水壓循環(huán)作用對(duì)砂巖卸荷破壞試驗(yàn)研究

郭永成，胡 鵬，王克輝，劉鑫宇，晏 斌

(1.三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)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)

0 引 言

大量巖土工程實(shí)踐表明，巖體的失穩(wěn)破壞與其內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展、水壓作用、工程及自然卸荷密切相關(guān)。如三峽工程庫(kù)區(qū)自2006年蓄水以來(lái)，每年蓄水位均在145～175 m間循環(huán)變動(dòng)，對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定影響日益嚴(yán)重。因此，對(duì)處于循環(huán)水壓作用下的巖體卸荷力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究是非常有必要的。在庫(kù)水位升降變化引起的巖石力學(xué)特性損傷方面的研究已取得了眾多成果，許江等[1-3]通過(guò)對(duì)飽水砂巖進(jìn)行三軸試驗(yàn)，分析了砂巖在壓密階段和彈性耦合階段的應(yīng)變變化曲線(xiàn)，從能量角度出發(fā)，探討了損傷過(guò)程中的能量吸收與釋放的演化規(guī)律。劉新榮等[4-8]通過(guò)自由浸水反復(fù)浸泡-風(fēng)干作用，模擬庫(kù)岸邊坡巖體在庫(kù)水漲落情況下水-巖作用的過(guò)程，得到了粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和抗剪強(qiáng)度τ的劣化規(guī)律。鄧華鋒等[9-12]設(shè)計(jì)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)，分析了不同階段下砂巖試樣的變形及破壞特征，揭示了循環(huán)加卸載下砂巖各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的衰減規(guī)律，較好解釋了震后邊坡在浸泡或降雨時(shí)出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象。姚華彥、傅晏等[13-15]通過(guò)系列室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，循環(huán)作用對(duì)巖石的影響是漸進(jìn)性的，初期影響較大，隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，該劣化效應(yīng)逐漸減弱。

盡管關(guān)于庫(kù)岸邊坡水-巖作用的研究成果頗多，但還存在一些不足。飽和-風(fēng)干循環(huán)從常壓到有壓，考慮的是巖石風(fēng)干后的力學(xué)特性；干濕交替循環(huán)采用強(qiáng)制的干濕循環(huán)措施，并未考慮水壓力升降變化。然而，在庫(kù)岸邊坡開(kāi)挖卸荷工程中，大量位于淺表層的邊坡實(shí)際處于受壓情況下的循環(huán)低孔隙水壓作用。鑒于此，本文擬通過(guò)對(duì)不同次數(shù)水壓循環(huán)作用下的砂巖進(jìn)行卸荷力學(xué)試驗(yàn)，研究庫(kù)水位升降對(duì)巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

圖1 水壓循環(huán)作用下砂巖的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制作與選取

試驗(yàn)巖樣均取自于三峽工程庫(kù)區(qū)的砂巖。按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，加工成Φ50 mm×100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣。通過(guò)測(cè)量巖樣直徑、高度、質(zhì)量、縱波波長(zhǎng)及回彈值等指標(biāo)進(jìn)行篩選，然后在TOP INDUSTRIE自適應(yīng)全自動(dòng)巖石三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)步驟

為模擬庫(kù)區(qū)水位升降循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖卸荷損傷力學(xué)特性的影響，設(shè)置循環(huán)孔隙水壓為0.3 MPa。試驗(yàn)前，將試樣烘干，再用真空飽和儀飽水48 h以上，使試樣完全飽和。砂巖卸荷力學(xué)試驗(yàn)方案如下：

(1)安裝試樣后，以1.2 MPa/min的速率增加圍壓至20 MPa。

(2)以0.01 MPa/min的速率增加水壓至0.3 MPa，維持0.5 h后，再以相同速率降水壓至0，重復(fù)此操作至水壓循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖的損傷穩(wěn)定為止。

(3)以1.2 MPa/min的速率增加軸壓至抗壓強(qiáng)度的80%后保持軸壓不變，以1.0 MPa/min的速率卸載圍壓至試件破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

本次試驗(yàn)設(shè)置0、2、4、…、24次循環(huán)，每組循環(huán)采用3個(gè)試樣，總計(jì)39個(gè)試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 卸荷破壞應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)

不同次數(shù)水壓循環(huán)作用下砂巖卸荷應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。圖1中，(σ1-σ3)為偏應(yīng)力；ε1為軸向應(yīng)變；ε3為環(huán)向應(yīng)變。峰值強(qiáng)度和峰值圍壓變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。從圖1、2變化可知：

圖2 峰值強(qiáng)度與峰值圍壓的變化

(1)砂巖卸荷破壞過(guò)程中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)分為壓密階段、彈性階段以及卸荷階段。卸荷階段初始位置存在明顯彎曲。隨著循環(huán)次數(shù)n不斷增加，壓密階段的初始軸向、環(huán)向應(yīng)變略微增加，彈性階段的斜率不斷降低，卸荷破壞的峰值點(diǎn)不斷下降。表明飽水砂巖經(jīng)過(guò)水壓循環(huán)過(guò)程后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)累積損傷，各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)開(kāi)始不斷劣化。

(2)砂巖卸荷破壞的峰值強(qiáng)度隨n增加，其減小幅度呈先小后大再小的反“S”形曲線(xiàn)變化。0～6次循環(huán)峰值強(qiáng)度的下降幅度為0.78%；8～18次循環(huán)降幅達(dá)到3.0%，是前6次的3.85倍；次數(shù)達(dá)到20次后，降幅只有0.61%。表明20次之后，峰值強(qiáng)度變化幅度極小，此時(shí)水壓循環(huán)作用對(duì)砂巖的損傷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)卸荷破壞峰值圍壓同峰值強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相反，即先小后大再小的正“S”形上升趨勢(shì)。前6次循環(huán)，峰值圍壓值的降幅為0.68%；8～18次降幅為2.84%，是前6次平均降幅的4.18倍；20～24次降幅為0.37%。

(4)根據(jù)變化曲線(xiàn)，可將水壓循環(huán)對(duì)飽水砂巖的作用分為3個(gè)階段，即初始階段(0～6次)、加重階段(8～18次)和飽和階段(>20次)。

峰值強(qiáng)度和峰值圍壓值隨水壓循環(huán)次數(shù)的變化呈現(xiàn)明顯的反“S”形和正“S”形趨勢(shì)，故采用First Optimization非線(xiàn)性擬合軟件對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，即

(1)

(2)

式中，(σ1-σ3)p為峰值強(qiáng)度；σ3p為峰值圍壓值。由擬合系數(shù)知，擬合關(guān)系合理，能較好預(yù)測(cè)峰值強(qiáng)度和峰值圍壓值。

2.2 卸荷破壞變形特性

2.2.1水壓循環(huán)階段的應(yīng)變規(guī)律

(1)初始階段。限于篇幅，僅列出第6次水壓循環(huán)的水壓—應(yīng)變曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。圖3中，曲線(xiàn)重合區(qū)域的寬度是水壓循環(huán)對(duì)砂巖應(yīng)變影響的量值。循環(huán)次數(shù)n較小時(shí)，對(duì)軸向應(yīng)變影響幅度相對(duì)較小，而環(huán)向應(yīng)變幅度相對(duì)較大，即u-ε3曲線(xiàn)較u-ε1的曲線(xiàn)重合區(qū)域的寬度較大，但兩者均隨著n增大而緩慢增加。在該初始階段，n較小時(shí)，水壓對(duì)砂巖內(nèi)部裂隙的侵入程度相對(duì)較小，孔隙水與砂巖內(nèi)部礦物顆粒接觸有限，裂隙發(fā)育不明顯，砂巖結(jié)構(gòu)劣化程度不高，水壓循環(huán)作用在這一階段主要起輔助作用。

圖3 初始階段水壓—應(yīng)變的關(guān)系

(2)加重階段。限于篇幅，僅列出第12次的水壓—應(yīng)變曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，在加重階段，軸向、環(huán)向應(yīng)變均有一定幅度的增長(zhǎng)。在水壓循環(huán)完成后，水壓回落，開(kāi)始施加軸壓的階段，軸向位移大幅增加，軸向應(yīng)變?cè)龇黠@，表明水壓循環(huán)作用對(duì)砂巖產(chǎn)生了較大的損傷，砂巖內(nèi)部尖端裂隙發(fā)育明顯，從而導(dǎo)致軸壓施加過(guò)程中應(yīng)變加大。這一階段環(huán)向應(yīng)變較初始階段產(chǎn)生了一定幅度的增長(zhǎng)，水壓循環(huán)作用對(duì)砂巖產(chǎn)生的劣化是環(huán)向變形增長(zhǎng)的主要因素。

圖4 第12次水壓循環(huán)過(guò)程中水壓—應(yīng)變的關(guān)系

圖5 第24次水壓循環(huán)過(guò)程中水壓—應(yīng)變的關(guān)系

(3)飽和階段。限于篇幅，僅列出第24次水壓循環(huán)的水壓—應(yīng)變曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。從圖5可知，在飽和階段，水壓循環(huán)作用對(duì)砂巖的劣化已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，對(duì)軸向、環(huán)向位移影響趨于平衡。在循環(huán)次數(shù)n超過(guò)20次之后，水楔作用對(duì)砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。水壓循環(huán)作用對(duì)砂巖軸向、環(huán)向應(yīng)變的影響均不再如加重階段強(qiáng)烈。

2.2.2應(yīng)變圍壓柔量變化規(guī)律

為進(jìn)一步了解水壓循環(huán)次數(shù)和初始圍壓值對(duì)砂巖卸荷階段的變形特性的影響，引入變量——應(yīng)變圍壓柔量[16]，分為軸向和環(huán)向應(yīng)變圍壓柔量，即卸圍壓破壞時(shí)，卸荷起始點(diǎn)與破壞點(diǎn)之間的應(yīng)變差Δε與圍壓差Δσ3的比值，其值用來(lái)反映圍壓變化量對(duì)某一方向上應(yīng)變的響應(yīng)程度，值越大，表明卸荷對(duì)該方向的應(yīng)變影響越明顯。公式如下

(3)

圖6 應(yīng)變圍壓柔量隨水壓循環(huán)次數(shù)的變化

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)飽和砂巖在水壓循環(huán)作用下的三軸卸荷試驗(yàn)，分析砂巖卸荷破壞的峰值強(qiáng)度、峰值圍壓隨水壓循環(huán)次數(shù)的變化曲線(xiàn)，應(yīng)變圍壓柔量隨水壓循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，可得出以下結(jié)論：

(1)砂巖卸荷破壞的峰值強(qiáng)度(σ1-σ3)隨循環(huán)次數(shù)n的增加不斷減小，呈先小后大再小的減小趨勢(shì)。卸荷破壞峰值圍壓同峰值強(qiáng)度的變化趨勢(shì)恰好相反，呈先小后大再小的上升趨勢(shì)。

(2)水壓循環(huán)影響初始階段，由于循環(huán)次數(shù)n較小，初始圍壓對(duì)砂巖變形的影響比水壓循環(huán)作用更大；在加重階段，循環(huán)次數(shù)的增加導(dǎo)致軸向應(yīng)變顯著提高；在飽和階段，水壓循環(huán)對(duì)砂巖的劣化已經(jīng)達(dá)到飽和，對(duì)軸向、環(huán)向位移影響趨于平衡。