不同試驗(yàn)條件下泥質(zhì)白云巖物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

郭建強(qiáng)，黃質(zhì)宏

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

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不同試驗(yàn)條件下泥質(zhì)白云巖物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

郭建強(qiáng)*，黃質(zhì)宏

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

以貴陽(yáng)地區(qū)常見(jiàn)的泥質(zhì)白云巖為例，采用無(wú)壓浸泡、干濕循環(huán)與露天放置等試驗(yàn)方法，對(duì)泥質(zhì)白云巖物理力學(xué)特性的演化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：(1)試驗(yàn)條件對(duì)泥質(zhì)白云巖強(qiáng)度的影響依次為干濕循環(huán)、露天放置、無(wú)壓浸泡。(2)試驗(yàn)環(huán)境變化越快，試樣強(qiáng)度演化速率也越快。室外、濕砂埋藏及無(wú)壓浸泡條件下微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖的風(fēng)化試驗(yàn)，進(jìn)一步闡釋了試樣強(qiáng)度演化速率與環(huán)境變化成正比?；谘芯砍晒谲泿r試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面，可加快巖石試驗(yàn)環(huán)境的變化速率；另一方面，將無(wú)壓浸泡設(shè)計(jì)為有壓浸泡，或使試樣經(jīng)受多種試驗(yàn)條件。

干濕循環(huán)；浸泡；自然環(huán)境；濕砂埋藏；物理力學(xué)特性

巖石工程，特別是軟巖工程的破壞除了與荷載因素(循環(huán)荷載、動(dòng)荷載、沖擊荷載)、卸荷軟化及流變等因素有關(guān)外，還與軟巖的水理特性有關(guān)。比如，由降雨引起的巖土體干濕交替，導(dǎo)致的滑坡等工程地質(zhì)災(zāi)害。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)干濕循環(huán)、浸泡(無(wú)壓或有壓浸泡)、凍融循環(huán)等方法對(duì)軟巖的水理特性進(jìn)行了研究。周翠英等[1-2]采用非線性動(dòng)力學(xué)方法對(duì)水巖相互進(jìn)行了研究，并采用自組織臨界性理論分析了浸水試驗(yàn)的臨界現(xiàn)象；Iwata M 等、M.Heidari等[3-4]研究了飽和軟巖的水壓分布與力學(xué)特征；劉新榮等[5-6]、王亞坤等[7]基于干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)軟巖的強(qiáng)度劣化規(guī)律進(jìn)行了研究；劉泉聲等[8-9]研究了凍融循環(huán)條件下巖體裂隙網(wǎng)格的發(fā)展；羅學(xué)東等[10]研究了凍融循環(huán)次數(shù)與巖石的外觀特征、質(zhì)量及強(qiáng)度損失率的關(guān)系；李新平等[11]研究了凍融循環(huán)條件下，裂隙長(zhǎng)度、裂隙傾角對(duì)巖體強(qiáng)度的影響；A.Prick[12]通過(guò)試驗(yàn)得出凍融融化對(duì)頁(yè)巖風(fēng)化的影響是干濕循環(huán)的3～4倍，但干濕循環(huán)作用也不容忽視；吳道祥等[13]研究了紅層軟巖的崩解特性；鄧華鋒等[14-16]設(shè)計(jì)了考慮水壓力升、降變化的砂巖浸泡-風(fēng)干循環(huán)作用試驗(yàn)。

在國(guó)內(nèi)外水巖相互作用試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，一方面，開(kāi)展了無(wú)壓浸泡、干濕循環(huán)及室外自然環(huán)境下，泥質(zhì)白云巖物理力學(xué)特性的演化規(guī)律研究；另一方面，開(kāi)展了室外自然環(huán)境、濕砂埋藏及無(wú)壓浸泡三種條件下微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖的自然吸水率及粒徑分布的變化規(guī)律研究。

1　試驗(yàn)方案

無(wú)壓浸泡：首先，參照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL 264-2001)完成試樣的自由吸水試驗(yàn)；接著，在室溫(室內(nèi)溫度被控制在恒溫20±5 ℃)、無(wú)風(fēng)及靜水(每24 h更換一次水體)條件下，對(duì)微風(fēng)化泥質(zhì)白云進(jìn)行無(wú)壓浸泡試驗(yàn)

干濕循環(huán)：首先，在80°恒溫下將飽和試樣烘2 h，至試樣自然冷卻后(約2小時(shí))取出稱量；接著，試樣自然吸水2 h，拭干表面水分稱量，完成一個(gè)干濕循環(huán)。N次干濕循環(huán)后，測(cè)定試樣的自然吸水率和單軸抗壓強(qiáng)度。

試樣自然吸水2 h：首先將試樣放入水槽，并注水至試樣高度的1/4，以后每隔20 min分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，1h后試樣完全浸沒(méi)，最后保持試樣自由吸水2h。

室外自然環(huán)境下試樣物理力學(xué)特性試驗(yàn)：首先，將四組微風(fēng)化試樣露天放置；接著，測(cè)定其t=0、t=30、t=60以及t=150 d時(shí)試樣的自然吸水率和單軸抗壓強(qiáng)度。

風(fēng)化試驗(yàn)：首先，對(duì)室外、濕砂埋藏及無(wú)壓浸泡三種條件下微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖觀測(cè)2個(gè)月；接著，分別測(cè)定試驗(yàn)前后試樣粒徑分布及自然吸水率。

2　試驗(yàn)環(huán)境對(duì)試樣物理力學(xué)性質(zhì)影響

2.1無(wú)壓浸泡

無(wú)壓浸泡條件下微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖單軸抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表1與圖1。

表1　微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖無(wú)壓浸泡試驗(yàn)

由表1及圖1可知：①微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖單軸抗壓強(qiáng)度隨浸水時(shí)間的增加而降低。②1#與2#試樣單軸抗壓強(qiáng)度分別為53.73 MPa、

55.90 MPa，一方面說(shuō)明巖石強(qiáng)度的離散性；另一方面說(shuō)明浸水21天對(duì)微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖單軸抗壓強(qiáng)度影響可能較小。③浸水時(shí)間多于27天，微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖單軸抗壓強(qiáng)度才可能出現(xiàn)明顯的降低。

圖1　微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖抗壓強(qiáng)度與浸水時(shí)間

2.2干濕循環(huán)

干濕循環(huán)條件下，中等風(fēng)化泥質(zhì)白云巖單軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖單軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表2　強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖干濕循環(huán)試驗(yàn)

表3　中等風(fēng)化泥質(zhì)白云巖干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)條件下泥質(zhì)白云巖單軸抗壓強(qiáng)度變化量按下式計(jì)算：

(1)

式中，Δσ為單軸抗壓強(qiáng)度變化量； σs0為干濕循環(huán)次數(shù)N=0時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度； σN為干濕循環(huán)次數(shù)N時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度。

由表2、表3可以看出：①中等風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖單軸抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)增加而降低。②中等風(fēng)化試樣經(jīng)30次干濕循環(huán)(約為7.5天)，強(qiáng)度約下降了10%；而強(qiáng)風(fēng)化試樣經(jīng)5次干濕循環(huán)(約為1.25天)，強(qiáng)度約下降了18.30%。因此，干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度的影響與巖石風(fēng)化程度有關(guān)。③與無(wú)壓浸水試驗(yàn)相比，干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)巖石強(qiáng)度影響更明顯。

2.3室外自然條件

為了研究泥質(zhì)白云巖在自然條件下，物理力學(xué)特性的劣化機(jī)理，將由同一場(chǎng)地制備得四組(每組試樣數(shù)量為20塊)試樣置于實(shí)驗(yàn)室露天放置，測(cè)定不同時(shí)間點(diǎn)自然吸水率和單軸抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)設(shè)置見(jiàn)表4；試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5與圖2。其中，單軸抗壓強(qiáng)度與自然吸水率均為每組試樣的平均值。

表4　物理力學(xué)特性劣化試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖2　泥質(zhì)白云巖強(qiáng)度、含水率與時(shí)間

由圖2可以看出：①抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增加而減小，t=30 d、60 d、150 d，試樣抗壓強(qiáng)度分別下降了38.13%、60.64%、83.12%；0～60天抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，90～150 d抗壓強(qiáng)度下降幅度相對(duì)較小。②試樣自然吸水率與露天放置時(shí)間呈線性增加。③露天放置t=30 d時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度下降了38.13%；無(wú)壓浸泡t=32 d時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度下降了17.68%?？梢?jiàn)，露天放置比無(wú)壓浸泡對(duì)抗壓強(qiáng)度影響明顯。④t=30、40 d露天放置試樣抗壓強(qiáng)度分別為40.54 MPa、25.79 MPa，約下降了36.38%；中等風(fēng)化試樣干濕循環(huán)30次(約為7.5 d)抗壓強(qiáng)度下降了17%。因此，干濕循環(huán)試驗(yàn)比露天放置對(duì)抗壓強(qiáng)度影響明顯。

綜上所述，環(huán)境變化越慢，試樣力學(xué)強(qiáng)度劣化也越慢(比如，無(wú)壓浸水試驗(yàn))；環(huán)境變化速率越快，試樣力學(xué)強(qiáng)度劣化也越快(比如，干濕循環(huán)、露天放置)；風(fēng)化程度不僅對(duì)試樣力學(xué)強(qiáng)度有影響，也對(duì)試樣力學(xué)強(qiáng)度劣化速率有影響。

3　泥質(zhì)白云巖風(fēng)化情況研究

為了解泥質(zhì)白云巖風(fēng)化情況，開(kāi)展了室外、濕砂埋藏及無(wú)壓浸泡三種條件下微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖風(fēng)化試驗(yàn)，試驗(yàn)周期間為2個(gè)月。主要通過(guò)試樣顆粒粒徑、自然吸水率等的變化來(lái)反映泥質(zhì)白云巖的風(fēng)化情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出：①室外環(huán)境、無(wú)壓浸泡及濕砂埋藏三種風(fēng)化條件下，小于60 mm顆粒分別為12.5%、2.8%、1.4%，變化量非常明顯?？梢?jiàn)，微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，在室外自然環(huán)境下的解體量最大。②無(wú)壓浸泡、濕砂埋藏埋條件下試驗(yàn)前后，試樣自然吸水率變化不明顯；室外自然環(huán)境條件下試驗(yàn)前后，試樣自然吸水率變化相對(duì)較為明顯，說(shuō)明泥質(zhì)白云巖裂隙有擴(kuò)張的趨勢(shì)。

通過(guò)試樣無(wú)壓浸泡、干濕循環(huán)、室外露天放置以及試樣粒徑分布與自然吸水率變化可以得出：環(huán)境變化越快，泥質(zhì)白云巖物理力學(xué)特性劣化越明顯。

表5　四種環(huán)境條件下強(qiáng)風(fēng)化試樣試驗(yàn)前后粒徑、吸水率

綜上所述，在設(shè)計(jì)泥質(zhì)白云巖(或其他巖性的軟巖)室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使試驗(yàn)條件盡可能接近巖石的實(shí)際工況。一方面，可將無(wú)壓浸泡設(shè)計(jì)為有壓浸泡，或加快巖石試驗(yàn)環(huán)境的變化，比如，對(duì)干濕循環(huán)試驗(yàn)，可考慮縮短巖石烘干與浸泡時(shí)間；另一方面，使巖石經(jīng)受多種試驗(yàn)條件，比如，對(duì)同一試樣，可使試樣經(jīng)受N次干濕循環(huán)試驗(yàn)后，再使試樣經(jīng)受M次凍融循環(huán)等。

4　結(jié)論

(1)無(wú)壓浸泡時(shí)間小于27天，對(duì)微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖的強(qiáng)度影響較小。

(2)干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度影響與泥質(zhì)白云巖風(fēng)化程度有關(guān)。中等風(fēng)化試樣經(jīng)30次干濕循環(huán)(約為7.5天)，強(qiáng)度約下降了10%；而強(qiáng)風(fēng)化試樣經(jīng)5次干濕循環(huán)(約為1.25天)，強(qiáng)度約下降了18.30%。

(3)露天放置條件下，0～60天微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖強(qiáng)度減小速率較快，而90～150天強(qiáng)度變化相對(duì)較為平緩；試樣自然吸水率隨時(shí)間線性增加。

(4)微風(fēng)化泥質(zhì)白云巖的風(fēng)化速率依次為室外環(huán)境最快、濕砂埋藏最慢，無(wú)壓浸泡介于兩者之間。

(5)在設(shè)計(jì)泥質(zhì)白云巖(或其他巖性的軟巖)試驗(yàn)時(shí)，可加快巖石試驗(yàn)環(huán)境的變化，或使試樣經(jīng)受多種試驗(yàn)條件，也可將無(wú)壓浸泡設(shè)計(jì)為有壓浸泡。

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(責(zé)任編輯：王先桃)

Physical and Mechanical Characteristics of Muddy Dolostone under Different Experimental Condition

GUO Jianqiang*, HUANG Zhihong

(College of Civil Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Taking the argillaceous dolomite common in Guiyang region as the example, evolution law of its physical and mechanical properties under different test conditions was explored based on test methods of pressure-free immersion, drying and watering cycle and open-air placing. The test result shows that: (1) test conditions influence the strength of argillaceous dolomite in a descending order as the drying and watering cycle, open-air placing to the pressure-free immersion. (2) The quicker test circumstance changes, the faster speed of the test sample strength evolution will be. Under the condition of being outdoor, buried in wet sand and immersed free of pressure, weak weathering of argillaceous dolomite further illustrates that speed of test sample strength evolution is in direct proportion to change of the circumstance. The utilization of test research result, when soft rock test is designed, on the one hand, may accelerate speed of rock test circumstance change; on the other hand, change of pressure-free immersion to be pressure immersion may make the test sample experience multiple test conditions.

cycle of wet and dry；watering test；natural variation；wet-sand burying；physical and mechanical characteristics

A

1000-5269(2016)03-0110-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.26

2016-03-20

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字[2011]2039號(hào));貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字[2015]2037號(hào))；貴州大學(xué)人才引進(jìn)可研項(xiàng)目(貴大人基合字(2014)26號(hào))

郭建強(qiáng)(1980-)，男，博士，副教授，研究方向：巖石力學(xué)試驗(yàn)、理論、數(shù)值分析與工程安全性分析方面的教學(xué)與研究工作，Email：dianxiyou@163.com.

郭建強(qiáng)，Email：dianxiyou@163.com.

TU43