软岩饱水试验与软化临界现象研究

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1、http://www.paper.edu.cn1软岩饱水试验与软化临界现象研究朱凤贤，周翠英中山大学工学院岩土工程与信息技术研究中心，广州(510275）摘要：针对华南地区广为分布的“红层”遇水软化问题，选择粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等典型软岩为研究对象，设计软岩软化的饱水试验，开展软岩在不同饱水状态下结构、成分测试和物理力学性质试验研究，试验结果表明：软岩饱水过程中物理、力学性质与水溶液浓度的变化均满足前3个月内变化幅度较大，3个月后逐渐趋于平缓，6个月后开始趋于稳定；其微观结构的响应变化满足：1个月时基于保持原貌，到3个月时颗粒局部连接改变，微结构未发生很大变化，6个月之后微结构类型

2、完全改变。在此基础上，采用“自组织临界性”理论深入分析了软化试验中的临界现象，得出3个月和6个月是所研究软岩软化过程中两个重要的临界时间点，在3~6个月期间软岩微观结构正处于一种自发的调整而趋于有序阶段，呈现出自组织临界性的特征。最后从系统演化的角度，探讨了饱水软岩系统中一种具有一定稳定性的非平衡自组织有序结构的产生过程，给出软岩与水作用下工程特性变异达到稳定的临界时刻。关键词：软岩；饱水试验；软化；临界现象；自组织临界性中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1.引言华南地区广为分布的“红层”是一种性质特殊的软弱岩体：在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，但遇水后短时间内迅

3、速膨胀、崩解和软化，从而造成岩体的力学损伤，并导[1]致其力学性质快速大幅度降低，它是造成重大工程变形破坏或安全隐患的关键之所在。研[2,3]究业已证明：水-岩之间复杂的化学与力学耦合作用机制是软岩软化的主要原因，可以说软岩软化过程是水-岩相互作用、相互约束及相互反馈的非线性动力学演化过程，正是由于该演化过程的复杂性，目前对于软岩软化机制的研究主要是集中于对相关试验结果进行规律[4-9]的总结与数据的拟合，从系统演化的角度更深入地分析软岩软化的动力学机制显得十分匮乏。而在研究复杂系统演化方面，“自组织临界性”是迄今为止唯一可以解释复杂性如何产[10,11]生的一般机制的理论概念，该理

4、论是由巴克、汤超和维森费尔顿于1987年提出的概念，用以解释广延耗散动力学系统的行为特征，这种耗散动力学系统的大量组元间存在的作用，使系统自然地朝临界状态演化。考虑到软岩软化过程中所表现出极强的非线性特征，“自组[12]织临界性”理论恰好可以作为解释软岩饱水软化现象的一条很好的途径。基于此，本文针对华南地区几种典型软岩设计了系列软岩与水相互作用试验，采用“自组织临界性”理论深入分析了软化试验中的临界现象，探讨了软岩软化的非线性演化过程，旨在为进一步开展软岩软化复杂动力学系统研究奠定基础。2.软岩饱水软化试验设计1基金项目，国家863高技术研究发展计划（2007AA11Z112）、国家

5、自然科学基金（40672194）、高等学校博士学科点基金（20060558060）、广东省自然科学基金重点项目（06104932）-1-http://www.paper.edu.cn1．软岩饱水作用时间天然状态一个月三个月六个月一年2．软岩成分、结构及物理力学性质的变化规律研究水样软岩化学成分PH值物理性质力学性质阴离子成分阳离子成分物理指标矿物成分结构X容重含水量岩石薄片扫描电镜能谱分析抗压试验抗拉试验抗剪试验三轴试验射线衍射图1试验设计流程图Fig.1Flowingchartoftestdesign本试验主要是为取得各类型软岩饱水后所发生的物理、化学作用对其结构、成分和物理力学性

6、质的影响及其变化规律，探讨软岩与水相互作用的软化机制而设计的。试验设计流程如图1所示。试验选定华南地区广为分布的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等典型软岩为研究对象，试验中各类软岩均取自东莞虎门港麻涌新沙南作业区2#、3#泊位工程，水样则取自东江流域在工程沿线的相应河段。本试验首先设计了软岩在静水状态下的饱水试验，包括以下几种状态：⑴天然状态；⑵饱水一个月；⑶饱水三个月；⑷饱水六个月；⑸饱水一年。在此基础上开展了软岩在不同饱水状态下结构、成分测试和物理力学性质试验研究，包括：不同饱水时间下软岩的矿物成份、化学成份、微观结构测试、物理性质试验（包括：容重、含水量试验等）、力学性质试验（包括：软岩

7、的软化系数、变形参数、单轴抗压和抗拉强度、抗剪强度、三轴试验条件下的变形和强度参数试验等）以及水溶液测试等工作。3.软岩饱水软化试验中的临界现象3.1软岩物理性质变化规律与临界现象为了探明软岩软化过程中的物理性质变化规律，我们对各软岩的不同饱水时间进行了含水量和容重试验研究，结果如图2所示。-2-http://www.paper.edu.cn图2软岩不同饱水时间含水量、容重变化曲线图Fig.2Variationcurvesofwatercontentand