不同含水作用下砂巖抗拉強(qiáng)度與能量特征研究

廖安杰，賴(lài) 林

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司自貢供電公司，四川 自貢 643000)

工程巖體賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中，往往都有水的存在[1]，而水是影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素，大多數(shù)工程中巖體的變形破壞都與水有關(guān)。因此，不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，取得了豐碩的成果[2-6]，鄧華鋒等[7]對(duì)5種含水狀態(tài)的層狀砂巖進(jìn)行順層理弱面的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了巖樣劈裂破壞面的微觀形貌特征；尤明慶等[8]對(duì)砂巖在干燥、飽和狀態(tài)進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，分析水對(duì)砂巖抗拉強(qiáng)度的影響；朱朝輝等[9]對(duì)砂巖不同含水狀態(tài)下進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，分析砂巖抗拉強(qiáng)度的劣化規(guī)律；聞名等[10]對(duì)不同含水率砂巖試樣進(jìn)行了劈裂抗拉試驗(yàn)，分析得到紅砂巖的抗拉強(qiáng)度隨含水率的增加而降低，有明顯的遇水軟化現(xiàn)象；李天斌等[11]對(duì)5種含水率狀態(tài)下的砂巖開(kāi)展常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，分析了砂巖能量機(jī)制隨含水率的變化關(guān)系；蒲超等[12]對(duì)千枚巖進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，研究圍壓對(duì)千枚巖變形破壞特征和能量演化特征的影響。

這些研究成果為分析含水率對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的影響奠定了很好的基礎(chǔ)，但這些研究主要是分析含水率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，而很少關(guān)注含水率變化對(duì)巖石能量特征的影響，加之本研究選取的砂巖在工程現(xiàn)場(chǎng)受水影響較為嚴(yán)重，隧道內(nèi)地下水出露明顯，且流量較大。由于地下水的大量發(fā)育致使隧道的施工進(jìn)展緩慢，工期延長(zhǎng)，同時(shí)嚴(yán)重威脅隧道的施工安全。因此選取成蘭鐵路柿子園4號(hào)橫洞典型砂巖為研究對(duì)象，考慮不同含水作用，對(duì)砂巖進(jìn)行了劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了砂巖抗拉強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律，并引入能量的觀念，進(jìn)一步分析不同含水狀態(tài)對(duì)砂巖能量特征的影響效應(yīng)，為工程提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為類(lèi)似工程提供一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 巖樣制備

試驗(yàn)巖樣選取成蘭鐵路柿子園4號(hào)橫洞典型砂巖，試件采用圓柱體，直徑約為50 mm，高度約為50 mm，試件兩端面經(jīng)處理、加工，其精度滿(mǎn)足規(guī)范要求[13]。

巖樣的含水狀態(tài)分為3種：干燥、天然和飽水狀態(tài)。其中干燥試樣，將試件置于烘箱內(nèi)，在105～110℃溫度下烘24 h，取出放入干燥器內(nèi)；飽水試樣，將試樣放入水槽，先注水至試件高度的1/4處，以后每隔2 h分別注水至試件高度的1/2和3/4處，6 h后全部淹沒(méi)試件，試件在水中自由吸水48 h[14]。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用儀器是巖石試驗(yàn)壓力機(jī)，具有性能穩(wěn)定、控制精度高、測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用荷載控制加載方式，加載速率取 0.10 kN/s，直至試件完全破壞。不同含水作用下，砂巖的抗拉強(qiáng)度由下式計(jì)算[14]：

(1)

式中σt——巖石抗拉強(qiáng)度,MPa；P——試件破壞荷載,N；D——試件直徑,mm；h——試件高度,mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度特征

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同含水狀態(tài)下砂巖的抗拉強(qiáng)度值見(jiàn)表1，其不同含水狀態(tài)與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

表1 砂巖抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

圖1 含水狀態(tài)與砂巖抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

從表1和圖1可以看出，砂巖天然狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度均值為0.68 MPa，含水率增加到飽和狀態(tài)其抗拉強(qiáng)度均值為0.49 MPa，降低幅度為27.9%；含水率減小到干燥狀態(tài)其抗拉強(qiáng)度均值為1.37 MPa，增加幅度為101.5%；表明該砂巖抗拉強(qiáng)度隨著含水率的增大而逐漸減小。

砂巖常具有易軟化、易風(fēng)化等工程特性，該砂巖的主要礦物成分有石英、長(zhǎng)石、方解石、云母以及大量伊利石等，其中伊利石屬于黏土礦物，黏土礦物易溶于水，且與水接觸反應(yīng)生成其他物質(zhì)，隨著含水的增多，從而會(huì)削弱了巖石顆粒間的黏結(jié)力，從而降低巖石抗拉強(qiáng)度，表明水對(duì)巖石有明顯的軟化現(xiàn)象，使巖石變軟。

2.2 破裂特征

圖2給出了砂巖試樣的宏觀破壞形態(tài)。由圖可知，不同含水狀態(tài)下，砂巖試樣均發(fā)生了明顯的張拉破壞，在加載一側(cè)最先出現(xiàn)裂紋，主裂紋主要通過(guò)上下兩加載點(diǎn)與圓心連線(xiàn)。試樣在干燥狀態(tài)和天然狀態(tài)下，裂紋貫通時(shí)伴隨的聲響較大，破裂面較為光滑平順，而飽和狀態(tài)下試樣破裂時(shí)發(fā)出的聲音相對(duì)較啞，破裂面粗糙，裂紋較為曲折。

a)飽和狀態(tài) b)天然狀態(tài) c)干燥狀態(tài)

3 能量特征分析

不同含水狀態(tài)對(duì)砂巖的抗拉強(qiáng)度的影響較大，因此引入能量的觀念，從能量的角度進(jìn)一步分析不同含水狀態(tài)對(duì)砂巖的影響。

3.1 能量分析原理

考慮巖體單元在外力作用下產(chǎn)生變形，假設(shè)巖石在抗拉試驗(yàn)過(guò)程中與外界沒(méi)有熱交換，在荷載作用下，對(duì)巖石所做的功可認(rèn)為被巖石吸收，則巖石吸收的總能量U可以根據(jù)熱力學(xué)第一定律計(jì)算[2]，計(jì)算公式如下：

U=Ue+Ud

(2)

式中Ue——可釋放彈性應(yīng)變能；Ud——耗散能。

圖3為巖體單元總能量、彈性應(yīng)變能和耗散能的關(guān)系，總能量為應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下的總面積；面積Ud表示消耗能，面積Ue表示彈性應(yīng)變能。

圖3 巖體單元能量量值關(guān)系

由于本次試驗(yàn)為單軸抗拉試驗(yàn)，巖體單元各部分的總能量和彈性應(yīng)變能可表示為[15]：

(3)

(4)

式中σ1i、ε1i——應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)每一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變值。

3.2 砂巖抗拉試驗(yàn)全過(guò)程能量分析

從能量角度來(lái)看，巖石的受力變形破壞是一個(gè)能量輸入、彈性能積聚、能量耗散和能量釋放的過(guò)程，巖石在能量驅(qū)動(dòng)下引發(fā)損傷直至宏觀失穩(wěn)破壞[11]。圖4為不同含水狀態(tài)下砂巖抗拉試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變-能量變化曲線(xiàn)。從圖4可知：在彈性變形階段，巖石在外力作用下吸收的能量，主要以彈性應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存在巖石內(nèi)部，而耗散能相對(duì)較小；進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，彈性應(yīng)變能進(jìn)一步增加，但增速變緩，由于此時(shí)巖石內(nèi)部發(fā)生塑性變形和微裂紋擴(kuò)展，造成巖石內(nèi)部損傷，耗散能開(kāi)始增加；到巖石取得峰值點(diǎn)，彈性應(yīng)變能達(dá)到最大值，然后急劇下降，而耗散能快速增加，巖樣內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展加劇，直到巖石破壞。彈性應(yīng)變能曲線(xiàn)和耗散能曲線(xiàn)的交點(diǎn)稱(chēng)為能量分界點(diǎn)，在該點(diǎn)之前主要表現(xiàn)為能量積聚，之后主要表現(xiàn)為能量耗散。

a)3-1試樣

3.3 含水狀態(tài)對(duì)能量特征影響

對(duì)砂巖應(yīng)力-應(yīng)變-能量變化關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到巖樣能量參數(shù)與含水狀態(tài)的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，彈性應(yīng)變能和耗散能占總能量比例見(jiàn)圖6。

圖5 能量參數(shù)和含水狀態(tài)相關(guān)關(guān)系

圖6 不同含水狀態(tài)下的能量分配

從圖5、6可以得出如下結(jié)果。①砂巖在干燥、天然和飽和狀態(tài)的總能量U分別為8.023、6.089、3.646 J，表明巖樣吸收的總能量隨著巖樣含水的增大而逐漸減小，與巖樣的抗拉強(qiáng)度隨含水情況變化規(guī)律一致。②砂巖從干燥、天然到飽和狀態(tài)，巖樣的彈性應(yīng)變能從6.989 J 降低到 2.474 J，與總能量的變化規(guī)律基本一致；而耗散能隨著含水的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，從1.034 J增大到1.172 J。③隨著含水的增多，砂巖的彈性應(yīng)變能占總能量的比例0.87降低到0.67，而耗散能占總能量的比例從0.13 增加到0.33，表明含水增大的過(guò)程中，巖石裂隙中的水分逐漸增多，在荷載作用下，孔隙水壓力會(huì)造成應(yīng)力集中，促使巖石微觀裂縫的擴(kuò)展，耗散的能量增多，導(dǎo)致耗散能所占總能量的比值會(huì)增大。

4 結(jié)論

本文對(duì)不同含水狀態(tài)的砂巖開(kāi)展了抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，分析不同含水作用對(duì)砂巖抗拉強(qiáng)度和能量特征的影響，得到以下結(jié)論。

a)隨著含水率的增加，砂巖抗拉強(qiáng)度逐漸減小，表明水對(duì)巖石有明顯的軟化作用，使巖石變軟，導(dǎo)致砂巖的力學(xué)性質(zhì)劣化，從而降低巖石的抗拉強(qiáng)度。

b)隨著含水率的增加，砂巖吸收的總能量和彈性應(yīng)變能減小，而耗散能呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；砂巖在能量分界點(diǎn)之前主要表現(xiàn)為能量積聚，之后主要表現(xiàn)為能量耗散。

c)隨著含水率的增加，砂巖彈性應(yīng)變能占總能量的比值降低，巖石裂隙中的水分增多，在荷載作用下，孔隙水壓力會(huì)造成應(yīng)力集中，促使巖石微裂縫的擴(kuò)展，耗散的能量增多，導(dǎo)致耗散能所占總能量的比值增大。