干濕循環(huán)作用下石膏巖劣化效應(yīng)的試驗(yàn)研究

李 亞，余宏明，李 科,李雄峰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710000)

干濕循環(huán)作用下石膏巖劣化效應(yīng)的試驗(yàn)研究

李 亞1，余宏明1，李 科2,李雄峰1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710000)

選取巴東十字埡隧道的石膏巖為研究對(duì)象，室內(nèi)完成了0，1，3，6，12次干濕循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)得了循環(huán)過(guò)程中吸水率、孔隙度和單軸壓縮的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明：石膏巖的吸水率和孔隙度與干濕循環(huán)次數(shù)呈對(duì)數(shù)函數(shù)形式，并隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而不斷增大，但吸水率、孔隙度的增加量卻逐漸減少；同樣，石膏巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小，并隨著循環(huán)次數(shù)的增多，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的減少量逐漸減少。通過(guò)分析對(duì)比石膏巖劣化參數(shù)變化率，得到干濕循環(huán)作用對(duì)石膏巖各個(gè)參數(shù)的劣化效果是不同的，其排序?yàn)椋何?彈性模量>單軸抗壓強(qiáng)度>孔隙度。

石膏巖；干濕循環(huán)；吸水率；孔隙度；單軸壓縮試驗(yàn)；劣化效應(yīng)

1 研究背景

水與巖土體在一定的溫度、壓力范圍內(nèi)，進(jìn)行物理、化學(xué)、動(dòng)力作用稱(chēng)為水巖作用[1-2]。干濕循環(huán)過(guò)程是水巖作用的一種組成部分，是巖石受到水的侵蝕而產(chǎn)生損傷，再到自然失水而變得干燥；如此反復(fù)侵蝕，使得巖石損傷逐步積累，造成巖土體巖性劣化，影響其強(qiáng)度和變形程度[3-4]，對(duì)巖土工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如在隧道建設(shè)的過(guò)程中，原巖體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，圍巖次生裂隙發(fā)育，并為地下水的滲透提供了通道，隨著地下水位的升高，巖石遭到侵蝕，地下水位下降，巖石又自然失水而干燥，如此干濕交替條件下，巖石的結(jié)構(gòu)遭到破壞[5-6]，巖土體的穩(wěn)定性受到影響，從而造成比較嚴(yán)重的工程問(wèn)題。如，三峽2009年完成175 m高的水位蓄水，放水時(shí)水位下降30 m，如此季節(jié)性的水位升降，必然導(dǎo)致兩岸巖土體長(zhǎng)期受到干濕循環(huán)作用，長(zhǎng)此以往，也將導(dǎo)致三峽庫(kù)區(qū)比較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害作用。因此，干濕循環(huán)作用，長(zhǎng)期作用于巖土體，引起巖土體強(qiáng)度的改變[7-10]，并由此產(chǎn)生比較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害是我們將面對(duì)的不可回避的問(wèn)題。

本文選取巴東十字埡隧道的石膏巖為研究對(duì)象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)“飽水-烘干-飽水”過(guò)程，模擬石膏巖干濕循環(huán)作用下的劣化過(guò)程，研究其對(duì)石膏巖的劣化影響，對(duì)相關(guān)工程問(wèn)題有一定的參考意義。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 石膏巖的基本物理特性

試驗(yàn)設(shè)計(jì)所采用的石膏巖均采自湖北巴東十字埡隧道，選取有代表性的巖塊，切割成尺寸約為50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，共20個(gè)，以便接下來(lái)的試驗(yàn)。并通過(guò)薄片鑒定，X衍射等試驗(yàn)測(cè)得其基本物理參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 石膏巖基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of gypsum rock

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

為了模擬干濕循環(huán)的過(guò)程，將20個(gè)巖樣分成5組，分別進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。其中第Ⅰ組為0次干濕循環(huán)狀態(tài)，第Ⅱ組—第Ⅴ組分別為進(jìn)行1，3，6，12次的干濕循環(huán)試件。本次干濕循環(huán)試驗(yàn)吸水飽和過(guò)程采用自然浸泡法吸水，具體方法是在自然條件下，將試件置于飽和缸中2 h，浸沒(méi)試樣高度的1/4，6 h后完全浸沒(méi)，48 h后取出。為了盡快干燥試樣，將試樣放于烘箱中，保持烘箱溫度50℃不變，48 h后取出，試件干燥，這就是干濕循環(huán)的過(guò)程。將5組試件分別進(jìn)行0，1，3，6，12次干濕循環(huán)，并將干濕循環(huán)過(guò)程完成之后的試件放于干燥缸中，以備接下來(lái)的試驗(yàn)。

2.2.1 石膏巖試件吸水率試驗(yàn)

吸水率計(jì)算公式為

(1)

式中：ωs為吸水率(%)；ms為吸水飽和后的質(zhì)量(g)；md為干燥后試件的質(zhì)量(g)。

通過(guò)記錄每次吸水飽和后和干燥后的質(zhì)量,可計(jì)算得出石膏巖的吸水率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 石膏巖干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of drying-wetting test of gypsum rock

2.2.2 石膏巖孔隙度的試驗(yàn)

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，吸水率逐漸增大，石膏巖的孔隙度也不斷增加。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可測(cè)得干濕循環(huán)試件的孔隙度，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.3 石膏巖單軸壓縮試驗(yàn)

將5組分別進(jìn)行0，1，3，6，12次干濕循環(huán)的試件，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)是在地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院巖石三軸伺服機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用Instron-1346三軸伺服機(jī)進(jìn)行的，加載速率為0.01 mm/s直至試件破壞，測(cè)得不同干濕循環(huán)次數(shù)后石膏巖的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

石膏巖干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，吸水率與孔隙度不斷增加，單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量表現(xiàn)為不斷減少，干濕循環(huán)作用對(duì)石膏巖的吸水率、孔隙度以及力學(xué)性質(zhì)有較為明顯的影響。為了進(jìn)一步探求干濕循環(huán)作用對(duì)石膏巖的影響規(guī)律，首先，分別以石膏巖吸水率ωs、石膏巖孔隙度Φ、單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E為縱坐標(biāo)，以干濕循環(huán)次數(shù)n作為橫坐標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖1所示，可得干濕循環(huán)次數(shù)n與ωs，Φ，σc，E的擬合表達(dá)式及相關(guān)系數(shù)r(n≤12)分別為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：n為干濕循環(huán)次數(shù);ωs(0)為0次干濕循環(huán)狀態(tài)下石膏巖的吸水率；Φ(0)為0次干濕循環(huán)狀態(tài)下石膏巖的孔隙度；σc(0) 為0次干濕循環(huán)狀態(tài)下石膏巖的單軸抗壓強(qiáng)度；E(0)為0次干濕循環(huán)狀態(tài)下石膏巖的彈性模量；ωs(n) 為n次干濕循環(huán)狀態(tài)下石膏巖的吸水率；Φ(n)為n次干濕循環(huán)狀態(tài)下石膏巖的孔隙度；σc(n) 為n次干濕循環(huán)狀態(tài)下石膏巖的單軸抗壓強(qiáng)度；E(n)為n次干濕循環(huán)狀態(tài)下石膏巖的彈性模量。

圖1 干濕循環(huán)次數(shù)n與吸水率、孔隙度、 單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量的擬合曲線(xiàn)Fig.1 Fitted relation curves of dry-wet cycle number n vs. water absorption rate，porosity，uniaxial compressive strength，and elastic modulus respectively

(1) 由圖1中的(a),(b)可知，石膏巖的吸水率與孔隙度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大的，而且在干濕循環(huán)的初期增幅度較大，后期則較小，并趨向與穩(wěn)定，擬合曲線(xiàn)的表達(dá)式(對(duì)數(shù)函數(shù))也主要反映了該規(guī)律。

(2) 由圖1中的(c),(d)可知，石膏巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量是隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加逐漸減小，同樣，初期減小幅度較大，后期較小，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)石膏巖的劣化強(qiáng)度在前期的影響速度相對(duì)較大。

然而，如何判定循環(huán)次數(shù)對(duì)石膏巖的各個(gè)參數(shù)的劣化效果的影響也是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。我們知道，干濕循環(huán)作用是一個(gè)以循環(huán)方式出現(xiàn)，并隨著循環(huán)次數(shù)增加，劣化不斷積累的過(guò)程，因此，利用每次干濕循環(huán)所引起的劣化的增量能比較好地反映循環(huán)作用效果。為了探求干濕循環(huán)作用對(duì)石膏巖孔隙度、吸水率、抗壓強(qiáng)度以及彈性模量的劣化效果，可以通過(guò)擬合公式對(duì)干濕循環(huán)次數(shù)n求導(dǎo)，獲得的干濕循環(huán)劣化的變化率，以變化率的大小來(lái)判定干濕循環(huán)次數(shù)的多少對(duì)石膏巖各個(gè)參數(shù)的劣化效果。

對(duì)式(2)—式(5)式進(jìn)行歸一化處理，可得歸一化函數(shù)R的表達(dá)式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

按式(6)—式(9)可以繪制相應(yīng)的圖形，如圖2所示。

圖2 干濕循環(huán)次數(shù)與歸一化函數(shù)R的關(guān)系Fig.2 Relation between dry-wet cycle number and normalized function R

由圖2可知，干濕循環(huán)作用對(duì)各個(gè)參數(shù)的劣化效果強(qiáng)弱為：吸水率>孔隙度；彈性模量>單軸抗壓強(qiáng)度。結(jié)合式(6)至式(9)與圖2，可以看出，ln(n+1)項(xiàng)的系數(shù)的絕對(duì)值的大小與干濕循環(huán)作用對(duì)各個(gè)參數(shù)的劣化效果相一致，所以，對(duì)式(6) 至式(9)求導(dǎo)并取絕對(duì)值得：

(10)

(11)

(12)

(13)

按式(10)至式(13)繪制圖形如圖3所示。

圖3 干濕循環(huán)次數(shù)n與歸一化函數(shù)導(dǎo)函數(shù)|的關(guān)系Fig.3 Relation between dry-wet cycle number and the derived function of normalized function R

從圖3可以看出石膏巖各個(gè)參數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)n的變化率，函數(shù)R中l(wèi)n(n+1)項(xiàng)的系數(shù)的絕對(duì)值越大，則各參數(shù)的在前幾次干濕循環(huán)過(guò)程中的變化率越大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，各個(gè)參數(shù)的變化率又逐漸減小，并呈現(xiàn)一致的規(guī)律。

干濕循環(huán)作用對(duì)石膏巖各個(gè)參數(shù)的劣化效果反映到各個(gè)擬合公式中，就是對(duì)數(shù)項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值的大小，即ln(n+1)項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值越大，則在低循環(huán)次數(shù)階段各參數(shù)隨干濕循環(huán)的變化率越大，反映其劣化程度越大。

從圖3中還明顯可以看出干濕循環(huán)作用各個(gè)參數(shù)的劣化效果排序?yàn)椋何?彈性模量>單軸抗壓強(qiáng)度>孔隙度。

4 結(jié) 論

(1) 本文通過(guò)自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)石膏巖分別進(jìn)行0，1，3，6，12次的“飽水-烘干-飽水”循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)的石膏巖進(jìn)行了吸水率、孔隙度的測(cè)試以及單軸壓縮試驗(yàn)，得到了石膏巖的水理性指標(biāo)和強(qiáng)度參數(shù)。

(2) 試驗(yàn)表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，石膏巖的吸水率、孔隙度逐漸增加，但其增加量不斷變少；石膏巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量則隨著循環(huán)次數(shù)的增多，而不斷減小，且隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增多，其減小量不斷減少。

(3) 石膏巖的劣化參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間呈現(xiàn)良好的對(duì)數(shù)相關(guān)性，因此，探討了擬合表達(dá)式的對(duì)數(shù)項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值大小在低循環(huán)次數(shù)階段，對(duì)石膏巖劣化參數(shù)變化率的影響。并通過(guò)分析得到，干濕循環(huán)作用對(duì)石膏巖各個(gè)參數(shù)的劣化效果是不同的，其影響次序排序?yàn)椋何?彈性模量>單軸抗壓強(qiáng)度>孔隙度。

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(編輯：王 慰)

Laboratory Study on Degradation of Gypsum Rockwith Dry-Wet Cycles

LI Ya1, YU Hong-ming1, LI Ke2, LI Xiong-feng1

(1.Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;2.China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Xi’an 710000, China)

Test data of water absorption rate, porosity and uniaxial compression of the gypsum rocks from Shiziya tunnel in Badong were obtained through 0, 1, 3, 6, 12 cycles of drying and wetting test. Results showed that the water absorption rate and porosity of gypsum rock were in logarithmic function relationship with the wet-dry cycles. With the increase of wet-dry cycle, water absorption rate and porosity both increased; but the increment alleviated. Meanwhile, the uniaxial compressive strength and elastic modulus both reduced with the number of wet-dry cycles; and the reduction decreased gradually. Furthermore, dry-wet cycles had biggest degradation effect on water absorption rate, followed by elastic modulus, uniaxial compressive strength, and porosity.

gypsum rock; dry-wet cycle; water absorption rate; porosity; uniaxial compression test; degradation effect

2015-12-11；

2016-01-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272377)

李 亞(1991-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事巖體工程方面的研究，(電話(huà))13349838069(電子信箱)1718807117@qq.com。

余宏明(1954-),男 ,湖北武漢人,教授,碩士,主要從事地質(zhì)災(zāi)害與巖土工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作,(電話(huà))18986153319(電子信箱)yuhongming55@sohu.com。

10.11988/ckyyb.20151088

2017,34(3):63-66

TU452

A

1001-5485(2017)03-0063-04