干濕狀態(tài)對紅層軟巖脆延特性影響的試驗研究

呂龍龍，廖紅建，伏映鵬，鄧博團(tuán)

(1.西安交通大學(xué)土木工程系，710049，西安；2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，710054，西安)

紅層軟巖是一種極其特殊的軟巖,在我國分布廣泛,可達(dá)82×104km2。該類軟巖主要由新生界、中生界的土體沉積形成,因含有Fe3+而呈現(xiàn)紅、深紅、褐色,富含黏土礦物成分,遇水易軟化,失水易崩解,露天風(fēng)化迅速,具有一定的流變性和膨脹性,工程性質(zhì)極差。隨著工程進(jìn)一步向紅層地區(qū)建設(shè),紅層工程病害頻發(fā),如路基、庫岸邊坡變形破壞[1-2]、隧道大變形[3]、滑坡[4]等,給國民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失。2018年,China Rock中國巖石協(xié)會正式將該類軟巖從軟巖分會分離出來,并舉辦了第一屆紅層軟巖分會,進(jìn)一步表明紅層軟巖的特殊性以及重要的研究價值。針對該類軟巖的特殊性,眾多學(xué)者已對其變形與力學(xué)特性進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[1]對紅層軟巖進(jìn)行了壓縮與流變試驗,建立了考慮結(jié)構(gòu)面閉合變形的流變本構(gòu)模型,并分析了水對巖體變形特征的影響。鐘志彬等通過吸水膨脹性試驗以及不同水理條件下的蠕變性試驗,建立了紅層軟巖地基時效性的分層變形機(jī)制模型,并揭示了紅層軟巖地區(qū)深挖路塹路基持續(xù)上拱的變形機(jī)制[5]。文獻(xiàn)[2]對不同干濕循環(huán)下的紅層軟巖進(jìn)行了單軸、三軸壓縮試驗,探究了紅層軟巖水-巖作用下力學(xué)性質(zhì)劣化的規(guī)律。但是,現(xiàn)階段對紅層軟巖的研究大多僅限于脆性區(qū),極少研究其延性區(qū)的特性。

低圍壓下巖石發(fā)生單斜面剪切,僅剪切帶區(qū)域內(nèi)的晶體邊界發(fā)生斷裂,隨即貫通形成宏觀滑裂面,巖樣表現(xiàn)為脆性破壞。隨著圍壓增加,晶體開始相互滑移,巖石的破壞形式會由脆性向延性轉(zhuǎn)換,臨界圍壓稱為脆-延轉(zhuǎn)化(BDT)壓力,該壓力與巖石的自身物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)[6]。地下原位巖體長期處于三向應(yīng)力狀態(tài),地下工程開挖后,原位應(yīng)力解除,巖體延性減弱,脆性加強(qiáng),極易發(fā)生巖爆等脆性破壞,所以研究圍巖的脆延特性對大埋深地下工程開挖、支護(hù)具有重要的工程意義[7-8]。開挖支護(hù)過程中,圍巖含水狀態(tài)會發(fā)生改變,但現(xiàn)有學(xué)者對BDT壓力影響的研究僅限于溫度[6,9]與應(yīng)力路徑[10]等因素,很少考慮含水狀態(tài)的影響。

現(xiàn)階段已建成的成渝客運(yùn)專線、西成高鐵、成貴高鐵,在建的川南城際鐵路、渝昆高鐵,以及即將開工建設(shè)的成自高鐵、成達(dá)萬高鐵等,均不同程度地穿越紅層軟巖地層[5]。基于該類軟巖的水敏性,不同含水狀態(tài)下紅層軟巖的脆延特性亟需研究。

本文通過對干濕狀態(tài)下胡麻嶺紅層軟巖進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮試驗,系統(tǒng)地分析其在干濕狀態(tài)下的破壞特征、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、脆-延轉(zhuǎn)換特性,并探究了各特征應(yīng)力的強(qiáng)度參數(shù)規(guī)律及脆-延轉(zhuǎn)化機(jī)理。本文研究可進(jìn)一步豐富紅層軟巖的工程特性,并為穿越紅層軟巖地下工程的開挖支護(hù)提供理論依據(jù)。

1 試驗及結(jié)果

1.1 試驗材料

試驗所用紅層軟巖取自甘肅省胡麻嶺隧道,取樣埋深約220 m,主要形成于上新統(tǒng)N2時期,為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)黏土巖。通過XRD試驗(各測量數(shù)據(jù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)),測得該類紅層軟巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～42%(其中蒙脫石為21%～23%,伊利石為11%～13%,高嶺石為6%～8%),石英礦物為37%～40%,方解石礦物為16%～19%,硫鐵礦物為4%～5%,其他礦物成分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%。該類軟巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。軟巖密封后運(yùn)送回實驗室,制備成Φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣,試樣制備方法參見文獻(xiàn)[11],為防止試樣含水率的損失,試樣制備完成每個階段,需要立即用保鮮膜將試樣包裹嚴(yán)密。同時為避免沉積作用的各向異性對試驗結(jié)果的影響,試樣鉆取方向垂直于巖樣層理方向,并利用巖樣的縱波波速嚴(yán)格選樣,剔除離散性較大的試樣[12]。

表1 試驗用軟巖物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備與方法

試驗用儀器為MTS815電液伺服剛性試驗機(jī),該試驗機(jī)可提供最大豎向壓力為4 600 kN,最大圍壓為150 MPa,應(yīng)變率控制范圍為10-7～10-2s-1。環(huán)向位移與軸向位移分別采用鏈?zhǔn)江h(huán)向引伸計(CEE)與直線引伸計(LVDT)采集。

由于紅層軟巖對水極其敏感,無法有效控制試樣含水率,本文僅對天然含水與干燥狀態(tài)的試樣進(jìn)行了研究。將制備好的試樣分為:天然組(保持天然含水狀態(tài)),試樣編號為N1～N18;干燥組(烘箱烘干),試樣編號為D1～D18。為保證巖樣內(nèi)部結(jié)合水全部排出,烘箱溫度設(shè)置為107 ℃,烘干時間為24 h。圍壓σ3依照等比數(shù)列選用,分別為0、2、4、8、16 MPa。為確定紅層軟巖干濕狀態(tài)下的脆-延轉(zhuǎn)化壓力,添加圍壓6 MPa組。每個狀態(tài)同一圍壓條件下試樣至少3個,若3個試樣結(jié)果差異較大,進(jìn)行試樣加做。為獲得軟巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,本文采用控制應(yīng)變率式加載,選用10-3s-1的應(yīng)變率。

1.3 試驗結(jié)果

干濕狀態(tài)下巖樣典型破壞形態(tài)及偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖1,其中σ1-σ3為偏應(yīng)力,εx、εy為橫向應(yīng)變,εz為軸向應(yīng)變。隨著圍壓增加,試樣逐漸由張拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?直至橫向膨脹不再發(fā)生破壞。張拉破壞時,干燥組試樣破碎程度遠(yuǎn)高于天然組。剪切破壞時,天然組破壞面法線與荷載軸線夾角β為47°～52°,干燥組的β為54°～60°。不破壞時,天然組的橫向膨脹更明顯于干燥組。

(a)天然組0 MPa

干濕組紅層軟巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變化趨勢基本一致,即隨著圍壓的增加,峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、峰值軸應(yīng)變值不斷增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸由軟化向硬化過渡,與硬質(zhì)巖[13]脆-延轉(zhuǎn)化特征一致。兩組試驗對比發(fā)現(xiàn),干燥組同一圍壓下的試驗數(shù)據(jù)離散性更大。相同圍壓條件下,天然巖樣峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均小于干燥組,峰值強(qiáng)度增加了93.39%～145.35%,殘余強(qiáng)度增加了77.83%～133.72%;而天然巖樣的峰值軸應(yīng)變值均大于干燥組,峰值軸應(yīng)變值降低了24.13%～88.92%。

對兩組應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性變形階段進(jìn)行線性回歸,獲取不同圍壓下試樣的彈性模量Eav(對于不存在彈性變形階段的試樣,以初始切線模量為彈性模量),見圖2。天然組巖樣的彈性模量為0.94～3.62 GPa;干燥組巖樣的彈性模量為2.81～5.02 GPa。相同圍壓下,干燥組每個圍壓下試樣的彈性模量平均值都大于天然組,增加了26.89%～191.68%。由趨勢線可以得出,隨著圍壓的增加,除天然組圍壓在4～6 MPa之間與干燥組圍壓在6～8 MPa之間以外(該現(xiàn)象的原因見本文后續(xù)分析),彈性模量均在增加。這主要是由于隨圍壓的增加會使軟巖內(nèi)部的空隙閉合,巖樣抵抗變形能力增強(qiáng)[14]。

圖2 紅層軟巖彈性模量與圍壓的關(guān)系

試樣干燥后,結(jié)合水消失,顆粒礦物之間的水膠膠結(jié)變成固化膠結(jié),牢固度增強(qiáng),所以干燥后試樣的彈性模量增加。

2 脆延特性分析

2.1 脆延轉(zhuǎn)化特征

通過分析三軸試驗獲得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與巖樣破壞形態(tài),將巖樣破壞形式分為:脆性破壞,即應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的峰值,峰后會迅速跌落至殘余強(qiáng)度,滑裂面明顯且不規(guī)則,并伴隨多條破裂面;半脆性破壞,即應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值不明顯,到達(dá)峰值時會保持應(yīng)力水平不變而發(fā)展一定的軸向應(yīng)變,峰后緩慢跌落至殘余強(qiáng)度,滑裂面光滑規(guī)則;延性破壞,即應(yīng)力-應(yīng)變曲線不發(fā)生跌落,沒有明顯的滑裂面,試樣產(chǎn)生明顯的橫向膨脹。將脆性破壞劃分在脆性區(qū),半脆性破壞與延性破壞劃分在延性區(qū)[6,15-16]。所以,胡麻嶺紅層軟巖天然組0、2、4 MPa為脆性破壞,6、8 MPa為半脆性破壞、16 MPa為延性破壞;干燥組0、2、4、6 MPa為脆性破壞,8 MPa為半脆性破壞、16 MPa為延性破壞。天然組的脆-延轉(zhuǎn)化(BDT)壓力在4～6 MPa之間,干燥組的BDT壓力在6～8 MPa之間,BDT壓力增大了近40%。

為進(jìn)一步研究紅層軟巖脆-延轉(zhuǎn)化特性,引入用于定量描述巖石脆延特性的脆性指標(biāo)Bd[8],該指標(biāo)能同時考慮應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后應(yīng)力降低的相對值和絕對速率。Bd越大,表明巖石脆性程度越高。Bd表達(dá)式如下

(1)

式中:qp為峰值應(yīng)力;qr為殘余應(yīng)力;k為峰值屈服起始點(A或a)到殘余屈服起始點(C或c)的連線斜率kac、kAC(見圖3)。延性破壞時,試樣不發(fā)生應(yīng)力跌落,殘余應(yīng)力與峰值應(yīng)力相等,所以Bd為0。

圖3 脆性指標(biāo)計算示意圖[8]

為準(zhǔn)確分析Bd與圍壓的關(guān)系,對所有試樣按照式(1)計算,結(jié)果見圖4。用指數(shù)函數(shù)擬合Bd與σ3的關(guān)系,效果良好。擬合效果表明:隨著圍壓的增加,軟巖脆性降低,延性逐漸增強(qiáng);同等圍壓條件下,干燥巖樣脆性程度均高于天然巖樣。

圖4 紅層軟巖脆性指數(shù)Bd與圍壓的關(guān)系

依照上文對軟巖試樣破壞區(qū)的分類,干濕組脆性區(qū)的Bd均大于0.1,而延性區(qū)的Bd均∈[0,0.1]。則可將Bd=0.1的特征參數(shù)定義為BDT脆性指數(shù),即試樣的脆性指數(shù)大于該特征參數(shù)為脆性區(qū),小于該參數(shù)為延性區(qū)。由于同一特征值可定量地表征不同狀態(tài)下試樣的脆延特性,所以BDT脆性指數(shù)對脆-延轉(zhuǎn)化特性的表征優(yōu)于BDT壓力。

2.2 脆延區(qū)強(qiáng)度參數(shù)及特征應(yīng)力分析

軟巖典型的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常分為:階段Ⅰ為初始壓密變形,階段Ⅱ為彈性變形,階段Ⅲ區(qū)彈塑性變形,階段Ⅳ為軟化變形,階段Ⅴ為殘余變形。5個階段由4個特征應(yīng)力點劃分,分別為閉合應(yīng)力qcl、初始屈服應(yīng)力qin、峰值應(yīng)力qp、殘余應(yīng)力qr,見圖5。

圖5 軟巖典型應(yīng)力-應(yīng)變圖

對干濕組不同圍壓下試樣的各特征應(yīng)力進(jìn)行獲取,如表2所示。

表2 不同圍壓下紅層軟巖特征應(yīng)力值

軟巖由松散的礦物顆粒堆積體沉積、固結(jié)、成巖作用形成,屬摩擦型材料。常規(guī)三軸試驗中,試樣達(dá)到應(yīng)力峰值后均符合Mohr-Coulomb(M-C)強(qiáng)度準(zhǔn)則。在主應(yīng)力空間內(nèi),M-C準(zhǔn)則方程可表示為

(1+sinφ)σ1-(1-sinφ)σ3-2ccosφ=0

(2)

式中:c、φ為M-C材料的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力與內(nèi)摩擦角。為擬合方便,將式(2)進(jìn)一步改寫為

σ1=Kσ3+P

(3)

(4)

(5)

式中:K為圍壓影響系數(shù);P為σ1-σ3強(qiáng)度曲線的截距。所以,強(qiáng)度參數(shù)為

(6)

(7)

對紅層軟巖脆延性區(qū),分別用式(3)分段擬合峰值應(yīng)力點與殘余應(yīng)力點的σ1-σ3強(qiáng)度曲線,結(jié)果見圖6,擬合效果良好。干濕狀態(tài)組脆性區(qū)與延性區(qū)擬合直線的斜率與截距明顯不同,表明脆延性兩個區(qū)域試樣的強(qiáng)度特性顯著不同。現(xiàn)有研究[17-18]同樣表明,隨著圍壓增加,巖石由脆性破壞過渡至延性破壞后,強(qiáng)度增長率發(fā)生變化,呈現(xiàn)明顯的非線性,并基于此提出了二次拋物線型、雙曲線型[6]、指數(shù)型[17]、多段函數(shù)修正型[18]等非線性M-C屈服準(zhǔn)則。根據(jù)擬合結(jié)果獲得的K與P值,進(jìn)一步通過式(6)(7)計算各區(qū)域的強(qiáng)度參數(shù),見表3,其中cP、φP與cR、φR分別為峰值應(yīng)力點與殘余應(yīng)力點的黏聚力與內(nèi)摩擦角。

(a)峰值應(yīng)力

表3 干濕組紅層軟巖在脆、延性區(qū)的強(qiáng)度參數(shù)

除延性區(qū)殘余應(yīng)力點外,脆延性區(qū)干燥組的黏聚力均大于天然組,這是由于試樣干燥后的固化膠結(jié)強(qiáng)度高于原始水膠膠結(jié)。發(fā)生破壞后,試樣沿著滑裂面滑移,剪切帶區(qū)域內(nèi)顆粒間的膠結(jié)完全破壞,使得干濕狀態(tài)殘余點的黏聚力均遠(yuǎn)小于峰值點,且接近于0 MPa。干濕組延性區(qū)的黏聚力均大于脆性區(qū),為脆性區(qū)的1.8倍。這是由于脆性區(qū)試樣產(chǎn)生塑性變形,會迅速達(dá)到應(yīng)力峰值,并迅速跌落至殘余強(qiáng)度;而延性區(qū)試樣進(jìn)入彈塑性變形階段會緩慢達(dá)到峰值點,保持應(yīng)力不變并發(fā)展一定的軸向應(yīng)變,該階段顆粒組構(gòu)不斷發(fā)生改變,以更緊密的方式重新排列鑲嵌,增加了黏聚力。脆延性區(qū)干燥組內(nèi)摩擦角均高于天然組,為天然組的1.31～2.04倍。因為天然狀態(tài)的礦物顆粒表面覆蓋水膜,水的潤滑作用使得內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)低于干燥組試樣。干濕組試樣在殘余應(yīng)力點的內(nèi)摩擦角均大于峰值點,這一結(jié)論與文獻(xiàn)[19-20]的研究結(jié)論一致。這是由于峰值點顆粒相對位置滑移較小,大部分顆粒間的摩擦力屬靜摩擦范疇,內(nèi)摩擦角不能發(fā)揮其全部作用。隨著試樣破壞產(chǎn)生滑裂面,顆?；崎_始加大,靜摩擦?xí)騽幽Σ赁D(zhuǎn)變,內(nèi)摩擦角會不斷發(fā)揮增加。干濕狀態(tài)下的試樣在延性區(qū)的內(nèi)摩擦角均小于脆性區(qū),為脆性區(qū)的50.4%～90.5%,原因?qū)⒃诒疚暮罄m(xù)章節(jié)分析。

由表2可知,天然狀態(tài)巖樣內(nèi)的微裂隙在施加圍壓后已經(jīng)發(fā)生閉合,干燥試樣的抵抗變形能力增強(qiáng),圍壓需要達(dá)到4～5 MPa,微裂隙才會閉合。所以,閉合應(yīng)力僅存在于天然狀態(tài)0 MPa組及干燥狀態(tài)0、2、4 MPa組。

干濕組巖樣在單軸壓縮條件下的初始屈服應(yīng)力均介于0.4～0.5倍的峰值應(yīng)力,該結(jié)果與錦屏大理巖[13]、Lac du Bonnet花崗巖[21]試驗結(jié)果一致。初始屈服應(yīng)力僅存在于干濕組脆性區(qū)的試樣中,且隨著圍壓的增加而降低,即隨著圍壓的增加,施加靜水應(yīng)力階段巖樣已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形,所以初始屈服面需選用帽子模型,與文獻(xiàn)[22]結(jié)論一致。本文選用的帽子模型[23],初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為

f(p,q,ps,p0)=

q2-M2(p+ps)(p0-p)=0

(8)

式中:p0為等向固結(jié)壓力,即初始屈服面與p軸的交點,ps與初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相關(guān),2個參數(shù)均為擬合參數(shù);M為臨界狀態(tài)線的斜率,常規(guī)三軸試驗中M=6sinφ/(3-sinφ)。由于初始屈服應(yīng)力僅存在脆性區(qū),φ為脆性區(qū)峰值應(yīng)力點的內(nèi)摩擦角。用式(8)對干濕組試樣的初始屈服應(yīng)力進(jìn)行擬合,擬合效果良好,見圖7。干燥組擬合值ps大于天然組,表明干燥組初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于天然組。

圖7 依據(jù)式(8)的初始屈服應(yīng)力擬合結(jié)果

3 討 論

對本文用紅層軟巖進(jìn)行SEM電鏡掃描,結(jié)果如圖8所示。從中可以清楚地觀察到,軟巖是由多種礦物顆粒,膠結(jié)物和空隙組成的復(fù)合體,空隙由連通的空隙體與獨(dú)立封閉的粒間孔隙組成。當(dāng)空隙體發(fā)生閉合,膠結(jié)物不破壞,軟巖礦物顆粒組構(gòu)保持不變;當(dāng)粒間孔隙發(fā)展貫通時,膠結(jié)發(fā)生破壞,顆粒組構(gòu)發(fā)生變化。為更清楚地描述巖樣受外載荷下各階段細(xì)觀形態(tài)變化,提出了一個能充分反映軟巖組成成分的代表體元(REV)單元,見圖9。該REV單元由空隙體與巖石基質(zhì)體構(gòu)成,巖石基質(zhì)體包含礦物顆粒、粒間孔隙與膠結(jié)物。

(a)放大倍率為100

(a)微觀結(jié)構(gòu)示意圖

常規(guī)三軸壓縮試驗中,初始階段為施加靜水應(yīng)力階段,待靜水應(yīng)力增加至設(shè)計圍壓并穩(wěn)定后開始施加偏應(yīng)力,即脆性區(qū)試樣進(jìn)入階段Ⅰ初始壓密變形階段,該階段的變形為空隙體的壓縮變形與巖石基質(zhì)體的彈性變形。隨著偏應(yīng)力增加至閉合應(yīng)力qcl,空隙體完全閉合,進(jìn)入階段Ⅱ彈性變形階段。高圍壓下,施加靜水應(yīng)力過程中空隙體已完成閉合,則開始施加偏應(yīng)力時巖樣直接進(jìn)入階段Ⅱ,該階段的變形僅為巖石基質(zhì)體的彈性變形。當(dāng)偏應(yīng)力增加至初始屈服應(yīng)力qin,試樣進(jìn)入階段Ⅲ彈塑性變形階段。進(jìn)入該階段后,剪切帶區(qū)域內(nèi)顆粒間的膠結(jié)物發(fā)生破壞,礦物顆粒組構(gòu)開始發(fā)生變化,并伴隨粒間孔隙的集聚、發(fā)展,該階段的變形為巖石基質(zhì)體的彈塑性變形。當(dāng)圍壓較小時,對粒間孔隙的發(fā)展無抑制作用,偏應(yīng)力增加至峰值應(yīng)力qp,滑裂面會迅速貫通,結(jié)構(gòu)凝聚力瞬間喪失,強(qiáng)度降低,呈現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變軟化,試樣為脆性破壞,即進(jìn)入階段Ⅳ軟化變形階段。應(yīng)力跌落至殘余應(yīng)力qr,與滑裂面之間作用力的豎向分力達(dá)到平衡,試樣進(jìn)入平穩(wěn)的階段Ⅴ殘余變形階段。延性區(qū)試樣在施加靜水應(yīng)力時,已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形,即試樣施加偏應(yīng)力時,已經(jīng)進(jìn)入階段Ⅲ。該階段側(cè)向應(yīng)力會抑制粒間孔隙的集聚、發(fā)展,剪切帶區(qū)域內(nèi)的礦物顆粒滑移、轉(zhuǎn)動,使得該區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)密實。巖樣密實引起的強(qiáng)度硬化與結(jié)構(gòu)破損而產(chǎn)生的強(qiáng)度軟化效應(yīng)同時發(fā)生,則應(yīng)力-應(yīng)變曲線會緩慢升至峰值應(yīng)力點,再緩慢跌落至殘余強(qiáng)度,試樣為半脆性破壞。當(dāng)圍壓完全抑制粒間孔隙的發(fā)展時,巖樣將不產(chǎn)生貫通滑裂面,偏應(yīng)力增加,礦物顆粒不斷調(diào)整位置,巖樣結(jié)構(gòu)不斷密實,應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化。

依據(jù)前文對彈性模量的分析,隨著圍壓增加,試樣彈性模量增加,但干濕組軟巖由脆性區(qū)進(jìn)入延性區(qū),試樣的彈性模量均會發(fā)生陡降,錦屏大理巖[20]、Bentheim砂巖[24]與Tave石灰?guī)r[25]也有同樣的試驗結(jié)果。延性區(qū)試樣剪切時,部分顆粒間的膠結(jié)已經(jīng)發(fā)生了破壞,但新形成的密實結(jié)構(gòu)相比初始結(jié)構(gòu),新連接處沒有膠結(jié),抵抗變形能力變?nèi)?所以圍壓大于BDT壓力后巖樣的彈性模量會有一個陡降值。由于干燥巖樣膠結(jié)強(qiáng)度大于天然巖樣,干燥組彈性模量的陡降更明顯于天然組。隨著圍壓增加,干濕狀態(tài)的彈性模量逐漸接近,這主要是由于剪切帶區(qū)域內(nèi)的顆粒間膠結(jié)大多發(fā)生了破壞,相比膠結(jié)作用,側(cè)向壓力對抵抗變形能力起主要作用,所以隨著圍壓增加,含水狀態(tài)對彈性模量的影響會弱化。延性區(qū)試樣在施加偏應(yīng)力前,由于部分膠結(jié)已經(jīng)發(fā)生破壞,破壞產(chǎn)生的微小顆?？商岣叽箢w粒之間的潤滑作用,使得延性區(qū)的內(nèi)摩擦角均小于脆性區(qū)。

由上文分析可知,脆性區(qū)試樣開始剪切時均在初始屈服面內(nèi),延性區(qū)試樣均在初始屈服面外。即當(dāng)施加圍壓小于等向固結(jié)壓力p0時,試樣剪切初始階段,巖石基質(zhì)體僅存在彈性變形,顆粒組構(gòu)未發(fā)生改變。當(dāng)圍壓大于p0時,施加靜水應(yīng)力階段內(nèi),剪切帶區(qū)域內(nèi)顆粒的部分膠結(jié)已經(jīng)發(fā)生破壞,顆粒位置發(fā)生調(diào)整,組構(gòu)改變,所以BDT壓力等于p0。固化膠結(jié)使得干燥組試樣的初始屈服面大于天然組,干燥試樣需要更大的應(yīng)力條件才可以達(dá)到塑性階段,因此干燥組試樣的BDT壓力大于天然組。

4 結(jié) 論

本文對胡麻嶺紅層軟巖干濕狀態(tài)試樣進(jìn)行了不同圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗,根據(jù)分析各組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、特征應(yīng)力、強(qiáng)度參數(shù)的變化,得到了含水狀態(tài)對紅層軟巖脆-延轉(zhuǎn)化特性影響規(guī)律。主要結(jié)論如下。

(1)紅層軟巖干燥后對其強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量影響明顯。隨著圍壓增加含水狀態(tài)對彈性模量的影響會弱化,同一圍壓下干燥后,峰值強(qiáng)度增加了93.39%～145.35%,殘余強(qiáng)度增加了77.83%～133.72%,彈性模量增大了26.89%～191.68%,峰值應(yīng)變降低了24.13%～88.92%。

(2)胡麻嶺紅層軟巖天然組的BDT壓力為4～6 MPa,干燥組為6～8 MPa,脆-延轉(zhuǎn)化壓力增大了近40%。該類軟巖的BDT脆性指數(shù)為0.1,當(dāng)試樣的脆性指數(shù)大于0.1時試樣為脆性區(qū),小于該特征值時為延性區(qū)。同一BDT脆性指數(shù)可定量地表征不同狀態(tài)下試樣的脆延特性,該特征脆性指數(shù)對脆-延轉(zhuǎn)化特性的表征優(yōu)于BDT壓力。

(3)在脆-延轉(zhuǎn)化區(qū),試樣的彈性模量均會發(fā)生陡降,干燥組陡降更明顯于天然組。延性區(qū)的干濕試樣的黏聚力均大于脆性區(qū),內(nèi)摩擦角均小于脆性區(qū)。

(4)脆-延轉(zhuǎn)化壓力等于等向固結(jié)壓力。延性區(qū)試樣在施加靜水應(yīng)力階段時,剪切帶區(qū)域內(nèi)顆粒的部分膠結(jié)已經(jīng)發(fā)生破壞,顆粒位置發(fā)生調(diào)整,組構(gòu)改變,試樣已經(jīng)進(jìn)入了彈塑性變形階段。

致謝:本文部分試驗研究工作得到了西安交通大學(xué)宋麗副教授與中鐵第一勘察設(shè)計院張?zhí)煊罡吖さ闹笇?dǎo)與幫助,特此致謝!