隙特征，分別從水平和豎直方向觀察預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖斷面的微觀孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)特征，如圖8所示。

圖8 水平、豎直斷面微觀孔隙及顆粒結(jié)構(gòu)特征Fig.8 Micromorphologies of horizontal and vertical sections

由圖8(a)和圖8(d)可知：干濕循環(huán)前，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖水平斷面結(jié)構(gòu)致密均勻，豎直斷面存在大量緊密接觸的疊聚體。由圖8(b)、(c)、(e)、(f)可知：干濕循環(huán)后，水平斷面出現(xiàn)顆粒間孔隙和顆粒內(nèi)孔隙，結(jié)構(gòu)松散隆起，最終形成破碎體；豎直斷面疊聚體出現(xiàn)分離剝落，厚度降低，間隙增大等，面-面接觸的顆粒逐漸向邊-面接觸轉(zhuǎn)變?？梢?，干濕循環(huán)后的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度劣化在其微觀結(jié)構(gòu)演變趨勢中得到體現(xiàn)。究其原因，疊聚體是巖土體中產(chǎn)生脹縮性最主要的基本單元，其通過膠結(jié)物質(zhì)聯(lián)結(jié)而成[20]。在濕化過程中，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖疊聚體中被水分子率先包裹的伊利石和高嶺石親水性黏土礦物產(chǎn)生膨脹，撐開臨近孔隙；在干燥過程中，顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)由于伊利石和高嶺石失水，導(dǎo)致體積縮小，其受力體系發(fā)生改變，故疊聚體結(jié)構(gòu)無法恢復(fù)完全[21]。結(jié)構(gòu)性黏土堆砌模型理論認(rèn)為，巖土體由多個完整巖土塊與其之間的膠結(jié)薄弱面組成。經(jīng)干濕循環(huán)后，顆粒崩解破碎，巖土中部分礦物軟化，溶解流失，粒徑減小，將在顆粒表面和內(nèi)部產(chǎn)生孔洞，引起孔隙度增大[21]，從而降低巖土體強(qiáng)度。另外，土體破壞具有漸進(jìn)性，孔隙發(fā)育亦如此。顆粒間孔隙作為土體強(qiáng)度變化的決定性因素之一，其也是由顆粒內(nèi)或表面孔隙擴(kuò)展、匯集、貫通而形成。同時，部分孔洞與連通孔隙之間相連，構(gòu)成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)[22]，增強(qiáng)了水巖作用，削弱了礦物、巖土顆粒間的聯(lián)系[23]，引起黏聚力降低，造成疊聚體間的不可逆聯(lián)結(jié)強(qiáng)度不斷下降，疊聚體在剪切過程中將沿著巖土體薄弱面而發(fā)生破壞，進(jìn)而使得完整巖土塊被碎裂成小巖土塊直至剪切破壞[24-25]。預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的疊聚體在干濕循環(huán)中反復(fù)脹縮而逐漸疏松，疊聚體間的不可逆聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低，孔隙發(fā)育匯集，導(dǎo)致預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖完整巖土塊破碎，強(qiáng)度不斷劣化。

3.2.2 微觀結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)分析

1)孔隙結(jié)構(gòu)特征分析。孔隙圓度可用于描述孔隙的形態(tài)分布變化情況，在相同孔隙率下，存在狹長孔隙的巖土體比存在圓形孔隙的巖土體更易受到損傷[26]。在干濕循環(huán)下，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖各孔隙圓度區(qū)間內(nèi)孔隙數(shù)量占比如圖9所示。由圖9 可知：在干濕循環(huán)前后，孔隙圓度F在[0.9,1.0](圓形)區(qū)間呈增大趨勢，且孔隙數(shù)量占比始終最高，最低為48.50%；F為[0,0.3)(細(xì)長形)的孔隙最少，但孔隙數(shù)量占比隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈增大趨勢；F為[0.3,0.9)(橢圓形)區(qū)間孔隙數(shù)量占比相當(dāng)且呈減小趨勢。這表明干濕循環(huán)前后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的孔隙趨于圓形和細(xì)長形2 個極端形態(tài)，圓形孔數(shù)量占比始終最高。

圖9 各孔隙圓度區(qū)間孔隙數(shù)量占比Fig.9 Proportion of pore quantity in each pore roundness interval

為探究干濕循環(huán)過程中預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖孔隙趨于圓形和細(xì)長形這2個極端形態(tài)的原因，結(jié)合圖9 統(tǒng)計不同干濕循環(huán)次數(shù)下[0,0.3)、[0.3,0.9)、[0.9,1.0]孔隙圓度F區(qū)間內(nèi)平均孔隙面積S變化規(guī)律，如圖10所示。從圖10可知：對于平均孔隙面積，F(xiàn)為(0.9～1.0]范圍的最小(小孔)，最大面積僅為0.010 μm2，F(xiàn)為(0.3～0.9]的面積相當(dāng)(中孔)；F為[0～0.3)的面積最大(大孔)，最小面積為0.626 μm2；干濕循環(huán)后，大孔的平均孔隙面積呈增大趨勢，小孔、中孔的平均孔隙面積基本不變。結(jié)合圖9和圖10 分析可知：在干濕循環(huán)過程中，水分對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖孔壁周圍顆粒造成沖刷和磨蝕，在產(chǎn)生新圓形小孔的同時，部分小孔逐步發(fā)育匯集成細(xì)長形的大孔，導(dǎo)致預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在外力作用下應(yīng)力更加集中，驅(qū)動孔隙進(jìn)一步發(fā)育，強(qiáng)度不斷劣化?？紫栋l(fā)育示意圖如圖11所示。

圖10 某孔隙圓度區(qū)間平均孔隙面積Fig.10 Average pore area of a certain circularity interval

圖11 孔隙發(fā)育示意圖Fig.11 Pore development diagrams

2)顆粒結(jié)構(gòu)特征分析。在外界環(huán)境作用下，巖土體顆粒定向排列狀態(tài)會發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響其宏觀力學(xué)特征。圖12所示為不同干濕循環(huán)次數(shù)下，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖風(fēng)化后的顆粒定向頻率Fi(α)分布。由圖12 可知：隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，0°～180°區(qū)間內(nèi)的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒定向頻率Fi(α)經(jīng)歷均勻分布—大區(qū)間局部優(yōu)先分布—小區(qū)間局部優(yōu)先分布階段。未經(jīng)干濕循環(huán)時，F(xiàn)i(α)在各區(qū)間均勻分布；2、4 次干濕循環(huán)后均表現(xiàn)為大區(qū)間優(yōu)先分布，其中2次循環(huán)后的優(yōu)先分布區(qū)間為60°～105°，F(xiàn)i(α)為37.75%；4 次循環(huán)后，在45°～75°區(qū)間內(nèi)排列角度為15°的顆粒分布較多，F(xiàn)i(α)達(dá)29.38%，其他區(qū)間較少；6次干濕循環(huán)后，F(xiàn)i(α)在小區(qū)間內(nèi)優(yōu)先分布，0°～30°區(qū)間內(nèi)Fi(α)較高，為34.46%，其余范圍的Fi(α)適中，尤其以15°～30°的Fi(α)極高，達(dá)23.65%，出現(xiàn)了“去極化”[27]的現(xiàn)象。

圖12 顆粒定向頻率分布Fig.12 Directional frequency distribution of particles

干濕循環(huán)下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖風(fēng)化后的顆粒結(jié)構(gòu)定向概率熵H、三軸幾何平均徑R和球度Sp變化見表2。從表2 可見：干濕循環(huán)下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒H、R和Sp均呈減小趨勢，6 次干濕循環(huán)后，H、R分別從0.994 7、1.03 μm 衰減至0.945 5、0.78 μm，降幅分別為4.95%、24.27%，故干濕循環(huán)后的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的定向性增強(qiáng)、粒徑減小、球度降低。分析圖12 可知：干濕循環(huán)使預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖混亂排列的顆粒重新排列，其定向性增強(qiáng)，同時，由于水巖作用使顆粒結(jié)構(gòu)松散，粒徑減小，在外力作用下顆粒的運(yùn)動能力更強(qiáng)，滑動摩擦減??；球度降低，顆粒間的團(tuán)聚能力增強(qiáng)，咬合摩擦適當(dāng)增大。

表2 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒結(jié)構(gòu)特征Table 2 Particle structure characteristics of predisintegrated carbonaceous mudstone

4 討論

4.1 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與強(qiáng)度指標(biāo)相關(guān)性

將大孔、中孔、小孔的孔隙面積S，顆粒的定向概率熵H、三軸幾何平均徑R和球度Sp等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相結(jié)合，所得干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的影響如圖13所示。從圖13 可知：黏聚力、內(nèi)摩擦角均與大孔面積呈負(fù)相關(guān)，與中孔及小孔面積、顆粒的定向概率熵H、三軸幾何平均徑R、球度Sp均呈正相關(guān)。

圖13 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系Fig.13 Relationship among microstructure parameters and cohesion and internal friction Angle

為定量評價預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)之間的緊密程度，通過Pearson相關(guān)系數(shù)γ分析抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力或內(nèi)摩擦角)與各微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間相關(guān)性，其計算方法如下：

其中：xi為第i次干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力或內(nèi)摩擦角)；yi為第i次干濕循環(huán)后的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)；和分別為n次(n=6)干濕循環(huán)內(nèi)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力或內(nèi)摩擦角)、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)；Pearson系數(shù)的范圍為-1～1。黏聚力、內(nèi)摩擦角與預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀參數(shù)相關(guān)性見表3。由表3 可知：對于黏聚力而言，其與大孔面積、中孔面積、小孔面積、顆粒結(jié)構(gòu)定向概率熵、三軸幾何平均徑、顆粒球度等微觀參數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.85、0.19、0.93、0.80、0.80、0.71。中孔面積與黏聚力間的相關(guān)系數(shù)僅為0.19，中孔由于其面積較大，會引起整體粒間引力減小，而其形態(tài)存在差異(橢圓形)，短軸方向的粒間引力較大，會適當(dāng)增大黏聚力，因此，在兩者共同作用下，中孔面積與黏聚力的相關(guān)性低。就內(nèi)摩擦而言，其與大孔面積、中孔面積、小孔面積、顆粒結(jié)構(gòu)定向概率熵、三軸幾何平均徑、顆粒球度等微觀參數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別-0.04、0.82、0.82、0.94、0.93、0.48。

表3 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與黏聚力、內(nèi)摩擦角的相關(guān)性Table 3 Relativity between microstructure parameters and cohesion and angle of internal friction

4.2 強(qiáng)度劣化的微觀機(jī)制

黏聚力和內(nèi)摩擦角是影響巖土體抵抗發(fā)生剪切破壞能力的重要指標(biāo)。黏聚力包括原始黏聚力和加固黏聚力，膠結(jié)物質(zhì)水解、孔隙粗化貫通、顆粒崩解及圓化均會造成原始黏聚力和加固黏聚力削減；內(nèi)摩擦角包含滑動摩擦與咬合摩擦，其中滑動摩擦通過顆粒粒徑、排列控制[28]，咬合摩擦受顆粒形態(tài)控制[29]。結(jié)合上述分析結(jié)果可知，在干濕循環(huán)下，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖疊聚體結(jié)構(gòu)趨于松散、破碎。對于黏聚力而言，其與小孔、大孔面積相關(guān)度高，在干濕循環(huán)下，疊聚體反復(fù)脹縮，顆粒流失，不斷形成新的圓形小孔，且其數(shù)量始終最多。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，部分小孔發(fā)育匯集成細(xì)長形大孔，內(nèi)部應(yīng)力更加集中，在外力作用下更易誘發(fā)孔隙發(fā)育，導(dǎo)致孔隙直徑及面積不斷增大，同時，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖內(nèi)的膠結(jié)物質(zhì)不斷水解，顆粒間的膠結(jié)力降低[29]，最終導(dǎo)致黏聚力顯著降低。就內(nèi)摩擦角而言，其與顆粒的定向概率熵、粒徑關(guān)系緊密。首先，在干濕循環(huán)前，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒排列是緊密且無序的，歷經(jīng)干濕循環(huán)的顆粒重新排列后定向性增強(qiáng)，顆粒的長軸方向趨于一致；其次，在水巖作用過程中，顆粒破碎，粒徑減小，兩者共同作用導(dǎo)致顆粒在水力作用下的遷移能力增強(qiáng)，摩擦力降低。

綜上所述，在干濕循環(huán)過程中，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度劣化機(jī)制為：預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖內(nèi)疊聚體反復(fù)脹縮，在不斷形成小孔的同時，部分匯集成細(xì)長形大孔，內(nèi)部應(yīng)力更加集中，更易驅(qū)動孔隙發(fā)育；同時，部分膠結(jié)物質(zhì)不斷水解，最終引起黏聚力顯著降低；內(nèi)摩擦角受顆粒定向分布和顆粒破碎的影響，呈現(xiàn)出小幅度減小；黏聚力及內(nèi)摩擦角以不同幅度衰減，最終導(dǎo)致預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度劣化。

5 結(jié)論

1)干濕循環(huán)后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度、黏聚力及內(nèi)摩擦角均降低。6次循環(huán)后黏聚力和內(nèi)摩擦角的減幅分別達(dá)60.1%、8.83%。

2)在干濕循環(huán)過程中，圓形小孔數(shù)量始終最多且呈增大趨勢，占比最低為48.50%；小孔平均面積最大為0.010 μm2，同時，部分發(fā)育匯集成細(xì)長形大孔，大孔平均面積最小為0.626 μm2。

3)顆粒定向頻率整體隨干濕循環(huán)次數(shù)增加經(jīng)歷均勻分布、大區(qū)間局部優(yōu)先分布、小區(qū)間局部優(yōu)先分布3個階段；顆粒的定向概率熵、三軸幾何平均徑降幅分別為4.95%、24.27%。

4)疊聚體反復(fù)脹縮，內(nèi)部應(yīng)力更加集中，導(dǎo)致孔隙不斷發(fā)育，同時，部分膠結(jié)物質(zhì)不斷水解，引起黏聚力顯著降低；內(nèi)摩擦角主要受顆粒破碎及定向化的影響，作用幅度減??；黏聚力及內(nèi)摩擦角以不同幅度衰減，最終導(dǎo)致預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度劣化。