钙质泥岩水岩作用特征及遇水软化机理.pdf

书书书第５０卷第６期２０１５年１２月西南交通大学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＷＥＳＴＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＶｏｌ．５０Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０１５收稿日期２０１４１２１５基金项目国家自然科学基金资助项目（４１０７２２０３）作者简介王振（１９８７－），男，博士研究生，研究方向为岩体力学，电话１３５２６７２６０８２，Ｅｍａｉｌｗａｎｇｚｈｅｎ２０１２＠１６３．ｃｏｍ引文格式王振，沈明荣，刘昂．钙质泥岩水岩作用特征及遇水软化机理［Ｊ］．西南交通大学学报，２０１５，５０（６）１０６１１０６６．文章编号０２５８２７２４（２０１５）０６１０６１０６ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８２７２４．２０１５．０６．０１２钙质泥岩水岩作用特征及遇水软化机理王振１，沈明荣１，２，刘昂１（１．同济大学地下建筑与工程系，上海２０００９２；２．同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海２０００９２）摘要为掌握泥岩遇水后的工程特性，进一步揭示其遇水软化机理，对取自宁夏固原引水隧洞工程遇水易软化的白垩系钙质泥岩进行了矿物成分分析和物理力学性质试验．在此基础上，分析了钙质泥岩水岩作用特征，探讨了不同黏土矿物含量钙质泥岩遇水后强度和变形参数的变化规律和软化机理．研究结果表明钙质泥岩的膨胀性及其强度遇水后迅速衰减；遇水后钙质泥岩力学参数的变化与黏土矿物含量均呈自然对数关系；钙质泥岩遇水软化是其在吸、失水过程中内部水化膨胀反应及其损伤不断加剧造成的，软化机理可用水岩作用过程示意图详细描述．关键词钙质泥岩；水岩作用；崩解；膨胀；黏土矿物中图分类号ＴＵ４４８．２７文献标志码ＡＷａｔｅｒＲｏｃｋＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄＳｏｆｔｅｎｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＣａｌｃａｒｅｏｕｓＭｕｄｓｔｏｎｅＷＡＮＧＺｈｅｎ１，ＳＨＥＮＭｉｎｇｒｏｎｇ１，２，ＬＩＵＡｎｇ１（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｅｐｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｓｏｆｔｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｏｆｔｒｏｃｋａｆｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｗａｔｅｒ，ｃｒｅｔａｃｅｏｕｓｃａｌｃａｒｅｏｕｓｍｕｄｓｔｏｎｅ，ｗａｔｅｒｓｏｆｔｅｎｉｎｇｒｏｃｋｆｒｏｍａｗａｔｅｒｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌｉｎＧｕｙｕａｎＣｉｔｙ，ＮｉｎｇｘｉａＨｕｉＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＲｅｇｉｏｎ，ｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｔｓｍｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｏｆｉｔｓｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｗａｔｅｒｒｏｃｋｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃａｌｃａｒｅｏｕｓｍｕｄｓｔｏｎｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｒｕｌｅｓｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｉｔｈｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌｃｏｎｔｅｎｔｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｓｗｅｌｌｉｎｇａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃａｌｃａｒｅｏｕｓｍｕｄｓｔｏｎｅｄｅｃａｙｒａｐｉｄｌｙａｆｔｅｒｗａｔｅｒｉｎｖａｄｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｎａｔｕｒａｌｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅｗａｔｅｒｓｏｆｔｅｎｉｎｇｏｆｃａｌｃａｒｅｏｕｓｍｕｄｓｔｏｎｅｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｈｙｄｒａｔｉｏｎｓｗｅｌｌｉｎｇｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋａｎｄｉｔｓｄａｍａｇｅｉｎｔｅｎｓｉｆｙｉｎｇｉｎｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗａｔｅｒａｂｓｏｒｂｉｎｇａｎｄｗａｔｅｒｌｏｓｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｃａｎｂｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓｗｉｔｈｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗａｔｅｒｒｏｃｋｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃａｌｃａｒｅｏｕｓｍｕｄｓｔｏｎｅ；ｗａｔｅｒｒｏｃｋｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｓｗｅｌｌｉｎｇ；ｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌ水岩作用（ｗａｔｅｒｒｏｃｋｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）在自然界广泛存在，很多地质灾害的发生都与水岩作用有密切关系［１］．目前国内外对水岩作用问题的研究中，在水岩作用对岩石物理力学性质的影响［２６］、岩石遇水强度软化机制［７１２］等方面已取得较丰富成果．研究结果表明随着吸、失水试验次数的增加，岩石的膨胀性会逐渐减小至稳定状态［２］；水岩作用对岩石强度和变形性质影响很大［３］，且水对岩石力学西南交通大学学报第５０卷性质的影响具有时间效应［４６］．从水对岩石的作用机理［７］看，对于崩解性（富含亲水性黏土矿物）岩石，由于吸水膨胀、失水不均匀收缩碎裂造成的岩石崩解泥化是岩石遇水软化的主要原因［３，７１１］；岩石结构的变化对其膨胀崩解特性具有一定影响［１２］．国内外学者通过大量试验对水岩作用规律、特征和岩石遇水软化机制进行了研究，但对在水岩作用影响下岩石软化规律的数学归纳和机理阐述却较少．本文在前人研究的基础上，对采自宁夏固原引水隧洞工程中遇水易软化的白垩系钙质泥岩进行了矿物成分测试和基本物理力学性质试验，以黏土矿物含量为变量，分析了不同黏土矿物含量对钙质泥岩膨胀特性和强度特性的影响规律，并探讨了钙质泥岩与水作用软化的机理，对水岩作用导致钙质泥岩软化的过程进行了详细描述．１矿物成分１．１试样试样为白垩系钙质泥岩，该类岩石遇水后出现剥离、掉块、开裂甚至风化成碎块的现象．１．２岩矿鉴定特征由岩矿鉴定结果（图１）初步可知，试样ｎｘ６主要矿物成分为泥质矿物、石英碎屑、方解石和褐铁矿；岩石矿物颗粒较细，分布较均匀．图１岩矿鉴定照片（试样ｎｘ６）Ｆｉｇ．１Ｐｈｏｔｏｏｆｒｏｃｋｍｉｎｅｒａｌｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ｓａｍｐｌｅｎｘ６）岩矿鉴定照片反映了岩石各组分的形态泥质矿物隐晶质泥状、显微鳞片状、片状，多呈隐晶质泥状，有隐晶质胶状褐铁矿渲染，呈０．１～０．２ｍｍ微层状相对聚集，弱定向分布；方解石泥晶状（粒度ｄ≤０．００４ｍｍ）；石英碎屑次棱角棱角尖棱角状（ｄ＝０．０１～０．１０ｍｍ），多次生加大重结晶，与泥晶方解石泥状泥质矿物薄层相间，组成岩石的泥晶泥状结构．１．３矿物成分测试根据１２组试样的岩矿鉴定成果，试样的主要成分为黏土矿物．为进一步说明所研究岩石试样的类型和矿物成分，特别是黏土矿物各组分的含量，参考岩矿鉴定结果，对试样进行全岩Ｘ线粉晶衍射分析和化学成分分析，结果见表１（表中数字为各矿物成分的体积分数）．表１矿物成分测试结果Ｔａｂ．１Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｏｆｍｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ％试样编号室内定名黏土矿物总量蒙脱石伊利石绿泥石石英其他ｎｘ１ｎｘ２ｎｘ３ｎｘ４ｎｘ５薄层状含粉砂钙质泥岩３５．７１０．９１９．４５．４１３．８斜长石１０．５，方解石２９．４，白云石５．６，方沸石５．０２６．６８．８８．２９．６１５．２斜长石１８．４，方解石１８．０，白云石１４．８，方沸石７．０３３．４０．０３３．４０．０１２．３斜长石１０．９，方解石６．５，白云石２７．９，方沸石９．０２３．５５．９８．８８．８１６．５钾长石６．３，斜长石９．２，方解石４０．３，白云石２．２，方沸石２．０２８．８１０．６１３．５４．７１４．８斜长石９．１，方解石２６．９，白云石１４．４，方沸石６．０ｎｘ６ｎｘ７ｎｘ８薄层状钙质泥岩３７．０１２．２１９．０５．８１０．４黄铁矿２．９，斜长石１２．４，方解石２７．５，白云石６．８，方沸石３．０２４．３１１．７８．５４．１１２．２石膏１８．２，斜长石８．６，方解石３０．２，白云石３．５，方沸石３．０３５．００．０３５．００．０１０．０斜长石６．７，方解石２６．２，白云石１７．１，方沸石５．０ｎｘ９钙质泥岩３６．５８．４１８．６９．５１５．０斜长石１０．５，方解石７．２，白云石２３．８，方沸石７．０ｎｘ１０砖红色含粉砂钙质泥岩１７．２１０．６４．４２．２２５．４钾长石１２．０，斜长石３２．０，方解石１２．８，白云石０．６ｎｘ１１钙质泥岩３７．２３０．６４．３２．３１５．７斜长石８．２，方解石１３．８，白云石２２．１，方沸石３．０ｎｘ１２暗红色钙质泥岩６０．００．０５２．０８．０１３．２方解石７．４，白云石１４．６，方沸石４．８２６０１第６期王振，等钙质泥岩水岩作用特征及遇水软化机理２钙质泥岩的物理性质２．１现场水理性质试验取样时对岩样进行现场水理性质试验．试验分２组一组取出后立即浸泡于水中；另一组取出后先置于空气中，２ｄ后再置于水中．岩样均在地下水位以下取出．试验发现，第１组岩样取出后一直处于饱和状态，浸入水中２ｄ未增生明显或较大裂纹，无崩解现象；第２组试样因取出后暴露于空气中，失水后再吸水饱和，均出现了掉块、裂纹、甚至崩解的现象．这种现象谭罗荣等也进行过讨论［１０］．２．２室内物理性质试验为探讨钙质泥岩的物理水理性质，对具有代表性的钙质泥岩试样进行了基本物理性质实验、自由膨胀率试验、侧向约束膨胀率试验、膨胀压力试验和耐崩解性试验．试验显示，黏土矿物含量较大的试样，在水中浸泡７２ｈ后崩解为碎块（图２），物理性质试验结果见表２．饱水系数为吸水率与饱和吸水率之比，饱水系图２钙质泥岩遇水后崩解（试样ｎｘ９）Ｆｉｇ．２Ｃａｌｃａｒｅｏｕｓｍｕｄｓｔｏｎｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ（ｓａｍｐｌｅｎｘ９）表２物理性质试验结果Ｔａｂ．２Ｔｅｓｔｓｒｅｓｕｌｔｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ试样编号黏土矿物含量／％块体密度／（ｇｃｍ－３）颗粒密度／（ｇｃｍ－３）含水量／％孔隙率／％吸水率／％饱和吸水率／％饱水系数ｎｘ１３５．７２．４０２．７５６．８０１８．３７９．１６１０．７７０．８５１ｎｘ３３３．４２．５３２．７６４．５１１３．７９７．３５８．６５０．８５０ｎｘ５２８．８２．３１２．７３３．９９１８．５０８．３７９．８４０．８５１ｎｘ６３７．０２．４１２．７４３．５２１４．３５４．５１５．３００．８５１ｎｘ９３６．５２．４４２．７４４．１４１４．１９６．２７７．３４０．８５４数相近，说明试样具有相似的结构．另外，试样的饱水系数较大（表２），说明岩石中大开型孔隙相对较多，即吸水后留出的可供黏土矿物膨胀的空间较小．黏土矿物填充孔隙后，作用于周围结构，颗粒周围形成不均匀应力场［７］，进而发生胀碎破坏．图３和图４为试样ｎｘ１、ｎｘ３、ｎｘ５、ｎｘ６和ｎｘ９水理性质的试验结果．可见随黏土矿物含量增加，轴向膨胀率、侧向约束膨胀率、体积膨胀率和膨胀图３膨胀率与黏土矿物含量的关系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｅｘｐａｎｓｉｏｎｒａｔｅａｎｄｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌｃｏｎｔｅｎｔ图４膨胀压力和耐崩解指数与黏土矿物含量的关系Ｆｉｇ．４Ｃｈａｎｇｅｓｉｎｓｌａｋｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘａｎｄｅｘｐａｎｓｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｗｉｔｈｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌｃｏｎｔｅｎｔ压力增大，而耐崩解性降低；径向膨胀率随黏土矿物含量增加先增大后减小，这是由于径向膨胀空间有限以及轴向膨胀变形拉伸造成的；试样的膨胀率和膨胀压力增长速率随黏土矿物含量增加不断增大．试验均按规范［１３］要求的时间进行．可见，黏土矿物含量不仅决定了岩石的膨胀能力，而且与膨胀变形所需要的时间有关，岩块破坏时的膨胀变形和３６０１西南交通大学学报第５０卷膨胀压力是岩石结构在某种外部环境下所能抵抗的最大膨胀变形和内部膨胀压力．３力学性质试验为探讨水岩作用对钙质泥岩力学性质的影响，分别对天然和饱和试样进行了常规力学性质试验．试验包括岩石室内单轴和三轴压缩试验．单轴试验共１８组（包含上述１２组试样），每组６个（天然和饱和状态各３个）试样；三轴试验共９组（除ｎｘ２、ｎｘ４和ｎｘ７试样外各取１组），每组１０个（天然和饱和状态各５个）试样．软化系数与黏土矿物含量的关系见图５．图５软化系数与黏土矿物含量的关系Ｆｉｇ．５Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｏｆｔｅｎｉｎｇｉｎｄｅｘａｎｄｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌｃｏｎｔｅｎｔ软化系数随黏土矿物含量增加而降低，说明岩石遇水软化程度随黏土矿物含量增加而加剧；黏土矿物含量达到一定程度会造成饱和后岩石强度大幅降低，如试样ｎｘ１２的饱和强度仅０．０２０２ＭＰａ，软化系数为０．０９８，抗压强度损失９０．２２％．为进一步探讨黏土矿物对各力学参数的影响规律，对它们的变化率进行统计分析．参数变化率 ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２Ｐ１，（１）式中 ΔＰ为参数变化率，％；Ｐ１为天然状态岩石的力学参数；Ｐ２为饱和状态岩石的力学参数（包括单轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角、弹性模量等）．结果表明，各参数的变化率较大（图６）随黏土矿物含量增加，岩石抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等在岩样饱和后损失率超过９０％．因此，当黏土矿物达到一定量时，岩样吸水后强度将完全丧失．各参数随黏土矿物含量的变化规律符合 ΔＰ＝Ａｌｎ（１００Ｃ）－Ｂ，（２）式中Ｃ为黏土矿物含量；Ａ为与岩石结构有关的参数；Ｂ为与岩石力学参数有关的参数．图６岩石力学参数变化率与黏土矿物含量的关系Ｆｉｇ．６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｖａｒｉａｔｉｏｎｒａｔｅｓｏｆｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌｃｏｎｔｅｎｔ４钙质泥岩水岩作用机理探讨４．１钙质泥岩遇水后的反应过程上述试验结果表明，试样遇水后，其强度随黏土矿物含量增加急剧减小，甚至完全解体．可见，黏土矿物含量对钙质泥岩的水理性质影响很大．钙质泥岩遇水后经历了黏土矿物膨胀、孔隙充填和非协调变形等阶段，并且通过不断失水吸水的循环过程造成了岩石性质的一系列变化．（１）黏土矿物膨胀阶段黏土矿物主要包括蒙脱石、伊利石和高岭石，蒙脱石晶体结构单元间充填了与水分子结合能力很强的Ｍｇ２＋、Ｃａ２＋和Ｎａ＋，可以把大量水分子吸引到晶格中来．当水分子进入单元间时，晶格沿Ｃ轴方向增大，最大单元间距可达４．８ｎｍ，为没有水分子时的５倍［１４］．伊利石、高岭石膨胀能力较弱，仅限于晶体外表面吸引水分子，体积可膨胀４０％～６０％．因此，在此过程中，黏土矿物晶体遇水后吸收水分子，水分子充填晶体，晶格膨胀．（２）孔隙充填阶段对于理想的均匀岩石，孔隙分布均匀，黏土矿物晶体膨胀并填充孔隙，造成吸水后岩石孔隙率降低．由于这一过程中填充了岩石颗粒间的孔隙，因此，大孔隙的存在也是某些含黏土矿物岩石遇水后膨胀变形较小的原因．但实际上岩石中矿物成分和孔隙分布是不均匀的，因此，在此过程中也伴随着结构的不均匀变形和损伤．（３）非协调变形阶段当黏土矿物晶体膨胀到一定程度时，大孔隙被膨胀后的黏土矿物充填，有时甚至充满粒径较小的泥化矿物颗粒，此时膨胀矿物失去了继续膨胀的空间．由于矿物的分布和结构是不均匀的，非均匀的颗粒之间产生了附加应力场（主要表现为偏应力４６０１第６期王振，等钙质泥岩水岩作用特征及遇水软化机理和张应力），进而引起黏土矿物颗粒周围的非协调变形，导致岩石中微裂隙的产生．这些微裂隙的出现破坏了天然岩样内部的结构体系［８］，减小了结构对矿物颗粒的束缚，同时增大了黏土矿物与水的接触面积．（４）水岩作用的时间效应王运生等对四川盆地红层的调查发现，经过长时间水库浸泡后，红层泥岩的软化系数比设计部门给出的低１０％～２０％［６］；刘晓丽等通过较长时间岩石膨胀试验，将时间效应引入岩石膨胀本构关系中，说明岩石遇水膨胀变形随时间变化，具有流变的特征［１５］．因此，上述３个过程具有时间依赖性．４．２钙质泥岩遇水软化机理根据上述试验分析结果，试样遇水后经历了黏土矿物膨胀、孔隙充填和非协调变形阶段．在３个阶段中，岩石的膨胀性随膨胀变形增大而减小；岩石内部结构会随膨胀变形增大而不断遭到破坏，即岩石颗粒之间出现裂隙，胶结应力减小，这些变化均依赖于时间，随时间不断发展，最终会趋于稳定．其稳定条件可描述为当岩样遇水时，若σ１＞ σ ２＋ σ３（σ１为黏土矿物颗粒膨胀应力，σ２为胶结应力， σ３为外部环境对黏土矿物产生的约束应力），也就是膨胀应力大于矿物颗粒周围的束缚，则表现为结构变形和损伤的持续积累，否则膨胀终止．因此，钙质泥岩遇水强度降低的过程及机理可用图７描述．首先，黏土矿物中各种亲水离子吸水膨胀，填充孔隙，并且由于矿物结构分布不均匀，对膨胀矿物周围产生偏应力和张应力，导致裂隙产生．在黏土矿物含量不大，或结构胶结较好的情况下，σ１＜ σ σ σσ σσ σ 图７水岩作用过程示意Ｆｉｇ．７Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗａｔｅｒｒｏｃｋｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ σ２＋ σ ３，膨胀颗粒被束缚于岩石结构中，但膨胀过程中内部结构会有一定损伤，导致岩石参数及其结构对矿物颗粒的约束能力降低．此时，若水环境未发生变化，则经过时间ｔ１后，膨胀变形最终停止；但若外部水环境变化，岩石内部膨胀矿物失水收缩，会进一步造成岩石结构拉裂损伤（若岩石失水后环境未变化，拉裂损伤同样存在时间效应［１５］），岩石内部暴露更多孔隙，再次遇水后更多表面暴露，更多水分进入岩石中，导致更大的物理化学反应．依照上述循环（图７）不断进行，损伤将不断积累，最终引起岩石参数的不断降低，甚至破坏．４．３关于试验现象的一些解释对于现场水理性质试验，由于埋深较浅，应力释放的影响较小，可以认为试样中的裂纹完全是由于黏土矿物的影响．钙质泥岩从地下水位以下取出后直接置于水中，仍然处于饱和状态，周围环境基本未改变，在此过程中并没有吸水和失水活动，并未启动图７所示的循环．而第２组试样则显示周围环境变化，造成其失水收缩，并且出现拉裂破坏，岩石内部黏土矿物颗粒与水接触的表面积增大，且周围环境对黏土矿物颗粒的束缚减弱，再吸水后的水化膨胀反应加剧．如此循环下去，黏土矿物含量较大的试样最终将由于损伤的积累导致强度大幅度降低甚至丧失．室内物理力学试验中出现的一些现象，也可以用图７解释．以崩解试验为例，依照规范［１３］，试样在试验过程中经历了干燥饱水干燥饱水的过程，这与图７所示的循环过程相似，在水环境不断变化中，膨胀损伤和拉裂损伤最终造成试样解体，这也是试验中测得试样质量和直径不断减小的原因．其他水理性质试验也可以用图７解释，不再赘述．５结论宁夏固原白垩系钙质泥岩水岩作用特征和遇水软化机理与岩石本身的矿物成分和内部结构密切相关，岩石中的黏土矿物含量是岩石遇水后强度降低甚至丧失的主要影响因素．黏土矿物含量对钙质泥岩遇水后强度参数和变形参数的影响具有一定规律，参数变化率与黏土矿物含量之间存在自然对数关系．钙质泥岩及其相似的膨胀性岩石，遇水后强度降低的原因，在于黏土矿物膨胀对其结构造成的损伤，岩石在不断吸水失水再吸水的循环过程５６０１西南交通大学学报第５０卷中，损伤不断积累、加剧，使岩石强度持续降低．按此机理可解释现场水理性质试验、室内物理力学性质试验中的一些现象，以及岩石遇水后软化的原因．因此，在相关工程建设或地质灾害治理过程中，应抓住泥岩水岩作用循环的选择条件采取相应措施，最终达到控制其强度变化的目的．参考文献［１］沈照理，王焰新．水岩相互作用研究的回顾与展望［Ｊ］．地球科学，２００２，２７（２）１２８１３３．ＳＨＥＮＺｈａｏｌｉ，ＷＡＮＧＹａｎｘｉｎ．Ｒｅｖｉｅｗａｎｄｏｕｔｌｏｏｋｏｆｗａｔｅｒｒｏｃｋｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓ［Ｊ］．ＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅ，２００２，２７（２）１２８１３３．［２］严荣富，仝庆亮，崔学伟，等．膨胀岩水理性及膨胀势能释放规律试验研究［Ｊ］．有色金属矿山部分，２０１４，６６（４）６３６６．ＹＡＮＲｏｎｇｆｕ，ＴＯＮＧＱｉｎｇｌｉａｎｇ，ＣＵＩＸｕｅｗｅｉ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｗａｔｅｒｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｗｅｌｌｉｎｇｒｏｃｋａｎｄｒｅｌｅａｓｅｒｕｌｅｓｏｆｓｗｅｌｌｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｅｒｇｙ［Ｊ］．ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＭｉｎｉｎｇＳｅｃｔｉｏｎ，２０１４，６６（４）６３６６．［３］ＨＡＷＫＩＮＳＡＢ，ＭＣＣＯＮＮＥＬＬＢＪ．Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｅｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙｔｏｃｈａｎｇｅｓｉｎｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ［Ｊ］．ＱｕａｒｔｅｒｌｙＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ，１９９２，２５（２）１１５１３０．［４］陈钢林，周仁德．水对受力岩石变形破坏宏观