水环境下泥岩崩解过程的CT观测与数值模拟研究

吕勇刚，陈涛

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；2.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江 宁波 315192；3.宁波大学，浙江 宁波 315211）

水环境下泥岩崩解过程的CT观测与数值模拟研究

吕勇刚1，陈涛2，3

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；2.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江 宁波 315192；3.宁波大学，浙江 宁波 315211）

为认识泥岩崩解过程，首先探讨采用X-光计算机断层扫描（CT）观测泥岩崩解过程，揭示了泥岩的崩解机制是最初的微小裂缝为水渗透进入泥岩提供了最初路径，渗入泥岩的水导致黏土矿物质膨胀，而碳酸盐离子溶液会破坏泥岩的整体性，降低泥岩的局部承载能力，导致宏观裂纹发展和泥岩崩解。为全面描述泥岩的崩解机制，建立了一个体现渗透系数与材料塑-拉应变之间关系的本构模型，通过数值方法再现了泥岩崩解过程，为进一步认识和防治泥岩崩解灾害提供关键依据。

水敏性岩石；崩解过程；数值模拟；计算机断层扫描

0 引言

诸如泥岩一类的水敏感性岩体，因其吸收水之后的力学强度急剧弱化，因此通常被看作不良工程地质体[1]。在实际情况中，岩土工程中出现的大量灾难性问题，比如滑坡、边坡岩体崩塌、顶板垮塌等都与水环境下的水敏感性岩体的崩解和弱化密切相关[2-3]。水敏感性岩石的工程灾害事故表明其水弱化效应是关键因素。现有研究表明：水能够以多种方式导致该种岩体劣化，包括直接软化其力学强度、溶解某些溶解性碳酸盐、引起黏性矿物质膨胀并引发该泥岩内部裂缝扩大。虽然现有研究初步揭示了泥岩与水之间的崩解特性，但泥岩内部水是如何导致水敏感性岩体崩解这一微观演化过程的认识还不足；而且水致崩解过程的数值模拟方法还有待完善。

近年来，新的观测技术，即X光CT（计算机断层扫描仪）已经被成功地用于医学诊断和材料试验[4-5]。由于该技术的快速和量化特征以及无损害探测样本的能力，可以说该断层扫描技术能真正地提供一个三维图像，实现对水环境下的泥岩劣化过程的可视化观测。同时，水和材料力学之间的耦合理论的最新理论进展也为发展模拟泥岩与水之间的崩解过程的数值模拟技术提供了基础。

为此，本文首次揭示了采用工业用CT观测泥岩崩解的细观过程，揭露了水致崩解的微观机理，进而采用耦合数值模拟方法建立了渗透系数与材料塑性拉应变之间的关系，实现对泥岩崩解过程的数值再现分析。

1 实验方法

1.1 泥岩基本特征

本实验所采用的红色泥岩形成于震旦纪（Z2）。为了解其矿物质成份，首先采取3个样本进行了X光衍射试验。表1列出了目标泥岩的矿物质成分及各成分的百分比。试验表明该泥岩成分主要为绿泥石、伊利石、石英石、方解石。由于该泥岩的膨胀性矿物质含量超过了44%（绿泥石和伊利石），可认为其水敏感性特性可能较为显著。

表1 泥岩的矿物质成分Table1 M ineralelementsofmudrock %

单轴压缩试验表明泥岩的单轴抗压强度（UCS）随着其饱和比增加迅速减小。尤其是，当泥岩在水中浸泡1个月进入饱和状态后，泥岩的单轴抗压强度从45 MPa降至9MPa。

1.2 观测法

采用德国西门子生产的医用断层扫描仪观测泥岩的崩解过程。该仪器的三维空间中的分辨率约为0.3mm、0.3mm、0.6mm。首先将直径为50 mm，厚度为100 mm的烘干泥岩样本固定在带孔的有机玻璃支撑架上。经干燥条件下的初次断层扫描之后一段时间，将干样本放入装满水的容器中，使该样本与水接触一定时间。然后将这些样本取出来，放入计算机断层扫描仪进行扫描。在实际操作中，当泥岩样本与水之间的接触时间达到0.3 h、1 h、3 h、9 h、30 h、75 h、245 h和743 h之后，对该样本进行断层扫描。见图1。

图1 泥岩CT测试实验方法Fig.1 Experim entalmethod ofmud rock observed by CT

2 泥岩崩解过程

2.1 泥岩内部的实时崩解

将经过不同浸泡时间的泥岩样本放入计算机断层扫描仪，观测到了该样本内部裂缝的扩大过程，揭示了该泥岩内部的裂缝演变的空间和即时的特征（如图2所示），主要如下：

图2 三维CT扫描观测泥岩的崩解过程Fig.2 Disintegration processofmudrock observed by CT

1） 断层扫描的图像显示该干泥岩有大量原始开裂，水经过这些开裂渗入该泥岩内部。因此，通过扫描成像，观测到这些原始开裂周围出现水弱化裂缝，探测到的裂缝会延伸和变宽，在整个时间段，产生新裂缝。

2） 在裂缝扩大期间，个别裂缝相向扩大，呈交叉趋势。这样，经过相当一段时间的泥岩和水相互作用之后，形成了网状裂缝。

3） 由于水弱化裂缝的增大是基于原始裂缝，原始裂缝的不均匀性导致新裂缝不成比例的增长。这样，观察到了扫描仪中的泥岩样本内的非规则裂纹。

4）扫描仪观察结果表明：常温条件下该泥岩的水-泥岩相互作用的最强的活跃时间发生在30 h，这期间裂缝发展迅速。

三维CT观测结果显示水环境下泥岩随时间逐渐崩解，表现为该样本内部的裂缝增长使得泥岩解体为多个小块头。显然，这些网状裂缝破坏了该泥岩的整体性，降低了它的承载能力。事实上，观测的泥岩微结构的劣化特性也印证了前述泥岩单轴抗压强度随着饱和度增加而降低的试样结果。

2.2 机理讨论

导致泥岩崩解的关键因素包括特殊历史形成过程和自身的矿物构成。

在泥岩形成的历程中，泥质沉积层中的空隙水和结合水可以通过高压和高温挤出，从而在泥岩内部形成了隐性的水排出通道裂缝（如图3）。这些裂缝为后期的水渗透提供了一个最初路径。当泥岩遇水后，由于亲水矿物再次吸水膨胀，从而使得原始裂缝再次扩展。

图3 通过电子显微镜扫描观测到的泥岩隐性裂缝Fig.3 Invisible fracturesobserved by scanning electron m icroscopy

更为重要的是，该泥岩是亲水黏性矿物质和非亲水矿物质的复合体（见表1），泥岩中的黏性矿物质体积在吸水之后增大很多，比如式（1），水能使绿泥石体积增加约50%～60%。

在泥岩与水的相互作用中，泥岩的碳酸根离子与溶液中的发生交换，比如CaCO3，Mg（SO4）2，同步腐蚀了矿物颗粒之间的黏结料，这样可降低裂缝扩大的应力阀值。

可见，泥岩遇水崩解是地质成岩过程和自身矿物质组合的结果。微裂缝为水渗入泥岩内部提供了原始途径，而渗入内部的水经过物理化学反应，引起黏性矿物质和碳酸盐离子溶液的体积增长，最后不利的裂缝扩展及矿物溶解导致裂缝网络化而崩解（如图4）。

图4 泥岩的遇水崩解机理Fig.4 W ater-deterioratingmechanism formudrock

2.3 数值验证

为了确认上述泥岩在水中的开裂机理，进一步建立了数值模型来重现该实验现象。首先用随机黏性矿物质组分和非黏性矿物质组分制作了网状泥岩模型。在模型中，黏性矿物质成分和非黏性矿物质成分的百分比是依据前述表1的结果。那些代表黏性矿物的成分被设置成低弹性模型、低黏性强度和高膨胀能力，而其他成分代表非黏性矿物质成分被设为高弹性模型、高黏性强度和低膨胀能力。在该网状模型的边界，设置了4条原始裂缝作为渗水路径。

在水渗入泥岩过程中，泥岩与水之间的物化交叉能唤醒泥岩的黏结强度和显微组织。具有不同饱和度S的泥岩实验测试已经表明，弹性模量E和抗拉强度C会随着S的增加而增加。它们之间的关系可以用负指数方程来表达[6]。在式（2）和式（3）中，a，b，c，d为常数，它们可以根据实验数据回归。同时，由于黏性矿物质料的不均匀延伸，某些细小单元会屈服。已屈服单元的渗透性系数将会发生相应变化。假设单元中的渗透系数k的增加与其塑性拉应变pt[7]相关，那么，这种关系可表述为式（4）。

式中：m，n为经验系数；k0为组分的初始渗透性系数。采用Rankin准则抗拉强度准则判断单元屈服时，如式（5）所示。

渗透系数的增加会扩大泥岩的吸水性[8]。黏性矿物质的体积膨胀ε可用式（6）表述。

对于不能压缩的组分，各项同性渗透方程可表述为：

式中：Ss为水力梯度。在渗透状态下，力的平衡方程为：

式中：σij，j是根据空间坐标的有效应力σij的偏导数；f（iH）为渗流的体积力；Xi为外部荷载。

根据式（7）和式（8），可获得考虑了水软化的耦合方程，表达为矩阵：式中：[H]为水头矩阵； [dσ]为应力增量矩阵；[B]为应变矩阵，与荷载应变εij和膨胀应变ε有关； [E]为弹性矩阵，与饱和率S有关； [K]为节点的硬度矩阵； [d u]为节点的位移增量； [F]为渗透力矩阵。显然，式（9）代表受应力场影响的渗流效应；式（10）描述了应力与应变之间的关系；式（11）表示渗流作用下的力平衡。因此，上述方程能模拟基本的岩石遇水软化过程。借助FLAC3D中提供的用户自定义模块，可将这些本构方程采用C++写入，从而实现上述本构模型的程序化[9]。

通过数值模拟程序和设置合理的参数，该泥岩遇水崩解过程的数值模拟过程如图5所示。在图5中，水致裂缝首先出现在原始裂缝周围。泥岩的力学强度的降低以及不均匀膨胀应力驱使裂缝在不同的虚拟计算时间内逐步扩展，最后裂缝发展成网状趋势。由于上述数值模拟考虑了泥岩遇水软化这一微观关系并再现了实验观察结果，基本可认为对泥岩水致崩解的理解是可靠的。

图5 水致开裂过程的数值结果Fig.5 Num erical resultsofw ater-induced cracking process

3 结语

在本研究中，采用计算机控断层扫描系统（CT）来观察水环境中泥岩的崩解过程。CT扫描观测结果揭露了泥岩内部裂缝的分阶段演化过程，包括原始裂缝的扩展、裂纹网络化延伸行为、裂缝分布的空间不均匀以及裂纹扩展的活跃阶段。

历史性成岩过程以及自身材料成分是导致泥岩与水相互作用后发生崩解行为的主要原因，在泥岩与水之间的相互作用中，物理膨胀力和化学溶解是主要驱动力。

基于上述认知，开发了泥岩崩解过程模拟的数值分析方法用于模拟水与泥岩相互作用过程，从而再现了泥岩遇水崩解过程。

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CT observation and numerical sim ulation ofm udrock disintegrating process in water environment

LYUYong-gang1,CHEN Tao2,3
（1.CCCCHighway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.Headquarter of High Grade Highway Construction of Ningbo,Ningbo,Zhejiang315192,China;3.Ningbo University,Ningbo,Zhejiang315211,China）

For knowing the disintegration process of themudrock,we discussed that themudlock disintegration process had been detected by the X-ray Computerized Tomography (CT).The observation indicated that the disintegratingmechanism of thismaterial underwater environment is that themicro fractures firstly provide the initial path for thewater to seeping into the unloaded mudrock,the seeped water would induce the swelling of clay m inerals and ion solution of carbonate,damage the integrity of themudrock,reduce its bearing capacity,and resultantly lead to extension of cracks.A numericalmodel,which builds the relationship between permeability coefficient and material p lastic-tension strain,was developed to describe the mudrock＇s disintegrating process.This study presents experimental and numerical hints for disaster prevention of watersensitivemud rock.

water-sensitive rock;disintegrating process;numerical simulation;CT scanning

TU435

A

2095-7874（2015）05-0024-04

10.7640/zggw js201505007

2015-01-14

吕勇刚（1978— ），男，湖北黄岗市人，高级工程师，隧道及建筑工程专业。E-mail：feeling_lv@126.com