干濕循環(huán)作用下巖石力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究

姜永東,閻宗嶺,劉元雪,陽興洋,熊 令

(1.后勤工程學(xué)院建筑工程系,重慶400041;2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶400067;3.重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400044)

地殼中的巖土體長期遭受太陽輻射能量、風(fēng)力、水等的作用,容易導(dǎo)致巖土體風(fēng)化,使巖土體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重劣化。在巖土工程中,由于巖土體遭受風(fēng)化作用使力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化引起的災(zāi)害事故較多,而且非常嚴(yán)重,造成了極大的危害。

對(duì)巖土體進(jìn)行干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn),可以模擬風(fēng)化作用對(duì)巖土體力學(xué)特性的影響。干濕循環(huán)對(duì)土體力學(xué)性能的影響研究較多,取得了一些重要的研究 成 果[1-9]。其 中 M.M.A llam 和 S.Sridharam[2]研究了干濕循環(huán)對(duì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響;得出:干濕循環(huán)導(dǎo)致黏土抗剪強(qiáng)度降低。劉松玉等[3]研究了干濕循環(huán)對(duì)擊實(shí)膨脹土脹縮特性的影響,得出:隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加擊實(shí)膨脹土的絕對(duì)膨脹率總是增大,而相對(duì)膨脹率降低;凌建明等[4]研究了不同含水量以及不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)路基填料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,得出:隨著干-濕循環(huán)次數(shù)增大,水泥-石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量均會(huì)減小。繆林昌等[5-8]實(shí)驗(yàn)研究了干濕循環(huán)對(duì)非飽和膨脹土水分特征曲線、裂隙演化和抗剪強(qiáng)度的影響,得出:干濕循環(huán)引起非飽和膨脹土土體結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致土樣中原有裂隙開展,新裂隙產(chǎn)生,裂隙數(shù)量增加并連通,最后形成網(wǎng)狀裂隙,從而導(dǎo)致其長期強(qiáng)度和變形模量明顯降低。楊和平等[9]研究了荷載條件下干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的脹縮變形和強(qiáng)度變化規(guī)律的影響,得出:荷載對(duì)干濕循環(huán)過程中膨脹土的脹縮幅度及強(qiáng)度衰減具有明顯抑制作用。干濕循環(huán)對(duì)巖石力學(xué)性能的影響研究較少,劉新榮等[10,11]研究了干濕循環(huán)作用下砂巖的剪切試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn),得出:巖石的抗剪強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而減小。且呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。干濕循環(huán)條件下對(duì)崩解性巖石影響較大,因此論文將選用砂巖、頁巖這兩種巖石,開展干濕循環(huán)條件下的單軸壓縮實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)研究干濕循環(huán)條件下對(duì)巖性、巖石變形特性、力學(xué)參數(shù)的影響。

1 干濕循環(huán)條件下巖石單軸壓縮試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與試件加工

試驗(yàn)設(shè)備采用M TS公司生產(chǎn)的M TS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)。該儀器主要用于測試固體材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的力學(xué)與滲流特性,可以進(jìn)行巖石的劈裂試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、循環(huán)加卸載試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)等。儀器的軸向最大載荷 2800kN,圍壓最大 80M Pa,孔壓最大80M Pa,溫度最高200℃,可采用力、位移、軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變控制方式,測試的精度高,性能穩(wěn)定。

巖樣通過鉆、切、磨等工序,加工成<50mm×100mm圓柱體,要求:兩端面平行度≤0.002mm,垂直度≤0.01mm/(1000mm),表面平整度≤±0.1mm/(100mm)。

1.2 試驗(yàn)方法

1)實(shí)驗(yàn)巖樣有砂巖和頁巖,每一種巖性的試件加工5組,每組3～5個(gè)試件,并測定出試件的直徑和高度。

2)將試件放入烘箱烘干12h,溫度為60℃。然后取出冷卻后放入水中浸泡12h,稱為1次干濕循環(huán)。砂巖試件進(jìn)行了1、3、6、9、12次干濕循環(huán)。因頁巖完全浸入水中會(huì)破壞,采用噴水的方法吸水,頁巖試件進(jìn)行了1、2、3、4次干濕循環(huán)。

3)浸泡12h后測得砂巖的含水量為3.56%,頁巖的含水量為2.65%。

4)試件循環(huán)次數(shù)達(dá)到后,將試件取出用保鮮膜包好,以防治水分蒸發(fā)。

5)將準(zhǔn)備好的試件拿到M TS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí)采用位移控制,加載速度為0.1 mm/min。實(shí)驗(yàn)中采集軸向力、軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、時(shí)間等參數(shù)。

1.3 干濕循環(huán)條件下巖石的變形特性

干濕循環(huán)條件下砂巖、頁巖的單軸壓縮試驗(yàn)部分結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出:巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線可以分為4個(gè)階段,即初始?jí)好?、彈性變形、?yīng)變硬化和應(yīng)為軟化階段。初始?jí)好茈A段軸向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變,體應(yīng)變?cè)黾?試件體積縮小,巖石被壓密,部分裂隙閉合。彈性變形階段軸向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變,體應(yīng)變?cè)黾?試件體積不斷縮小,巖石表現(xiàn)出明顯的線彈性。應(yīng)變硬化階段軸向力與軸向應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系,這個(gè)階段體應(yīng)變有一個(gè)最大值,這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力就是屈服應(yīng)力,屈服點(diǎn)以前試件的體應(yīng)變都在增大,試件體積縮小,過了屈服點(diǎn)之后,試件的橫向變形迅速增加,體應(yīng)變開始減小,試件體積開始增大,到峰值時(shí),體應(yīng)變趨于零,試件又恢復(fù)原體積。這個(gè)階段巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂隙,且裂隙隨加載載荷增加加速擴(kuò)展,最終裂隙匯合貫通使巖石破裂。應(yīng)為軟化階段試件體積膨脹,體應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,說明試件體積大于原體積。試件破裂后,巖石的承載能力沒有完全喪失,還具有一定的承載能力,強(qiáng)度減弱到殘余強(qiáng)度。

干濕循環(huán)次數(shù)增加,試件的橫向變形與軸向變形增大,峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)龃?產(chǎn)生的原因是水的軟化作用和干濕循環(huán)對(duì)巖石的風(fēng)化作用。巖石的單軸壓縮試驗(yàn)破壞方式如圖2所示。由圖2可以看出:試件的破壞形式有剪切破壞和劈裂破壞。

1.4 干濕循環(huán)條件下巖石的力學(xué)特性

干濕循環(huán)條件下巖石的單軸壓縮試驗(yàn)力學(xué)特性表1、圖3～圖6。實(shí)驗(yàn)研究得出:

1)試件在干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中,砂巖未發(fā)現(xiàn)裂紋,頁巖產(chǎn)生一些宏觀的裂紋,且裂紋數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增加。

2)從表1中可以看出:巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、E50模量隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而減小,頁巖的泊松比隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大,干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖的泊松比影響不明顯。對(duì)于砂巖:1次循環(huán)單軸抗壓強(qiáng)度是12次循環(huán)的1.65倍,1次循環(huán)彈性模量是12次循環(huán)的2.03倍;1次循環(huán)E50模量是12次循環(huán)的2.92倍。對(duì)于頁巖:1次循環(huán)單軸抗壓強(qiáng)度是4次循環(huán)的1.57倍,1次循環(huán)彈性模量是4次循環(huán)的1.91倍;1次循環(huán) E50模量是4次循環(huán)的2.17倍。

3)干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)巖石力學(xué)特性的影響很明顯,其原因是在干燥過程中,溫度作用使試件產(chǎn)生軸向與徑向膨脹,巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生微小的變化。在水浸泡過程中,水從試件表面的裂隙、孔隙進(jìn)入巖石內(nèi)部,潤濕了巖石的礦物顆粒,水分子作用軟化了巖石的物理狀態(tài),削弱了顆粒之間的聯(lián)系,使得力學(xué)參數(shù)降底。

4)從圖3～圖6中可以看出:巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、E50模量與干濕循環(huán)次數(shù)呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,相關(guān)性很好。

表1 干濕循環(huán)條件下巖石的力學(xué)參數(shù)

圖1 干濕循環(huán)條件下巖石的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)

圖2 干濕循環(huán)條件下巖石的破壞方式

圖3 單軸抗壓強(qiáng)度平均值與干濕循環(huán)次數(shù)曲線

圖4 彈性模量平均值與干濕循環(huán)次數(shù)曲線

圖5 E50模量平均值與干濕循環(huán)次數(shù)曲線

圖6 泊松比平均值與干濕循環(huán)次數(shù)曲線

2 結(jié)論

1)巖石單軸壓縮試驗(yàn)表明:巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線可以分為4個(gè)階段,即初始?jí)好?、彈性變形、?yīng)變硬化和應(yīng)為軟化階段。

2)干濕循環(huán)次數(shù)增加,試件的變形增大,峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)龃?其原因源于水的軟化作用和干濕循環(huán)對(duì)巖石的風(fēng)化作用。

3)干濕循環(huán)作用下,巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、E50模量減小,且與干濕循環(huán)次數(shù)呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

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