不同水巖作用下砂巖的力學(xué)參數(shù)演化特征*

付建軍， 董正東， 楊艷霜，， 易 恒

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410014； 2. 湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 武漢 430068)

本文以不同水巖環(huán)境下砂巖的劣化進(jìn)程為切入點(diǎn)，對(duì)天然狀態(tài)、飽水作用和干濕循環(huán)處理過(guò)的砂巖試塊進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，獲得了不同水巖作用下砂巖的強(qiáng)度和變形參數(shù)變化特征，闡明了砂巖在飽水作用和干濕循環(huán)兩種不同水巖作用下的弱化效應(yīng)，本文研究成果可為水電站邊坡巖體的穩(wěn)定性分析提供試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

本次試驗(yàn)選取巖樣為某水電站邊坡長(zhǎng)英質(zhì)砂巖，微風(fēng)化，節(jié)理顯著，切片鑒定巖性為絹云母中粒長(zhǎng)英砂巖，孔隙式鈣質(zhì)膠結(jié).砂巖粒徑為0.04～0.24 mm，其構(gòu)成成分為石英58%，長(zhǎng)石22%，巖屑13%，云母7%.

砂巖通過(guò)切磨等程序，制成大小為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱，要求兩端面平行度小于等于0.002 mm，垂直度小于等于0.001 mm，表面平整度小于等于±0.001 mm.

1.2 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)比較天然狀態(tài)、飽水作用以及干濕循環(huán)下巖石試樣的強(qiáng)度和變形參數(shù)，研究不同水巖作用對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響.三類試驗(yàn)的具體試驗(yàn)方案為：1)天然狀態(tài)，試樣處于室溫和自然通風(fēng)條件下，試樣的含水率為天然含水率；2)飽水作用條件下，采用真空飽和法使試件在pH為7的常溫水中飽和并保持一定的時(shí)間，完成一次飽水作用；3)干濕循環(huán)條件，采用真空飽和法，把制備好的巖石試件放進(jìn)pH為7的常溫水中進(jìn)行飽和24 h，然后將試件置于80 ℃烘箱中干燥24 h，完成一次干濕循環(huán).

此次試驗(yàn)共用試樣27塊.將試件均分為9組，每組有3個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果皆取三個(gè)試件的平均值.第1組試樣進(jìn)行自然干燥條件下的試驗(yàn)；第2～5組試樣分別進(jìn)行1、5、10和15次干濕循環(huán)試驗(yàn)，則對(duì)應(yīng)所需的干濕循環(huán)時(shí)間分別為2、10、20和30 d；第6～9組進(jìn)行飽水作用條件下的試驗(yàn)，且每組飽水作用條件下的試驗(yàn)與干濕循環(huán)試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間一致.

取出制備好的砂巖試塊，在MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用軸向位移控制方式加載，加載速率為0.01 mm/s[6].

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖1 飽水作用下砂巖單軸抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone under saturated-water effect

隨著水巖作用次數(shù)的增加，砂巖的彈性模量(曲線直線段斜率)不斷減小，而應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不斷增加，變化范圍為0.6%～0.8%.隨著水巖作用次數(shù)的增加，受水巖作用累積損傷影響，微裂隙壓密階段曲線投影長(zhǎng)度變長(zhǎng)，彈性變形階段曲線投影長(zhǎng)度變短，屈服階段曲線變化不是很明顯，試件塑性變形階段曲線變緩且投影長(zhǎng)度顯著變長(zhǎng)，即水巖作用使得砂巖在脆性破壞程度上減弱.

圖2 干濕循環(huán)下砂巖單軸抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone under wet-dry cycle

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度和變形參數(shù)

砂巖單軸壓縮強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.可以看出，兩種水巖作用對(duì)砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量都有較大影響.天然狀態(tài)的砂巖試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為52.35和7 631.13 MPa，飽水作用15次后試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別減少了27.22%和35.16%，干濕循環(huán)15次后試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別降低了40.29%和49.79%.

表1 不同水巖作用的砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量Tab.1 Uniaxial compressive strength and elastic modulus of sandstone subjected to different water-rock interaction MPa

為了比較兩種水巖作用對(duì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，將測(cè)得數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)(天然狀態(tài)為循環(huán)0次)，對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E與水巖作用次數(shù)n之間的關(guān)系進(jìn)行非線性擬合回歸分析.研究可得，飽水作用和干濕循環(huán)條件下，單軸抗壓強(qiáng)度σc與水巖作用次數(shù)n之間的擬合函數(shù)分別為

σc1(n)=44.3-2.08ln(n+0.02)

(1)

σc2(n)=42.42-4.13ln(n+0.09)

(2)

兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.98和0.99.

飽水作用和干濕循環(huán)條件下，彈性模量E與水巖作用次數(shù)n之間的擬合函數(shù)分別為

E1(n)=6 258.54-420.79ln(n+0.04)

(3)

E2(n)=5 789.12-692.31ln(n+0.07)

(4)

兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.99.

擬合曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖3、4所示.擬合曲線與數(shù)據(jù)點(diǎn)之間比較吻合，可根據(jù)擬合函數(shù)分析水巖作用下的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量.

水巖作用對(duì)砂巖試塊有很強(qiáng)的劣化效應(yīng)，具體表現(xiàn)為各組砂巖試塊平均單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與水巖作用次數(shù)之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著水巖作用次數(shù)的增加，砂巖試塊單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量表現(xiàn)為單調(diào)遞減趨勢(shì)，而曲線的降低幅度不斷變小，其漸進(jìn)線趨向于與x軸平行.干濕循環(huán)作用后的砂巖試塊強(qiáng)度和彈性模量比飽水作用的要小得多，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)砂巖試件的損傷劣化更加嚴(yán)重，在實(shí)際工程中具體表現(xiàn)為干濕循環(huán)對(duì)新鮮裸露的巖石損傷劣化作用更加突出.

圖3 不同水巖作用砂巖單軸抗壓強(qiáng)度與水巖作用次數(shù)關(guān)系

Fig.3 Relationship between uniaxial compressive strength and interaction times of sandstone subjected to different water-rock interaction

圖4 不同水巖作用砂巖彈性模量與水巖作用次數(shù)關(guān)系

Fig.4 Relationship between elastic modulus and interaction times of sandstone subjected to different water-rock interaction

3 結(jié)果分析

飽水作用和干濕循環(huán)是兩種常見(jiàn)的水巖作用，砂巖在這兩種作用下的劣化機(jī)理有所不同.飽水作用下，水從試件表面浸入試件內(nèi)部裂隙，親水性礦物顆粒吸附水膜增厚發(fā)生體積膨脹，巖石發(fā)生體積膨脹.除此之外，飽水作用下砂巖內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)的溶蝕導(dǎo)致顆粒間的黏結(jié)減弱，礦物顆粒的內(nèi)部分子之間距離增加，膠結(jié)物質(zhì)的溶解產(chǎn)生不規(guī)則的次生裂隙，而原生裂隙在水的損傷作用下逐漸發(fā)育，也產(chǎn)生新的次生裂隙，新老裂隙不斷擴(kuò)張延伸并形成融匯貫通，更多的水進(jìn)入并填充裂隙，加快對(duì)裂隙端處的沖蝕.而飽水次數(shù)的增加，是飽水作用對(duì)巖石內(nèi)部裂隙的一個(gè)累積損傷作用.因此，砂巖試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，試件抵抗變形能力變?nèi)?，?qiáng)度和彈性模量降低.

干濕循環(huán)過(guò)程是試件在飽和損傷的基礎(chǔ)上，對(duì)試件進(jìn)行干燥.在干燥過(guò)程中，試件裂隙中的自由水蒸發(fā)與親水礦物顆粒內(nèi)部的結(jié)合水升華形成失水耦合作用，氣體沿著裂隙向外擴(kuò)散.親水性礦物失水產(chǎn)生收縮，且體積收縮.在這種飽和吸水親水礦物顆粒體積膨脹、干燥失水親水礦物顆粒體積收縮和氣體擴(kuò)散的共同作用下，試件裂隙繼續(xù)發(fā)展，所以，干濕循環(huán)的強(qiáng)度和變形參數(shù)比飽水作用的要低.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，試件內(nèi)部裂隙率及水對(duì)其侵蝕損傷程度也隨之增加，裂隙的延伸擴(kuò)展又反過(guò)來(lái)促進(jìn)干濕循環(huán)作用的進(jìn)行，因此，強(qiáng)度和彈性模量也相應(yīng)的不斷減小[12-15].

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

1) 試驗(yàn)研究闡明了砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量在兩種不同水巖作用過(guò)程中的弱化現(xiàn)象，并且其弱化程度隨著水巖作用次數(shù)的增加而增加，最終趨向于穩(wěn)定值，干濕循環(huán)對(duì)砂巖力學(xué)特性的劣化效應(yīng)強(qiáng)于飽水作用對(duì)砂巖力學(xué)特性的劣化效應(yīng).

2) 砂巖力學(xué)參數(shù)在水巖作用初期的弱化響應(yīng)比較強(qiáng)烈，后期弱化幅度降低.單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E與水巖作用次數(shù)n之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系.