水壓–應(yīng)力耦合作用下灰?guī)r力學(xué)特性試驗(yàn)

田樹坤

水壓–應(yīng)力耦合作用下灰?guī)r力學(xué)特性試驗(yàn)

田樹坤1,2

(1. 中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300；2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

為探究富水飽和灰?guī)r體在水壓–應(yīng)力耦合作用下的力學(xué)特性，利用自主研發(fā)的可實(shí)現(xiàn)單軸壓縮的滲透試驗(yàn)裝置對(duì)不同水壓強(qiáng)度下的灰?guī)r試樣進(jìn)行壓縮破壞試驗(yàn)，測(cè)試灰?guī)r應(yīng)力–應(yīng)變特性，分析水壓對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量的影響，灰?guī)r破碎特性與水壓強(qiáng)度相關(guān)性以及孔隙變化規(guī)律。研究表明：增加的水壓強(qiáng)度對(duì)灰?guī)r應(yīng)力–應(yīng)變和強(qiáng)度特性有顯著的影響。隨著水壓強(qiáng)度增大，應(yīng)力–應(yīng)變曲線的壓密階段相對(duì)延長(zhǎng)而彈性相對(duì)縮短，峰值強(qiáng)度呈指數(shù)減小而彈性模量和變形模量均呈線性下降，表明水壓作用顯著降低了灰?guī)r脆性。另外，灰?guī)r彈性模量、變形模量均與峰值強(qiáng)度呈線性關(guān)系。增大的水壓強(qiáng)度對(duì)灰?guī)r宏觀斷裂具有顯著影響而未對(duì)其破壞類型造成影響，隨水壓強(qiáng)度增加，碎塊均一系數(shù)和單位質(zhì)量孔隙體積均呈指數(shù)函數(shù)增加。研究成果為隧道建設(shè)中富水巖體的開挖穩(wěn)定性分析提供參考。

灰?guī)r；水壓–應(yīng)力耦合；應(yīng)力–應(yīng)變曲線；強(qiáng)度特征；貴陽(yáng)下麥西隧道

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，我國(guó)西南地區(qū)高水壓隧道工程逐年增多[1]，對(duì)隧道開挖和安全運(yùn)營(yíng)帶來了挑戰(zhàn)。高水壓隧道建設(shè)過程中，由于開挖擾動(dòng)(如機(jī)械鉆鑿、爆破等)會(huì)造成圍巖損傷，加之高水壓和地應(yīng)力的復(fù)合作用，隧道可能出現(xiàn)突涌水和滲漏等地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[2]。因此，研究滲透–應(yīng)力耦合作用下巖石力學(xué)特性對(duì)揭示富水圍巖體劣化特性具有重要意義。

為降低富水隧道滲透及突涌水災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高滲透水壓下的巖溶隧道施工開展了大量研究，但此類工程問題的復(fù)雜性導(dǎo)致目前對(duì)該問題的研究還不完善。巖溶問題引起的隧道塌方、涌水等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，如意大利勒奇山隧道因巖溶發(fā)生的坍塌事故[3]，日本東海道丹那隧道的突水災(zāi)害[4]，中國(guó)大瑤山隧道因巖溶突水發(fā)生的淹井事故[5]，廣渝高速公路隧道出現(xiàn)的突水事故[6]。研究上述工程案例發(fā)現(xiàn)，巖溶隧道突涌水形式可分為淋雨?duì)钣克凸蔂钣克?，而股狀涌水具有自由水集中、水量大、水壓高的特點(diǎn)，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響最為顯著。

為此，高壓滲透水下的圍巖體力學(xué)特性得到眾多學(xué)者的關(guān)注。彭曙光等[7]發(fā)現(xiàn)水巖作用導(dǎo)致巖石軟化，抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)顯著降低；趙瑜等[8]探究了巖石裂隙在滲流–應(yīng)力耦合作用下的擴(kuò)展特性，反映了裂隙擴(kuò)展過程滲流演化規(guī)律；Y. X. Xiao等[9]建立了裂隙巖體的應(yīng)力–滲流耦合作用下等效多孔隙介質(zhì)模型。A. W. Skempton[10]研究了水對(duì)砂巖應(yīng)力釋放過程的影響，并指出滲透水對(duì)巖體劣化主要體現(xiàn)在對(duì)巖體損傷力學(xué)特性的影響；另外，汪亦顯等[11]還關(guān)注了水巖作用下巖石水腐蝕損傷劣化的時(shí)效性，發(fā)現(xiàn)軟巖含水率、彈性模量等力學(xué)參數(shù)和時(shí)間具有線性相關(guān)。以上研究可見，眾多學(xué)者針對(duì)不同飽水和不同裂隙程度巖體力學(xué)特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)和理論研究，取得很多有益結(jié)果。眾多巖體突水災(zāi)害案例[3-6,12]表明，巖體滲透水并非單純的自由水而常具有高水壓的特點(diǎn)，對(duì)隧道圍巖具有典型的浸泡和壓裂作用。為此，部分學(xué)者[13-15]還關(guān)注了滲透作用下巖體三軸力學(xué)試驗(yàn)。但近開挖面或巖柱等特殊部位的巖體卻具有典型的無側(cè)限受力特點(diǎn)，因此，有必要進(jìn)一步關(guān)注和研究高滲透水壓作用下的單軸受力特點(diǎn)。

由于其本身特殊的賦存環(huán)境，富水隧道圍巖體經(jīng)常處于飽水狀態(tài)，在開挖過程中擾動(dòng)巖體更易發(fā)生失穩(wěn)破壞，這主要與長(zhǎng)期水巖作用和滲透環(huán)境有關(guān)。為探究該問題，選用貴陽(yáng)地鐵三號(hào)線下麥西隧道進(jìn)口段的灰?guī)r為試驗(yàn)材料，對(duì)不同水壓強(qiáng)度作用下的飽和灰?guī)r進(jìn)行單軸壓縮破壞試驗(yàn)，分析應(yīng)力–應(yīng)變特性、強(qiáng)度劣化特征以及破碎分布規(guī)律與水壓強(qiáng)度的相關(guān)性，以及孔隙變化規(guī)律，以期對(duì)富水巖體開挖穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 灰?guī)r試樣

選用貴陽(yáng)下麥西隧道洞內(nèi)灰?guī)r為試驗(yàn)材料，按照巖石試樣加工標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5368—2015《水電水利工程巖石規(guī)范》將灰?guī)r試樣加工成尺寸為?50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，并將其端面打磨，使不平行度小于等于0.02 mm以降低試驗(yàn)誤差。

灰?guī)r主要礦物成分為碳酸鈣(CaCO3)、石英(SiO2)以及少量黏土礦物，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.80%~98.56%，石英為2.34%~2.76%[16]。該灰?guī)r試樣平均干密度和縱波波速分別為2.68 g/cm3、6.52 km/s。試驗(yàn)共制作30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)巖樣，通過超聲測(cè)試剔除波速顯著異常的巖樣，以降低試驗(yàn)離散性。電鏡掃描試驗(yàn)表明，由于灰?guī)r體常年存在于富水(滲透水)環(huán)境中，試樣內(nèi)部分布大量的溶蝕孔隙，對(duì)灰?guī)r體的強(qiáng)度和穩(wěn)定特性產(chǎn)生影響。

本試驗(yàn)進(jìn)行了0、2、4、6 MPa共4種水壓強(qiáng)度下的水力–單軸壓縮試驗(yàn)，分組見表1。由于灰?guī)r體取自貴陽(yáng)富水地區(qū)，巖樣均為飽和狀態(tài)。為對(duì)試樣施加不同強(qiáng)度的水壓力，設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)單軸壓縮的滲透水壓系統(tǒng)，并將試樣加工成中心帶孔的特殊巖樣，中心孔孔深為10 mm，孔徑為1.5 mm(圖1)。圖1為部分灰?guī)r試樣，將試樣與進(jìn)水構(gòu)件組裝后安裝于滲透試驗(yàn)裝置和巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

表1 不同水壓強(qiáng)度下灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)和破壞類型

圖1 部分灰?guī)r試樣示意

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要采用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和自主設(shè)計(jì)的滲透試驗(yàn)裝置2套系統(tǒng)協(xié)同工作，如圖2所示。巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)最大加載應(yīng)力為600 kN，加載速率可控制在0~70 mm/min。滲透試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)恒流滲透水壓(流速精度為0.20%)加載，其最大滲透流速為30.00 mL/min，最小為1.75 mL/min，試驗(yàn)滲透壓以4.00 MPa/min的速度逐漸提高到設(shè)計(jì)值以防止試件破壞。

另外，為探究不同水壓強(qiáng)度對(duì)灰?guī)r溶蝕孔隙特征的影響，對(duì)單軸壓縮破壞的巖塊進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，設(shè)備為Auto-Pore Ⅳ型壓汞儀，有效孔隙測(cè)量范圍為0.003~1 100 μm。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

圖2中，高壓水泵可對(duì)水壓加載裝置提供不同強(qiáng)度的水壓，灰?guī)r試樣與進(jìn)水裝置組裝后(圖1)裝載在巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行水力–單軸壓縮試驗(yàn)。水壓加載時(shí)，為防止?jié)B透水從試樣表面溢出而導(dǎo)致水壓強(qiáng)度消散，在試樣表面以及試件與進(jìn)水構(gòu)件的接觸面處涂抹2~3層環(huán)氧樹脂，經(jīng)24 h后可在試樣表面形成4~6 mm的防水層。為測(cè)試試樣破壞過程中的應(yīng)變值，通過橡皮筋將應(yīng)變計(jì)固定在試樣表面，試樣與應(yīng)變計(jì)接觸面處涂抹黃油耦合。

1.3 試驗(yàn)方案

a. 樣品處理 將所有灰?guī)r試樣在室溫條件下風(fēng)干24 h以保證具有相同初始含水率，將風(fēng)干試樣再進(jìn)行強(qiáng)制飽水直到試樣質(zhì)量不再增加視為飽和，取出后用保鮮膜封存以備力學(xué)試驗(yàn)使用。

b. 水壓試驗(yàn) 將中心帶孔的特殊試樣與進(jìn)水構(gòu)件組裝，再安裝在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，然后調(diào)試力學(xué)試驗(yàn)機(jī)將試驗(yàn)機(jī)壓頭與灰?guī)r試樣上表面接觸，以固定灰?guī)r試樣；同時(shí)，在試樣表面安裝應(yīng)變計(jì)。然后，利用水壓加載裝置對(duì)試樣加載水壓，水壓加載時(shí)需要考慮兩因素：①水壓加載速率不宜過大，防止試樣未加軸壓而破壞，水壓加載速率為4.00 MPa/min[16]直到設(shè)定值；②水壓加載后靜置48 h使灰?guī)r內(nèi)部形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，保證內(nèi)部水壓穩(wěn)定在某一設(shè)定值，形成穩(wěn)定的滲流作用；此過程注意觀察水壓力表以防止出現(xiàn)水壓不穩(wěn)定。

c. 軸壓試驗(yàn) 灰?guī)r滲透試驗(yàn)結(jié)束后，調(diào)試力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，以0.25 MPa/s的速率逐漸加載軸壓，直至試樣破壞，同時(shí)采集應(yīng)力–應(yīng)變曲線；將灰?guī)r碎塊收集并儲(chǔ)存在塑料袋中，以防止風(fēng)化。

d. 壓汞試驗(yàn) 為保證微觀試驗(yàn)試樣具有相同的滲透特性，以單軸壓縮試驗(yàn)破碎巖樣為試驗(yàn)材料，進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，選取距離試樣上表面相同位置的巖塊為壓汞試驗(yàn)材料。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 灰?guī)r應(yīng)力–應(yīng)變特性分析

根據(jù)不同水壓作用下的單軸壓縮試驗(yàn)獲得灰?guī)r破壞應(yīng)力–應(yīng)變曲線。選取單軸壓縮試驗(yàn)灰?guī)r典型應(yīng)力–應(yīng)變曲線(圖3)進(jìn)行分析。由圖3a看出，隨著軸壓施加，不同水壓作用下應(yīng)力–應(yīng)變曲線均先緩慢增加、后快速爬升，達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度后下降，應(yīng)力–應(yīng)變曲線明顯經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形階段、孔(裂)隙緩慢擴(kuò)展與發(fā)展階段、破壞階段。可得出結(jié)論如下。

①在壓密階段初期(圖3b)，試樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線均隨軸向應(yīng)變?cè)黾佣饾u增加，水壓強(qiáng)度愈大，其應(yīng)力–應(yīng)變曲線增加愈緩慢，體現(xiàn)了灰?guī)r內(nèi)部存在的原生孔(裂)隙(簡(jiǎn)稱為孔隙)和次生溶蝕孔隙被壓縮并逐漸閉合的過程，應(yīng)力–應(yīng)變曲線增加越快，表明次生溶蝕孔隙數(shù)量越多，灰?guī)r內(nèi)部溶蝕損傷越大。

②隨著軸壓繼續(xù)加載，灰?guī)r應(yīng)力–應(yīng)變曲線進(jìn)入彈性變形階段。隨著軸向應(yīng)變?cè)龃?，灰?guī)r內(nèi)部孔隙進(jìn)一步被壓縮，其應(yīng)力–應(yīng)變曲線開始呈線性增長(zhǎng)，且隨著水壓強(qiáng)度增加，應(yīng)力–應(yīng)變曲線的線性增長(zhǎng)坡度減緩，表明彈性模量減小。

另外，相比較小水壓強(qiáng)度下的彈性變形特性，水壓強(qiáng)度越大，其彈性變形路徑相對(duì)縮短。這是由于高水壓強(qiáng)度增加了灰?guī)r內(nèi)部裂隙水壓，加劇了礦物剝離速度，孔隙率進(jìn)一步增大，不穩(wěn)定裂隙的擴(kuò)展規(guī)模顯著提高，進(jìn)而導(dǎo)致灰?guī)r應(yīng)變能提前釋放[9]。對(duì)于干燥巖石，一般認(rèn)為彈性變形階段意味著無塑性變形和新微斷裂擴(kuò)展行為[17]。然而，由于該試驗(yàn)灰?guī)r的賦存環(huán)境為飽水狀態(tài)，灰?guī)r內(nèi)部存在大量的次生孔隙，且施加的水壓也會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生壓裂作用，進(jìn)而縮短了彈性變形階段。

圖3 單軸壓縮試驗(yàn)灰?guī)r典型應(yīng)力–應(yīng)變曲線

③隨著軸壓進(jìn)一步加載，灰?guī)r進(jìn)入孔隙擴(kuò)展與發(fā)展階段。該階段灰?guī)r內(nèi)除了原生孔隙的擴(kuò)展外還伴隨著新生孔隙的萌生與擴(kuò)展，并逐漸形成裂隙匯合、貫穿直到形成宏觀破裂面，灰?guī)r應(yīng)力–應(yīng)變曲線逐漸達(dá)到峰值(單軸抗壓強(qiáng)度)，表明灰?guī)r應(yīng)變開始逐漸屈服于破壞強(qiáng)度。另外，相比彈性變形階段，該階段應(yīng)力–應(yīng)變曲線表現(xiàn)出上凸特點(diǎn)，且飽水強(qiáng)度越大，應(yīng)力–應(yīng)變曲線上凸越明顯。這是由于水壓強(qiáng)度增加，孔隙水壓加劇了灰?guī)r劣化程度，巖石結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生塑性變形。由圖3a看出，灰?guī)r水壓強(qiáng)度越大，單軸抗壓強(qiáng)度越小且該階段的曲線路徑也顯著縮短，穆康等[18]分析認(rèn)為水壓對(duì)巖石應(yīng)變能具有一定的“儲(chǔ)存和清空”效應(yīng)，從而引起應(yīng)力能提前釋放。

④隨軸向應(yīng)變?cè)龃螅規(guī)r內(nèi)部大量宏觀裂隙開始快速匯合形成貫穿裂縫，灰?guī)r承載能力快速下降，應(yīng)力–應(yīng)變曲線表現(xiàn)出迅速下降，預(yù)示灰?guī)r試樣發(fā)生破壞。相比0 MPa水巖試驗(yàn)的灰?guī)r，較高水壓強(qiáng)度下的灰?guī)r應(yīng)力–應(yīng)變曲線表現(xiàn)相對(duì)較緩慢的下降，說明水壓進(jìn)一步弱化了灰?guī)r材料的脆性。然而，由于灰?guī)r即將破壞時(shí)的水壓破壞作用并未及時(shí)停止，故所有灰?guī)r試樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出急劇跌落。

2.2 水壓強(qiáng)度對(duì)灰?guī)r強(qiáng)度特征的影響

2.2.1 單軸抗壓強(qiáng)度的影響

為研究灰?guī)r強(qiáng)度特征與水壓強(qiáng)度的相關(guān)性，根據(jù)不同水壓強(qiáng)度作用下的應(yīng)力–應(yīng)變曲線，獲得所有灰?guī)r試樣的單軸抗壓強(qiáng)度(c)、彈性模量()和變形模量(d)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)了灰?guī)r破壞類型，見表1。

由表1可知，在0 MPa水壓作用下的灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度為42.84~73.24 MPa，隨著水壓強(qiáng)度逐漸增加，單軸抗壓強(qiáng)度有明顯降低的發(fā)展趨勢(shì)。若以平均單軸抗壓強(qiáng)度為分析量度，相比0 MPa水壓下平均單軸抗壓強(qiáng)度，2、4、6 MPa水壓下的平均單軸抗壓強(qiáng)度分別降低了8.05%、31.18%和35.16%，衰減率逐漸增加。由此可知，水巖軟化作用對(duì)灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度具有顯著影響，主要與滲透水溶蝕及壓裂作用有關(guān)，其原因如下。

①試驗(yàn)灰?guī)r為富水飽和巖樣，在進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)前內(nèi)部已具有大量的次生溶蝕孔隙，對(duì)后期水壓–單軸壓縮試驗(yàn)過程中的強(qiáng)度劣化具有促進(jìn)作用；滲透壓作用時(shí)還加劇了灰?guī)r物理劣化作用[19]。當(dāng)滲透水被壓入灰?guī)r孔隙后，會(huì)加大水巖接觸面積，水的潤(rùn)滑作用降低礦物顆粒連接力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)軟化；同時(shí)，滲透水壓還會(huì)對(duì)灰?guī)r產(chǎn)生楔形作用[18]，引起內(nèi)部裂隙的數(shù)量和尺寸不斷增加，對(duì)灰?guī)r產(chǎn)生顯著的壓裂作用。并且，作用在灰?guī)r內(nèi)部的水壓強(qiáng)度越大，滲透水的潤(rùn)滑作用和壓裂作用越強(qiáng)，灰?guī)r的軟化特性也會(huì)越明顯。

②水巖作用過程中伴隨化學(xué)劣化作用，其強(qiáng)度與灰?guī)r內(nèi)礦物成分、含量顯著相關(guān)。本次試驗(yàn)灰?guī)r主要由95.80%~98.56%碳酸鈣和2.34%~2.76%石英構(gòu)成，石英屬于難溶性物質(zhì)且在水溶液中極難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，碳酸鈣處于水環(huán)境下易發(fā)生水解反應(yīng)[20]。增加的水壓強(qiáng)度對(duì)灰?guī)r溶蝕作用可概括為2個(gè)方面，一方面滲透水促進(jìn)碳酸鈣的水解，水溶液中開始出現(xiàn)大量的Ca2+，由于Ca2+具有較大表面積且水巖接觸點(diǎn)密集的特點(diǎn)[16]，可進(jìn)一步導(dǎo)致水解反應(yīng)時(shí)膠結(jié)物質(zhì)與礦物顆粒間連接力降低；另一方面，增加的水壓強(qiáng)度會(huì)促進(jìn)游離態(tài)Ca2+以較快速度被運(yùn)移出溶蝕孔隙，從而加快碳酸鈣水解，進(jìn)一步提高灰?guī)r的溶蝕程度。

圖4為灰?guī)r試樣平均單軸抗壓強(qiáng)度隨水壓強(qiáng)度增加的發(fā)展趨勢(shì)，兩者呈負(fù)相關(guān)。經(jīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)，灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度與水壓強(qiáng)度在數(shù)值上呈一階指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖4 平均單軸抗壓強(qiáng)度與水壓強(qiáng)度關(guān)系

2.2.2 彈性模量和變形模量的影響

彈性模量可用應(yīng)力–應(yīng)變曲線的彈性變形階段曲線斜率表示；變形模量可表示為峰值強(qiáng)度(單軸抗壓強(qiáng)度)與坐標(biāo)原點(diǎn)之間的正割線模量。

在本試驗(yàn)中，彈性模量()和變形模量(d)的計(jì)算結(jié)果見表1，兩個(gè)力學(xué)參數(shù)與巖石水巖劣化程度顯著相關(guān)。不同水壓強(qiáng)度下，灰?guī)r彈性模量為4.22~11.57 GPa，變形模量為2.95~6.68 GPa；相比彈性模量，變形模量顯著降低，變形模量為彈性模量的45%~73%?；?guī)r彈性模量與變形模量均隨著水壓增大呈顯著減小，相比0 MPa水壓下的平均彈性模量，2、4、6 MPa水壓下的彈性模量分別降低了8.08%、43.82%和58.84%；相比0 MPa水壓下的平均變形模量，2、4、6 MPa水壓下的變形模量分別降低了12.69%、31.30%和47.55%；因此，彈性模量的衰減程度對(duì)水壓強(qiáng)度的增加更敏感。

本試驗(yàn)的水壓范圍內(nèi)，灰?guī)r彈性模量和變形模量的發(fā)展趨勢(shì)與單軸抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)具有一致性，均與水壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。圖5為彈性模量()、變形模量(d)與水壓強(qiáng)度()關(guān)系，灰?guī)r彈性模量和變形模量均隨水壓強(qiáng)度呈線性衰減，與文獻(xiàn)[11]結(jié)果具有一致性。圖6為不同水壓下彈性模量、變形模量和單軸抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系，可以看出彈性模量、變形模量隨單軸抗壓強(qiáng)度的增加呈線性增加，與黃達(dá)等[21]研究結(jié)果一致。

圖5 彈性模量、變形模量與水壓強(qiáng)度關(guān)系

圖6 彈性模量、變形模量與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.3 水壓強(qiáng)度對(duì)灰?guī)r破碎特性的影響

2.3.1 灰?guī)r破碎分布規(guī)律

由表1可知，1號(hào)和9號(hào)灰?guī)r試樣分別發(fā)生了剪切破壞和鼓狀破壞，其他試樣均為典型的劈裂破壞，占總試樣的83.33%，表明灰?guī)r水壓強(qiáng)度對(duì)其破壞類型未造成較大影響。

以典型單軸壓縮試驗(yàn)后的灰?guī)r碎塊為研究對(duì)象，分析灰?guī)r破碎分布規(guī)律。經(jīng)觀察，單軸壓縮試驗(yàn)過程中，灰?guī)r在壓縮破裂階段，其主裂縫與軸向應(yīng)力方向呈7°~10°夾角，且灰?guī)r下部位置(靠近下端基座處)出現(xiàn)顯著的碎塊缺失區(qū)，且在較小水壓強(qiáng)度下出現(xiàn)明顯的碎塊飛出現(xiàn)象，而較大水壓強(qiáng)度下該現(xiàn)象并不明顯，表明此時(shí)灰?guī)r脆性降低而延性增強(qiáng)。

圖7為不同水壓強(qiáng)度下的灰?guī)r碎塊分布圖，由圖可知，①圖中灰?guī)r均發(fā)生劈裂破壞，但不同水壓強(qiáng)度碎塊的分布具有顯著性差異，主要表現(xiàn)在灰?guī)r碎塊尺寸、主碎塊數(shù)量以及碎塊質(zhì)量等3方面；②相比0 MPa水壓下的試樣碎塊，水壓強(qiáng)度越大，碎塊數(shù)量越多且碎塊尺寸差異性越小，表明增加水壓強(qiáng)度則增加碎塊均一性，降低灰?guī)r碎塊尺寸的差異性。

圖7 不同水壓強(qiáng)度的灰?guī)r碎塊分布特征

2.3.2 灰?guī)r破碎參數(shù)

為研究水壓強(qiáng)度對(duì)灰?guī)r破碎參數(shù)的影響，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了大于1.00 g的碎塊并以大于2.50 g(大約為試樣質(zhì)量的5%)作為主破碎的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其主裂縫數(shù)量(長(zhǎng)度≥2/3，為試樣高度)、碎塊數(shù)量、主碎塊數(shù)量以及主碎塊平均質(zhì)量隨水壓強(qiáng)度增加的柱狀分布，如圖8所示。

圖8 灰?guī)r碎塊參數(shù)的柱狀分布

由圖8可知，灰?guī)r碎塊數(shù)量為45~55個(gè)，主碎塊數(shù)量d為23~29個(gè)，主碎塊平均質(zhì)量dv為10.45~16.81 g，灰?guī)r破碎過程中可形成6~8條主裂縫。相比0 MPa水壓下的灰?guī)r破碎參數(shù)，6 MPa水壓下的碎塊數(shù)量、主碎塊數(shù)量以及主裂縫數(shù)量分別增加了22.22%、26.09%和33.33%，主碎塊平均質(zhì)量降低了37.83%。由此可見，隨著水壓強(qiáng)度增加，灰?guī)r的碎塊數(shù)量、主裂縫呈增加趨勢(shì)，主碎塊數(shù)量以及主碎塊平均質(zhì)量則呈減小趨勢(shì)，與前文分析結(jié)果一致。數(shù)值回歸發(fā)現(xiàn)，灰?guī)r主裂縫數(shù)量(f)、碎塊數(shù)量()、主碎塊數(shù)量(d)以及主碎塊平均質(zhì)量(dv)與水壓()增加存在如下關(guān)系：

2.3.3 灰?guī)r碎塊均一性

圖9為灰?guī)r碎塊質(zhì)量(大于等于1 g)分布特征曲線，橫軸為統(tǒng)計(jì)的灰?guī)r碎塊質(zhì)量(i)，縱軸為灰?guī)r碎塊累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)()。由圖9可知，灰?guī)r碎塊累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈近似線性增長(zhǎng)，且水壓強(qiáng)度越大，碎塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)越快。0、2、4、6 MPa水壓下的碎塊累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布范圍分別為89.98%、92.45%、95.24%、97.04%，表明灰?guī)r碎塊隨著水壓強(qiáng)度增加逐漸變得均勻。由圖9還可看出，灰?guī)r碎塊累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)快慢與水壓強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，線性回歸發(fā)現(xiàn)碎塊累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)()與水壓強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)。

圖9 灰?guī)r碎塊質(zhì)量分布特征曲線

若以線性斜率(圖9)來表征灰?guī)r碎塊均一系數(shù)()，該系數(shù)可表示灰?guī)r碎塊尺寸的差異性，均一系數(shù)越大代表灰?guī)r碎塊尺寸差異性越小。圖10為灰?guī)r破碎均一系數(shù)與水壓強(qiáng)度關(guān)系，由圖10可知，水壓強(qiáng)度由0 MPa增加到2 MPa時(shí)，碎塊均一系數(shù)顯著增大，表明增加的水壓強(qiáng)度加劇了灰?guī)r的溶蝕程度，灰?guī)r碎塊尺寸、平均質(zhì)量的差異性顯著降低。隨著水壓強(qiáng)度增加到4、6 MPa時(shí)，灰?guī)r碎塊均一系數(shù)也呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)但增長(zhǎng)幅度比較緩慢，與灰?guī)r的低孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)[16]。

通過回歸分析灰?guī)r碎塊均一系數(shù)()與水壓強(qiáng)度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者存在較好的一階指數(shù)函數(shù)關(guān)系(圖10)。由上述分析可知，隨著水壓強(qiáng)度增加，灰?guī)r碎塊均勻性的差異實(shí)際上是壓縮變形到破壞逐漸演變?cè)斐傻?，壓縮變形伴隨著孔隙的萌生和演化、裂紋不穩(wěn)定發(fā)展，直到大尺度的宏觀裂紋出現(xiàn)，灰?guī)r試樣破壞。

圖10 灰?guī)r破碎均一系數(shù)與水壓強(qiáng)度關(guān)系

2.3.4 灰?guī)r微觀孔隙

不同巖石礦物成分具有不同的抗溶蝕特性，該特性也決定了灰?guī)r對(duì)高壓水環(huán)境的溶蝕敏感性。宋戰(zhàn)平等[16]研究表明，由于碳酸鈣在高壓滲透水中發(fā)生顯著水解反應(yīng)，其含量隨滲透壓增加呈一階指數(shù)函數(shù)衰減。這主要是由于灰?guī)r中高壓滲透水加深水巖溶蝕深度，加劇對(duì)礦物離子的接觸沖刷，改變灰?guī)r內(nèi)部孔隙率；即水壓強(qiáng)度越大，灰?guī)r損傷程度越大，導(dǎo)致灰?guī)r強(qiáng)度和穩(wěn)定發(fā)生劣化。因此，可通過研究水壓強(qiáng)度對(duì)灰?guī)r溶蝕孔隙的影響來揭示灰?guī)r損傷程度。

壓汞試驗(yàn)是定量研究巖石材料微觀孔隙結(jié)構(gòu)的一種有效方法，可定量反映巖石溶蝕孔隙的數(shù)量和分布規(guī)律，單位質(zhì)量孔隙體積可進(jìn)一步揭示孔隙率的發(fā)展趨勢(shì)。通過對(duì)不同水壓強(qiáng)度作用的灰?guī)r碎塊進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，獲得灰?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積(m)及其隨水壓強(qiáng)度增加的發(fā)展趨勢(shì)(圖11)。

由圖11可知，灰?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積隨水壓強(qiáng)度增加顯著增大，相比0，2、4、6 MPa灰?guī)r試樣的單位質(zhì)量孔隙體積分別增大了37.85%、80.86%、159.46%，其增加幅度與水壓強(qiáng)度呈正相關(guān)?；貧w分析表明，灰?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積與水壓強(qiáng)度呈一階指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖11 單位質(zhì)量孔隙體積與水壓強(qiáng)度關(guān)系

3 結(jié)論

a.隨著水壓強(qiáng)度增加，壓縮密實(shí)階段相對(duì)延長(zhǎng)而彈性變形階段相應(yīng)縮短，水壓強(qiáng)度通過改變灰?guī)r內(nèi)部滲透壓而引起結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性劣化。

b. 由于水壓強(qiáng)度加劇灰?guī)r溶蝕(損傷)程度，弱化單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和變形模量。隨著水壓增加，灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)衰減而彈性模量和變形模量呈線性衰減，且彈性模量和變形模量均與單軸抗壓強(qiáng)度呈線性相關(guān)。

c. 水壓升高對(duì)灰?guī)r宏觀破碎具有顯著作用而未對(duì)破壞模式造成較大影響，灰?guī)r以劈裂破壞為主。水壓越大，灰?guī)r碎片均勻性越好，其碎塊破碎均一系數(shù)與水壓呈指數(shù)增加關(guān)系。

d. 高滲透水壓通過溶蝕與壓裂作用劣化灰?guī)r強(qiáng)度和穩(wěn)定性，灰?guī)r孔(裂)隙顯著提高?；?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積與水壓強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系。

致謝：在此感謝中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司、中鐵建貴州建設(shè)有限公司的謝偉東高級(jí)工程師所提供的灰?guī)r材料及對(duì)本文的指導(dǎo)。

請(qǐng)聽作者語(yǔ)音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

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Test of mechanical properties of limestone under hydraulic pressure-stress coupling

TIAN Shukun1,2

(1. China Railway Construction Engineering Bureau Group Co. Ltd., Tianjin 300300, China; 2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

To study the mechanical properties of limestone with water-rich saturated circumstance under water pressure-stress coupling, compression failure tests of limestone samples with different water pressure were carried out by using a self-developed permeability test device, the device can realize uniaxial compression test. Then, the stress-strain characteristics of limestone, the effect of hydraulic pressure on uniaxial compressive strength, the elastic modulus and the deformation modulus, and the correlation between breaking characteristics and hydraulic pressure were tested. The results show that the increased hydraulic pressure has a significant influence on the stress-strain curve and strength characteristics. With the increase of hydraulic strength, the compaction stage of stress-strain curve is relatively prolonged and elasticity stage is relatively shortened, the peak strength decreases exponentially while the elastic modulus and the deformation modulus decrease linearly, indicating that the brittleness of limestone is significantly reduced by water-rock interaction. Besides, the elastic modulus and the deformation modulus of limestone are linearly related to the peak strength. The increased hydraulic pressure has a significant effect on the macroscopic fracture of limestone but not on its failure type. With the increase of hydraulic pressure, both the homogenization coefficient and the pore volume per unit mass of limestone increase by exponential function. The experimental results could provide reference for the excavation stability analysis of water-rich rock mass in tunnel construction.

limestone; hydraulic pressure-stress coupling; stress-strain curve; strength characteristics; Xiamaixi tunnel in Guiyang

TU443

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.020

1001-1986(2020)03-0137-08

2019-12-26；

2020-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578447)

National Natural Science Foundation of China(51578447)

田樹坤，1975年生，男，浙江嵊州人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗淼琅c地下空間工程. E-mail：445104722@qq.com

田樹坤. 水壓–應(yīng)力耦合作用下灰?guī)r力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：137–144.

TIAN Shukun. Test of mechanical properties of limestone under hydraulic pressure-stress coupling[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：137–144.

(責(zé)任編輯 周建軍)