水巖作用的丹江口庫區(qū)巖石力學性能試驗

謝向東，劉素梅

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水巖作用的丹江口庫區(qū)巖石力學性能試驗

謝向東1，劉素梅2

(1.湖北文理學院 機械與汽車工程學院，湖北 襄陽 441053；2.武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072)

通過對丹江口庫區(qū)廣泛分布的砂巖、微風化輝綠巖和輝綠巖的標準化試樣進行干燥、庫水浸泡1周和浸泡3個月處理，然后對經(jīng)過3種處理的試樣的力學性能分別進行了不同圍壓下的三軸試驗研究，以此探討物理化學作用對庫區(qū)巖石力學性能的影響，為丹江口水庫續(xù)建工程誘發(fā)地震機理研究提供基礎數(shù)據(jù). 結果表明，丹江口庫水對巖石的化學作用不明顯，但是物理作用明顯，即經(jīng)過庫水物理化學作用后，巖石抗壓強度、彈性模量和泊松比均下降，而且?guī)焖饔脮r間越長，力學參數(shù)降低越多.

丹江口庫區(qū)；巖石力學；水巖物理化學作用

水庫誘發(fā)地震是水庫蓄水后多種因素綜合影響的結果，比如庫水靜壓力[1]、水位升降變化、庫水下滲引起的孔隙水壓力[2-3]、庫水對巖石和斷層的侵潤、化學作用等[4-6]. 這些因素都與庫水有關，可見庫水在水庫誘發(fā)地震中占據(jù)重要地位. 國內(nèi)外學者已經(jīng)充分注意到水對巖石的物理化學作用，并提出它是水庫誘發(fā)地震的關鍵因素，但關于丹江口庫區(qū)巖石水巖物理化學作用的定量研究尚未見諸報道. 本文對丹江口水庫庫區(qū)代表巖樣進行水巖物理化學作用試驗研究，探討巖石在水巖物理化學作用后的力學性能，為丹江口水庫續(xù)建工程誘發(fā)地震研究提供基礎數(shù)據(jù).

1 試驗方案

為了比較水巖物理化學作用效果，本文分別對干燥狀態(tài)、庫水浸泡1周、庫水浸泡3個月的巖石試樣進行分組試驗，以得到巖石在3種狀態(tài)下的力學參數(shù). 試驗方案如下：1)根據(jù)庫區(qū)地質地形圖，分析庫區(qū)代表性巖石，確定試驗的巖樣類型；2)深入庫區(qū)，用手持GPS定位儀進行定位，并將巖樣與地質圖進行對比，確定無誤后，采集新鮮巖樣，并按照統(tǒng)一編號標記后密封保存；3)根據(jù)《試驗規(guī)程》[7]將現(xiàn)場采取的巖樣制備成Φ50mm×100mm的圓柱體試件，每種巖石制備3組(每組5個)，3組共45個試件，分別進行干燥、庫水浸泡1周、庫水浸泡3個月的處理；4)對3組試件分別進行不同圍壓下(0MPa, 5MPa, 10MPa, 20MPa, 40MPa)的三軸壓縮變形試驗[8]，每種試驗用15塊試件，研究三軸壓縮條件下巖石的力學性能，包括抗壓強度、變形特性及其相關參數(shù)，并通過比較浸泡不同時間后巖石力學參數(shù)的變化研究水巖物理化學作用對巖石力學性質的影響.

2 試驗方法

嚴格按照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》[9]的要求，制備合理的試件，分別對各組時間進行干燥、庫水浸泡1周和浸泡3個月的處理后進行試驗，三軸壓縮變形試驗在MTS815.03剛性試驗機上進行. 試驗前對試樣進行描述，如：巖石名稱、顏色、主要礦物成分，顆粒大小及結構特征等可能影響試驗結果的因素. 試驗前預估試樣的破壞荷載，以20 KN/min的加載速度加載，試驗過程中密切監(jiān)視試驗曲線. 當變形曲線接近峰值點時，從“應力控制”切換為“應變控制”，得到變形后期的變形曲線. 三軸壓縮變形試驗結束后，整理數(shù)據(jù)，繪制應力-應變關系曲線，并計算巖石彈性模量，泊松比，內(nèi)摩擦角Φ和粘聚強度c.

3 試驗結果及分析

3.1 巖樣的應力-應變關系曲線

根據(jù)前述試驗方法，得出庫區(qū)代表性巖樣在經(jīng)過干燥、庫水浸泡1周和庫水浸泡3個月處理后的應力-應變關系曲線，如圖1—8所示.

圖1 3種巖石單軸應力應變關系

圖2 3種巖石5MPa圍壓下軸向應力應變關系

圖3 3種巖石10MPa圍壓下軸向應力應變關系

圖4 3種巖石20MPa圍壓下軸向應力應變關系

圖5 3種巖石40MPa圍壓下軸向應力應變關系

圖6 砂巖軸向應力應變關系

圖7 微風化輝綠巖軸向應力應變關系

圖8 輝綠巖軸向應力應變關系

根據(jù)以上試驗結果可以看出：

1) 砂巖在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa圍壓下3種狀態(tài)的應力應變試驗結果分別如圖1—5的(a)圖所示：由圖中試驗曲線可以看出砂巖峰值強度在不同圍壓下基本符合干燥狀態(tài)最大，庫水浸泡1周次之，庫水浸泡3個月最小的規(guī)律；而且隨圍壓的增加而增大，其中干燥狀態(tài)最高達150Mpa，庫水浸泡3個月最高達60Mpa. 砂巖在干燥低圍壓條件下發(fā)生脆性破壞，隨著庫水浸泡時間增加逐漸轉化為延性破壞. 當圍壓增加到一定程度后干燥狀態(tài)的砂巖也發(fā)生延性破壞，而且隨著庫水浸泡時間增加其強度降低.

2) 微風化輝綠巖在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa圍壓下3種狀態(tài)的應力應變結果分別如圖1—5的(b)圖所示：由圖中應力應變曲線可以看出微風化輝綠巖的試驗結果不太理想，可能是由于巖樣受風化，質地不均勻造成的. 但基本上還是滿足干燥狀態(tài)的峰值強度最大，庫水浸泡1周次之，庫水浸泡3個月最小的規(guī)律；而且隨圍壓增加峰值強度增大. 其中干燥狀態(tài)的峰值強度最高達300Mpa，飽和狀態(tài)最高達120Mpa. 微風化輝綠巖干燥狀態(tài)彈性變形較大，而且隨著圍壓增加強度增大變形也增大；庫水浸泡1周后其彈性變形相對干燥狀態(tài)有所變小，這是由于吸水膨脹使微風化輝綠巖的裂隙彌合所致. 隨著庫水浸泡時間增加，其強度越來越小，但是延性增加.

3) 輝綠巖在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa圍壓下3種狀態(tài)應力應變結果分別如圖1—5的(c)圖所示：由圖中應力應變曲線可以看出輝綠巖的峰值強度基本滿足干燥狀態(tài)最大，庫水浸泡1周次之，庫水浸泡3個月最小的規(guī)律，而且隨圍壓增加而增大. 3種狀態(tài)的關系曲線相對比較接近. 其中干燥狀態(tài)的峰值強度最高達420Mpa，庫水浸泡3個月最高達320Mpa. 輝綠巖試塊在低圍壓干燥狀態(tài)或者浸泡1周后基本上都是發(fā)生脆性破壞，隨著圍壓增加或庫水浸泡時間增長，其延性都增加，庫水浸泡時間的增加更有利于其延性的提高.

4) 3種巖石各種狀態(tài)(干燥狀態(tài)，庫水浸泡1周，庫水浸泡3個月)不同圍壓(0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa)下的應力應變試驗結果繪于圖6—8中. 由圖6可以看出砂巖在3種狀態(tài)下的應力基本都是隨圍壓增加而增加，隨圍壓的變化其應力應變曲線有明顯的變化. 由圖7、8可以看出不同狀態(tài)的微風化輝綠巖和輝綠巖在低圍壓下發(fā)生脆性破壞，而且其應力應變曲線基本重合，但是高圍壓下轉變?yōu)檠有云茐?

3.2 巖樣彈性模量E，彈性泊松比μ，內(nèi)摩擦角Φ和粘聚強度C

根據(jù)國際巖石力學學會實驗室和現(xiàn)場試驗標準化委員會推薦的《巖石力學試驗建議方法》[8]中關于彈性模量，泊松比，內(nèi)摩擦角及粘聚強度的計算，可以得到各類巖石的力學參數(shù)如表1，2所示. 由表1，2可以看出，經(jīng)過不同處理的巖石材料的彈性參數(shù)有比較大的差異，這些參數(shù)的改變反映了各狀態(tài)下變形性狀的某種差異.

表1 3種巖石不同狀態(tài)不同圍壓下的彈性模量和波松比

表2 3種巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚強度

3.3 水巖物理化學作用分析

通過前述試驗結果分析可知，庫水對巖石的物理化學作用對其力學性能有著顯著的影響. 當庫水浸入巖石內(nèi)部時，就順著裂隙進入，潤濕巖石全部自由面上的每個礦物顆粒. 水分子的介入改變了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒間的聯(lián)系，伴隨發(fā)生一些化學反應. 在干燥狀態(tài)和庫水浸泡狀態(tài)下所求得的巖石力學參數(shù)具有明顯的差別，這一差異在微風化輝綠巖和砂巖中表現(xiàn)得更加突出，這種巖石吸水后強度弱化的現(xiàn)象與巖石的總空隙率有著直接的聯(lián)系. 由于孔隙中的水對巖石中礦物的溶蝕、軟化、泥化、膨脹以及化學作用，使得庫水浸泡狀態(tài)下巖石抗壓強度有所降低. 本文試驗中砂巖在40MPa圍壓下干燥狀態(tài)的峰值強度是庫水浸泡3個月后強度的3倍，微風化輝綠巖是兩倍，輝綠巖在3種巖石中最堅硬致密，所以變化不大.

4 結論

1) 庫水浸泡時間對巖石抗壓強度的影響是顯著的，巖石吸水后會發(fā)生一系列的物理化學作用，從而使其強度有明顯的降低. 一般說來，庫水浸泡時間越長，強度就越低，反之亦然. 隨著庫水浸泡時間的增加巖石抗壓強度弱化程度與巖石的堅硬致密程度與親水性強弱等有密切關系.

2) 巖石彈性變形參數(shù)隨著試驗狀態(tài)的不同有所差異，各類巖樣的彈性模量E，彈性泊松比μ，內(nèi)摩擦角Φ和粘聚強度c在不同試驗條件下的差異較大，因此在工程中應用這些參數(shù)時要考慮巖石所處的物理環(huán)境.

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Water-rock Interaction Between Rock and Reservoir Water in Danjiangkou Area

XIE Xiangdong1, LIU Sumei2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China; 2. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

By the physical-chemical interaction between reservoir water and rock specimens in Danjiangkou area which are on dry state, have been soaked for one week and for three months. Physical-chemical interaction between water and rocks are experimented under different confining pressure on MTS in Danjiangkou reservoir, which can provide basic data for the study on the reservoir-induced seismicity mechanism of Danjiangkou reservoir. The results show that the chemical interaction is non-significant, but the physical action is notable. Values of physical mechanics parameters reduce with the increase of soaking-time.

Danjiangkou reservoir area; Rock mechanics; Physical-chemical interaction between water and rock

TU45

A

2095-4476(2014)05-0037-05

2014-03-14;

2014-04-15

湖北省自然科學基金資助項目(2012FFC05201, 2011CDB267)

謝向東(1975— ), 男, 河南南陽人, 湖北文理學院機械與汽車工程學院講師, 博士, 主要研究方向: 工程結構抗震.

(責任編輯：饒 超)