溫度-應(yīng)力耦合作用下砂巖破壞特性試驗(yàn)研究

郭永成 唐 樂 汪 沖 朱千凡 朱 偉

(1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;2.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;3.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)外學(xué)者在溫度作用對巖石力學(xué)特性的影響方面進(jìn)行了大量的研究,取得了顯著成果.Emirov S N、Ramazanova E N[1]在圍壓400 MPa、溫度2～250℃時(shí)砂巖的熱傳導(dǎo)率方面作了深入研究,發(fā)現(xiàn)圍壓增長會(huì)減弱溫度對砂巖的熱傳導(dǎo)效應(yīng).車用太、楊會(huì)年等[2]在水、溫度、有效圍壓對飽水的新沂砂巖變形破壞過程的影響及孔隙壓力變化的特征方面進(jìn)行了研究.方華、伍向陽[3]通過對砂巖和大理巖有關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)砂巖的極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨溫度增加而下降,破壞前后的彈模隨溫度增高而降低,破壞前還是破壞后的波速隨溫度升高而降低,而剪切破裂角隨溫度的增加而增大.賀玉龍、楊立中[4]根據(jù)不同溫度水平和不同有效應(yīng)力水平下砂巖的孔隙度試驗(yàn)和滲透率試驗(yàn)結(jié)果,提出了溫度和有效應(yīng)力對砂巖滲透率的影響機(jī)理.周青春[5]結(jié)合工程實(shí)際情況通過試驗(yàn)研究了砂巖在室溫至70℃、圍壓0～60 MPa下的的強(qiáng)度和變形特性,發(fā)現(xiàn)在不同的溫度條件下,砂巖的強(qiáng)度均隨圍壓增加而增加.孟召平等[6]從溫度和壓力條件入手,建立砂巖力學(xué)性質(zhì)與溫度和壓力之間的相關(guān)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)砂巖力學(xué)強(qiáng)度與其所處的地溫環(huán)境和地應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān),表現(xiàn)為巖石的剛度和強(qiáng)度均隨溫度的增大而降低,且砂巖破壞后其殘余強(qiáng)度值也相對降低.據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[7]可知:對巖石溫度效應(yīng)的研究主要集中在鹽巖和花崗巖兩種巖石,并且考慮溫度-應(yīng)力耦合作用對砂巖的影響方面的研究,主要集中在高溫壓條件下的巖體,對溫度不高的工程巖體的試驗(yàn)研究則相對較少.

三峽工程自蓄水以來,庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),本文采用TOP INDUSTRIE巖石三軸試驗(yàn)儀[8]進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),以三峽庫區(qū)典型滑坡體砂巖為研究對象,基于室內(nèi)試驗(yàn),分析不同溫度、圍壓耦合作用對砂巖力學(xué)性能、變形破壞機(jī)制的影響,以期為后續(xù)庫區(qū)斜坡穩(wěn)定性分析提供參考.

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用TOP INDUSTRIE巖石三軸試驗(yàn)儀(如圖1所示).試驗(yàn)巖樣為砂巖,選自于湖北秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)三峽庫岸白水河滑坡段[9],該砂巖為沉積巖中的新鮮白砂巖,具有層理明顯、天然節(jié)理較少、巖石性質(zhì)均勻穩(wěn)定和完整性較好的特點(diǎn).試樣嚴(yán)格參照規(guī)范,結(jié)合TOP INDUSTRIE巖石三軸試驗(yàn)儀等儀器對試樣尺寸的要求進(jìn)行制取,加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣,即圓柱體Φ50 mm×100 mm(如圖2所示).

圖1 TOP INDUSTRIE巖石三軸試驗(yàn)儀

圖2 巖石試件

在經(jīng)過初步篩選后的飽和砂巖試樣中,選取幾組外觀完整且質(zhì)地均勻的試樣,進(jìn)行不同溫度、圍壓條件下的飽和砂巖常規(guī)三軸試驗(yàn).三峽庫區(qū)的夏季炎熱,冬季低溫.豐水期蓄水使得庫岸淹沒于水中,枯水期放水又使得庫岸暴露于空氣中[10],故三峽庫區(qū)的庫岸巖體大多處于各種不同的溫度環(huán)境下,就有必要考慮實(shí)際溫度對砂巖力學(xué)特征的影響.根據(jù)三峽庫區(qū)水文和氣候情況[11],試驗(yàn)溫度選取0℃、20℃、40℃、60℃4個(gè)等級(jí),圍壓設(shè)置5、10、15、20 MPa 4個(gè)級(jí)別(見表1).

表1 砂巖試件試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段:①采用儀器的溫度控制系統(tǒng),在將試樣加熱至預(yù)定的溫度值后并恒溫6h(保證試樣受熱均勻);②加載圍壓至預(yù)定值(5、10、15、20 MPa)后并維持恒定,同時(shí)在加載過程中采用速率控制方式且控制加載速率為1.2 MPa/min;再逐漸施加軸向荷載,同樣也采用速率控制方式和加載速率控制在1.2 MPa/min,直至試樣破壞.試樣破壞結(jié)束后,依次得到試樣在不同試驗(yàn)條件下破壞過程中的記錄數(shù)據(jù);每組試驗(yàn)都有12個(gè)試樣,每一小組為3個(gè)試樣,在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選時(shí),將每一小組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中離散較大的數(shù)據(jù)去除,再從相差在合理范圍內(nèi)的兩個(gè)數(shù)據(jù)中取其平均值,若相差均較大則繼續(xù)試驗(yàn)直至合理為止.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 砂巖破壞形態(tài)特征

砂巖試件在不同溫度條件下三軸試驗(yàn)破壞后的最終破壞形式,以及其破壞裂紋側(cè)面展開圖,如圖3～6所示.

圖3 溫度0℃砂巖破壞圖及裂縫展開圖

圖4 溫度20℃砂巖破壞圖及裂縫展開圖

圖5 溫度40℃砂巖破壞圖及裂縫展開圖

圖6 溫度60℃砂巖破壞圖及裂縫展開圖

根據(jù)圖3～6可知,巖石試樣在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí),其破壞模式多呈脆性破壞,以拉張破壞為主;巖石試樣受到圍壓作用時(shí),主要的破壞模式是剪切破壞,常有清脆的響聲.圍壓較低時(shí),試樣表面多形成一條貫通的主破裂面,在兩端面處,局部會(huì)發(fā)生壓剪或拉剪破壞,產(chǎn)生許多微小的裂紋.隨著圍壓的增大,試樣的破壞過程及張性特征會(huì)有所減緩,表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性;主破裂面與最大主應(yīng)力方向之間的夾角隨圍壓增大而增大,部分砂巖試樣的剪切面呈“Y”型的共軛面[12].砂巖試樣在不同圍壓作用下,圍壓對其裂紋擴(kuò)展形式的影響均不明顯,表面無鼓脹變形發(fā)生,其破壞特征多表現(xiàn)為累加遞進(jìn)性.

巖石試樣在受溫度作用時(shí),其破壞形式及斷口形態(tài)大體上相同,以剪切破壞為主.通常破壞面在常溫下的形態(tài)較單一,斷口較為平整[13];隨著溫度升高,試樣的表面會(huì)產(chǎn)生多條與主破裂面方向平行的裂紋,并且在試樣的中上部位置產(chǎn)生另一個(gè)小的破裂面,分割而張性剝落成較為明顯的碎裂塊,主破裂面與最大主應(yīng)力方向之間的夾角一直表現(xiàn)為呈增大的趨勢.在低溫作用時(shí),砂巖試樣的破裂面和斷口形態(tài)都比較平整;在溫度較高時(shí),其破裂面形態(tài)比低溫時(shí)粗糙.在不同溫度環(huán)境下,試樣破壞后的兩端面處,微小裂紋產(chǎn)生較多,局部還會(huì)在主破裂面周圍產(chǎn)生較多的細(xì)小碎裂塊,少數(shù)試樣的剪切面呈“X”型的共軛面[14].

綜上所述,砂巖試件在溫度0℃～60℃及圍壓5～20 MPa狀態(tài)下,其變形和破壞特征都沒有發(fā)生明顯變化,以剪切破壞為主[15].試樣破壞后的裂紋擴(kuò)展方向多與最大主應(yīng)力方向近似平行,并常伴有張性裂紋;其中,試樣下端的微小裂紋及張性裂紋相對較多,破壞裂縫隨著溫度和圍壓的增加而增加.

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對砂巖試樣進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),得到不同溫度(0℃、20℃、40℃、60℃)、不同圍壓(5、10、15、20 MPa)條件下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(如圖7～8所示).根據(jù)試驗(yàn)曲線,確定出試樣彈性模量、峰值應(yīng)變、抗剪強(qiáng)度等主要巖石力學(xué)參數(shù).

圖7 相同溫度下不同圍壓狀態(tài)時(shí)巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 相同圍壓下不同溫度狀態(tài)時(shí)巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖7～8可看出,砂巖各試樣在溫度作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在整體形狀和變化趨勢上是相似的,巖樣的破壞形式均以剪切破壞為主.砂巖在峰值破壞前,先后經(jīng)歷了微裂隙壓密、彈性變形、微破裂穩(wěn)定發(fā)展以及非穩(wěn)定破裂發(fā)展等階段[16].在初始階段,試樣自身含有的微裂隙受壓會(huì)有一定程度的閉合,曲線表現(xiàn)出不明顯的向上凹彎曲;在較小的圍壓下,曲線只是呈輕微的上凹;而伴隨著圍壓的升高,曲線逐漸表現(xiàn)為不明顯的向上凹特征.在彈性變形階段內(nèi),應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈近似線性地增長;隨著溫度逐漸地升高,其相應(yīng)的線性段增長,斜率也隨圍壓的逐漸增大而增大.在砂巖的微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段,曲線開始偏離直線發(fā)展且呈上凸?fàn)?說明在此階段試樣內(nèi)原已閉合的裂紋重新張開且出現(xiàn)新裂紋.在砂巖非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段,砂巖內(nèi)形成宏觀的貫通裂紋而出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象,試樣達(dá)到最大承載能力后迅速破壞,此時(shí)應(yīng)力減小,而應(yīng)變速率迅速增大.

綜上述可知,在溫度應(yīng)力-耦合作用下,砂巖變形破壞模式?jīng)]有變化,溫度作用主要是劣化了砂巖力學(xué)性質(zhì),而圍壓作用抑制砂巖內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展和側(cè)向變形,從而對其各力學(xué)特性有一定提高效應(yīng).

2.3 砂巖變形特征分析

2.3.1 彈性模量

在分析不同溫度作用下砂巖彈性模量的變化規(guī)律時(shí),由于裂隙缺陷對巖石彈性性質(zhì)的影響較小,試驗(yàn)選用平均彈性模量來表示其有效彈性模量.根據(jù)砂巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的峰值強(qiáng)度出現(xiàn)前的近似直線段斜率,來計(jì)算其相應(yīng)的平均彈性模量(如圖9～10所示).

圖9 彈性模量E-溫度T關(guān)系曲線

圖10 彈性模量E-圍壓σ3關(guān)系曲線

由圖9～10曲線變化特征可看出:1)砂巖在某一恒定溫度下,隨著圍壓的增大,彈性模量會(huì)隨之增大,呈現(xiàn)出向某一常數(shù)值收斂的趨勢,低一級(jí)溫度時(shí)的彈性模量變化幅度比高一級(jí)溫度時(shí)小;2)砂巖在某一圍壓作用下,隨著溫度的升高,彈性模量隨之下降,下降幅度各不相同且沒有明顯變化規(guī)律,但低圍壓時(shí)的彈性模量變化幅度比高圍壓時(shí)大;不同圍壓下,砂巖在低一級(jí)溫度時(shí)比在高一級(jí)溫度時(shí)的彈性模量差值小;不同溫度下,砂巖在低一級(jí)圍壓時(shí)比在高一級(jí)圍壓時(shí)下彈性模量的差值大.

砂巖在溫度作用下,其內(nèi)部新產(chǎn)生的微裂紋及原有微裂紋的擴(kuò)展,均削弱了各顆粒之間的聯(lián)系,促使彈性模量呈隨溫度升高而下降的趨勢.圍壓抑制了砂巖原有裂紋的擴(kuò)展和新裂紋的產(chǎn)生,阻礙了砂巖的側(cè)向變形,使得彈性模量隨著圍壓增大而增大.

2.3.2 峰值應(yīng)變

由圖11～12可知:

1)砂巖在某一恒定溫度作用下,峰值應(yīng)變隨圍壓的增大而增大,多呈正相關(guān)的關(guān)系;圍壓越大,峰值應(yīng)變的增大幅度及變形趨勢越明顯,提高了砂巖試樣的壓延性;砂巖在某一圍壓環(huán)境下,峰值應(yīng)變隨溫度的升高而隨之降低,在溫度越高時(shí),峰值應(yīng)變的降低幅度越明顯,砂巖試樣的壓延性隨之降低.

2)砂巖在低一級(jí)圍壓時(shí)各溫度作用之間的峰值應(yīng)變變化量比在高一級(jí)圍壓時(shí)要小,而在相鄰兩溫度條件下峰值應(yīng)變的變化差值則無明顯規(guī)律;砂巖在低一級(jí)溫度時(shí)各圍壓作用間的峰值應(yīng)變變化量比在高一級(jí)溫度時(shí)要大,此時(shí)圍壓越低,則峰值應(yīng)變的變化差值在相鄰兩圍壓條件下越小.

圖11 峰值應(yīng)變?chǔ)?-圍壓σ3關(guān)系曲線

圖12 峰值應(yīng)變?chǔ)?-溫度T關(guān)系曲線

在溫度作用下,砂巖內(nèi)部的裂紋及裂隙為顆粒差異膨脹提供了空間,受試樣兩端與壓頭接觸的限制,使得試樣向側(cè)向變形,而軸向的變形減小.試樣在圍壓作用下,其側(cè)向變形受到較強(qiáng)抑制作用,從而導(dǎo)致了環(huán)向膨脹變形滯后于軸向壓縮變形,使得峰值應(yīng)變均會(huì)隨著圍壓的增大而增大.

2.4 砂巖強(qiáng)度特征分析

砂巖的粘聚力及內(nèi)摩擦角等力學(xué)指標(biāo)[17],不僅可以反映出其抗剪能力的強(qiáng)弱,還能夠反映其抵抗剪切變形的能力.故可以通過粘聚力及內(nèi)摩擦角的變化情況,對砂巖在不同溫度作用下抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行著重分析.根據(jù)砂巖試樣在試驗(yàn)中所得到的軸向應(yīng)力σ1和相應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力σ3等數(shù)據(jù),通過莫爾-庫侖強(qiáng)度理論,依次確定砂巖在不同溫度作用下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值c、φ(見表2).

表2 不同溫度作用下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值c、φ

根據(jù)公式(1)計(jì)算砂巖在不同溫度條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值,并由這些抗剪強(qiáng)度參數(shù)值繪制出粘聚力c與溫度T的關(guān)系曲線以及內(nèi)摩擦角φ與溫度T關(guān)系曲線,如圖13～14所示.

其中,q為巖石單軸抗壓強(qiáng)度理論值,并與k同為強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù),可由粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ表示.

由圖13、圖14可以看出,砂巖在溫度作用下,粘聚力c及內(nèi)摩擦角φ均隨著溫度的升高而降低,粘聚力c值的降幅約為12.46%～30.55%,而內(nèi)摩擦角的降幅約為1.34%～2.74%,內(nèi)摩擦角變化幅度及趨勢沒有粘聚力的明顯,其在各溫度條件下的相差不大,受溫度的影響相對粘聚力較小.

圖13 粘聚力c-溫度曲線

圖14 內(nèi)摩擦角φ-溫度曲線

3 結(jié) 論

通過TOP INDUSTRIE三軸試驗(yàn)儀,對三峽庫區(qū)典型滑坡體的砂巖進(jìn)行不同溫度和圍壓耦合作用下常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,研究試樣力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律及破壞形態(tài)特征,得出如下結(jié)論:

1)砂巖試樣在不同溫壓耦合作用下的變形和破壞形式?jīng)]有變化,均在達(dá)到峰值強(qiáng)度后快速破壞,但破壞形態(tài)各有不同且具有累積效應(yīng),溫度越高破壞過程相對越復(fù)雜,圍壓增大對破壞有所減緩.

2)砂巖試樣在不同溫度和圍壓作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,在整體形狀及變化趨勢上極為相似,巖樣的破壞均以剪切破壞為主.

3)砂巖變形特征和強(qiáng)度特征在不同的溫壓作用下而不同,彈性模量及峰值應(yīng)變常常伴隨著圍壓的增大而增大,隨著溫度的升高而降低.

4)粘聚力及內(nèi)摩擦角的變化表現(xiàn)為隨溫度的升高均呈下降趨勢,但兩者的下降幅度不相同,通常粘聚力的下降幅度遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角,內(nèi)摩擦角的降幅不明顯,溫度、圍壓對粘聚力的影響普遍大于對內(nèi)摩擦角的影響.

綜上所述,溫度作用下的砂巖耦合效應(yīng)對巖體變形破壞、力學(xué)特征有較大的影響.因此,考慮砂巖溫度-應(yīng)力耦合作用的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對三峽庫區(qū)滑坡等工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義.

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