沉积岩是组成地球岩石圈的主要岩石之一，它广泛分布在地球表面，而泥岩是一种常见的沉积岩.由于泥岩相对较高的黏土含量和吸水后较差的力学强度，一般认为在水环境下泥岩是一种典型的不良地质体^{[1, 2, 3]}.为此，很多学者采用不同手段研究泥岩遇水软化过程.Lin等^[4]通过观察泥岩在三种不同含水量下元素、晶体及形态的变化特征，发现了其在崩解时耦合有化学溶解过程.张志沛等^[5]通过泥岩浸水试验发现其浸水后易在蒙脱石等不稳定矿物处破坏并形成裂隙，随着浸水时间加长，最终贯通形成破裂面.Einstein^[6]总结了泥岩吸水膨胀行为的三种机制，包括机械膨胀、渗透膨胀和晶体内的膨胀.周翠英等^[7]通过扫描电镜、偏光显微镜、能谱分析等发现软岩的软化主要是由非线性化学动力学机制的综合作用造成的.汤连生等^[8]等运用化学成分分析理论与能量观点，考虑化学损伤的破坏力学，分析了水化学损伤的机理.事实上，岩土工程问题中许多不稳定问题，如滑坡、片帮、冒顶等，往往是由泥岩和水之间的水岩作用引起的^{[6, 9, 10]}，如我国甘肃孟家山发生过好几次黄土-红层泥岩接触面滑坡，滑落面积达10 000 m^3[11].从可视化的微观角度观察泥岩软化的过程不仅有助于直观理解水对泥岩的影响，而且也有助于在实际工程中科学地控制泥岩的不利因素.但是，目前可视化地从细观角度观察分析泥岩的遇水软化过程还有待进一步探讨.

基于X射线衍射原理的计算机三维扫描(CT)能够无损检测材料内部结构，并具有连续扫描，迅速重建三维图像等优点，已成为观察材料细观结构的重要途径^[12].Raynaud等^[13] 利用CT技术得到了三轴压缩破碎后砂岩、白云岩的CT图像，并推论在不同的应力条件下不同断面的CT图可以显示内部裂纹的演化过程.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和长江科学院都建立了岩土CT工作站.杨更社等^[14]借助于CT技术得到了砂岩、页岩、煤岩及石灰岩的初始损伤过程.

本文利用CT技术，从细观角度观察泥岩水-岩作用过程中泥岩细观结构的动态软化过程.借助该技术，获得了水作用下泥岩内部裂隙的时空演化特点，进而探讨了泥岩遇水软化的演化机理.

本次试验的泥岩试样取自于中国四川省某水电站的深部勘探隧洞内，形成于震旦纪时期.选择其中的三块泥岩试样进行X 射线衍射图谱分析，以了解其矿物组成，见表1.由表1可见，泥岩试样中黏土矿物质的质量分数超过44%(绿泥石、伊利石)，因此试样遇水后极有可能发生软化效应.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 泥岩的矿物组成(质量分数) Table 1 Mineral composition of mudrock % 试样编号 绿泥石 伊来石 石英 方解石 长石 白云石 赤铁 6 24 21 26 16 5 5 3 13 25 19 26 17 5 4 4 28 25 20 25 17 5 5 4 平均 24.6 20.0 25.6 16.6 5.0 4.6 3.6

表 1 泥岩的矿物组成(质量分数) Table 1 Mineral composition of mudrock

对试样进行压缩试验，结果表明泥岩的单轴抗压强度(UCS)随饱和度的增大而快速降低(图1)，泥岩从干燥状态进入饱和状态时，其单轴抗压强度从48 MPa降低至9 MPa.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 单轴抗压强度与饱和度的关系 Fig. 1 Relationship between UCS of mudrock and its saturation ratio

本次试验使用由德国西门子公司生产的医疗CT来观察泥岩遇水软化的内部现象.CT的分辨率大约是0.3 mm×0.3 mm×0.6 mm的3D空间.泥岩试样直径为50 mm，高度为100 mm.首先将试样固定在具有小孔的有机玻璃支架上，用CT观察干燥状态下的试样，而后将试件放入一个装满蒸馏水的容器中进行软化.此试验是在无侧限条件下进行的，此条件下泥岩是自由开裂.当浸泡时间达到设计浸水软化时间时，将样品取出，并放置在CT上进行扫描.设计浸水软化时间分别为0.3，1，3，9，30，75，250，742 h.

通过CT实时扫描不同浸水时间的泥岩，可以动态观察到泥岩裂隙的渐进生长过程.这种泥岩裂隙时间和空间发展特点如下.

1) 初始裂隙作用.由于泥岩存在一些初始隐形裂隙(图2a)，遇水后水分子首先通过较大的裂隙侵入泥岩内部，在CT下观察时，破坏首先出现在有较大初始裂隙的区域，并导致初始裂隙的联通和扩展(图2a→2b→2c)从而产生新的裂隙.同时，水分子还在不断地侵入一些更细小的裂隙面，孕育着新的裂隙(图2b→2c→2d).

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 CT观察泥岩遇水软化的演变过程 Fig. 2 Evolution of water-weakening in mudrock specimen observed by CT scaning

2) 网状扩展特点.裂隙产生后，在水分子作用下继续扩展，使得孤立的裂隙逐渐发展为相互连通的网状结构，即向龟裂化发展(图2f,2h).

3) 空间非均匀性.由于水的作用，裂隙的发展是以初始裂隙为基础进行的，由于初始裂隙的空间非均匀性，自然就导致了水作用下裂隙扩展的空间非均匀性.

4) 活跃阶段性.CT观察表明，在水作用下的前1 h泥岩裂隙扩展表现最活跃(图2b→2c).此后扩展速度变缓慢，而图2d后其裂隙扩展速度进一步趋于缓慢(图2h→2i).

从上述CT观察的泥岩裂隙扩展过程可以看出，在无侧限条件的水环境下，泥岩裂隙的渐进发展是岩样分裂成碎块结构的原因，进而破坏了泥岩的完整性.泥岩完整性的破坏必然导致其承载能力的降低.实际上，水环境下泥岩软化的现象与上述压缩试验所表明的现象是一致的，即泥岩单轴抗压强度随饱和度的增大而快速降低.

首先，在泥岩的历史成岩过程中，原来的泥质沉积物在高压力和高温下进行脱水作用，其空隙水和层间结合水相继被挤出.这种泥岩脱水作用一方面使泥岩中残留细观的脱水通道为其遇水后水分子的侵入提供初始裂隙路径(图3)；另一方面使其层间结合水缺失，当其卸荷降温后将具有强烈的亲水效应，从而使其颗粒再次吸水形成结合水膜，体积增大.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 扫描电镜观察下的初始裂缝 Fig. 3 Original fractures observed by EMS

其次，泥岩是一种由亲水性黏土矿物和非亲水性矿物构成的混合体(表1).混合体中黏土矿物吸水后，其体积将明显增大，如伊利石吸水后，其体积可增大50%～60% ^[15]，见式1.但是非亲x水性矿物却不发生膨胀.这样，当泥岩遇水后，亲水性矿物在初始裂隙区域将产生非均匀的变形，使得这些部位的裂隙进一步变宽，而泥岩膨胀过程中产生的膨胀应力将进一步促使泥岩裂隙扩展增长.

同时，在水分子沿泥岩细观裂隙侵入的过程中，泥岩混合体中尺寸较小的亲水性矿物与尺寸较大的非亲水性矿物将通过碳酸盐类钙质胶结作用形成一个整体，并且由于泥岩中的碳酸盐发生了离子溶解和交换作用，使其矿物之间的结合强度降低，进而降低了泥岩发生膨胀开裂的应力门槛值.

从以上分析可见，泥岩遇水软化是其历史形成因素和矿物构成因素共同作用的结果，其水软化模式如图4所示.泥岩成岩过程中的裂隙水和层间水被挤出，进而形成了细观通道，导致泥岩卸荷遇水后，水分子由初始裂隙进入泥岩，泥岩中黏土矿物吸水后体积膨胀和碳酸盐部分溶解导致裂隙不断扩展和增大.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 泥岩遇水软化机理 Fig. 4 Evolution of water-weakening in mudrock specimen observed by CT scaning(a)—原始裂隙； (b)—水通过微裂隙入侵; (c)—受物理、化学和力学影响裂纹的扩展.

1) 采用可视化CT扫描实时观察了泥岩在水环境中的软化过程.借助该技术，获得了水作用下泥岩内部裂隙的时空演化特点，如初始裂隙效应、网状扩展行为、空间非均匀分布和典型活跃期.

2) 泥岩遇水软化的主要原因是泥岩的历史成岩过程和矿物成分.在水和泥岩相互作用的过程中，物理膨胀和化学溶解起了关键作用.

3) 基于CT成像观测、扫描电镜分析和X衍射矿物成分分析的结果，水岩作用过程中泥岩微观结构软化机理可以归结为三个环节：历史成岩过程中形成的细观裂隙为后来的水分子侵入泥岩提供了初始通道；侵入的水分子通过物理和化学作用导致了泥岩中黏土矿物的体积膨胀和可溶碳酸盐溶解；不利的黏土矿物体积膨胀和可溶碳酸盐溶解过程中衍生的力学效应导致了裂纹的扩展和相互连通.

致谢 感谢长江水利委员会长江科学院和中国科学院武汉岩土力学研究所人员在岩样的CT测试和数据处理时给予的帮助.