《Soils and Foundations》：On the mechanical behaviour of a bonding-dominated soft rock
编辑推荐：
胶结强度在控制胶结碳酸盐地层向固有参考状态力学演化过程中的作用仍是一个悬而未决的问题。本研究通过对完整试样和重塑试样开展排水三轴试验和高压力固结试验，研究了强胶结巴勒莫钙质砂岩（Palermo Calcarenite）的力学行为，并将结果与此前获得的弱胶结马尔
胶结强度在控制胶结碳酸盐地层向固有参考状态力学演化过程中的作用仍是一个悬而未决的问题。本研究通过对完整试样和重塑试样开展排水三轴试验和高压力固结试验，研究了强胶结巴勒莫钙质砂岩（Palermo Calcarenite）的力学行为，并将结果与此前获得的弱胶结马尔萨拉钙质砂岩（Marsala Calcarenite）的试验结果进行了对比。巴勒莫钙质砂岩经历渐进式结构解体（destructuration）并趋近于一个明确定义的参考状态，其完整试样与重塑试样在一维压缩和三轴剪切条件下均表现出收敛性。相比之下，此前研究的马尔萨拉钙质砂岩在一维压缩条件下完整状态与重塑状态之间未表现出收敛性。上述对比性响应与两种材料在胶结程度和胶结分布以及由此形成的结构上的显著差异相关。这些结果表明，对于具有不同结构特征的钙质砂岩，其对重塑作用的响应并非唯一，且对于此类地质材料，参考状态不能先验假定。
论文解读
一、研究背景与问题
天然地质材料的力学行为深受其结构的影响，该结构包括组构（fabric，即颗粒的尺寸、形状、排列和取向）和胶结作用（bonding，即成岩过程中形成的颗粒间胶结）。在胶结土和软弱岩石中，这种结构产生了一种亚稳定组构，其响应在加载过程中随胶结退化及颗粒骨架重组而演化。因此，理解结构解体过程对于解释从结构化类岩石行为向固有摩擦行为的转变，以及确定是否存在唯一的参考状态至关重要。
在临界状态土力学框架内，重塑状态通常被作为参考，代表结构消除后的固有响应。对于许多天然黏土和结构化砂土，结构解体导致其向唯一的正常压缩线（Normal Compression Line, NCL）和临界状态线（Critical State Line, CSL）收敛。然而，这种收敛并非普遍成立。已有研究表明，胶结碳酸盐砂可达到未胶结材料NCL之外的狀態，且即使在胶结断裂后其比体积在探索的应力范围内仍可能保持较高；结构效应可能在大应变下持续存在；三轴剪切可能不足以诱发充分的结构解体以达到固有条件。因此，向固有参考状态的收敛不能总是被假定。
西西里岛西南部的钙质砂岩为研究上述问题提供了合适的天然框架。这些生物碎屑碳酸盐岩具有相似的矿物组成，但因成岩作用不同而表现出显著不同的胶结强度和孔隙结构。巴勒莫钙质砂岩（Palermo Calcarenite）表现出强胶结、低孔隙度的组构，CT分析表明比体积可作为胶结程度的代表性定量参数；微观结构表征揭示了高堆积密度和低颗粒接触程度，与广泛分布的间质胶结一致。然而，重塑巴勒莫试样的行为此前未被研究，因此完整与重塑材料是否收敛于唯一固有力学响应、重塑条件能否作为该岩性的可靠参考状态仍不清楚。此外，此前研究分别考察各岩性，未对胶结程度和分布不同的钙质砂岩的对比行为进行直接比较。
二、研究内容与结论
本研究通过系统的试验研究，对强胶结巴勒莫钙质砂岩的力学行为进行了全面表征，并直接与弱胶结马尔萨拉钙质砂岩进行了对比。研究得出以下核心结论：巴勒莫钙质砂岩的完整与重塑试样在三轴剪切条件下收敛于唯一的临界状态线，在一维压缩条件下收敛于唯一的固有正常压缩线；而马尔萨拉钙质砂岩的完整与重塑试样在一维压缩条件下不收敛。这一对比性结果表明，钙质砂岩对重塑作用的响应并非唯一，且与初始胶结结构（包括胶结程度、分布及由此产生的孔隙度和组构）的差异密切相关。该研究为强胶结钙质砂岩提供了可靠的固有参考状态，对基础沉降评估、隧道稳定性分析及地下空洞长期行为预测具有重要的工程实践意义。
三、关键技术方法
研究人员采用了多项关键试验技术：对完整和重塑巴勒莫试样开展排水三轴压缩试验（完整试样9个，重塑试样11个，围压0.2–10 MPa）和高压力固结仪试验（完整试样6个，重塑试样2个，最大竖向应力80–224 MPa）；通过CT值（Hounsfield Units, HU）分析量化两种岩性的胶结程度差异；利用偏光显微镜（XPL）薄片分析表征微观结构和胶结分布；通过堆积密度（Packing Density, PD）和颗粒接触程度（Grain Contact, GC）定量描述组构特征；采用筛分分析评估试验前后粒径分布变化。重塑试样通过捣碎和轻手锤敲击完整试样制备，经80°C烘干后在分体模具中分三层压实成型。马尔萨拉钙质砂岩的完整试样数据来自此前研究，重塑试样仅有一维压缩试验数据。
四、研究结果
剪切过程中的应力-应变行为与临界状态
完整巴勒莫试样表现出胶结增强的初始刚度，而重塑试样刚度较低且无胶结屈服点。值得注意的是，低孔隙度完整试样（TCL2、TCL4a和TCL7）即使在低应力水平下也表现出与重塑材料相似的响应。密实试样尽管胶结程度更高，却表现出更韧性的行为，研究人员将其归因于胶结退化的渐进性——胶结并非同时破坏而是随应变逐渐断裂，导致载荷在残余胶结接触和摩擦相互作用之间重新分配。高比体积试样对围压更敏感，在低应力下呈脆性行为，在高应力下转为韧性行为。大多数试验在大应变下达到恒定应力比和恒定体积条件。两个出现剪切面的试样（TCL11和TCL5L）经滑动块面积修正后得到更高的临界状态摩擦角（φ'cs = 38°，对应q/p′ = 1.55），高于无应变局部化试样的36°（M = 1.50）。完整与重塑巴勒莫试样在q–p′平面收敛于唯一临界状态线（λ = 0.122，Γ = 2.402）。马尔萨拉钙质砂岩的临界状态参数差异显著：CSL斜率更陡（λ = 0.183）、截距更高（Γ = 3.126），临界状态摩擦角更低（φ'cs = 31°，M = 1.25）。
胶结效应
固结仪试验显示，巴勒莫完整材料在屈服前呈弹性行为，屈服后开始结构解体过程，屈服应力随初始比体积减小而增大。在高应力水平（σ'v > 200 MPa）下，完整与重塑材料的压缩路径收敛，表明在极高应力下组构不再具有残余结构效应。低初始比体积的完整试样与重塑材料表现出更快的收敛，但其屈服点识别不如高孔隙度试样清晰。巴勒莫的固有NCL（重塑试样压缩路径）与屈服后压缩线（高初始比体积完整试样压缩路径）不平行，两者在比体积约1.16处收敛，该值代表比体积和NCL斜率的极限。CSL与屈服后压缩线近似平行而非与固有NCL平行，表明临界状态行为仍反映胶结结构的特征。相比之下，马尔萨拉钙质砂岩的完整与重塑材料压缩路径不收敛，重塑试样曲线始终位于完整试样右侧，表明形成了不同的最终组构。微观观察显示，巴勒莫试样试验后细粒组分增加更明显，主要反映胶结基质而非碳酸盐颗粒的碎裂；马尔萨拉试样即使在极高应力下也未产生显著细粒，仅出现不规则微裂纹，颗粒边界变得明显更尖锐。重塑马尔萨拉试样表现出比完整试样更分散的组构，面-面接触在完整试样中更常见，而点-面接触在重塑试样中占主导。
五、讨论与结论
研究表明，巴勒莫钙质砂岩满足有效参考状态的条件：无论初始结构如何，完整与重塑试样在固结仪试验中收敛于唯一一维压缩线，在三轴试验中收敛于唯一临界状态线。马尔萨拉钙质砂岩则不满足：其完整材料比重塑材料更可压缩，初始组构保持稳健，两条压缩曲线发散而非收敛，因此重塑材料不能作为一维压缩的参考。这种对比与微观结构观察一致：重塑马尔萨拉材料中存在更多大孔隙，表明存在由不同类型颗粒间接触组成的细观结构，即使在高压应力下也难以消除。巴勒莫材料中更广泛的胶结破坏促进了彻底的结构解体和稳定互锁颗粒组构的形成，与真正的参考状态一致。由于比较涉及两种天然岩性而非受控的胶结变化，胶结与固有颗粒特性的各自贡献无法定量分离；此外，由于缺乏重塑马尔萨拉试样的三轴试验数据，其不收敛性的论证仅限于一维压缩行为。这些发现表明，钙质砂岩对重塑作用的响应并非唯一，且与初始胶结结构的差异相关。该研究对以钙质砂岩为地基或建筑材料的岩土工程设计具有直接实践意义，为强胶结钙质砂岩的结构解体后力学响应表征提供了实用框架，同时表明弱胶结钙质砂岩的组构依赖行为必须在设计中显式考虑。
