(1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；(2.湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

1 研究背景

红层是一种红色碎屑岩沉积地层，形成于三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代挽近系[1-3]，主要由砂岩、粉砂岩、泥岩和页岩组成，广泛分布于我国的西南、西北、华中及华南地区。近年来，由降雨引起的红层地区的工程事故频发，如：2011 年“9·16”强降雨诱发巴中市南江县上千处红层斜坡失稳，规模>100万m3的大型岩质滑坡就多达十余处[4]；2017年6月24日，四川省阿坝州茂县叠溪镇新磨村新村组富贵山山体突发高位垮塌，经专家现场踏勘初步分析，这是一起降雨诱发的高位远程崩滑碎屑流灾害。这些水岩相互作用诱发的地质灾害具有突发性，且危害巨大，严重威胁着人民的生命财产安全。为了深入研究水化条件下红层泥岩地区的工程问题，许多学者对泥岩的水化问题[5-6]开展了试验和理论研究。周翠英等[7-8]通过对华南地区广为分布的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩等几种不同类型的典型软岩进行不同饱水状态的试验设计和力学性质测试，重点探讨了饱水时间对软岩软化的力学规律的影响，揭示了不同类型软岩微观结构的动态变化规律及强度变化规律，为软岩饱水后力学性质的变化规律和软化机制研究奠定了微观学基础。Erguler等[9]采用试验研究了含水量对土耳其不同类型黏土岩力学性质的影响，提出了一种基于岩石的物理性质来评价黏土岩的力学与变形特性的方法。王运生等[10]通过对四川地区16个水库采样点现场调查及所采集的岩石样品进行室内微观分析及软化系数测定，指出红层岩石具有经历长时间浸泡后软化系数随年代逐渐变小的规律。乔丽苹等[11]在考虑饱水时间的基础上，通过对不同水环境下砂岩孔隙率、pH值演变和矿物蚀变等开展一系列的试验研究，从微细观层次分析了砂岩的水物理化学损伤机制。范祥等[12]将红砂岩试样在清水中浸泡，测量不同时间点红砂岩的吸水量，运用L型施密特锤测试干燥条件下和各时间点红砂岩表面的施密特硬度，最终测试各试样在崩解初或饱水状态下的抗压强度。牛传星等[13]选取仓上露天金矿坑边坡蚀变岩样，进行了不同饱水-失水循环次数的单轴压缩试验, 分析了水岩作用对蚀变岩的损伤机理。秦哲等[14]选取莱州仓上露天坑边坡岩石，对经历不同饱水-失水循环次数的岩样进行了三轴蠕变试验，探究边坡岩石经历饱水-失水循环作用后的蠕变变形特征。Torres-Suarez等[15]研究了泥岩在干湿循环和加卸载作用下的破坏特征，指出了泥岩的破坏是物理-化学共同作用的结果。Kim等[16]研究了含水量和加载速率对红砂岩和黄砂岩的力学特性的影响。以上研究表明由于物理、化学和力学综合作用[17-18]，软岩遇水软化将导致岩体物理力学性能降低。但是这些试验方法得出来的结论并不能反映岩体在真实应力状态下遇水的变形和强度特征。现有的工程都是按照岩石饱水软化后通过室内力学试验获取的强度参数进行设计。为什么在暴雨过程中仍有大量治理后的岩质边坡发生坍塌、滑坡等工程事故？按照饱水后的强度进行工程设计是否就具有足够的安全储备呢？这些问题都涉及水岩的相互作用。软岩遇水软化而强度下降已成为共识，但是考虑应力场和湿度共同作用下岩石的强度和变形研究成果很少见诸报道，比如干燥岩体在真实受荷状态下水化及水化过程中岩石的变形和破坏特征。本文通过研究不同应力水平的单轴荷载作用条件下的泥岩水化试验，获取泥岩在水化过程中以及水化后的变形特征及强度变化特征，模拟红层泥岩在经历长期干燥后突降暴雨的极端天气条件下，突然遇水后的变形特征，揭示暴雨后易引起红层泥岩边坡破坏的机理。

2 红层泥岩的物性及基本力学特性

2.1 采样及试样准备

试验样品来自湖南省株洲市，为某公路边坡揭露的微风化红层泥岩。该类岩石暴露在空气中容易风化，取样后蜡封并立即送入实验室加工制样，从采样到制样整个过程不超过12 h。试样加工按照ISRM试验规程要求，将试样加工为直径50 mm、高100 mm的圆柱体试样，直径误差<0.3 mm，端面的不平行度误差<0.05 mm。将加工好的试件用薄塑料膜密封包裹，并放置于不透光的恒温恒湿箱中保存。

2.2 红层泥岩的物性特征

采用了德国布鲁克AXS有限公司生产的D8 Advance型X-粉末衍射仪对红层泥岩进行了矿物组分分析。试验过程中，首先将红层泥岩研磨成10 μm左右的粉末，将粉末样品在试样架里均匀分布并用玻璃板压平实，使试样面与玻璃表面齐平。然后将装有待测粉末样品的试样架放置在测角仪中心的样品架上，并设置测试参数，扫描范围为5°～65°，扫描速度为2°/min，扫描结果如图1所示。通过粉晶X射线衍射试验测得所选红层泥岩的矿物成分主要为黏土矿物和碎屑矿物，其中黏土矿物主要由蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石等组成，碎屑矿物主要由石英、赤铁矿和方解石等组成。黏土矿物质量百分含量占20%左右，碎屑类矿物的质量百分含量为80%左右。红层泥岩中的黏土矿物使红层泥岩具有遇水易软化、弱膨胀、失水收缩等特点。

图1 红层泥岩X射线衍射图谱Fig.1 X-Ray diffraction spectrogram of red mudstone

2.3 红层泥岩的基本力学性质

分别选取了3个干燥试样和3个饱和试样进行单轴抗压强度试验，获取了所取岩样的基本物理力学性质指标，试验结果见表1。在试验中采用位移加载的方式加载，加载速率为0.003 3 mm/s，得到了红层泥岩在干燥以及饱水条件下的全应力-应变曲线，如图2所示。

表1 红层岩样基本物理力学性质Table 1 Basic physical and mechanical indexes of red mudstone specimens

图2 干燥以及饱和试样应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of dry and saturated red mudstone specimens

从试验结果来看，水对红层泥岩的强度有明显的劣化作用。通常可以用软化系数来衡量水对岩石的劣化程度。岩石的软化性是指岩石饱水后强度降低的性质，用软化系数表示，软化系数定义为岩石试样的饱和单轴抗压强度与干抗压强度的比值。根据本次所选岩样的单轴抗压强度试验结果得到红层泥岩的软化系数为0.156，远<0.75，因此该类岩石属于软化岩石。

3 水化-荷载耦合作用试验方案

3.1 试验方案设计

本次试验的主要目的是研究红层泥岩地区在经历极端干燥天气后突下暴雨，干燥的红层泥岩在荷载作用下含水率从干燥状态到饱和状态的变形及破坏特征。依据同批次、同层位采样样品的干燥以及饱和单轴抗压强度试验结果，试验选取了6个岩样进行了荷载-水化耦合作用下红层泥岩的变形特性试验研究。按照获取岩样饱和抗压强度的极限荷载30%～80%，设计了5，6，7，8，9，10 kN 6个荷载水平的水化试验，研究干燥红层泥岩在不同荷载水平作用下的变形特征。

3.2 试验装备及试验步骤

试验在RYL-600微机控制岩石剪切流变试验仪上进行。水化装置为自行制作的简易容器，该容器由一个内径为110 mm、高为150 mm的塑料管和一个厚钢板胶接而成。试样安装如图3(a)所示，将试件放入简易容器中，通过2节钢制传力柱引出。采用荷载加载方式加载，加载速率为5 N/s，加载至指定荷载水平后，维持该荷载一定时间后，快速向简易容器中注水，如图3(b)所示。将荷载恒定在该应力水平，观察并记录红层泥岩的变形特征。

图3 试验步骤Fig.3 Test steps

4 水化过程中红层泥岩的变形特征

根据以上试验方法和试验步骤，得到了5，6，7，8，9，10 kN 6个加载水平下的变形全过程曲线，如图4所示。

图4 不同加载水平作用下的红层泥岩水化 全过程变形曲线Fig.4 Deformation curves of red mudstone under water-rock interaction at different stress levels

4.1 荷载作用下干燥红层泥岩水化全过程变形

以某一加载水平干燥红层泥岩水化作用下的变形的全过程曲线为例，分析红层泥岩在荷载-水化耦合作用下的变形特征。如图5所示:t1为加载到指定荷载对应的时间，荷载维持一段时间变形趋于稳定后加水；t2为注水的时间点；t3为试件加速破坏的时间。

图5 典型红层泥岩水化全过程变形曲线Fig.5 Typical deformation curve of red mudstone under water-rock interaction

根据几个关键的时间节点，可将图5中曲线分为3个阶段。Ⅰ阶段：0—t2为加载阶段，是实现试验所需施加的不同应力水平的一个准备阶段。Ⅱ阶段：t2—t3为荷载-水化耦合作用下红层泥岩变形阶段。快速注水后，在这个阶段岩样首先遇水软化使得变形快速增加。随后，红层泥岩进一步发生水化作用，在较低荷载水平作用下表现出膨胀特性，变形量逐渐减小；在较高荷载水平作用下，岩样的膨胀变形受到抑制，总的变形表现出缓慢增长的过程。Ⅲ阶段：破坏阶段，此阶段变形快速增长，岩石破坏具有突然性。从图5可以得出Δs和Δt两个重要的参数，t2—t3时间段，干燥红层泥岩经历了遇水快速软化变形，随后变形速率逐渐减缓，这个阶段总的变形量为Δs，岩样遇水到破坏持续的时间为Δt。

4.2 水化阶段(Ⅱ阶段)的变形特征参数获取

Ⅰ阶段是试验的一个准备阶段，试验重点研究Ⅱ阶段和Ⅲ阶段的变形特征，因此，将加水的对应的时间点t2定义为试验的初始点，即t2=0。t3的位置可通过图6中荷载-时间的关系确定，以10 kN加载水平为例，当试件处于破坏阶段时，变形急剧增加，试验机无法再维持施加的荷载水平而急速掉落，将该时间点的位置定义为试件破坏时间节点。根据该方法可分别确定不同加载水平下的Δs和Δt，见表2。

图6 红层泥岩水化荷载及变形与时间的关系曲线Fig.6 Curves of load and deformation of red mudstone under water-rock interaction against time

试样编号荷载/kN应力/MPaΔt/hΔs/mm1#52.556.670.1002#63.061.790.0753#73.5710.99-0.1064#84.082.940.1505#94.591.970.7516#105.105.460.177

从表2的数据来看，6个试样所施加荷载对应的应力水平最低为2.55 MPa，最高为5.10 MPa，都低于本次同批次试样饱和单轴抗压强度7.78 MPa。但从图4可以得出，6个试样在荷载-水化共同作用下，经历一段时间的稳定变形后，其变形均急剧增加，最后整个试样破坏。1#，2#，3#试件在加水后都表现出膨胀特性，尤其是1#和3#试样，从X衍射分析结果来看，其主要原因是红层泥岩中的黏土矿物遇水发生水化膨胀。对于4#—6#试样，由于较高的轴向荷载抑制了岩样的膨胀，因此，无法从变形曲线上观察到试样的轴向膨胀。对于5#试件，加水后变形则处于不稳定状态，在Ⅱ阶段的变形一直快速增长，速率明显快于4#和6#试样，其主要原因是5#岩样遇水发生了崩解破坏引起力学性能的快速劣化。

5 结 论

通过对红层泥岩进行常规的室内力学试验获取了红层泥岩的单轴抗压强度。通过本文设计的简易水化试验装置和试验方法，实现了荷载和水化耦合作用，研究了红层泥岩在不同应力水平下从干燥状态到逐步饱和状态全过程的强度和变形特征，得出了以下结论。

(1)水对红层泥岩的劣化作用明显，本次所选红层泥岩的饱和单轴抗压强度远低于干燥岩样的单轴抗压强度。

(2)从干燥红层泥岩的水化试验得出，考虑荷载作用下干燥红层泥岩水化破坏的荷载远低于泥岩的饱和单轴抗压强度。

(3)干燥红层泥岩水化破坏的时间和变形量与泥岩的应力状态有关，破坏过程是一个渐变的过程，并不是在遇水后立即发生破坏。荷载-水化耦合作用下，泥岩的破坏具有突然性，泥岩破坏后呈泥状，该破坏形式给边坡稳定性的监控量测及边坡失稳的预防造成了极大的困难。

由此可以得出，在荷载作用下干燥泥岩遇水后，破坏应力水平低，变形较小，破坏程度高，破坏后期呈明显的脆性破坏特征，对边坡的稳定性造成极为不利的影响。