南寧電廠白堊系碎屑巖的強(qiáng)度和變形特征研究

劉發(fā)祥 安源遠(yuǎn) 唐升貴

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州貴陽 550005)

巖石強(qiáng)度是各種巖石分類及其地下工程穩(wěn)定性計(jì)算的主要指標(biāo)，巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及其破壞特征是研究巖石本構(gòu)方程的基礎(chǔ)，是巖石變形計(jì)算的依據(jù)，是數(shù)值計(jì)算不可缺少的基本數(shù)據(jù)[1]。由于巖石成因及其本身組構(gòu)的復(fù)雜性，造成了巖石力學(xué)性質(zhì)與其他人工材料相比有著更為顯著的不均質(zhì)性和各向異性[2]，因此，巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)仍是當(dāng)前工程應(yīng)用上需要研究的重要內(nèi)容。巖石的強(qiáng)度和變形特性除受試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法影響外，還與其本身組構(gòu)，如礦物成分、晶體特征、膠結(jié)性質(zhì)、顆粒大小及聯(lián)結(jié)方式、層理及裂隙的性質(zhì)和方向等因素密切相關(guān)[3，4]，碎屑巖由于物質(zhì)來源復(fù)雜、沉積環(huán)境多樣[5]，造成其組構(gòu)更為復(fù)雜多樣、力學(xué)性質(zhì)差異顯著，因此對(duì)碎屑巖強(qiáng)度和變形特性的研究仍有實(shí)際工程意義以及一定理論價(jià)值。本文對(duì)廣西南寧電廠新建工程場(chǎng)地的白堊系下統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖、含礫中至粗砂巖和礫巖樣品進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度以及變形破壞特征進(jìn)行研究，旨在為類似工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)樣品及其巖性特征

試驗(yàn)樣品巖性特征如下:Ⅰ組:共5段巖樣，編號(hào)為C114-1～C114-5，泥質(zhì)粉砂巖，黃～紫紅色，傾角20°左右的層理發(fā)育，間距在1 cm以內(nèi)，節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，質(zhì)地均勻，嵌晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造。Ⅱ組:共7段巖樣，編號(hào)為C116-1～C116-7，含礫中至粗砂巖，淺灰色，發(fā)育傾角20°左右的層理，層理間距在2 cm左右，節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主，嵌晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造。Ⅲ組:共8段巖樣，編號(hào)為C120-1～C120-8，含礫中至粗砂巖，黃～淺灰色，發(fā)育傾角20°左右的層理，層理間距1 cm～1.5 cm，節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主，嵌晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造。Ⅳ組:共6段巖樣，編號(hào)為C207-1～C207-6，礫巖，淺灰色，層理、節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主，母巖主要為灰?guī)r或白云巖，礫石棱角較明顯，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。Ⅴ組:共7段巖樣，編號(hào)為C212-1～C212-7，礫巖，淺～深灰色，層理、節(jié)理裂隙不發(fā)育，弱風(fēng)化狀態(tài)，以泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)為主，母巖主要為灰?guī)r或白云巖，礫石棱角較明顯，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

2 試驗(yàn)方法及過程

試件制作與試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50266-99工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法完成[6]。

2.1 試件制作方法

試驗(yàn)試件經(jīng)過鉆取、切割、磨平三個(gè)環(huán)節(jié)制備而成。試件鉆取、切割成型后，置于磨石機(jī)上進(jìn)行打磨加工，在鉆取、切割與打磨過程中全程淋水冷卻鉆石機(jī)鉆頭、金剛石圓鋸片及磨石機(jī)砂輪。成型后試件直徑一般為49.52 mm～71.80 mm，高徑比為1.39～2.06，未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)試件的巖樣測(cè)試結(jié)果采用修正公式的修正結(jié)果提出。

2.2 試件的烘干與飽和

將需烘干試件在105℃ ～110℃的恒溫下烘24 h，放入干燥容器內(nèi)冷卻至室溫后稱量試件質(zhì)量。重復(fù)以上操作直至相鄰兩次稱量之差不超過后一次稱量的0.1%。采用真空抽氣法飽和試件，飽和試件的容器內(nèi)的水面高于試件，抽氣時(shí)間控制在4 h以上。經(jīng)真空抽氣的試件在原容器內(nèi)放置4 h。

2.3 單軸壓縮變形及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程

測(cè)試程序?yàn)?將試件置于試驗(yàn)機(jī)上下加壓板之間，使試件的縱軸與加壓板的中心一致;開動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)上壓板與試件接近時(shí)，調(diào)整球座，使試驗(yàn)機(jī)的加壓板與試件的端面緊密、均勻地接觸;以每秒0.5 MPa～1.0 MPa的加荷速率均勻、連續(xù)地加荷。在加載過程中，逐級(jí)讀取荷載和相應(yīng)的縱向變形值，待儀器顯示荷載峰值出現(xiàn)后，表明試件已受壓破壞，即停止試驗(yàn)，并記錄破壞荷載值。將試件的破壞荷載除以試件的承壓面積即為試件的抗壓強(qiáng)度，選取試件應(yīng)力—縱向應(yīng)變曲線上的直線段計(jì)算巖石彈性模量。

3 強(qiáng)度和變形破壞特征分析

3.1 試驗(yàn)成果

本次研究共制作43個(gè)試件，其中，15個(gè)做天然抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，14個(gè)試件做飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，14個(gè)試件做烘干抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量試件的單軸豎向變形。5組試件的試驗(yàn)成果經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后匯總于表1。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

3.2 巖石單軸抗壓強(qiáng)度特征

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，繪制泥質(zhì)粉砂巖、含礫中至粗砂巖及礫巖的單軸抗壓強(qiáng)度條形圖如圖1所示。

從表1和圖1可看出:1)三種巖石盡管其粒度組成不同，但均具有烘干狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度大于天然狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度、天然狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度大于飽和狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度這一共同特征，說明三種碎屑巖的單軸抗壓強(qiáng)度受巖石含水量的影響很大;2)天然狀態(tài)下，泥質(zhì)粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度比含礫砂巖和礫巖的小得多，而含礫砂巖與礫巖的單軸抗壓強(qiáng)度差別不大;3)烘干狀態(tài)下，泥質(zhì)粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度較天然狀態(tài)增幅最大，含礫砂巖次之，而礫巖的增幅最小;4)三類巖石的彈性模量大小依次為礫巖＞含礫中至粗砂巖＞泥質(zhì)粉砂巖。

圖1 三類巖石的單軸抗壓強(qiáng)度條形圖

3.3 巖石單軸豎向變形及破壞特征

本次試驗(yàn)的5組三類巖石的縱向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線及破壞特征如圖2～圖11所示。

圖2 Ⅰ組泥質(zhì)粉砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 Ⅰ組泥質(zhì)粉砂巖試件破壞特征

圖4 Ⅱ組含礫中至粗砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5 Ⅱ組含礫中至粗砂巖試件破壞特征

對(duì)比分析圖2～圖11可得出以下認(rèn)識(shí):

1)泥質(zhì)粉砂巖存在節(jié)理面時(shí)，主要沿節(jié)理面發(fā)生剪切破壞(試件114t1)，無節(jié)理面時(shí)沿縱向發(fā)生脆性斷裂破壞，呈現(xiàn)拉破壞的特征(試件114t2，114t3)，且前者發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)變和峰值抗壓強(qiáng)度均比后者小得多，應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示塑—彈性的特征，說明巖石經(jīng)歷層理面和空隙的閉合和壓密過程后表現(xiàn)為脆性彈性材料的性質(zhì)。

2)含礫中至粗砂巖表現(xiàn)為脆性剪切破壞(試件120t1)和縱向脆性斷裂破壞兩種特征，呈現(xiàn)剪切破壞和拉破壞兩種性質(zhì)，但以拉破壞為主。由于受含礫的影響，破裂面與質(zhì)地較均勻的泥質(zhì)粉砂巖相比有一定差異，破裂面往往呈現(xiàn)繞過礫石的起伏彎曲特點(diǎn)，且總應(yīng)變相對(duì)要小。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線顯示塑—彈性的特征，表明該類巖石也經(jīng)歷了層理面和空隙的閉合和壓密過程。

3)礫巖的破壞兼有縱向拉裂和橫向鼓脹兩種破壞特征，拉裂面主要沿礫石間的充填物和膠結(jié)物延展，且破裂面不止一個(gè)，峰值強(qiáng)度后仍具有一定的承載能力，表現(xiàn)為延性巖石的特征。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線顯示塑—彈—彈塑—塑性的特征，表明該類巖石的破壞經(jīng)歷壓密→彈性能集聚→基質(zhì)或膠結(jié)物拉裂→礫石重排列→礫石剪切滑動(dòng)的復(fù)雜過程。

圖6 Ⅲ組含礫中至粗砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖7 Ⅲ組含礫中至粗砂巖試件破壞特征

圖8 Ⅳ組礫巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖9 Ⅳ組礫巖試件破壞特征

圖10 Ⅴ組礫巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖11 Ⅴ組礫巖試件破壞特征

4)總體而言，三類巖石相比，達(dá)到破壞前，泥質(zhì)粉砂巖的變形最大，含礫中至粗砂巖次之，礫巖變形最小。

4 結(jié)語

通過本文研究得出幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):1)碎屑巖的組構(gòu)不同，其單軸抗壓強(qiáng)度受含水量的影響表現(xiàn)出明顯差異，因此，工程上應(yīng)重視水對(duì)碎屑巖力學(xué)性質(zhì)的影響研究;2)碎屑巖的組構(gòu)不同，其力學(xué)性質(zhì)差異較大，呈現(xiàn)不同的破壞特征，泥質(zhì)粉砂巖和含礫砂巖一般以縱向拉裂破壞為主，當(dāng)有弱面存在時(shí)，可能發(fā)生沿弱面的剪切破壞，而礫巖的破壞情況復(fù)雜，兼有縱向多面拉裂和橫向鼓脹兩種破壞特征;3)碎屑巖的組構(gòu)不同，其變形特征差異顯著，總體而言，達(dá)到破壞前，泥質(zhì)粉砂巖的變形量最大，含礫中至粗砂巖次之，礫巖最小;4)泥質(zhì)粉砂巖和含礫中至粗砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為塑—彈性類，而礫巖的為塑—彈—彈塑—塑性類，前者表現(xiàn)為脆性巖石的性質(zhì)，而后者則表現(xiàn)出延性巖石的特征。

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[5] 孫永傳，李蕙生.碎屑巖沉積相和沉積環(huán)境[M].北京:地質(zhì)出版社，1986.

[6] GB/T 50266-99，工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].