水對(duì)皖紅砂巖力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究

吳 平， 姚華彥， 朱大勇， 盧 睿， 周玉新

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司 金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；4.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢 430071）

水是工程短期或長(zhǎng)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，由水引起的地質(zhì)災(zāi)害逐漸受到人們的關(guān)注。許多學(xué)者從不同含水率或者飽水狀態(tài)等［1－5］角度探討了水對(duì)巖石的強(qiáng)度、力學(xué)特性指標(biāo)以及變形特性的影響規(guī)律。實(shí)際巖體往往處于三維應(yīng)力狀態(tài)下，故研究實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力狀態(tài)下水對(duì)巖體強(qiáng)度和變形的影響機(jī)理尤為重要。文獻(xiàn)［6］研究了不同飽水時(shí)間和不同圍壓下的軟巖強(qiáng)度的變化規(guī)律；文獻(xiàn)［7－8］分析了三軸壓縮下水對(duì)綠泥石片巖及云母石英片巖力學(xué)特性的影響規(guī)律；文獻(xiàn)［9］通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)，探討了油頁(yè)巖的強(qiáng)度和變形特性隨圍壓和水化時(shí)間的變化規(guī)律及破壞形式。上述研究成果對(duì)于巖土工程中地下采礦工程、道路隧道工程等均有重要的工程實(shí)踐意義。

績(jī)黃（績(jī)溪至黃山）高速公路是安徽省高速公路網(wǎng)規(guī)劃揚(yáng)州至績(jī)溪高速公路的重要組成部分，南接屯溪至杭州高速公路。高速公路建成后，對(duì)完善皖南山區(qū)高速公路網(wǎng)，加快沿線旅游資源開(kāi)發(fā)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要作用，故該路段路基安全穩(wěn)定性問(wèn)題受到人們的廣泛關(guān)注。該路段所經(jīng)地區(qū)位于皖南中低山區(qū)的腹地，地形起伏大，溝壑縱橫，沿線分布的覆蓋土層厚度較薄，下伏層多為紅砂巖，大部分路段利用紅砂巖填筑路基，紅砂巖的力學(xué)特性直接影響到績(jī)黃高速公路路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定與安全。但此類(lèi)紅砂巖遇水易軟化和崩解，工程性質(zhì)極差，難以直接作為路基的填筑材料［10］。

為確保工程安全運(yùn)行，探討水和圍壓對(duì)紅砂巖的強(qiáng)度和變形影響規(guī)律顯得尤為重要。鑒于此，本文采用三軸壓縮試驗(yàn)研究了水對(duì)紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)的影響，分析了水和圍壓分別對(duì)巖石強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律，并總結(jié)其破裂形式及機(jī)制，為紅砂巖作為實(shí)際工程路基填筑材料提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及過(guò)程

巖石試樣取自皖南山區(qū)，經(jīng)鑒定為鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)長(zhǎng)石巖屑細(xì)砂巖，鈣質(zhì)、泥質(zhì)基底式膠結(jié)，礦物鑒定如圖1所示。主要成分為：石英（40%）、泥質(zhì)巖巖屑（23%）、長(zhǎng)石（12%）、膠結(jié)物（25%）、白云母（＜1%）、電氣石（＜1%）。石英和長(zhǎng)石呈棱角狀、次棱角狀碎屑；巖屑多為泥質(zhì)巖巖屑，邊緣較平滑，黏土礦物呈隱晶質(zhì)，少量石英粉砂分布；硅質(zhì)巖巖屑內(nèi)石英呈隱晶質(zhì)分布；填隙物鐵染較明顯，方解石呈他形粒狀；碎屑與膠結(jié)物接觸關(guān)系為基底式膠結(jié)。

嚴(yán)格按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）試驗(yàn)規(guī)程要求，將巖塊加工成直徑為50mm，高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣。試樣制備采用切割機(jī)切割，人工打磨的方法，以避免水對(duì)制樣產(chǎn)生影響。試驗(yàn)時(shí)，一組為風(fēng)干狀態(tài)；另一組試樣放入蒸餾水中自由吸水浸泡24h，使其試驗(yàn)時(shí)處于飽水狀態(tài)。

圖1 砂巖礦物鑒定圖

三軸試驗(yàn)機(jī)采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所實(shí)驗(yàn)室的RMT－150C型巖石力學(xué)剛性伺服試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用軸向位移控制，加載速率為0.002mm／s，試驗(yàn)圍壓采用4個(gè)級(jí)別，分別為1、3、5、7MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 變形特性

干燥和飽水狀態(tài)的試樣在不同圍壓下的全程應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 不同圍壓下試樣的全程應(yīng)力－應(yīng)變曲線

從圖2可以看出，無(wú)論是干燥還是飽水試樣，在不同圍壓下，試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線在峰值前均經(jīng)歷微裂隙壓密階段、彈性階段及屈服階段，峰值強(qiáng)度附近出現(xiàn)屈服平臺(tái)；隨著圍壓的增加，曲線斜率隨著圍壓的增加而逐漸變陡，巖樣的峰值強(qiáng)度、屈服應(yīng)力都有不同程度的提高，表明巖石的剛度和強(qiáng)度均隨著圍壓的增大而增大。

應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變與圍壓之間的關(guān)系如圖3所示。從圖3可得出，無(wú)論是干燥還是飽水試樣，其應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨著圍壓增大而增大；但圍壓對(duì)飽水砂巖的峰值應(yīng)變影響更加明顯。低圍壓下，飽水砂巖峰值應(yīng)變小于干燥砂巖，而隨著圍壓增大，飽水砂巖峰值應(yīng)變大于干燥砂巖。

圖3 峰值應(yīng)變與圍壓的關(guān)系

變形模量和彈性模量是表征巖石變性特征的重要指標(biāo)［11］，變形模量E50多采用應(yīng)力為巖樣強(qiáng)度1／2時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的比值；彈性模量Eav指應(yīng)力－應(yīng)變曲線上近似直線部分的斜率。本文采用E50和Eav來(lái)表征紅砂巖的變形特征。實(shí)測(cè)的彈性模量、變形模量與圍壓之間的關(guān)系如圖4和圖5所示。

圖4 試樣彈性模量與圍壓關(guān)系

圖5 試樣變形模量與圍壓關(guān)系

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，紅砂巖的彈性模量、變形模量與圍壓呈較好的二次函數(shù)關(guān)系，且干燥試件的彈性模量、變形模量隨著圍壓的增大而逐漸增大，曲線表征為凹型曲線，但飽水試樣的曲線表征為凸型曲線，增長(zhǎng)速率逐漸減緩，逐漸趨向一個(gè)值。這可能是由于軟巖空隙壓密造成的現(xiàn)象。

紅砂巖內(nèi)部孔隙較多，在干燥情況下，隨著圍壓的增大，孔隙不斷被壓密，彈性模量隨之不斷增大。而在飽水情況下，巖石內(nèi)部開(kāi)孔隙被水充滿，不能被壓密，只有部分閉孔隙在圍壓加載過(guò)程中被壓密。所以隨著圍壓的增大，沒(méi)有充滿水的閉空隙壓密而彈性模量有增大的趨勢(shì)，但圍壓大于3MPa后，彈性模量基本趨向某個(gè)定值。

2.2 強(qiáng)度特性

干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)巖樣強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，紅砂巖的峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增大都有不同程度的增加；相同圍壓下，飽水試樣的峰值強(qiáng)度相對(duì)于干燥試樣的峰值強(qiáng)度均有不同程度的降低，說(shuō)明水對(duì)巖石的抗壓強(qiáng)度有明顯的劣化作用；干燥試樣的峰值強(qiáng)度對(duì)圍壓的敏感度大于飽水狀態(tài)試樣；當(dāng)圍壓從1MPa上升到7MPa時(shí)，干燥試樣的峰值強(qiáng)度增加了66.7%，而飽水試樣的峰值強(qiáng)度增加了53.2%。這說(shuō)明在低圍壓下，飽水試樣更容易破壞，受?chē)鷫鹤饔玫挠绊懶　?/p>

為更準(zhǔn)確地分析紅砂巖的三軸壓縮強(qiáng)度特征，本文將 Mogi－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則［12］運(yùn)用到三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果中，認(rèn)為巖樣的破壞是由于其破壞面上的八面體剪應(yīng)力τoct達(dá)到了極限值。Mogi－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則將巖樣破壞時(shí)的八面體剪應(yīng)力τoct看作最大和最小主應(yīng)力和的平均的函數(shù)，在主應(yīng)力空間中有：

在本試驗(yàn)中σ2＝σ3，故有：

τoct與（σ1＋σ3）／2之間成線性關(guān)系，其表達(dá)式為：

基于 Mohr－Coulomb準(zhǔn)則與 Mogi－Coulomb準(zhǔn)則，描述干燥和飽水狀態(tài)巖樣破壞特征的擬合曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，運(yùn)用 Mohr－Coulomb準(zhǔn)則函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時(shí)，干燥和飽水試樣的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.971 8和0.852 1；而運(yùn)用 Mogi－Coulomb準(zhǔn)則函數(shù)進(jìn)行描述時(shí)，干燥和飽水試樣的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.997 4和0.985 8。故采用Mogi－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則能較好地描述皖南山區(qū)紅砂巖的破壞特征。

Mogi線性參數(shù)a、b與Coulomb抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ在三軸壓縮狀態(tài)下的關(guān)系為：

依據(jù)擬合曲線并結(jié)合（4）式和（5）式，計(jì)算得出三軸壓縮過(guò)程中干燥和飽水砂巖強(qiáng)度參數(shù)c、φ值。其中，干燥狀態(tài)黏聚力c＝8.87MPa，φ＝47.1°；飽 水 狀 態(tài) 黏 聚 力c＝2.57MPa，φ＝48.5°。

圖6 強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合曲線

2.3 破壞形式

從三軸試驗(yàn)結(jié)果看，不同圍壓下干燥與飽水試樣的破壞主要為拉剪復(fù)合破裂和剪切破裂2種破裂形式，試樣的典型破裂圖像如圖7所示。低圍壓下干燥試樣的破裂主要為拉剪復(fù)合式破裂形式（以張拉破裂為主），表現(xiàn)出巖石的脆性破壞特征。隨著圍壓增大，試樣破壞時(shí)沿著對(duì)角線方向剪切破裂，形成單一斷裂面。而飽水砂巖在不同圍壓下均表現(xiàn)為剪切破壞，表明飽水條件下，紅砂巖的脆性減弱。

圖7 不同圍壓下試樣最終破裂情況

3 結(jié) 論

本文基于三軸壓縮試驗(yàn)，研究了績(jī)黃高速公路填筑路基所用的紅砂巖在干燥和飽水狀態(tài)下強(qiáng)度和變形特性，得到以下結(jié)論：

（1）水對(duì)皖南山區(qū)紅砂巖的強(qiáng)度和變形特性具有顯著的影響；飽水試樣的強(qiáng)度、彈性模量及變形模量與干燥試樣相比均有不同程度的降低。

（2）隨著圍壓的增大，試樣的峰值應(yīng)變、彈性模量、變形模量隨之增大；但干燥和飽水條件下，巖樣對(duì)圍壓的敏感程度不同。飽水情況下，砂巖峰值應(yīng)變?cè)黾臃雀?；干燥試件的彈性模量和變形模量隨著圍壓的增大而增大，曲線表現(xiàn)為凹型曲線，而飽水試樣的曲線表征為凸型曲線。

（3）通過(guò)擬合曲線比較，Mogi－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則比Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則更能反映皖南山區(qū)紅砂巖破壞特性。

（4）對(duì)于干燥試樣，低圍壓下巖樣的破裂為拉剪復(fù)合破裂形式；隨著圍壓的增大，試樣出現(xiàn)了單一斷面的剪切破裂，而飽水試樣均為剪切破裂。

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