間歇性泡水對(duì)砂巖力學(xué)性能的影響研究

何 葉，趙明階，楊艷萍，龍騰輝

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074;2.云南省航務(wù)管理局，云南 昆明 650021;3.重慶同乘工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，重慶 400023）

間歇性泡水對(duì)砂巖力學(xué)性能的影響研究

何 葉1，趙明階1，楊艷萍2，龍騰輝3

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074;2.云南省航務(wù)管理局，云南 昆明 650021;3.重慶同乘工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，重慶 400023）

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采樣和三軸試驗(yàn)，以工程中較常見的砂巖為例，設(shè)計(jì)了不同泡水次數(shù)，對(duì)砂巖進(jìn)行了間歇性泡水試驗(yàn)和力學(xué)指標(biāo)測(cè)試。通過對(duì)天然狀態(tài)和不同泡水次數(shù)下砂巖力學(xué)指標(biāo)的比較分析，研究了間歇性泡水前后砂巖力學(xué)性能的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:隨著間歇性泡水次數(shù)的增加，砂巖的抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角都呈下降趨勢(shì)，其變化規(guī)律基本符合指數(shù)分布。

巖石力學(xué);間歇性泡水;力學(xué)性能;試驗(yàn)研究

水-巖相互作用研究是巖土工程中的前沿課題之一。滲水壓力和水動(dòng)力作用對(duì)巖石所產(chǎn)生的物理、化學(xué)和力學(xué)作用，會(huì)引起巖石力學(xué)性質(zhì)的改變，這個(gè)變化過程正是導(dǎo)致工程巖體發(fā)生變形破壞的根本原因［1］。巖石強(qiáng)度是評(píng)價(jià)巖石工程穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，為了通過研究巖石強(qiáng)度來進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性分析，周翠英，等［2］對(duì)華南地區(qū)的紅色砂巖、泥巖及黑色炭質(zhì)泥巖進(jìn)行了泡水試驗(yàn)研究，并將巖石軟化的試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)用到了廣東省東深供水改造工程的邊坡穩(wěn)定性分析;劉素梅［3］、徐禮華，等［4］對(duì)丹江口水庫(kù)區(qū)巖石在水環(huán)境下軟化后的物理、力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了丹江口庫(kù)區(qū)巖樣的基本物理參數(shù)及其在干燥、天然和飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性系數(shù)以及巖石軟化系數(shù)，并建立了抗壓強(qiáng)度與彈性模量，孔隙率與彈性模量之間的關(guān)系式;傅晏，等［5］對(duì)重慶地區(qū)的微風(fēng)化砂巖進(jìn)行了泡水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，干濕循環(huán)對(duì)砂巖造成了不可逆的漸進(jìn)性損傷，并對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的損傷程度進(jìn)行了定量分析;喬麗萍［6］、劉建，等［7］對(duì)砂巖在干燥、泡水、蒸餾水以及不同離子濃度和pH值水溶液循環(huán)流動(dòng)作用下，開展了一系列單軸壓縮試驗(yàn)和CT損傷測(cè)試，對(duì)砂巖彈塑性力學(xué)特性的水物理化學(xué)作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出采用改進(jìn)后的Duncan模型來反映一定水溶液下砂巖的水物理化學(xué)作用效應(yīng)是可行的;I.B.Vasarhely，等［8］也致力于巖石泡水后強(qiáng)度降低方面的研究?？梢?，巖體泡水會(huì)劣化巖體強(qiáng)度，給工程帶來不利影響，但以往研究多建立在巖體持續(xù)水試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)于巖體間歇性循環(huán)泡水作用后力學(xué)性能的研究資料較少，基于此，筆者依托云南省富寧港工程，考慮周期性大水位變化的特點(diǎn)，結(jié)合巖石泡水試驗(yàn)和強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)間歇性循環(huán)泡水作用下巖石的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 依托工程概況

云南省在建港口富寧港位于云南省東南部文山壯族苗族自治州富寧縣剝隘鎮(zhèn)內(nèi)，甲村河左岸河段上，岸線長(zhǎng)約2.5 km。所處的山地高原地形錯(cuò)綜復(fù)雜、地面波狀起伏、河谷下切較深、高原邊緣地面崎嶇、高原型季風(fēng)氣候垂直變化顯著、干濕季分明、年平均降水量和蒸發(fā)量大，造成了高原山區(qū)特有的水文地質(zhì)條件復(fù)雜、地表巖石風(fēng)化嚴(yán)重、巖石裂隙發(fā)育、穩(wěn)定性差、庫(kù)湖區(qū)水位變幅大等不良條件。

1.1 地層巖性

工程所在地域下臥基巖為三疊系中統(tǒng)百逢組第3段及第4段（T2b3、T2b4）地層，廣為分布的巖石為中風(fēng)化泥巖和砂巖，其中中風(fēng)化砂巖的平均厚度為6.72 m，是主要持力層。

1.2 水文條件

富寧港處在百色水利樞紐的常年回水區(qū)，受百色水利樞紐工程水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度影響，其水位落差達(dá)到了25 m，根據(jù)百色水利樞紐運(yùn)行調(diào)度方案確定的年水位變化規(guī)律曲線如圖1。

圖1 年水位變化規(guī)律曲線Fig.1 Curve of annual water level change

在分析百色水利樞紐水文特征數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合港口及前方航道的特點(diǎn)，確定了富寧港港區(qū)設(shè)計(jì)水位（黃海高程）。設(shè)計(jì)高水位:228.50 m（相當(dāng)于樞紐正常蓄水位 +超蓄高度）;設(shè)計(jì)低水位:203.00 m（相當(dāng)于樞紐死水位）。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合富寧港的水文地質(zhì)資料，考慮周期性水位變化的特點(diǎn)，港區(qū)巖體將長(zhǎng)期處于間歇性泡水狀態(tài)，基于此對(duì)該工程現(xiàn)場(chǎng)采集的砂巖巖樣進(jìn)行了間歇性泡水試驗(yàn)和力學(xué)指標(biāo)測(cè)試。

2.1 選樣、試件加工與分組

為了研究富寧港運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，就必須研究受周期性水位變化影響下，下伏基巖的力學(xué)性質(zhì)，掌握力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，基于此，選擇了持力層砂巖來進(jìn)行泡水試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)需要和規(guī)范要求，現(xiàn)場(chǎng)鉆心取樣、切割、打磨，分別加工了Φ50×100 mm的三軸試驗(yàn)試樣25個(gè)，Φ50×30 mm的劈裂試驗(yàn)試樣15個(gè)，以5個(gè)三軸試驗(yàn)試樣和3個(gè)劈裂試驗(yàn)試樣為1組，共分為5組。

2.2 巖樣泡水設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示的年水位變化規(guī)律曲線，港區(qū)巖體年泡水時(shí)間和晾置時(shí)間比約為8∶4。對(duì)于庫(kù)岸巖體而言，水位的周期性變化直接表現(xiàn)為巖體間歇性泡水作用過程，因此進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，將周期性水位變化等效為間歇性泡水作用進(jìn)行泡水設(shè)計(jì)。按比例，將巖樣的一次間歇性泡水周期設(shè)為12 d，泡水時(shí)間為8 d，晾置時(shí)間為4 d，循環(huán)4個(gè)周期，按不同的泡水周期設(shè)計(jì)5個(gè)工況（天然狀態(tài)取1組，定為工況1，其余4組分別泡水1～4個(gè)周期，即工況2～工況5），每個(gè)工況取1組試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在泡水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過三軸試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，對(duì)不同工況下的巖樣進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，比較分析了巖樣間歇性循環(huán)泡水后各力學(xué)參數(shù)的變化情況。

2.4 力學(xué)指標(biāo)測(cè)試方法與步驟

首先通過試驗(yàn)獲得砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，然后根據(jù)系統(tǒng)輸出的巖樣破壞過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線推算各個(gè)階段的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ等參數(shù)，最后根據(jù)計(jì)算的c、φ值，推算不同工況下巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度。其中計(jì)算黏聚力與內(nèi)摩擦角的基本步驟如下:

1）不同圍壓下的軸向應(yīng)力值計(jì)算;

2）最佳關(guān)系曲線的繪制;

3）包絡(luò)圖的繪制。

結(jié)合巖石三軸試驗(yàn)，在以上步驟基礎(chǔ)上，根據(jù)Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則可以得到求解c、φ值的公式如式（1）:

式中:b為最佳關(guān)系曲線上縱坐標(biāo)的應(yīng)力截距;m即表示最佳關(guān)系曲線的斜率。

3 間歇性泡水試驗(yàn)成果分析

通過力學(xué)指標(biāo)的測(cè)試與計(jì)算，得到了不同間歇性泡水次數(shù)下砂巖的力學(xué)指標(biāo)，結(jié)合泡水試驗(yàn)，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比和擬合分析后，就可以得到巖樣的力學(xué)指標(biāo)隨間歇性泡水次數(shù)的變化關(guān)系。

3.1 抗壓強(qiáng)度隨泡水次數(shù)的變化規(guī)律

對(duì)不同工況下測(cè)試的三軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行換算以后，得到不同間歇性泡水次數(shù)下砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度如表1，實(shí)測(cè)和擬合分析結(jié)果如圖2。

表1 試驗(yàn)記錄Table 1 Test record sheet

圖2 抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Curve of compressive strength

從而得到間歇性泡水次數(shù)n與砂巖單軸抗壓強(qiáng)度σc的擬合關(guān)系式如式（2）:

從擬合關(guān)系式可以發(fā)現(xiàn)，砂巖的抗壓強(qiáng)度隨間歇性泡水次數(shù)的變化基本上符合指數(shù)變化規(guī)律。隨著泡水次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，第1次泡水后強(qiáng)度折減幅度最大，達(dá)到了11.6%，隨著泡水次數(shù)的增加折減幅度逐漸變小，泡水2～4次后的強(qiáng)度折減系數(shù)都在5%左右，已逐漸趨于平穩(wěn)。

3.2 抗拉強(qiáng)度隨泡水次數(shù)的變化規(guī)律

由劈裂試驗(yàn)測(cè)得不同泡水次數(shù)下，砂巖的抗拉強(qiáng)度值如表1，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后得到的抗拉強(qiáng)度σt隨泡水次數(shù)的變化規(guī)律曲線見圖3，對(duì)應(yīng)的擬合關(guān)系式如式（3）:

圖3 抗拉強(qiáng)度曲線Fig.3 Curve of tensile strength

可見，砂巖的抗拉強(qiáng)度隨間歇性泡水次數(shù)的變化情況也基本上符合指數(shù)變化規(guī)律，變化幅度也可以通過強(qiáng)度折減率反映，泡水1～4次后抗拉強(qiáng)度折減率分別為5.7%，8.1%，2.2%，1.8%，隨著泡水次數(shù)的增加，抗拉強(qiáng)度折減率逐步減小。

3.3 抗剪強(qiáng)度隨泡水次數(shù)的變化規(guī)律

巖石的抗剪強(qiáng)度主要通過黏聚力和內(nèi)摩擦角來反映，結(jié)合三軸試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不同泡水次數(shù)下砂巖的c、φ值如表2。

表2 c、φ值Table 2 Value of c and φ

對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后得到c、φ值隨泡水次數(shù)的變化規(guī)律曲線見圖4，擬合關(guān)系式如下:

式中:c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;n為泡水次數(shù)。

圖4 c、φ值變化曲線Fig.4 Curve of c and φ

圖4給出了強(qiáng)度參數(shù)c、φ值隨泡水次數(shù)的變化關(guān)系曲線，擬合曲線基本符合指數(shù)變化規(guī)律。內(nèi)摩擦角泡水前后變化幅度小，4次泡水減小了5.2°;黏聚力泡水前后變化明顯，循環(huán)泡水4次后累計(jì)折減率達(dá)到了41.3%，幅度較大。實(shí)際工程中，黏聚力大小直接影響巖體抗剪切破壞能力，間歇性循環(huán)泡水引起巖體抗剪強(qiáng)度快速、大幅度折減現(xiàn)象是工程巖體變形破壞的根本原因，也是工程隱患所在。

4 結(jié)語

結(jié)合富寧港工程砂巖的泡水和參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)不同泡水次數(shù)下砂巖的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、c、φ值等力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試、計(jì)算和擬合分析，對(duì)間歇性泡水作用下砂巖力學(xué)性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明:

1）水位變化引起的港區(qū)巖體間歇性泡水過程會(huì)加速巖體力學(xué)指標(biāo)的折減;

2）泡水前后砂巖力學(xué)指標(biāo)的分析表明:隨著間歇性泡水次數(shù)的增加，砂巖的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和c、φ值的變化規(guī)律都基本符合指數(shù)變化規(guī)律。

3）間歇性泡水前后，砂巖的黏聚力折減幅度較大，這種現(xiàn)象是導(dǎo)致工程危害的隱患。

（References）:

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Influence of Intermittent Saturation on Mechanical Properties of Sandstone

HE Ye1，ZHAO Ming-jie1，YANG Yan-ping2，LONG Teng-hui3
（1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Yunnan Flight Operations Administration Bureau，Kunming 650021，Yunnan，China;
3.Engineering Consulting and Design Co.Ltd.of Chongqing Tongcheng，Chongqing 400023，China）

Combining with field sampling and tri-axial test，and taking sandstone which is common in project for example，different saturation numbers are designed.Then intermittent saturation trial and mechanical index test are conducted.Through comparative analysis of mechanical index of sandstone under natural state and different saturation number，research about the change regularity on mechanical properties of sandstone before and after intermittent saturation is carried out.The results show that:with the increase of intermittent saturation number，the compressive strength，cohesion and internal friction angle of sandstone all show a downward trend and their varying regularities probably conform to an exponent curve.

rock mechanics;intermittent saturation;mechanical properties;experimental research

TU 45

A

1674-0696（2011）06-1359-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.23

2011-06-20;

2011-07-18

云南省交通廳科技項(xiàng)目資助（YN2009SY02）

何 葉（1984-），女，湖南益陽人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)、巖土方面的研究。E-mail:heye.1984@163.com。