DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.06.018

冻融和干湿作用下表生板岩的劣化行为与机制

吴国鹏^{1, 2}，谌文武¹，崔凯^{1, 2}，王珮²

(1. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000；

2．兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州，730050)

摘要：基于构造交互地区板岩在浅表生环境中的劣化进程与其所在区域滑坡、崩塌和泥石流灾害的发生、发展密切相关，其劣化不仅受冻融、干湿这2种浅表生作用控制，更与两者的交替作用密切相关，对完成不同次数冻融循环、干湿循环及冻融-干湿交替循环试验后的板岩试样的质量、纵波波速、单轴抗压应力-应变曲线及其强度进行测试；为研究板岩试样劣化机理，对实验后的样品进行矿物成分分析和扫描电镜分析；从宏观与微观方面对比分析板岩在3种不同作用下的劣化响应程度。研究结果表明：板岩质量、弹性波速、抗压强度等物理力学参数在冻融、干湿及冻融-干湿交替作用过程中产生明显的劣化响应，随着试验次数增加，试样质量减少，波速降低，抗压强度减小，其中，波速、抗压强度呈负指数减小；云母、长石、方解石等矿物的溶蚀，伊利石与高岭石等次生黏土矿物的生成及其在冻融、干湿、冻融-干湿交替作用下的聚集、吸水膨胀与失水收缩是板岩破坏的主要原因之一；板岩对干湿作用的劣化程度明显比冻融-干湿交替作用和冻融作用的劣化程度大。

关键词：板岩；劣化；冻融作用；干湿作用；交替作用

中图分类号：TU45             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)06-1392-11

Degradation behavior and mechanism of slate under alternating conditions of freeze-thaw and wet-dry

WU Guopeng^{1, 2}, CHEN Wenwu¹, CUI Kai^{1, 2}, WANG Pei²

(1. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China, Ministry of Education,

Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;

2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Civil Engineering of Gansu Province,

Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract: Considering that slate, a material used around hill permafrost region, is naturally exposed to the alternating process with freeze-thaw(F-T) and dry-wet(D-W) process, and that it is one of the main disaster in rock engineering, that rock is deteriorated partially or completely on the surface of slope, the physical weathering of slate was assessed using photographs and measurement of variations in characteristics such as quality, elastic velocity, stress–strain curves and uniaxial compressive strength. Varied numbers of cycles of an alternating combination of the freeze-thaw or dry-wet weathering processes were applied in samples. The results show that in many alternating processes, the content of calcite, feldspar, pyrite and hematite decreases and the amount of secondary clay mineral such as gypsum, illite and mixture of illite and smectite increases. New fractures develop on the surfaces of pores as a result of outward pressure due to this increase in volume, and a lot of water would be absorbed to secondary clay mineral. This process repeats itself with the decrease and increase in temperature and causes undesired deteriorations in the bodies of slate. The experiments also approve that the deterioration degree of dry and wet action of slate is obviously greater than those of freeze-thaw-dry and wet alternating action and freeze-thaw action.

Key words: slate; degradation; freeze-thaw action; dry-wet action; alternation action

板岩等低级变质岩常出露于白龙江流域等构造交互地区。该地区处于秦岭褶皱系南缘，松潘—甘孜褶皱系东侧，受区域构造地质背景及其主干断裂带的控制，新构造运动显著，造山活动强烈^[1]。板岩所在志留纪地层是该地区滑坡、崩塌和泥石流发育最为活跃的地质单元^[2]。区内年降雨量、蒸发量大，时空分布极不均匀，地表温度变化范围大，季节性冻土分布较广^[3]。全年的降水、蒸发、地表温度变化、季节性冻土共同为板岩等低级变质岩创造了充分的冻融-干湿交替环境。岩石在冻融、干湿交替作用下的劣化是一个较复杂的过程，其作为岩土工程相关学科研究的前沿领域，是工程岩体稳定研究的重要内容之一。国内外研究者对岩石在冻融、干湿环境下劣化的研究成果较多，如：YAMABE等^[4-5]研究了砂岩压缩系数、剪切率、电阻率、单轴抗压强度以及三轴抗压强度等物理、力学指标随冻融循环次数的变化规律；DEL ROA等^[6-7]研究了花岗岩、安山岩每次冻融后的超声波波速、抗压强度和硬度随循环时间的变化情况；FATIH^[8]建立了适合特定石灰石冻融循环后单轴抗压强度的预测方程式；JAVIER等^[9]认为超声波波速衰减是最合适作为冻岩损伤程度评价参数；BADGER等^[10-13]对砂岩、页岩这两种沉积岩在干湿循环作用下的劣化机理、力学性能进行了研究；LIU等^[14-17]选用不同地区花岗岩和安山岩研究了冻融循环后其超声波波速、强度、泊松比、刚度单轴抗压强度、峰值变形、应力-应变曲线、弹性模量等随循环次数变化的规律，并研究了低温和冻融环境下岩石力学特性；傅晏等^[18-21]对砂岩、页岩在干湿循环作用下的物理、力学性质进行了研究，得到了完整砂岩、页岩在干湿循环作用下应力应变曲线、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量及抗剪强度的下降规律。然而，国内外学者对板岩这种低级变质岩没有进行系统研究。冒海军等^[22-24]认为，板岩的强度和破坏形式随结构面的变化而变化，并初步证实板岩强度降低的原因是颗粒的饱水性与颗粒间毛细管力减小。崔凯等^[25-27]探讨了板岩在饱水、冻融、干湿下波速、强度、单轴抗压强度、峰值变形、应力-应变曲线等相关指标的劣化规律。目前，有关板岩这种低级变质岩在冻融、干湿交替作用下相关指标劣化规律及其劣化机理的相关研究较少。为此，本文作者选取舟曲—武都地区志留纪板岩为研究对象，在实验条件下观测经历不同次数冻融、干湿交替作用后板岩的宏观形态和质量变化，测试纵波波速和单轴抗压强度，并对实验后的样品进行矿物成分分析和扫描电镜分析，对板岩在冻融、干湿交替作用下裂纹扩展过程、密度和强度等相关指标的变化进行研究，以便揭示板岩在冻融-干湿交替作用下相关指标的劣化规律，并系统探讨其劣化机理，为该地区岩体边坡稳定性及地质灾害评价提供参考。

1  实验研究

1.1  试验材料

试样选取甘肃舟曲境内典型板岩质斜坡距斜坡表层2 m的风化原状板岩，并用RSM-SY5智能声波检测仪测定每块试件的波速，筛选波速相近(0.90＜v＜0.95 km/s)的试件作为实验岩样。依据板岩自然板理，加工成长×宽×高为5 cm×5 cm×3 cm的立方体试件。经甘肃省国土资源部兰州矿产资源监督检测中心检验，板岩试样呈显微粒状鳞片变晶结构，显微板状构造，粗略判断其矿物成分主要由绢云母、石英、绿帘石、绿泥石和少量石英粉砂、褐铁矿等组成，镜像显微照片见图1。

图1  千枚岩镜像显微照片

Fig. 1  Micrograph of slate sample

将波速相近的试样每4块分为1组，共5组。将选好的岩样置于温度为105 ℃的烘箱中烘干48 h至恒质量，在干燥器中冷却至室温后称质量并记录。将干燥岩样采用真空抽气法进行强制饱水，称取饱和后的岩样质量，岩样初始参数如表1所示。

表1  初始试样的基本物理参数

Table 1  Physical parameters of rock samples

1.2  劣化因素分析

取样地处于青藏高原向黄土高原过渡带，属亚热带半湿润气候，具有显著的垂直变化特征，为斜坡表层板岩劣化创造了良好的冻融与干湿环境。对已获得的取样地的气候资料(1972—2013年)进行分析。取样地气候见图2。

取样地在11月份至次年3月份这5月的最低地 表温度出现小于0 ℃的情况如下：最低地表温度分别为-7.3，-11.4，-14.7，-8.3和-6.8 ℃；全年总降水量达413.2 mm，月平均降水量为34.4 mm；年蒸发量达2 081.26 mm，月平均蒸发量达173.4 mm。分析结果表明：1) 取样地存在冻融环境但持续时间短；斜坡表层板岩只在11月份至次年3月份可受到冻融作用的影响；2) 取样地干湿环境分明，降水大且集中，蒸发较剧烈；斜坡表层板岩4~10月份受干湿作用的影响，尤以5~9月份最强烈。冻融、干湿作用共同为该地区斜坡表面板岩劣化进程提供了先决条件。

1.3  实验过程与方法

将岩样分组进行0，5，10，20和30次冻融、干湿及冻融-干湿交替循环试验，对完成试验的试样测量其质量及波速，并对其进行单轴抗压试验、矿物成分分析和扫描电镜分析，以研究板岩在冻融、干湿及冻融-干湿这3种不同作用形式下质量、波速、强度变化规律及其劣化机理。

根据GB/T 50266—2013“工程岩体试验方法标准”及取样地气候特征，设置冻融循环控制岩样所处温度为-20 ℃，冷冻时间为12 h，取出试样放入10 ℃蒸馏水中浸泡12 h，称为1次冻融循环；设置干湿循环控制岩样所处温度为105 ℃，烘干时间为12 h，取出试样放入干燥器中冷却至室温后，放入10 ℃蒸馏 水中浸泡12 h，称为1次干湿循环；设置交替循环为先进行1次冻融循环，再进行1次干湿循环，其所控制岩样所处温度与冻融循环、干湿循环岩样所处的温度相同。

图2  取样地气候

Fig. 2  Local climate

2  实验结果

2.1  质量变化

对每次冻融循环、干湿循环及其交替循环后试样质量进行测定。试样采用饱和试样，结果取平均值。其中，在冻融循环条件下，试样未发生开裂；在干湿循环条件下，第11和第23次时各有1块试样发生破裂；第29次时，剩余2块试样发生破裂；在冻融-干湿交替循环条件下，在第18和第29次时，各有1块试样发生破裂。

不同交替循环试样质量变化见图3。从图3可见：在冻融循环条件下，试样质量变化不大；在干湿循环条件下，试样质量发生明显变化，试样质量在干湿循环过程中发生3次明显变化，最大质量减小为96.67 g，占总质量的21.22%，总质量损失为54.6%；在冻融-干湿交替条件下，试样共发生2次质量变化，最大减小质量为57.45 g，占总质量的12.6%，总质量损失为28.0%。

图3  不同交替循环试样质量变化

Fig. 3  Average gradient of quality under Velocities of vertical wave under F-T, D-W and their alternating cycles

2.2 弹性波速变化

对上述试块测试垂直层面的纵波波速，试样采用饱和试样，结果取平均值，结果表明：在冻融、干湿及其交替条件下，波速都随循环次数增加而减小(见图4)；在干湿条件下，试样波速随循环次数的变化最大，共降低41.44%；在交替条件下，试样波速随循环次数的变化次之，共降低41.28%；在冻融条件下，试样波速随循环次数的变化最小，共降低27.34%。

图4  不同次数交替循环条件下试样纵波波速变化

Fig. 4  Velocities of vertical wave under F-T, D-W and their alternating cycles

2.3  单轴抗压试验

2.3.1  应力-应变曲线

试验仪器采用兰州大学CSS-WAW300DL电液伺服万能试验机，对试样分别进行单轴抗压试验，加载速度为3 mm/min。由于尺寸效应的影响，将非标准试件转换为标准试件进行计算，结果均采用试验的样本均值，且由于30次干湿循环试验后的试样全部开裂，为了进行对比，在本次试验中均采用20次循环试验以前试样的应力-应变曲线。

不同次数交替循环条件下板岩单轴压缩应力-应变曲线如图5所示。从图5可见上述试样的单轴抗压实验结果反映了冻融、干湿及冻融-干湿交替循环条件试验下的板岩试样的应力-应变具有如下共同特征：1) 随着试验次数增加，试样破坏时的应力和应变都明显减小；2) 随着试验次数增加，试样应力-应变曲线的斜率都随循环次数增加而减小，即试件的变形模量E都随循环次数的增加而减小。

实验结果同样反映了2种条件试验下板岩试样的应力-应变曲线具有明显差异：1) 在相同试验次数及冻融作用下，板岩试样变形模量E_dr、交替作用下的变形模量E_jt、干湿作用下的变形模量E_gs依次减小；2) 在相同试验次数下，试样破坏时对应应变具有明显差异，表现为冻融作用下的试样破坏时对应应变、交替作用下试样破坏时对应应变、干湿作用下的试样破坏时对应应变依次减小。

图5  不同次数交替循环条件下板岩单轴压缩应力-应变曲线

Fig. 5  Stress-strain curves of slate under F-T, D-W and their alternating cycles

2.3.2  单轴抗压强度

在不同次数的冻融循环、干湿循环下，后板岩的抗压实验结果见图6。从图6可见：板岩在冻融循环条件下，随着循环次数增加，强度变化明显；从开始到第5次结束，板岩抗压强度下降缓慢，由36.05 MPa降低到28.91 MPa，降低19.8%；随着冻融循环次数增加，抗压强度降低幅度变大，各个冻融循环期间其抗压强度降幅分别为31.2%，32.90%和30.44%，到30次冻融循环结束，板岩的强度为2.66 MPa，共降低92.71%。

图6  不同次数的交替循环下试样单轴抗压强度变化

Fig. 6  Uniaxial compressive strength under F-T, D-W and their alternating cycles

2.4  X线衍射(XRD)试验

为研究不同试验条件下试样内矿物成分的变化规律，试验选用XRD对矿物成分进行分析。XRD 测量在飞利浦PW2000型X线衍射仪上进行，采用Cu-K_α辐射。2θ测量范围为3°～30°，步长为0.02°。晶体结构由 MS Modeling(美国Accelry公司)软件计算，去除 Cu K_α2 散射和衍射背底的贡献，采用波长λ=1.540 562 nm进行计算。

本次试验选取干湿循环试验后的板岩碎屑50 g，用玛瑙研钵研碎，并通过0.05 mm筛分，通过XRD全矿物分析确定板岩所含主要矿物成分随循环次数的变化。该板岩中共有10种矿物，其中黏土矿物、石英、云母是板岩的主要矿物，钾长石、斜长石、方解石、普通辉石质量分数较大，石膏、菱铁矿、赤铁矿质量分数较低(见表2)。

不同次数下XRD矿物分析结果见图7。从图7可见：在3种试验条件下，黏土矿物质量分数随着循环次数增加而增加，且增加速率从小到大对应条件依次为冻融循环、冻融-干湿交替循环、干湿循环；同时，在干湿循环和冻融-干湿交替循环条件下，黏土矿物质量分数变化表现为先快后慢的特征，并符合指数增长法则；而在冻融条件下，黏土矿物质量分数呈线性增大。

表2  全矿物分析(质量分数)

Table 2  Component if all minerals                                     %

图7  在不同次数的交替循环下XRD矿物分析

Fig. 7  XRD analysis for all minerals that undergone alternating cycles for different times

云母、钾长石、斜长石、方解石质量分数则随循环次数增加而减小，且减小速率由小到大对应条件依次为冻融循环、冻融-干湿交替循环、干湿循环；同时，钾长石、斜长石、方解石质量分数变化在3种试验条件下总体表现为先快后慢的特征(斜长石在冻融条件下表现为线性减小特征)。

由于黏土矿物与石英矿物为板岩的主要成岩矿物，而黏土矿物稳定性较差，易在干湿作用下发生变化，因此，有必要对不同次数干湿试验后的板岩黏土矿物成分进深入分析。图8所示为不同循环次数试验后板岩黏土矿物质量分数变化情况。从图8可见：伊利石质量分数在3种不同条件下随循环次数增加而增加，且增加速率由小到大依次为冻融循环、冻融-干湿交替循环、干湿循环；同时，在干湿循环条件下，黏土矿物质量分数表现为先快后慢的特征，并符合指数增长法则，而在冻融和冻融-干湿交替循环条件下，黏土矿物质量分数呈线性增大。高岭石质量分数在3种不同条件下随循环次数增加而表现出先增大后减小的特征，其变化速率有小到大对应条件依次为冻融循环、冻融-干湿交替循环、干湿循环。

图8  在不同次数的交替循环下黏土矿物XRD分析

Fig. 8  XRD analysis for clay minerals that undergone alternating cycles for different times

2.5  扫描电子显微镜(SEM)实验

为研究不同干湿试验条件下试样破坏机理，试验采用微观组织观察与分析，选用Quanta FEG-450场发射扫描电镜(SEM)，该设备适合多种材料的表征，能够对各类样品(金属、非金属、粉末等)进行高分辨率观察和分析。扫描电镜同时安装有能谱仪(EDS)与背散射衍射(EBSD)配件。EDS附件能够对从扫描电子显微镜采集到的样品微观组织进行化学成分分析，其中，分析形式分为点分析、线分析以及面分析3种，可以根据需要自行选择。

选取干湿试验后板岩试样的断裂面，以观测干湿作用后试样的破裂机理；同时，取不同次数干湿循环的板岩试样，用玛瑙研钵研碎，并通过0.05 mm筛分，将粉末用酒精分散并蘸于导电胶布，以观察不同次数干湿循环后矿物颗粒形态的变化。

2.5.1  断面微观照片

试样断面微观结构如图9所示。从图9可见：1) 方解石与长石发生溶蚀(图9(a)和图9(b))，在晶体内部产生空洞，从而增大板岩内部空隙；2) 对断面上白色物质进行拍摄，其颗粒形态为针状的石膏矿物(图9(c))；3) 在长石表层风化为伊利石并在周围产生次生膨胀性黏土矿物(伊、蒙混层)(图9(d))。

2.5.2  颗粒形态微观照片

板岩矿物颗粒微观照片拍摄在电压为20 kV、放大倍数为500倍的条件下进行，如图10所示。从图10可见：在3种试验条件下，第30次循环后，试样的颗粒形态发生很大变化，由小颗粒团聚为大颗粒，其中干湿循环后试样颗粒形态变化最明显，冻融-干湿交替循环的次之，冻融循环后试样颗粒形态变化较不明显。

同时，对不同次数冻融循环、干湿循环、冻融-干湿交替循环后试样颗粒粒度进行统计，结果见图11。由图11可见：板岩矿物颗粒数量随试验次数增多而减小，而颗粒粒度随试验次数增多而增大，其增大速率由小到大对应的条件依次为冻融循环、冻融-干湿交替循环、干湿循环；在干湿循环和冻融-干湿循环条件下，粒度变化表现为先快后慢的特征，并符合指数增长规律，而在冻融条件下，粒径变化呈线性增长规律。

图9  试样断面微观结构

Fig. 9  Micro structures of failure plane

图10  30次冻融、干湿及其交替试验后板岩颗粒微观结构

Fig. 10  Micro structures of particle that undergone F-T cycles, T-F cycles and their alternating cycles for 30 times

图11  冻融、干湿及其交替作用下试样微观颗粒粒径

Fig. 11  Micro-particle of slate undergone F-T cycles, D-W cycles and their alternating

3  分析与讨论

3.1  分析

为系统研究板岩在冻融、干湿及冻融-干湿交替条件下的劣化过程及机理，对不同次数冻融、干湿及冻融-干湿交替试验后的板岩质量、波速及单轴抗压强度进行测试，并进行XRD、微观照片和点扫描分析。研究结果表明：板岩在冻融、干湿及冻融-干湿交替作用下，风化主要以物理风化和化学风化为主；物理风化具体表现为密度减少、波速降低、抗压强度减小、试样延性增强等；化学风化则表现为云母、长石、方解石溶蚀，高岭石、伊利石等次生矿物增多。

实验结果同样证明板岩在冻融、干湿及其交替作用下产生明显的劣化响应，具体表现为：随着循环次数增加，板岩发生层面裂隙扩展，质量减少，弹性波速减小，强度衰减，应力-应变曲线变化形式不同。但板岩在干湿条件下和冻融条件下的劣化行为存在差异，在冻融条件下，板岩始终没有沿板理面分离，总质量没有明显变化，弹性波速、抗压强度的变化较小；在干湿作用下，板岩迅速沿板理面分离，总质量发生明显变化，弹性波速、抗压强度明显衰减，衰减幅度明显比冻融循环后的大；而在冻融、干湿交替作用下，板岩沿板理面分离，总质量产生明显变化，弹性波速、抗压强度明显衰减，衰减幅度明显比冻融循环后的大，与干湿作用后试样的相关指标接近。在冻融、干湿交替交替作用中，板岩交替进行冻融、干湿作用，其劣化不仅仅是冻融、干湿作用叠加。交替循环采用冻融与干湿等时间进行，即12 h冻融作用，12 h干湿作用，试验结果显示冻融干湿交替交替循环后试样宏观形态、质量、波速、抗压强度等物理、力学性能劣化指标都与干湿作用后相关指标相近，而不是两者的简单平均。

板岩中的黏土矿物为质量分数最多的矿物，且其质量分数随着试验次数增多而不断增加。黏土矿物晶体是典型的四面体结构，具有较强的离子交换能力，极易与其他黏土晶体结合，团聚成簇状，常常具有很大的比表面积和较强的吸水能力。即随着冻融次数增加，黏土颗粒不断聚集，对冻融、干湿作用的响应不断加强，从而进一步导致岩石内部空隙增大，物理、力学性能降低，使斜坡板岩性能发生劣化。

云母、长石、方解石、云母等矿物在冻融、干湿及冻融-干湿交替作用下发生溶蚀，在增大板岩空隙率的同时也在板岩内部形成孔道，使板岩中的自由水含量增大。大量的自由水通过孔道与更多的黏土矿物、石膏发生吸水膨胀现象，水进入微空隙并与亲水矿物相结合，在冷冻过程中水变成固态，体积膨胀，微空隙进一步扩展，在变干过程中，产生更加不均匀的膨胀，使更多的水参与冻融、干湿交替作用。板岩在上述反复冻融过程中，微裂纹不断扩展并联通。当裂纹沿板理面贯通后，板岩在外营力作用下沿裂纹产生破坏。其中，云母、长石、方解石在冻融、干湿及冻融-干湿试验条件下可能发生如下反应。

1) 云母转化为钾长石：

KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂+6SiO₂+2K⁺=3KAlSi₃O₈+2H⁺

2) 云母转化为钠长石：

KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂+6SiO₂+3Na⁺=3NaAlSi₃O₈+2H⁺+ K⁺

3) 钾长石发生水化作用生成高岭石：

2KAl₃Si₃O₈+2H⁺+9H₂O=Al₂Si₃O₈(OH)₄+2K⁺+4H₄SiO₄

4) 钾长石发生水化作用生成伊利石：

3KAlSi₃O₈+2H⁺+12H₂O=KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂+H₄SiO₄+2K⁺

5) 钠长石发生水化作用生成高岭石：

2NaAlSi₃O₈+2H⁺+9H₂O=Al₂Si₂O₅(OH)₄+2Na⁺+4H₄SiO₄

6) 方解石溶蚀：

CaCO₃+2H⁺=Ca²⁺+H₂O+CO₂

3.2  讨论

板岩作为一种区域变质作用下形成的低级变质岩，常出露于舟曲—武都这类区域构造复杂的交互地区^[28]。该区域内滑坡、泥石流等地质灾害频发，危害严重。究其原因，其实质是板岩等低级变质岩在以冻融、干湿及其交替作用为代表的气候环境动力因素作用下 发生明显的劣化响应，力学性能降低，矿物成分发生改变，微结构裂隙增多，沿板理开裂，常常诱发岩体失稳。

在冻融过程中，组成板岩的三相介质发生液-固态的相态转化。在冻结过程中，板岩孔隙中的自由水发生冻结，体积膨胀。为了限制体积膨胀，在矿物颗粒之间产生局部应力调整，伴随应力调整，矿物颗粒发生弹塑性变形，结构发生改变。在融解过程中，冻解应力释放和水分迁移使其发生的弹性形变得到恢复，塑性变形则无法恢复。同时，伴随着云母、方解石、长石风化及黏土矿物增多吸水膨胀，岩石内部微空隙不断增多、增大。随着循环次数增加，板岩重复同样的行为，塑性变形不断积累，形成局部损伤域。这些局部损伤域逐步扩展，连成微裂隙，不断破坏板岩内部结构，使微裂隙规模不断增大，强度不断降低。

在干湿过程中，板岩孔隙中的自由水与亲水性矿物的结合水发生液-气、固-气的相态转化及其叠加作用。在吸水过程中，云母、方解石、长石风化及黏土矿物增多吸水使板岩内空隙被更多自由水填充；同时，原有的黏土矿物与新生成的黏土矿物吸附水膜增厚，引起体积膨胀，失水过程使亲水矿物产生干缩，体积收缩，同时，水分相态变化而产生的气体以裂隙为通道开始向外扩散。在亲水矿物体积膨胀、收缩与气体扩散的共同作用下，板岩内部塑性变形不断积累形成损伤域。塑性域规模进一步扩展形成微裂隙，微裂隙迅速发展，其扩展规模比冻融作用下的扩展规模显著增大。

在冻融、干湿及冻融-干湿交替过程中，长石、方解石等矿物溶蚀和黏土矿物吸收膨胀使弱风化板岩中原有的微裂隙张开联通，增大板岩与水的接触面积，使更多矿物与水接触并产生溶蚀，增大板岩内部孔隙，力学性能产生明显劣化。板岩在冻融、干湿及冻融-干湿交替作用下，密度、波速、抗压强度等劣化指标的变化以及XRD和SEM的试验结果为其提供了有力佐证。

4  结论

1) 板岩宏观形态、质量、弹性波速、抗压强度等物理力学性质在冻融作用、干湿作用及冻融-干湿交替作用过程中产生明显的劣化响应，随着试验次数增加，试验质量减少，波速降低，抗压强度减小。

2) 试样在冻融作用、干湿作用及冻融-干湿交替作用下，方解石、长石等矿物发生溶蚀，生成伊利石与高岭石等次生黏土矿物，其中，矿物质量分数在干湿及冻融-干湿交替作用下呈指数规律变化，而在冻融作用下呈线性减小规律。

3) 随着冻融、随着干湿及冻融-干湿交替试验次数增加，黏土矿物发生聚集，使颗粒粒度、间距增大；在冻融作用下，颗粒聚集速度呈线性缓慢增大；而在干湿及冻融-干湿交替作用下，颗粒聚集速度服从指数规律，即在试验次数为0~10次时，颗粒聚集速度较慢，而试验次数为20~30次时，颗粒聚集速度急剧增大。

4) 板岩对冻融、干湿及冻融-干湿交替作用响应比较明显，5次试验后板岩质量、波速、应力-应变曲线、单轴抗压强度、矿物成分和颗粒形态发生改变；在这3种作用中，板岩对干湿作用的劣化响应行为最强，交替作用次之，冻融作用最弱，这表明泥板岩在冻融、干湿及冻融-干湿交替作用下耐久性较差，是斜坡表层板岩风化的主要原因之一。

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收稿日期：2018-08-01；修回日期：2018-12-22

基金项目(Foundation item)：教育部长江学者创新团队支持计划项目(2017IRT17051)(Project(2017IRT17051) supported by the Changjiang Scholar Innovation Team Support Plan of Department of Education)

通信作者：谌文武，教授，博士生导师，从事地质工程、岩土工程、文物保护工程研究；E-mail: sungp@lzu.edu.cn