溫濕循環(huán)作用對(duì)三峽庫(kù)區(qū)岸坡粉砂質(zhì)泥巖力學(xué)特性及能量演化的影響研究*

葉四橋 梁炳新 曾 彬 龍小爽 彭 飛

(①重慶交通大學(xué)， 河海學(xué)院， 重慶 400074， 中國(guó))(②重慶交通大學(xué)， 山區(qū)公路水運(yùn)交通地質(zhì)減災(zāi)重慶市高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074， 中國(guó))

0 引 言

三峽庫(kù)區(qū)處于亞熱帶，夏季具有高溫高濕的環(huán)境氣候特征。根據(jù)重慶市氣象局(2020)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 2008～2020年這13年間，每年6～9月份氣溫在35℃以上的高溫天數(shù)達(dá)到35d以上的年份占比為84.61%， 2011年6～9月份高溫天數(shù)更是達(dá)到了61d之多，占全年高溫天數(shù)的50%； 其中： 37～39.9℃高溫天數(shù)平均每年為19.77d； 40℃以上超高溫天氣平均每年為3.8d，最多的是2011年達(dá)到10d(圖1)。同時(shí)，據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)氣溫在35℃以上時(shí)，地表平均溫度超過(guò)60℃，極端地表溫度達(dá)到83.4℃。另一方面，三峽庫(kù)區(qū)屬于濕潤(rùn)區(qū)，年平均相對(duì)濕度多在70%～80%，夏季濕度更是達(dá)到90%以上。

圖1 重慶三峽庫(kù)區(qū)6～9月份高溫日數(shù)統(tǒng)計(jì)(數(shù)據(jù)來(lái)源于重慶氣象局， 2020)

前人研究表明，溫度、濕度等環(huán)境氣候的交替變化將加速巖石的劣化，特別是對(duì)于軟巖，容易發(fā)生崩解，從而導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)破壞。如，張振華等(2016)采用試驗(yàn)?zāi)M方法研究了三峽水庫(kù)運(yùn)行期消落帶內(nèi)軟巖(中風(fēng)化紫紅色泥巖)的物理特性，結(jié)果表明泥巖在干濕交替作用5個(gè)周期后將不再崩解。劉新榮等(2009)對(duì)干濕循環(huán)作用下的砂巖力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到砂巖黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨循環(huán)作用次數(shù)的增加而不斷下降，從抗剪切參數(shù)因素分析了影響庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性。柴波等(2009)通過(guò)統(tǒng)計(jì)獲得三峽庫(kù)區(qū)紅層滑坡的分布規(guī)律，再結(jié)合崩解試驗(yàn)和X射線掃描分析，得出干濕循環(huán)過(guò)程中紅層巖土體不僅存在失水收縮的拉破壞，還存在吸水膨脹微裂隙尖端壓應(yīng)力集中引起的壓剪破壞形態(tài)。樊永華(2017)通過(guò)對(duì)不同溫度和濕度作用下的泥巖進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，知道濕度對(duì)泥巖強(qiáng)度的影響較大，溫度的影響較小。還有一些學(xué)者采用分維理論，研究了粉砂質(zhì)泥巖在酸雨作用下的崩解特征，結(jié)果表明隨著分維數(shù)的增大，巖樣分解速度越快(趙曉彥等， 2020)。諸多研究對(duì)于濕度條件的考慮主要采取飽和-干燥(或飽和-自然晾干)兩種狀態(tài)的改變來(lái)控制，同時(shí)主要針對(duì)溫度或濕度對(duì)巖石物理力學(xué)特性的單因素影響研究，對(duì)于非飽和狀態(tài)的溫濕耦合條件下巖石劣化效應(yīng)的研究較少。

另一方面，巖石的變形破壞過(guò)程在本質(zhì)上是能量耗散、釋放，直至斷裂破壞的過(guò)程(Steffler et al.，2003； 張雪穎等， 2009； 黎立云等， 2011； 朱澤奇等， 2011； Gao et al.，2012； 李楊等， 2014)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巖石變形破壞的能量演化機(jī)制進(jìn)行了廣泛研究。蘇承東等(2017)對(duì)煤層頂板砂巖在飽水條件下的單軸壓縮破壞能量演化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)飽水后砂巖儲(chǔ)能能力有較大減弱，脆性降低，塑性明顯增強(qiáng)。而砂巖壓縮作用下變形破壞過(guò)程中的能量特征方面，體現(xiàn)出巖石的破壞過(guò)程是能量的耗散與釋放的結(jié)果(趙寶云等， 2016)。田勇等(2014)研究了灰?guī)r巖樣在不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，巖樣的峰值應(yīng)力和彈性模量與圍壓的線性關(guān)系式。張黎明等(2014)根據(jù)大理巖加荷與卸荷破壞試驗(yàn)結(jié)果，得到了大理巖不同應(yīng)力路徑下的破壞特征和能量演化規(guī)律。張志鎮(zhèn)等(2012， 2015)分別通過(guò)煤巖、紅砂巖和花崗巖等3種典型巖石試件的軸向加卸載試驗(yàn)，分析得到了巖石能量演化的非線性特性關(guān)系。蒲超等(2017)研究了三軸壓縮條件下千枚巖破裂與能量演化特征，其特征應(yīng)力點(diǎn)的總能量和儲(chǔ)能的彈性應(yīng)變能均隨圍壓的增大而增大； 圍壓對(duì)巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和峰后能量釋放均有阻礙作用。黃達(dá)等(2012)對(duì)粗晶大理巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到其力學(xué)特性的(準(zhǔn))靜態(tài)加載速率效應(yīng)及能量機(jī)制。杜瑞鋒等(2019)研究了泥質(zhì)砂巖在循環(huán)荷載作用下的3種能量響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明循環(huán)載荷頻率越大， 3種能量變化速率越大。溫韜(2019)根據(jù)不同圍壓下龍馬溪組頁(yè)巖的單、三軸試驗(yàn)結(jié)果，分析了頁(yè)巖的能量演化、損傷演化和脆性特征，發(fā)現(xiàn)能量的耗散與巖石損傷具有正相關(guān)性，基于能量的損傷演化規(guī)律符合“S”型曲線特征。由以上所述可知，能量演化過(guò)程對(duì)于深入揭示巖石變形破壞機(jī)制具有重要意義，以往關(guān)于溫度和濕度對(duì)巖石變形破壞特性的影響鮮有對(duì)于能量演化的影響分析。

因此，為了深入揭示非飽和狀態(tài)的溫濕循環(huán)作用對(duì)三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸巖層的劣化效應(yīng)，以重慶市長(zhǎng)壽區(qū)長(zhǎng)江兩岸廣泛分布的粉砂質(zhì)泥巖為研究對(duì)象，模擬三峽庫(kù)區(qū)夏季高溫高濕環(huán)境及晝夜循環(huán)作用。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試不同溫濕循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮力學(xué)特性，并進(jìn)一步分析變形破裂特征，結(jié)合能量原理，分析不同溫濕循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮能量演化機(jī)制，揭示溫濕循環(huán)的劣化效應(yīng)。研究成果對(duì)三峽庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)估具有重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)所用粉砂質(zhì)泥巖試樣均取自重慶長(zhǎng)壽長(zhǎng)江二橋工程項(xiàng)目南岸錨碇區(qū)域的中風(fēng)化層，巖樣呈灰褐色或紅色，由黏土礦物組成，砂質(zhì)含量高。根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)(中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2013)中的規(guī)定并結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備的制樣要求，將取自同一巖石塊體的各個(gè)試件加工成直徑為50mm，高100mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣后，使用NM-4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀，測(cè)定粉砂質(zhì)泥巖試件的密度和超聲波波速，然后選擇試樣密度與縱波波速均相近，離散系數(shù)較小的試樣進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，并用記號(hào)筆分組編號(hào)(圖2)。加工試件兩端面不平行度控制在±0.5mm以內(nèi)，沿試件高度直徑誤差控制在±0.3mm以內(nèi)，斷面垂直軸線偏差控制在±0.25°以內(nèi)。

圖2 粉砂質(zhì)泥巖標(biāo)準(zhǔn)巖石試件

1.2 溫濕循環(huán)處理

1.2.1 溫濕循環(huán)作用設(shè)定

針對(duì)重慶三峽庫(kù)區(qū)典型的晝夜及季節(jié)性溫濕循環(huán)氣候特征，將溫濕循環(huán)作用的次數(shù)設(shè)為試驗(yàn)變量。具體試驗(yàn)條件設(shè)定如下：

(1)較高溫濕條件：溫度值設(shè)定為80℃，濕度為90% RH。

(2)較低溫濕條件：溫度值設(shè)定為25℃，濕度為50% RH。

(3)單次溫濕循環(huán)：先將試樣在較高溫濕條件下作用12h，然后調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境為較低溫濕條件并作用12h，以此作為一次溫濕循環(huán)。

(4)粉砂質(zhì)泥巖試樣的溫濕循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1、3、5次共3組，并設(shè)置一組對(duì)照組(對(duì)照組試驗(yàn)環(huán)境恒定為溫度25℃、濕度50% RH)，分別標(biāo)記為Nb、Nc、Nd和N0。每組包含3個(gè)試樣，分別用1、2、3標(biāo)記，如溫濕循環(huán)次數(shù)為5次的3個(gè)試樣分別標(biāo)記為Nd1、Nd2和Nd3。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用SDJ61A型濕熱試驗(yàn)箱(圖3)設(shè)置一定的溫度和濕度環(huán)境條件。該設(shè)備的性能參數(shù)為：溫度可調(diào)節(jié)范圍為-70～150℃，均勻度為±2.0℃； 濕度可調(diào)節(jié)范圍為10%～98% RH，均勻度為±5% RH。試驗(yàn)箱包含恒溫試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、恒定濕熱試驗(yàn)、交變濕熱試驗(yàn)4種功能，本試驗(yàn)是對(duì)粉砂質(zhì)泥巖試樣進(jìn)行變溫濕度循環(huán)，故使用的交變濕熱試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑浼訙亟禍睾臅r(shí)≤80min。

圖3 SDJ61A型濕熱試驗(yàn)箱

2 溫濕循環(huán)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮力學(xué)特性

采用RMT-301巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備對(duì)溫濕循環(huán)作用后的粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定其抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量等參數(shù)，并分析其破裂特征。試驗(yàn)采用0.5MPa·s-1的速率進(jìn)行加載直至試件破壞。

2.1 力學(xué)參數(shù)分析

不同溫濕循環(huán)次數(shù)處理后的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，并得到相應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E(取軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上近于直線段的斜率)和變形模量E50(取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上峰值強(qiáng)度50%處的割線斜率)列于表1。由此可知，在試驗(yàn)的溫濕循環(huán)作用次數(shù)范圍內(nèi)，粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和變形模量與溫濕循環(huán)作用次數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且近似于線性關(guān)系(圖5～圖7)。隨著溫濕循環(huán)作用次數(shù)從0次增加到5次，粉砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度平均值從45.52MPa下降到23.12MPa，減小幅度達(dá)到49.21%； 彈性模量平均值從4.54GPa下降到2.13GPa，減小幅度達(dá)到53.11%； 變形模量平均值從4.36GPa下降到1.84GPa，減小幅度達(dá)到57.78%。同時(shí)，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變與溫濕循環(huán)作用次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系?？傊瑴貪裱h(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖彈性削弱，塑性增強(qiáng)。

圖4 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖6 粉砂質(zhì)泥巖彈性模量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7 粉砂質(zhì)泥巖變形模量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

表1 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)

2.2 破裂特征分析

粉砂質(zhì)泥巖經(jīng)過(guò)不同溫濕循環(huán)作用后單軸抗壓試驗(yàn)部分試件破壞形態(tài)見圖8。試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)為脆性破壞，自然狀態(tài)下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮破壞形式為一個(gè)較完整的單斜面剪切破壞(圖8a)。經(jīng)歷溫濕循環(huán)作用后，試件破壞過(guò)程中難以形成一個(gè)較完整的斜向剪切面，一方面，試樣沿由主裂紋構(gòu)成的1～2個(gè)主要斜向破裂面發(fā)生剪切破壞； 另一方面，試樣在單軸壓縮過(guò)程中橫向膨脹，導(dǎo)致張拉破裂，使得試樣在這種橫向膨脹張拉作用下產(chǎn)生橫向張拉型翼裂紋(張拉破壞)，或者在橫向膨脹張拉與縱向剪切共同作用下產(chǎn)生斜向的張拉-剪切混合型翼裂紋(張拉-剪切混合破壞)。當(dāng)溫濕循環(huán)次數(shù)較多時(shí)(如達(dá)到5次，圖8d所示)，試樣橫向膨脹的效應(yīng)更為顯著，甚至使得試樣發(fā)生局部的巖塊崩落現(xiàn)象。

圖8 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮試驗(yàn)部分試件破壞形態(tài)

因此，從試樣破壞的細(xì)觀機(jī)理來(lái)看，溫濕循環(huán)顯著降低了粉砂質(zhì)泥巖的巖土體顆粒與顆粒之間的黏結(jié)力，使顆粒間發(fā)生斷裂時(shí)的強(qiáng)度減小、脆性增加、黏性降低甚至消失。這種顆粒間黏結(jié)力的降低，一方面與溫濕循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)，循環(huán)次數(shù)越多，降低的幅度越大； 另一方面，在本文試驗(yàn)的條件下，該黏結(jié)力的降低對(duì)于整個(gè)試樣而言并非是均勻的，而是呈一定的梯度變化，即在同一單位時(shí)間內(nèi)，越靠近試樣表層，顆粒間黏結(jié)力的降低速率越大。由此可見，理論上，溫濕循環(huán)將使得粉砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度減小、脆性增加、塑性降低，而這與圖4中應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示出的試樣強(qiáng)度減小、脆性降低、塑性增加的宏觀特征不一致。其原因在于，溫濕循環(huán)雖然在細(xì)觀上降低了巖土體顆粒間的黏結(jié)力，使之強(qiáng)度減小、脆性增加、黏性降低，但恰恰因?yàn)槿绱耍沟迷嚇釉趩屋S壓縮過(guò)程中，隨著力的增加，試樣更容易產(chǎn)生翼裂紋甚至局部崩落破壞，試樣在變形破壞過(guò)程中不斷碎裂崩落，破壞后其巖石塊體的碎裂程度比較大，表現(xiàn)出一定的殘余強(qiáng)度和殘余變形。如前所述，由于試樣受影響的程度不是均勻的，而是呈一定的梯度變化，當(dāng)溫濕循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，試樣破壞過(guò)程中甚至?xí)霈F(xiàn)巖塊由表及里地一層一層地不斷剝落現(xiàn)象。因此，試樣在細(xì)觀和宏觀上表現(xiàn)出的脆性和塑性變化特征相反。但無(wú)論如何，在溫濕循環(huán)作用下，細(xì)觀上的顆粒間破壞強(qiáng)度減小，均使得宏觀上表現(xiàn)出的破壞強(qiáng)度顯著降低。

而對(duì)于未受溫濕循環(huán)作用的試樣，其顆粒間的黏結(jié)力較大，在單軸壓縮過(guò)程中只能沿著單一剪切面發(fā)生破裂，峰值應(yīng)力時(shí)其剪切面完全貫通，殘余強(qiáng)度和殘余變形接近于零。因此，其宏觀上表現(xiàn)出的強(qiáng)度更大、脆性更大、塑性更小。

3 溫濕循環(huán)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮能量演化規(guī)律

3.1 巖石單軸壓縮能量特征分析

巖石試樣受壓破壞的能量轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)是試樣在受壓密實(shí)過(guò)程中能量不斷累積，當(dāng)達(dá)到能量峰值后一瞬間釋放可釋放彈性能及消耗能等各種能量的全過(guò)程。熱力學(xué)定律也表明，能量的轉(zhuǎn)化是物質(zhì)體發(fā)生物理變化的內(nèi)在本質(zhì)，巖石試樣受壓損傷及破壞均是能量驅(qū)動(dòng)下宏觀失穩(wěn)現(xiàn)象的演化(張志鎮(zhèn)等， 2015)。試件加載過(guò)程中不斷受壓密實(shí)，在應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)峰值前通過(guò)試驗(yàn)機(jī)吸收能量，峰值后壓碎破壞則是釋放能量的過(guò)程。在整個(gè)試驗(yàn)壓縮過(guò)程中，當(dāng)可釋放彈性能積蓄到超過(guò)巖石試樣所能負(fù)載的最大極值，巖石試樣開始失穩(wěn)破裂，同時(shí)向外界釋放能量(黃達(dá)等， 2012)。

從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，耗散能是單向釋放過(guò)程，而可釋放彈性能則是雙向的。耗散能量是巖石變形失穩(wěn)破壞的根本屬性，反映受加載巖石內(nèi)部新生裂隙的不斷孕育、擴(kuò)張、演化、材料強(qiáng)度逐漸弱化并最終發(fā)生巨大破壞的過(guò)程。在高溫高濕環(huán)境下，粉砂質(zhì)泥巖顆粒吸濕膨脹，導(dǎo)致其塑性增強(qiáng)且力學(xué)特性發(fā)生劣化，可釋放彈性能儲(chǔ)蓄能力降低，耗散能增大。

3.2 粉砂質(zhì)泥巖能量演化規(guī)律

假設(shè)試樣在試驗(yàn)加載過(guò)程中與外界未發(fā)生熱交換，即為完全封閉系統(tǒng)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，試驗(yàn)機(jī)做功總能U(試樣吸收能量)為(謝和平等， 2005)：

U=Ud+Ue

(1)

式中：Ud為耗散能；Ue為可釋放彈性能，其對(duì)應(yīng)于應(yīng)力單位為MPa的單位為MJ·m-3。

粉砂質(zhì)泥巖在單軸壓縮過(guò)程中的能量關(guān)系如圖9所示。圖中OC為受壓時(shí)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣做功過(guò)程，CA為卸載時(shí)試樣積蓄可釋放彈性能對(duì)試驗(yàn)機(jī)做功過(guò)程。此時(shí)試驗(yàn)機(jī)輸入給試樣的總能量為應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變軸圍成的面積(圖9中OCB)：

圖9 粉砂質(zhì)泥巖在單軸壓縮過(guò)程中的能量關(guān)系(謝和平等， 2005)

(2)

在實(shí)際巖石試樣受壓達(dá)到破壞時(shí)，除了釋放的可釋放彈性能外，還有其他各種形式的耗散能，比如摩擦熱能，破壞巖塊動(dòng)能等。其中：可釋放彈性能Ue，可用圖9中三角形ABC所圍成的陰影面積計(jì)算：

(3)

式中：E0為卸載時(shí)的模量，為方便計(jì)算，可采用加載時(shí)的彈性模量E近似計(jì)算。此外，其他部分耗散能Ud，可用圖9中OAC所占區(qū)域面積計(jì)算：

Ud=U-Ue

(4)

根據(jù)式(2)～式(4)，可得到不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮能量特征值，如表2和圖10～圖12所示。

圖10 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過(guò)程中總能量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖11 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過(guò)程中彈性能及其占比與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖12 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過(guò)程中耗散能及其占比與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

表2 不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖能量特征值

其中：粉砂質(zhì)泥巖總能量U、可釋放彈性能Ue和彈性能占比平均值的擬合公式為：

U(N)=-0.0197N+0.2625

(5)

Ue(N)=-0.0256N+0.2278

(6)

Ue/U(N)=-5.2847N+88.141

(7)

Nd2試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較大的離散性，故在計(jì)算平均值時(shí)將其剔除，帶下劃線數(shù)據(jù)為剔除數(shù)據(jù)由此可知，在試驗(yàn)的溫濕循環(huán)作用次數(shù)范圍內(nèi)，粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮總能量U、可釋放彈性能Ue及其占比均與溫濕循環(huán)作用次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且近似于線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為： 0.9994、0.9994和0.9597。隨著溫濕循環(huán)作用次數(shù)從0次增加到5次，粉砂質(zhì)泥巖的總能量平均值從0.262MJ·m-3下降到0.150MJ·m-3，減小幅度達(dá)到42.29%； 可釋放彈性能平均值從0.228MJ·m-3下降到0.088MJ·m-3， 減小幅度達(dá)到61.47%； 彈性能平均值占比從86.9%下降到58.7%，減小幅度為32.45%。

同時(shí)，不可恢復(fù)耗散能Ud與耗散能占比平均值的擬合公式為：

Ud=0.0062N+0.034

(8)

Ud/U(N)=5.2847N+11.859

(9)

由此可知，不可恢復(fù)的消耗能及其占比與溫濕循環(huán)作用次數(shù)近似呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.966、0.9597。不難發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的0～5次溫濕循環(huán)作用下，粉砂質(zhì)泥巖的不可恢復(fù)耗散能平均值從0.034MJ·m-3增加到0.062MJ·m-3，增加幅度達(dá)到80.86%； 消耗能平均值占比從13.1%增加到41.3%，增加幅度為215.27%。從式(5)、式(6)和式(8)中可看出，溫濕循環(huán)作用顯著降低了粉砂質(zhì)泥巖的彈性能儲(chǔ)能能力，同時(shí)在一定程度上增加了耗散能，從而促進(jìn)巖石形成宏觀破裂面且強(qiáng)度喪失。溫濕循環(huán)作用對(duì)于粉砂質(zhì)泥巖彈性能的降低速率約為耗散能增加速率的4倍，因此，總體上顯著削弱了粉砂質(zhì)泥巖的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化能力。所以，從能量分析角度也可看出，溫濕循環(huán)作用對(duì)于粉砂質(zhì)泥巖的彈性性能具有顯著削弱作用。

4 結(jié) 論

針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)夏季高溫高濕及晝夜溫濕循環(huán)作用，對(duì)經(jīng)過(guò)加工后得到的粉砂質(zhì)泥巖標(biāo)準(zhǔn)試樣，在SDJ61A型濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行一系列循環(huán)次數(shù)的溫濕循環(huán)作用，然后測(cè)試其單軸壓縮力學(xué)性能，分析其應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強(qiáng)度、變形、破裂特征及能量特征，得到以下主要結(jié)論：

(1)粉砂質(zhì)泥巖在不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量和變形模量均有不同程度的影響。單軸抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量與變形模量平均值的降幅分別為49.21%、53.11%和57.78%。

(2)粉砂質(zhì)泥巖在不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下試樣的總能量、彈性量及其消耗量均有不同程度的影響。單軸壓縮總能量U、可釋放彈性能Ue及其占比平均值的降幅分別為42.29%、58.7%和32.45%； 相反，不可恢復(fù)的耗散能Ud與其占比平均值的增幅為80.86%和215.27%。因此，從能量方面看出，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖的脆性性質(zhì)削弱，而塑性性質(zhì)增強(qiáng)。

(3)細(xì)觀上，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖顆粒間的黏結(jié)力降低，從而使其顆粒間發(fā)生破壞時(shí)的強(qiáng)度減小、脆性增加、黏性降低，其變化幅度與溫濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系； 同時(shí)，顆粒間黏結(jié)力降低幅度在巖體內(nèi)不是均勻分布的，而是由表及里呈一定的梯度變化，越靠近表面，其降低幅度越大。

(4)宏觀上，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖試樣在單軸壓縮變形破壞過(guò)程中易于產(chǎn)生橫向膨脹的張拉型翼裂紋或斜向的張拉-剪切混合型翼裂紋，破壞時(shí)巖石更為破碎，與一般氣候環(huán)境下的巖樣相比，表現(xiàn)出脆性降低，塑性增加的特征。