干濕循環(huán)作用下貴州泥質(zhì)白云巖的物理特性試驗研究

王桂林

摘 要：隨著水利水電、采礦、交通運輸及建筑等領(lǐng)域大型工程的興起，地下的大量巖石裸露于地表，處于多雨、干燥的復(fù)雜氣候環(huán)境中。受干濕循環(huán)作用的影響，巖石的物理特性發(fā)生了較大的變化，進而引發(fā)了滑坡、路基坍塌等災(zāi)害。泥質(zhì)白云巖是一類水敏感性巖體，在貴州地區(qū)分布較廣，因此，研究泥質(zhì)白云巖的物理特性隨干濕循環(huán)作用的變化規(guī)律對工程設(shè)計、施工和運行安全有重要的工程意義。

關(guān)鍵詞：泥質(zhì)白云巖；干濕循環(huán)；物理特性；水敏感性巖體

中圖分類號：TU452 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.004

1 研究意義

泥質(zhì)白云巖是一類水敏感性巖體，在貴州地區(qū)分布較廣，水對其具有強烈的影響，研究泥質(zhì)白云巖的物理特性隨干濕循環(huán)作用的變化規(guī)律對工程設(shè)計、施工和運行安全有重要的工程意義。

泥質(zhì)白云巖具有巖石所特有的不連續(xù)性、不均勻性和各向異性的力學(xué)性質(zhì)。本文采用試驗研究的方法，對泥質(zhì)白云巖的物理特性進行了詳細研究。

2 試驗巖樣備制

2.1 巖樣采集加工

在貴州地區(qū)某巖質(zhì)邊坡現(xiàn)場采集了試驗所需泥質(zhì)白云巖巖芯，所選巖塊必須新鮮、完整，鉆取方向垂直于巖塊的沉積面，取樣工具為水鉆機，采集的芯樣直徑為50 mm。

對采集的巖芯進行切割打磨，加工成50 mm×100 mm的圓柱形標(biāo)準試樣，具體如圖1所示。試樣精度應(yīng)符合下列要求：①試樣兩端面的不平行度偏差不應(yīng)大于0.05 mm；②試樣高度、直徑的偏差不應(yīng)大于0.3 mm；③端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不應(yīng)大于0.25°。

圖1 巖樣加工成品

2.2 巖樣篩選與分組

篩選制作好的巖樣，以降低試驗數(shù)據(jù)的離散性。篩選時，先剔除某些外觀差異較大的巖樣，再用RS-ST01C非金屬超聲波檢測儀測定剩余巖樣的縱波波速。按照“波速相近”的原則，選出巖性相近的試樣共56個。

將篩選后的巖樣分組，并使每組巖樣的烘干波速平均值相等或相近，共分7組，每組8個試樣，具體分組及編號如表1所示。

3 干濕循環(huán)試驗

將飽和后的第2～7組試樣放置在干燥箱中，在105±2 ℃的溫度下烘烤12 h；取出浸泡在水槽中，水溫保持在20±2 ℃，吸水12 h，此為1次干濕循環(huán)，即每個干濕循環(huán)的周期為24 h。

最終對第2、第3、第4、第5、第6、第7組試樣分別進行了5，10，15，20，25，30次干濕循環(huán)試驗，巖樣烘干和浸泡狀態(tài)如圖2和圖3所示。

4 泥質(zhì)白云巖的物理特性

4.1 干濕循環(huán)前的物理參數(shù)

在進行干濕循環(huán)循環(huán)試驗前，要測定巖樣的主要初始物理參數(shù)有天然密度、干密度、飽和密度、飽和含水率、孔隙率和縱波波速等。

4.1.1 巖樣天然密度

巖樣在自然條件下單位體積的質(zhì)量稱為天然密度，計算公式為：

式（1）中：ρ為巖樣的天然密度，g/cm3，精確到0.01；m為巖樣總質(zhì)量，g，精確到0.01 g；A為巖樣截面面積，cm2；H為巖樣高度，cm，精確到0.01 mm。

用游標(biāo)卡尺測量試樣兩端和中間三個斷面上相互垂直的兩個直徑，按平均值計算截面面積；測量端面周邊對稱四點和中心點的五個高度，取高度平均值；用電子秤測量質(zhì)量。

4.1.2 巖樣干密度

采用量積法計算巖樣的干密度，公式如下：

式（2）中：ρd為巖樣的干密度，g/cm3，精確到0.01；ms為巖樣烘干后質(zhì)量，g，精確到0.01 g；A為巖樣截面面積，cm2；H為巖樣高度，cm，精確到0.01 mm。

將所有試樣放置在105～110 ℃的干燥箱中烘烤24 h，然后放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，測量試驗前試樣的烘干質(zhì)量。

4.1.3 巖樣飽和密度

巖樣達到飽和時單位體積的質(zhì)量，稱為飽和密度，即：

式（3）中：ρsa為巖樣的天然密度，g/cm3，精確到0.01；mo為巖樣飽和質(zhì)量，g，精確到0.01 g；A為巖樣截面面積，cm2；H為巖樣高度，cm，精確到0.01 mm。

將試樣放入水槽中，注水至試樣高度的1/4處，然后每隔2 h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6 h后全部浸沒，試樣在水中自由吸水48 h后達到飽和，取出試樣并擦去其表面水分測量飽和質(zhì)量。

4.1.4 巖樣飽和含水率

飽和巖樣孔隙中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比稱為飽和含水率，即：

式（4）中：w為巖樣的飽和含水率，精確到0.1；m為巖樣烘干前質(zhì)量，g，精確到0.01 g；ms為巖樣烘干后質(zhì)量，g，精確到0.01 g。

4.1.5 巖樣孔隙率

巖樣的孔隙體積與總體積的比值稱為孔隙率，即：

式（5）中：n為巖樣的孔隙率，精確到0.1；ρsa為巖樣飽和密度，g/cm3；V為巖樣總體積，cm3；ms為巖樣烘干質(zhì)量，g，精確到0.01 g；ρw為水密度，g/cm3。

4.1.6 巖樣縱波波速

縱波的傳播方向與質(zhì)點的振動方向一致，在試樣中傳播時，波速計算公式為：

式（6）中：L為聲波發(fā)射與接收器中心點間的距離/巖樣長度，精確到0.01 mm；t為聲波在巖樣中傳播時間，μs；V為超聲波波速，m/s，精確到0.001.

巖石超聲波波速檢測技術(shù)是通過測定超聲波穿透巖石后聲波信號的波速變化，間接地反映巖石的物理力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)特征。聲波在傳播速度較慢的介質(zhì)中通過或在傳播中遇到層理、節(jié)理、裂隙及軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面需要繞過時，聲波將發(fā)生衰減，使聲時延長，波速降低。

4.1.7 巖樣物理參數(shù)計算結(jié)果

干濕循環(huán)試驗前，泥質(zhì)白云巖試樣的物理參數(shù)（包括天然密度、干密度、飽和密度、飽和含水率、孔隙率、烘干波速及飽和波速）的計算結(jié)果如表2所示。

試驗過程中，先對泥質(zhì)白云巖試樣進行了烘干，再對其進行泡水飽和。從表2的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，巖樣從烘干狀態(tài)到飽和狀態(tài)波速有明顯減緩，平均降低波速13.62%，說明水對泥質(zhì)白云巖性質(zhì)影響較大。

4.2 干濕循環(huán)后物理特性

對泥質(zhì)白云巖試樣進行了干濕循環(huán)試驗，分析試驗后巖樣的質(zhì)量、體積及縱波波速等物理特性的變化規(guī)律。

4.2.1 質(zhì)量變化

質(zhì)量變化率反映了巖樣的質(zhì)量變化情況，計算公式為：

. （7）

式（7）中：M為巖樣質(zhì)量變化率，精確到0.01；ma為干濕循環(huán)后飽和巖樣質(zhì)量，g，精確到0.01 g；mb為干濕循環(huán)前飽和巖樣質(zhì)量，g，精確到0.01 g；ms為試驗前烘干巖樣質(zhì)量，g，精確到0.01 g。

跟蹤測量干濕循環(huán)試驗最后一組（第7組）試樣分別進行0～30次干濕循環(huán)試驗后的質(zhì)量，得出的巖樣質(zhì)量變化率如圖4所示。

從干濕循環(huán)試驗過程看，巖樣質(zhì)量變化率在0.10%～0.45%.從1～11周期，質(zhì)量變化率為0.10%～0.40%；從11～21周期，質(zhì)量變化率為0.40%～0.45%；從21～30周期，質(zhì)量變化率為0.45%～0.41%.

4.2.2 體積變化

體積變化率反映出巖樣的體積變化情況，計算公式為：

式（8）中：V為巖樣體積變化率，精確到0.01；va為干濕循環(huán)后飽和巖樣體積/cm3；vb為干濕循環(huán)前飽和巖樣體積，cm3；vs為試驗前烘干巖樣體積，cm3。

跟蹤測量干濕循環(huán)試驗最后一組（第7組）試樣分別進行0～30次干濕循環(huán)試驗后的體積，得出巖樣體積變化率（絕對值）如圖5所示。

從干濕循環(huán)試驗過程看，巖樣體積變化率在0.01%～0.60%之間；干濕循環(huán)試驗后，巖樣體積變化不明顯，個別巖樣測量尺寸基本沒有變化。

4.2.3 縱波波速變化

波速與巖石固體的壓實程度和連續(xù)程度有關(guān)，波速的變化（降低）可以間接反映巖石材料的損傷程度，縱波波速變化率公式為：

式（9）中：Vp為巖樣縱波波速變化率，精確到0.01；vpa為干濕循環(huán)前飽和巖樣波速，m/s；vpb為干濕循環(huán)后飽和巖樣波速，m/s；vps為試驗前烘干巖樣波速，m/s。

跟蹤測量干濕循環(huán)試驗最后一組（第7組）試樣分別進行0～30次干濕循環(huán)試驗后的縱波波速，得出巖樣縱波波速及其變化率如圖6和圖7所示。

從圖6中可以看出，干濕循環(huán)試驗后，巖樣縱波波速下降明顯；從圖7中可以看出，干濕循環(huán)到30周期時，巖樣縱波波速變化率在14.39%～21.15%之間。從干濕循環(huán)試驗過程來看，巖樣縱波波速平均下降了18.01%.

5 結(jié)論

由干濕循環(huán)試驗?zāi)噘|(zhì)白云巖試樣的質(zhì)量、體積和縱波波速等物理特性隨循環(huán)次數(shù)的變化情況，將其規(guī)律總結(jié)如下：①干濕循環(huán)試驗30周期后，巖樣的平均質(zhì)量有所增加，巖樣的縱波波速下降較多，說明干濕循環(huán)作用對巖樣質(zhì)量及縱波波速影響較大；②從干濕循環(huán)試驗可以看出，巖樣體積變化不明顯，說明干濕循環(huán)作用對巖樣的體積影響不大；③隨著循環(huán)周期的增加，干濕循環(huán)試驗巖樣質(zhì)量變化率的變化趨勢為先快速增加，后緩慢增加，最后緩慢降低；④隨著循環(huán)周期的增加，縱波波速的變化趨勢為干濕循環(huán)開始時降低較快，后降低緩慢，最終降低再次增快。

本文對干濕循環(huán)試驗前泥質(zhì)白云巖試樣的天然密度、干密度、飽和密度、飽和含水率、孔隙率和縱波波速進行了測定，并得到了相應(yīng)數(shù)據(jù)，進而對干濕循環(huán)試驗前后巖樣的質(zhì)量、體積和縱波波速等物理特性的變化情況進行了詳細描述，得出了干濕循環(huán)作用下巖樣的物理特性變化規(guī)律，為固體力學(xué)、巖石力學(xué)的研究及工程設(shè)計、施工等方面提供理論依據(jù)。

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〔編輯：張思楠〕