取样过程中存在着三类扰动作用，即机械扰动、应力释放和水岩作用^[1]。对膨胀性泥岩而言，该三类扰动是影响获取泥岩样品相关参数中最重要的影响因素。机械扰动、应力释放会加速泥岩样品裂隙扩张，为水岩作用开辟通道。由于泥岩具有遇水膨胀失水收缩的特性，水作用将引发泥岩表层膨胀、崩解甚至泥化，尤其是干湿循环后膨胀、崩解进一步加剧，导致泥岩样品品质降低。卸荷样品与原位样品的力学性质和变形特性存在显著不同^[2-3]。因此，在水岩作用的基础上探讨卸荷对膨胀性泥岩性质的影响规律，可获取可靠的试验参数用于工程实践。

岩体工程在加载与卸载条件下, 其力学特性截然不同。许多学者对卸荷硬岩体的变形特性、力学性质及破坏模式进行了研究，取得了一系列成果。王璐等^[4]结合锦屏二级深埋引水隧洞工程，对大理岩进行了常规和卸荷三轴试验，发现卸荷应力状态下纵横向应变较常规状态小，内聚力降低，摩擦角增大。张凯等^[5]从卸荷速率分析了卸荷速率对大理岩强度的影响，指出围压卸荷速率越大，岩样强度越高，卸荷点处于弹性范围内，应力路径对强度的影响不明显。张成良等^[6]对辉绿岩进行加、卸荷三轴试验，指出相对于加载状态，卸荷状态脆性破坏特征明显，体积扩容加剧。严鹏等^[7]从取样损伤的角度，研究了深部高应力区岩样获取方法，提出了一种低应力取样方法，即套钻取样，可以有效提高样品强度。赵国彦等^[8-9]从不同应力路径的角度对花岗岩进行了三轴卸荷试验，指出卸载状态下侧向扩容显著。黄伟等^[10]结合锦屏水电枢纽二级水电站交通辅助洞的绿泥质砂岩工程，进行高围压条件下岩石卸荷试验，得到了岩石卸荷扩容特性和卸荷本构模型。郭印同等^[11]结合金坛地下盐穴储气库工程，进行了卸围压三轴试验，得到了盐岩卸围压过程的应力-应变关系和变形特征。李栋伟等^[12]通过先固结后径向卸载的三轴剪切试验方法模拟煤矿泥岩巷道开挖过程中应力状态变化, 获得了软岩弹黏塑本构力学模型。原先凡^[13]和王宇等^[14]分别对砂质泥岩和泥质砂岩进行了三轴卸荷流变试验，建立了软岩卸荷流变本构模型。邓华锋等^[15]对砂质泥岩进行了三轴加、卸载试验，研究了泥岩加、卸荷抗压强度取值问题，提出半对数数据分析法确定软岩强度。

以上研究主要对卸荷硬岩力学特性和变形规律进行研究，但对浅部工程卸荷泥岩的力学性质与变形特性的研究并不多见，尤其是对卸荷膨胀性泥岩的研究涉及较少。因此，开展水岩耦合作用下卸荷泥岩力学行为与变形特性的研究有重要意义。本文针对南宁盆地灰色膨胀性泥岩，经室内模拟取样过程，开展加、卸荷剪切试验和无荷膨胀率试验，研究水岩作用下卸荷泥岩的强度和变形特性及其变化规律。

1 试验方案及试验条件 1.1 试验准备

试样取自南宁某建筑基坑，取样深度为8~15 m，在基坑处采用人工开挖法取样。采用保鲜膜包裹试样，装于充填纸屑和海绵的泡沫箱中运输，利用钢丝锯和切土刀切取试样，降低对泥岩的扰动。拟进行加、卸载的直接剪切试验和无荷膨胀率试验。加、卸载直接剪切试验采用ZJ型应变控制式直剪仪，采取快剪试验方法，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)(以下简称《标准》)，剪切速率采用0.8 mm/min，无荷膨胀率试验采用固结仪。试样按照《标准》加工成直径61.8 mm，高20 mm的土饼样品，泥岩样品如图 1所示。

1.2 试验方案

(1) 加载试验。法向应力分别为100，200，300，400 kPa作用下进行快剪试验，获得加载状态下的τ-σ曲线和抗剪强度指标。

(2) 卸载试验。首先对泥岩试样分别在不同垂直荷载(100，200，300，400 kPa)作用下进行固结试验，然后逐级卸载，待每级卸载稳定后进行剪切试验，获得卸载状态下的τ'-σ'曲线和抗剪强度指标。卸载试验具体情况见表 1。

(3) 为考虑取样时水对泥岩的影响，从膨胀与变形的角度设计了水岩作用对卸荷泥岩变形特性影响的试验。一是进行原状样品的无荷膨胀率试验；二是进行卸荷样品的无荷膨胀率试验，分别获取无荷膨胀率δ_e与物理性质指标。

2 应力路径与强度 2.1 取样卸荷的应力状态分析

天然状态岩土体是三相受力体，取样卸荷过程中，深处土体应力随上覆土层的卸除而产生变化，并发生重分布。钻孔底部下某深度处土体单元A点的受力过程如图 2所示，应力重分布过程如图 3所示。应力重分布过程即是泥岩内部能量释放过程，这一过程致泥岩内部裂隙增大，结构受损，从而降低了泥岩样品的强度。

2.2 应力路径与强度分析

南宁盆地泥岩具有较强的超固结性^[16], 前期固结压力远高于第四系硬土，在一定程度上影响着泥岩强度。图 4为超固结状态下的三轴固结不排水剪切试验的应力路径，图中p=(σ₁+σ₃)/2，q=(σ₁-σ₃)/2，σ₁, σ₃分别为大小主应力，p, q为总应力，p′, q′为有效应力。图中A表示天然原位状态即K₀状态，B表示取样卸荷后的状态，C表示对试样进行等向固结后的状态。AF为原状土的总应力路径，ABD为卸荷样品的总应力路径，ABCE为等向固结样品的总应力路径。BD′，CE′，AF′为有效应力路径。卸荷样品强度(D点)和等向固结样品强度(E点)远小于原状土强度(F点)。由应力路径分析可知卸荷对试样的初始影响不可忽略，必须考虑卸荷对泥岩强度及变形的影响。室内试验用样为卸荷样品，试验参数值过低，常常无法被工程所利用的现象时有发生。

3 卸荷泥岩的强度变化分析 3.1 试验内容

本试验利用五联直接剪切试验仪，通过室内试验模拟取样卸荷过程，其应力路径为固结-卸荷-快剪，应力路径如图 5所示，图中p, q意义同上。O→A点为固结压力下的固结过程，A→B→C为卸荷、稳定过程，C→D为剪切过程。试验分为加载试验和卸荷试验。

试验样品的基本物理性质指标如表 2所示。样品分为两大组，一组样品进行卸载试验，在先期固结压力P₁作用下进行固结，待固结稳定时，进行卸荷，每级卸荷量为50 kPa，最后一级卸荷量为25 kPa，终级卸荷至25 kPa，待卸荷稳定后，进行快剪试验，并获得不同先期固结压力、不同卸荷等级下的抗剪强度；另一组样品进行加载试验，剪切试验时作用在试样上的法向压力分别为100，200，300，400 kPa，并获得加载条件下的抗剪强度。

3.2 卸荷泥岩力学性质分析

加、卸载作用下的抗剪强度试验结果如图 6所示。由图 6可知，加载状态下的抗剪强度包络线呈近似直线变化，其黏聚力c为241.3 kPa, 内摩擦角φ为39.1°。卸荷状态下泥岩抗剪强度包线基本位于加载抗剪强度包线上方，并呈曲线变化。各卸荷作用下的抗剪强度指标见表 3，比较加、卸荷作用下的抗剪强度指标可知，卸荷状态下的黏聚力均大于加载状态，而卸荷状态下的内摩擦角均小于加载状态。卸荷状态下的内摩擦角随固结压力变化而小幅度波动，而黏聚力受固结压力的影响较大。

为进一步弄清取样卸荷对泥岩强度损失程度问题，在此引入卸荷比R^[6]并提出强度损失率P_r来进行分析。卸荷比R为固结压力与剪切时作用在试样上的法向压力之差与固结压力的比值，即R=(P₁-P₂)/P₁。强度损失率P_r是从泥岩微、宏观结构方面表征取样卸荷效应对泥岩强度影响的指标，是固结压力下的抗剪强度τ_f与卸荷后的抗剪强度τ′_f之差与固结压力下的抗剪强度τ_f的比值。由图 7可以看出：随着卸荷比增加，强度损失率逐渐增大，且卸荷初期，卸荷比与强度损失率呈近似线性关系，之后呈曲线变化。由于初期卸荷量小，卸荷回弹量可忽略不计，其对泥岩强度的影响不大。随着卸荷比的增加，泥岩表层裂隙增多，微裂隙逐渐微张，水岩作用通道打开，致使泥岩内部小区域结构发生破坏。当卸荷比增大到0.7~0.8时，强度损失率急速增大，泥岩内部微裂隙连穿贯通，水岩作用强烈，内部结构严重受损，强度降低，变形增大。

4 水岩作用对卸荷泥岩变形特性的影响

前面提到取样过程存在着三类扰动作用，而室内试验时不考虑取样阶段卸荷回弹和膨胀变形对样品的初始影响，从而直接影响到泥岩的变形特性，因此，不能忽略卸荷与水岩作用对泥岩样品变形特性的影响。

4.1 试验内容

利用固结仪模拟卸荷回弹与水岩作用下的变形，研究产生过程及量值变化。试验内容为原状样品的无荷载膨胀率试验和对样品进行预压固结后的无荷载膨胀率试验。无荷载膨胀率试验是指测定原状土或扰动土在无荷载有侧限条件下的膨胀率试验。原状样品试验：在固结仪内安装试样，自下而上向容器内注入纯水，并保持水面高出试样5 mm，注水后每隔2 h测记竖向位移1次，直至2次读数差值不超过0.01 mm，认为膨胀稳定，记下最终变形量。预压固结样品试验：首先在固结仪中施加竖向固结压力，对样品进行固结，待固结稳定后测记竖向变形量，然后卸荷，待试样变形稳定后测记回弹变形量，接着向容器内注入纯水，进行无荷膨胀率试验，试验方法同原状样品，固结与卸荷作用下的变形情况如表 4所示。试验结束后均测定试样的含水量和密度。

4.2 取样过程对泥岩初始变形的影响分析

取样卸荷模拟试验的变形情况如表 5所示。原状样品室内无荷膨胀率试验得到的竖向变形量记为损伤样品膨胀变形量，用△D表示。对原状样品进行预固结处理后的无荷膨胀率试验得到的竖向变形量记为非损伤样品膨胀变形量，用△S表示，△H为卸荷回弹变形量。通过模拟取样过程对岩样变形的影响可知，在卸荷和水岩作用下样品的变形量为(△S+△H-△D)，非损伤样品总变形量为(△S+△H)。用结构损伤度表征水岩作用和卸荷作用分别对泥岩试样变形的影响程度，由表 5可知，水岩作用对泥岩试样的影响较大，结构损伤度(△D/(△S+△H))约达30%~65%。相对于水岩作用的影响，卸荷作用对试样变形的影响较小，结构损伤度(△H/(△S+△H))约为4%~21%。比较样品损伤前后膨胀变形量试验结果可知，取样扰动损伤后样品的膨胀变形量远小于非损伤样品，且随着固结压力的增加，损伤影响显著增加。

原状样品和卸荷样品的无荷膨胀率试验指标见表 6。

由表 6可知，原状样品的吸水量为8.96, 10.34, 6.43, 5.42 g，卸荷样品的吸水量为9.47, 13.28, 6.78, 7.45 g。比较吸水量可知，卸荷样品的吸水量明显高于原状样品。相同吸水量下，卸荷样品的膨胀率大于原状样品，且膨胀率随吸水量的增加而增大，如图 8所示。由膨胀率与时间关系曲线(图 9)可知，卸荷样品吸水膨胀时间和无荷膨胀率均大于原状样品，卸荷作用致使泥岩膨胀性增强了，吸水能力增大了。

一般地，膨胀量与它的起始含水量和密实程度相关，但即使所有条件一致，最终膨胀量大小也与是否能充分吸水有关，即使具有较高的膨胀潜势，也不能充分吸水，实际产生的膨胀变形必然是不够充分的。

由此可见，取样卸荷对泥岩强度与变形的影响表现在两个方面，一是微观影响，因卸荷致泥岩内部结构、连接发生破坏，结构重组，其黏聚力降低明显。取样时的水岩作用由外及里逐渐弱化了泥岩的胶结物，破坏了泥岩颗粒间的胶结作用，其结构强度有逐渐减小并消失的趋势，且水作用使土颗粒水膜增厚，颗粒间引力占优势，泥岩更易膨胀和收缩。二是宏观影响，取样的扰动作用对泥岩结构的影响在宏观上表现出来的是压缩性增大，可恢复变形减小，且所有宏观上表现出来的不可逆和力学性能的降低归根结底是其结构损伤的结果。

5 结语

对南宁盆地灰色膨胀性泥岩卸荷应力路径与强度的分析表明，取样卸荷对样品室内参数的影响是不可忽略的。对泥岩样品加、卸荷试验表明，随着卸荷比增加，强度损失逐渐增大，且在卸荷初期，卸荷比与强度损失率呈近似线性关系，当卸荷比为0.7~0.8时，泥岩强度损失率最大。卸荷作用与水岩作用共同影响下的试验研究表明，卸荷样品的吸水量明显高于原状样品。相同吸水量下，卸荷样品的膨胀率大于原状样品的膨胀率，卸荷作用使试样最终膨胀量增大。取样卸荷过程从微、宏观方面影响了泥岩强度和变形特性，水岩作用对泥岩初始变形的影响大于卸荷作用，其对样品的损伤约占30%~65%。