考虑形状演变的泥岩崩解机制及其粒度-数量分布预测研究

为解决泥岩崩解(Slaking)导致的工程安全隐患，研究人员通过大气与真空条件下的循环干湿崩解试验，结合多视角三维形态分析技术(SfM-MVS)，定量揭示了空气破裂(Air-breakage)和差异膨胀(Differential swelling)的贡献机制，建立了考虑颗粒形状参数(S3d)的粒度-数量分布预测模型，为岩土工程长期稳定性评估提供了新方法。

　　

泥岩作为含黏土矿物岩石，在隧道、边坡等工程中长期存在崩解引发的安全隐患。日本秋田县高速公路堤坝曾因泥岩崩解导致重大经济损失，而传统评估方法难以量化不同崩解机制的贡献。针对这一难题，Danxi Sun团队在《Soils and Foundations》发表的研究，通过创新性实验设计和三维形态分析，揭示了泥岩崩解的动态演化规律。

研究采用日本秋田泥岩(Akita mudstone)为样本，开展大气与真空条件下的循环干湿崩解对比试验，结合X射线衍射(XRD)分析矿物组成。通过自主研发的多视角三维重建技术(SfM-MVS)，定量提取颗粒形状参数Shape-3d(S_3d)，并建立考虑壳层状(Type 2)和常规型(Type 1)颗粒的预测模型。

3.1 秋田泥岩的膨胀特性

自然状态泥岩膨胀应变仅2%，而重塑试样达12%，证实内部胶结结构对膨胀的约束作用，这种约束破坏会引发差异膨胀应力。

3.2 崩解过程总体特征

大气条件下崩解比真空条件快58.3%，证实空气破裂是主要机制。崩解率随循环次数递减，与裂缝逐渐消失相关。

3.3 颗粒形状演化

中粒径颗粒(9.5-4.75 mm)呈现壳层状结构，S_3d值达5.0，比常规颗粒高2倍。真空试验中该特征更显著，证实差异膨胀导致分层剥落。

3.4 崩解机制解析

水分渗透产生"三明治效应"：表层膨胀而核心保持干燥，形成应力梯度引发壳层剥离。粗糙棱角区域优先渗透，导致颗粒表面逐渐光滑化。

3.5 形状参数化预测模型

突破传统球形假设，建立包含两种颗粒形态的预测体系。新型胶囊模型将数量预测准确率提升至R²=0.94，表面面积计算误差降低60%。

该研究首次实现崩解机制贡献的定量解析，证实空气破裂占初期崩解的58.3%。所开发的形状敏感预测模型，为岩土工程表面能计算和长期稳定性评估提供了新工具。研究采用的SfM-MVS技术方案，可推广至页岩、石膏等多种易崩解岩体的分析，对隧道支护设计、边坡防护等工程实践具有重要指导价值。