干濕循環(huán)作用下大瑤山砂巖靜態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)研究

焦雋雋,朱俊鋒

干濕循環(huán)作用下大瑤山砂巖靜態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)研究

焦雋雋1,2,朱俊鋒1

1. 河南科技大學(xué) 應(yīng)用工程學(xué)院, 河南 三門峽 472000 2. 三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院總務(wù)處, 河南 三門峽 472000

針對(duì)砂巖干濕循環(huán)作用下的靜態(tài)力學(xué)特性，以廣西大瑤山砂巖為試驗(yàn)材料，進(jìn)行了干濕循環(huán)、單軸壓縮、聲波以及壓汞試驗(yàn)，研究了干濕循環(huán)作用對(duì)含水率、波速、靜態(tài)力學(xué)及孔隙微觀特性。研究表明：隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖吸水率呈一節(jié)指數(shù)增加，而波速呈指數(shù)衰減；隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖峰值強(qiáng)度和彈性模量的衰減幅度呈增加趨勢，平均峰值強(qiáng)度和平均彈性模量均呈指數(shù)衰減，且波速與平均峰值強(qiáng)度變化趨勢呈正相關(guān)；干濕循環(huán)次數(shù)越小，進(jìn)汞曲線就越先達(dá)到平緩，其進(jìn)汞壓力拐點(diǎn)就越小。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，單位質(zhì)量孔隙體積呈線性增加。基于波速定義的砂巖損傷可較好預(yù)測巖石損傷規(guī)律。

干濕循環(huán); 砂巖; 靜態(tài)力學(xué)

水巖相互作用是巖土工程領(lǐng)域中前言交叉學(xué)科，也一直是邊坡、隧道、采礦等工程中備受眾多專家關(guān)注的地質(zhì)災(zāi)害誘因之一。干濕循環(huán)作用下，巖體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低，這主要受控于巖體強(qiáng)度對(duì)水的敏感程度，所以該問題一直是巖土工程災(zāi)害防治的重要課題[1-3]。因此，研究干濕循環(huán)作用下巖體的力學(xué)特性對(duì)富水圍巖體的工程建設(shè)及穩(wěn)定性具有重大意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)砂巖的干濕循環(huán)作用的力學(xué)性能進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，顏定玉等[1]基于試驗(yàn)研究了飽水時(shí)間對(duì)巖石力學(xué)特性和相關(guān)參數(shù)的影響；王永新等[2]進(jìn)行的水巖劣化試驗(yàn)表明，“飽水-風(fēng)干”循環(huán)作用對(duì)巖體強(qiáng)度參數(shù)的影響顯著；傅晏等[3]研究了水巖作用對(duì)砂巖單軸強(qiáng)度的影響，表明干濕循環(huán)對(duì)砂巖可造成不可逆的損傷破壞；然而對(duì)干濕循環(huán)作用下砂巖的波速和強(qiáng)度特性研究較少涉及，為此，杜守繼等[4]對(duì)不同高溫下花崗巖縱波波速展開研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷高溫后花崗巖的縱波波速呈減小趨勢，且隨溫度升高，減小幅度增大；李克鋼等[5]、姜永東等[6]研究了干濕循環(huán)作用次數(shù)對(duì)砂巖抗壓強(qiáng)度與彈性模量等力學(xué)參數(shù)的影響；劉新榮等[7]進(jìn)行了干濕循環(huán)作用下砂巖力學(xué)特性的研究，研究表明20次干濕循環(huán)后，黏聚力和摩擦角分別降低58.29%和33.98%；鄧華鋒等[8]對(duì)飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下砂巖強(qiáng)度劣化規(guī)律研究的試驗(yàn)，結(jié)果表明浸泡壓力為０時(shí)，6次循環(huán)后砂巖的黏聚力和摩擦角分別下降25.85%和37.02%；Zhang等[9,10]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖強(qiáng)度和破壞特性，表明８次循環(huán)后，其黏聚力下降57.32％，摩擦角降低了0.93%。以上可見，眾多專家對(duì)水巖作用下巖石力學(xué)特性展開了大量研究，并取得了眾多成果，這對(duì)進(jìn)一步探究不同干濕條件下巖石的力學(xué)特性提供了思路。西南地區(qū)，常年高溫多雨氣候潮濕的氣候環(huán)境，使得巖石（體）常年處于干濕循環(huán)狀態(tài)，巖石（體）經(jīng)常處于高度的水巖風(fēng)化環(huán)境中，致使巖體穩(wěn)定性降低，這對(duì)巖體工程的安全開挖、高效運(yùn)行等帶來了潛在危害[11-14]。

研究以廣西大瑤山砂巖為試驗(yàn)材料，分別進(jìn)行了砂巖干濕循環(huán)試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、聲波試驗(yàn)以及壓汞試驗(yàn)，研究了不同干濕循環(huán)條件下砂巖含水率、縱波波速、靜態(tài)力學(xué)特性以及孔隙微觀特性，分析了干濕水巖作用機(jī)理對(duì)砂巖的劣化特性，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)關(guān)系模型。研究結(jié)論可為干濕循環(huán)作用下巖體力學(xué)特性及穩(wěn)定性分析提供理論參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 砂巖試件

試驗(yàn)材料為廣西大瑤山(梧州地區(qū))砂巖，呈灰白色，顆粒較細(xì)且多為次生孔隙，如圖1所示(由于尚未清洗，圖1中砂巖顏色與圖2中存在色差)。該砂巖中主要礦物為石英（40%～80%）、長石（0～10%）、云母（5%～15%），粒徑介于0.005～1 mm，屬于低孔隙巖石[11]。所取砂巖來自同一塊巖體，以保證具有相同的物理學(xué)和力學(xué)特性，根據(jù)《水電水利工程巖石規(guī)范DLT53682007》通過鉆取灰?guī)r試件，并切割、打磨等制成高徑比為2:1，試件尺寸為×= 100 mm × 50 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，其端面不平行度小于0.02 mm。試驗(yàn)共制備分別15個(gè)砂巖試件，分別編號(hào)為D-W-1～15。

圖1 大瑤山砂巖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)試驗(yàn)方案，研究分別進(jìn)行了巖石的干濕循環(huán)試驗(yàn)、縱波波速測試、單軸壓縮試驗(yàn)以及壓汞試驗(yàn)。巖石的干濕循環(huán)和縱波波速測試在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)完成，試驗(yàn)設(shè)備分別為：DHG-9073BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(如圖2(a))，其控溫范圍為30 ℃～500 ℃；NM-4A非金屬超聲檢測儀；巖石的單軸壓縮試驗(yàn)在本單位建筑工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心完成，試驗(yàn)設(shè)備：中科院力學(xué)研究所研制的RMT-150C力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(如圖2(b))，其最大加載應(yīng)力和加載速度范圍分別為600 kN、0～70 mm/min。巖石的壓汞試驗(yàn)在中科院凍土研究所完成(如圖2(c))，試驗(yàn)設(shè)備為：AutoPoreⅥ型自動(dòng)壓汞儀，其孔隙測量范圍為0.003 μm～1100 μm，進(jìn)汞和退汞體積分辨率高于0.1 μL。同時(shí)，系統(tǒng)提供快速掃描、時(shí)間平衡和速率平衡三種檢測模式，可提供范圍為0.02 psi到50 psi的大孔壓力，以及0.05 psi的壓力增量。

圖2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置

1.3 測試內(nèi)容及步驟

吸水率測試：測試砂巖試樣在105 ℃恒溫下烘干24 h，測試其干重m，然后采用自然飽水法對(duì)試件浸泡24 h，直至試件質(zhì)量不變視為最大飽水度，如此即為一次干濕循環(huán)過程。為此，試驗(yàn)考慮了5種干濕循環(huán)條件，將15個(gè)試件分為5組，第1組為干燥狀態(tài)，其他4組分別進(jìn)行5、10、15和20次干濕循環(huán)試驗(yàn)，待干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測試砂巖濕重m和縱波波速V。m、m及V數(shù)據(jù)如表1所示，為研究干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)試件吸水率的影響，可通過下式計(jì)算砂巖吸水率。

縱波波速測試：選取干濕循環(huán)試驗(yàn)后砂巖為材料，進(jìn)行縱波波速測試如圖3。假設(shè)上部聲發(fā)射探頭聲波脈沖激發(fā)時(shí)間為1，下部聲波探頭接收時(shí)間為2，聲波在試件中延時(shí)為2-1，試件高度為，則砂巖縱波波速可用式(2)計(jì)算。

圖3 縱波波速測試圖

砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線：干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束，采用上述砂巖試樣在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)采用位移加載控制，軸向加載速率為0.2 mm/min，直到砂巖破壞，獲得砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖吸水率的影響

由表1可知，相比烘干質(zhì)量（m），飽水砂巖質(zhì)量（m）呈不同程度增加，且同一干濕循環(huán)下的樣本含水率近似相等?；谑?1)計(jì)算可得到不同干濕循環(huán)作用下砂巖吸水率，變化趨勢如圖4所示，圖4中虛線表示循環(huán)0次向5次的過度吸水率?？梢钥闯觯啾雀蓾裱h(huán)次數(shù)為0次，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，其他砂巖平均吸水率依次為0.53%、0.59%、0.77%和0.95%，總體呈增加趨勢，這與研究[11,12]結(jié)果一致。

表1 砂巖干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 砂巖吸水率與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

為量化砂巖吸水率與干濕循環(huán)次數(shù)的數(shù)值關(guān)系，以不同干濕循環(huán)狀態(tài)下的平均含水率變化曲線表征砂巖吸水程度，擬合干濕循環(huán)5次到20次含水率變化趨勢，為一節(jié)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，增長系數(shù)為0.0657，相關(guān)性較好。

2.2 干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖縱波波速的影響

圖5為砂巖縱波波速隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，可以看出，干濕循環(huán)次數(shù)為0次、5次、10次、15次和20次對(duì)應(yīng)的波速范圍分別為2788～2947 m/s、2566～2738 m/s、2360～2506 m/s、2109～2308 m/s和1956～2312 m/s，盡管不同干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖波速略有小范圍變動(dòng)，但總體隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈衰減趨勢。

經(jīng)計(jì)算不同干濕循環(huán)作用下砂巖波速平均值可知，相對(duì)干濕循環(huán)0次的砂巖縱波波速2864.33 m/s，干濕循環(huán)5～20次的砂巖縱波波速分別減小了226.66 m/s、430.66 m/s、653.66 m/s、706.66 m/s，其相應(yīng)衰減率依次為7.91%、16.33%、26.86%和31.97%，可見縱波波速衰減程度與干濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)。擬合縱波波速平均值V與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系為：

由式（3）可以看出，縱波波速隨干濕循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)函數(shù)衰減，衰減系數(shù)為0.0441。分析認(rèn)為，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖中存在大量的微裂隙等微缺陷不斷遭受飽和水的溶蝕，導(dǎo)致砂巖中礦物顆粒、黏土等不斷溶解，造成微孔隙不斷擴(kuò)展和貫通，引起孔隙度（損傷）增加。礦物集合體作為聲波信號(hào)的傳播介質(zhì)，其密度大小決定了聲波的傳播速度與傳導(dǎo)能力。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，增加的砂巖孔隙度進(jìn)一步提高了對(duì)聲波的吸收能力，表現(xiàn)為聲波能量耗散增加，最終引起縱波波速衰減。因此，砂巖孔隙度的增加也是造成縱波波速衰減的主要原因。

2.3 基于波速的砂巖損傷預(yù)測曲線

為表征干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖的劣化程度，選用超聲波速定義其損傷變量:

式(4)中，D為不同干濕循環(huán)條件下砂巖損傷變量定義值；V為干濕循環(huán)次數(shù)為時(shí)的砂巖波速；0為干濕循環(huán)為0次的縱波波速值，本文將此波速下砂巖視為未發(fā)生損傷。

由表1可知式（4）中0=2864 m/s（干濕循環(huán)0次的平均波速值），V即為式（3）中V，將式（4）代入式（3）即可得到砂巖損傷D與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系的預(yù)測曲線，如圖6所示。

圖6 砂巖損傷與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

由圖6可知，盡管砂巖損傷隨著干濕循環(huán)次數(shù)呈逐漸趨勢，但這種增長趨勢在逐漸減緩。即，砂巖損傷對(duì)干濕循環(huán)作用的敏感程度在逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這與李焱等[15]研究結(jié)果一致。

2.4 砂巖靜態(tài)力學(xué)特性分析

2.4.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖7為不同干濕循環(huán)作用下砂巖典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯呈5階段發(fā)展，即孔隙壓縮密實(shí)階段、彈性變形階段、微裂隙發(fā)展與萌生階段、微裂隙非穩(wěn)定擴(kuò)展階段以及破壞階段。各階段砂巖應(yīng)變特性分析如下：

軸向應(yīng)力加載初期，砂巖進(jìn)入壓縮階段。干濕循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)，可視為砂巖僅有原生孔隙的壓縮密實(shí)。而隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖中由干濕劣化作用引起的次生孔隙逐漸形成，總孔隙數(shù)量顯著增加。同時(shí)，增大的砂巖孔隙度降低了礦物粒子的壓縮變形，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓縮階段延長，曲線爬升速度減緩。

隨軸向應(yīng)力繼續(xù)加載，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈線性增加，砂巖進(jìn)入彈性變形階段。有研究表明[16]，干燥巖石的彈性階段意味著無塑性變形也無新裂隙萌生與擴(kuò)展，巖石在被壓縮密實(shí)過程的變形十分微弱。然而，由于干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖內(nèi)部具有顯著的劣化作用，總孔隙數(shù)量（原生孔隙和次生孔隙）隨著干濕循環(huán)次數(shù)逐漸增加，損傷程度也隨之加劇。此時(shí)，砂巖裂隙數(shù)量、尺寸增加，礦物顆粒間摩擦力顯著下降，導(dǎo)致應(yīng)變能提前釋放，最終表現(xiàn)為彈性階段縮短。

隨軸向應(yīng)力進(jìn)一步加載，砂巖進(jìn)入微裂隙發(fā)展與萌生階段。該階段大量新生孔隙已逐漸形成，砂巖孔隙數(shù)量相對(duì)增多，初期損傷逐漸積累，應(yīng)力-應(yīng)變曲線增長幅度減緩。另外，隨著軸向應(yīng)力加載，新生孔隙不斷萌生的同時(shí)也伴隨這宏觀裂隙出現(xiàn)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值強(qiáng)度前的塑性變形逐漸趨于明顯。

隨著軸向應(yīng)力繼續(xù)加載，砂巖進(jìn)入裂隙非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，內(nèi)部裂隙開始沿軸向應(yīng)力加載方向擴(kuò)展，應(yīng)力-應(yīng)變曲線增長速度進(jìn)一步減緩，隨后達(dá)到峰值應(yīng)力。隨后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線迅速跌落，裂隙萌生與擴(kuò)展階段形成的穩(wěn)定裂隙擴(kuò)展交接形成滑動(dòng)面，最終導(dǎo)致灰?guī)r完全破壞。

另外，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試樣具有明顯的壓縮密實(shí)階段，且峰值強(qiáng)度逐漸減小，對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變逐漸增加。分析認(rèn)為，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，導(dǎo)致砂巖內(nèi)部孔隙度增加，對(duì)砂巖弱化作用增強(qiáng)。砂巖內(nèi)部孔隙數(shù)量還受到烘干高溫作用的影響，高溫效應(yīng)導(dǎo)致砂巖礦物膨脹變形，進(jìn)而產(chǎn)生次生裂隙。當(dāng)砂巖進(jìn)行下次飽水時(shí)，自由水浸入深度和接觸面積進(jìn)一步增加，水巖軟化增強(qiáng)。這與文獻(xiàn)[4-5]研究結(jié)論具有一致性。根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]對(duì)巖石破壞前總應(yīng)變量大小對(duì)巖石的破壞形式分類可知，大瑤山砂巖的破壞形式為脆性破壞。

圖7 砂巖典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由上述分析可知，在達(dá)到峰值應(yīng)力前，砂巖所積累的應(yīng)變能主要消耗于內(nèi)部裂隙的壓縮密實(shí)、形成、擴(kuò)展與貫通，大部分耗散能以塑性勢能和裂隙表面能釋放，少量部分能量以動(dòng)能等形式釋放。由于干濕循環(huán)作用增加了砂巖孔隙度，這促進(jìn)了應(yīng)變能提前釋放。

表2 砂巖單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 峰值強(qiáng)度及應(yīng)變特性根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)，表2給出了不同干濕循環(huán)作用下砂巖峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變以及彈性模量。對(duì)表2不同干濕循環(huán)作用下砂巖峰值強(qiáng)度分析可知，干濕循環(huán)次數(shù)為0次、5次、10次、15次和20次對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度范圍分別為60.01～65.88 MPa、44.09～50.26 MPa、38.56～41.66 MPa、35.74～38.22 MPa和20.66～27.78 MPa，同一干濕循環(huán)條件下，三個(gè)樣本峰值強(qiáng)度相差不大；隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，樣本峰值強(qiáng)度范圍介于20.00 ～ 66.00 MPa，總體呈衰減趨勢，其對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變值則呈增加趨勢。這表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖達(dá)到峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變逐漸增加。

圖8為砂巖峰值強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化趨勢，可以看出，干濕循環(huán)由0次增為5次時(shí)，平均峰值強(qiáng)度由63.07 MPa降低至46.75 MPa，衰減幅度為25.87%；干濕循環(huán)由5次增為10次時(shí)，平均峰值強(qiáng)度由46.75MPa降低至40.13MPa，衰減幅度為14.16%；干濕循環(huán)由10次增為15次時(shí)，平均峰值強(qiáng)度由40.13 MPa降低至36.72 MPa，衰減幅度為8.49%；干濕循環(huán)由15次增為20次時(shí)，平均峰值強(qiáng)度由36.72 MPa降低至24.05 MPa，衰減幅度為34.50%；

另外，分析峰值應(yīng)變平均值發(fā)現(xiàn)，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，峰值應(yīng)變平均值總體呈增加趨勢，與峰值強(qiáng)度變化具有很好的一致性?？傮w來看，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖峰值強(qiáng)度的衰減幅度呈增加趨勢。擬合發(fā)現(xiàn)，在數(shù)值上平均峰值強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)為指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

巖石強(qiáng)度大小與礦物成及含量的變化有關(guān)。已有研究表明[17,18]，對(duì)于砂巖而言，干濕循環(huán)作用對(duì)巖石內(nèi)部顆粒含量及分布的影響是強(qiáng)度降低的根本原因。這主要是由砂巖的顆粒成分決定的，砂巖巖樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征由顆粒較小但含量較多的石英、長石等組成，而長石遇水后容易發(fā)生水解[12]，進(jìn)而砂巖強(qiáng)度降低。

前文分析可知，砂巖吸水率增加，其自由水浸入砂巖原生孔隙后對(duì)孔隙內(nèi)壁具有濕潤、溶蝕作用，導(dǎo)致砂巖內(nèi)部礦物顆粒從巖石骨架剝離，被運(yùn)輸?shù)娇紫锻獠?，進(jìn)而導(dǎo)致自由水浸入深度和溶蝕面積不斷增大[15]。這種水巖風(fēng)化作用導(dǎo)致砂巖孔隙度增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得相對(duì)疏松，抵抗外界應(yīng)力的強(qiáng)度降低。此外，圖9給出了不同干濕循環(huán)作用下砂巖縱波波速與峰值強(qiáng)度的關(guān)系，可以看出，隨著峰值強(qiáng)度增加，砂巖縱波波速也隨之增加，兩者具有正相關(guān)性。

圖8 峰值強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

圖9 砂巖波速與峰值強(qiáng)度平均值關(guān)系

2.4.3 彈性模量變化規(guī)律圖10為砂巖彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖10可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖彈性模量總體呈衰減趨勢。結(jié)合彈性模量平均值分析發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)次數(shù)由0增加到5次時(shí)，彈性模量平均值由6.57 GPa降低到5.58 GPa，衰減了15.07%；由5增加到10次時(shí)，彈性模量平均值由5.58 GPa降低到4.32 GPa，衰減了22.58%；由10增加到15次時(shí)，彈性模量平均值由4.32 GPa降低到4.15 GPa，衰減了3.49%；由15增加到20次時(shí)，彈性模量平均值由4.15 GPa降低到3.58 GPa，衰減了13.73%。

盡管部分?jǐn)?shù)據(jù)有些異常，但砂巖彈性模量平均值總體呈衰減趨勢，這與峰值強(qiáng)度平均值的發(fā)展趨勢一致。擬合數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，砂巖彈性模量平均值與干濕循環(huán)次數(shù)為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

2.5 干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖微觀結(jié)構(gòu)特性影響

以上分別研究了不同干濕循環(huán)狀態(tài)下砂巖含水率、縱波波速以及靜態(tài)力學(xué)特性，并分析了干濕循環(huán)作用的影響規(guī)律，從宏觀方面揭示了水巖作用對(duì)砂巖物理力學(xué)特性的影響。為此，為揭示干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖微觀特性的影響，分別對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖碎塊進(jìn)行了壓汞試驗(yàn)。考慮到砂巖飽水處理時(shí)為自然飽水法，故選取距離砂巖邊界10 mm處的巖樣，以保證具有有效的干濕循環(huán)特性，從而降低試驗(yàn)誤差。

圖10 彈性模量平均值與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

圖11 不同干濕循環(huán)作用下砂巖進(jìn)汞曲線

圖11為不同干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖壓汞曲線，可以看出，隨著進(jìn)汞壓力增加，砂巖進(jìn)汞曲線先快速上升再逐漸趨于平緩，這表明單位質(zhì)量砂巖孔隙體積進(jìn)汞量達(dá)到最大值。而且，從圖中可以看出，砂巖干濕循環(huán)次數(shù)越小，其進(jìn)汞曲線就越先達(dá)到平緩狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞壓力拐點(diǎn)就越小。

若以砂巖進(jìn)汞曲線達(dá)到平緩狀態(tài)對(duì)應(yīng)的單位質(zhì)量進(jìn)汞體積衡量砂巖樣本的微觀孔隙分布情況，由圖11分析可知，干濕循環(huán)次數(shù)由0次增加到5次時(shí)，單位質(zhì)量進(jìn)汞體積由5.53×10-3mL/g增加到9.43×10-3mL/g，增加量為3.90×10-3mL/g，增長幅度為70.52%；干濕循環(huán)次數(shù)由5次增加到10次時(shí)，單位質(zhì)量進(jìn)汞體積由9.43×10-3mL/g增加到12.77×10-3mL/g，增加量為3.34×10-3mL/g，增長幅度為35.41%；干濕循環(huán)次數(shù)由10次增加到15次時(shí)，單位質(zhì)量進(jìn)汞體積由12.77×10-3mL/g增加到15.75×10-3mL/g，增加量為2.98×10-3mL/g，增長幅度為23.34%；干濕循環(huán)次數(shù)由15次增加到20次時(shí)，單位質(zhì)量進(jìn)汞體積由15.75×10-3mL/g增加到20.71×10-3mL/g，增加量為2.96×10-3mL/g，增長幅度為18.79%。

上述分析可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，盡管砂巖單位質(zhì)量進(jìn)汞體積在逐漸增加，但其增長幅度明顯在減小，這說明在較小干濕循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)，水巖作用對(duì)砂巖孔隙度影響程度加大，而隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，這種影響程度在減小。為研究砂巖干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)單位質(zhì)量孔隙體積的影響，給出了單位質(zhì)量孔隙體積(’)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化趨勢，如圖12所示?？梢钥闯?，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖單位質(zhì)量孔隙體積呈線性增加。

圖12 砂巖單位質(zhì)量孔隙體積與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

3 結(jié) 論

以廣西大瑤山砂巖為試驗(yàn)材料，分別進(jìn)行了砂巖干濕循環(huán)試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、聲波試驗(yàn)以及壓汞試驗(yàn)，研究了不同干濕循環(huán)條件下砂巖含水率、縱波波速、靜態(tài)力學(xué)特性以及孔隙微觀特性，分析了干濕水巖作用機(jī)理對(duì)砂巖的劣化特性。主要結(jié)論如下：

（1）砂巖吸水率隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，兩者為一節(jié)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，增長系數(shù)為0.0657；

（2）隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖縱波波速呈指數(shù)函數(shù)衰減，衰減系數(shù)為0.0441。這是由于隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，自由水浸入原生孔隙后，對(duì)孔隙內(nèi)壁具有濕潤、溶蝕作用，導(dǎo)致砂巖內(nèi)部礦物顆粒從巖石骨架剝離，被運(yùn)輸?shù)娇紫锻獠浚M(jìn)而導(dǎo)致自由水浸入深度和溶蝕面積不斷增大；

（3）隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖峰值強(qiáng)度的衰減幅度呈增加趨勢。在數(shù)值上，平均峰值強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。砂巖彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)增加總體呈衰減趨勢，兩者為指數(shù)函數(shù)關(guān)系；

（4）干濕循環(huán)次數(shù)越小，砂巖進(jìn)汞曲線就越先達(dá)到平緩狀態(tài)，其進(jìn)汞壓力拐點(diǎn)就越小。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖單位質(zhì)量孔隙體積呈線性增加。

[1] 顏玉定.飽水時(shí)間對(duì)巖石動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響:巖土力學(xué)與工程的新進(jìn)展[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,1996

[2] 王永新.水-巖相互作用機(jī)理及其對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性影響的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2006

[3] 傅晏,王子娟,劉新榮,等.干濕循環(huán)作用下砂巖細(xì)觀損傷演化及宏觀劣化研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2017,39(9):1653-1661

[4] 杜守繼,馬明,陳浩華,等.花崗巖經(jīng)歷不同高溫后縱波波速分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(11):1803-1806

[5] 李克鋼,鄭東普,黃維輝.干濕循環(huán)作用下砂巖力學(xué)特性及其本構(gòu)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬[J].巖土力學(xué),2013,34(S2):168-173

[6] 姜永東,閻宗嶺,劉元雪,等.干濕循環(huán)作用下巖石力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè),2011,20(5):104-106,110

[7] 劉新榮,袁文,傅晏,等.化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下砂巖抗剪強(qiáng)度劣化試驗(yàn)及化學(xué)熱力學(xué)分析[J].巖石力學(xué)與工 程學(xué)報(bào),2016,35(12):2534-2541

[8] 鄧華鋒,李建林,朱敏,等.飽水-風(fēng)干循環(huán)作用下砂巖強(qiáng)度劣化規(guī)律試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2012,33(11):3306-3312

[9] Zhang ZH, Jiang QH, Zhou CB,. Strength and failure characteristics of jurassic red - bed sandstone under cyclic wetting - drying conditions [J]. Geophysical Journal International, 2014,196(2):1034-1044

[10] 王建寧,竇遠(yuǎn)明,魏明,等.水泥混凝土路面接縫傳荷能力模型試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,17(8):52-56

[11] 杜曉東,鄒和平,蘇章歆,等.廣西大瑤山-大明山地區(qū)寒武紀(jì)砂巖-泥巖的地球化學(xué)特征及沉積-構(gòu)造環(huán)境分析[J].中 國地質(zhì),2013,40(4):1112-1128

[12] 徐志華,張國棟,孫錢程,等.干濕循環(huán)作用下紅砂巖強(qiáng)度劣化特性試驗(yàn)[J].中國公路學(xué)報(bào),2018,31(2):226-233

[13] Song ZP, Yang TT, Jiang AN,. Experimental investigation and numerical simulation of surrounding rock creep for deep mining tunnels [J]. The Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2016,116(12):1-8

[14] Ling SX, Wu XY, Sun CW,. Experimental study of chemical damage and mechanical deterioration of black shale due to water-rock chemical action [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2016,31(4):511-524

[15] 李焱,湯紅英,鄒晨陽.多次干濕循環(huán)對(duì)紅土裂隙性和力學(xué)特性影響[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),2018,40(3):253-256,261

[16] 張茹,謝和平,劉建鋒,等.單軸多級(jí)加載巖石破壞聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(12):2584-2588

[17] 劉佑榮,唐輝明.巖體力學(xué)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1999

[18] 劉學(xué)偉,劉泉聲,劉建平,等.復(fù)雜應(yīng)力條件下裂隙網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展機(jī)制試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,35(S2):3662-3670

Experimental Study on Static Mechanics of Dayao Mountain Sandstone under Drying-watering Cycle

JIAO Jun-jun1,2, ZHU Jun-feng1

1.4720002472000,

In order to study the mechanical and microscopic characteristics of sandstone under different drying-wetting cycles, experiments of drying-wetting cycle, uniaxial compression, acoustic wave and mercury injection were carried out with the experimental material from Dayao mountain sandstone, in Guangxi Province. Then, the effects of drying-wetting cycles on water absorption and P - wave velocity, static mechanics and pore microscopic properties were studied. Results show that with the increase of drying - wetting cycles, the water absorption of sandstone increases as one section exponential function, and the growth coefficient is 0.0657, while the P-wave velocity attenuates as an exponential function, and the attenuation coefficient is 0.0441. With the increase of drying-wetting cycles, the attenuation amplitude of peak strength and elastic modulus of sandstone increased, and the average values of peak strength and elastic modulus of sandstone both increased. The P-wave velocity is positively correlated with the change trend of average peak intensity, and the smaller the times of dry and wet cycles, the more smooth the mercury inflow curve of sandstone is, and the smaller the pressure inflection point is. With the increase of drying-wetting cycles, the pore volume per unit mass of sandstone increases linearly. In addition, based on the P-wave velocity, the relation equation between sandstone damage and drying-wetting cycles is derived, which can better predict the rock damage law.

Drying - wetting cycle; sandstone; static mechanics

TD528

A

1000-2324(2021)03-0500-09

2019-08-13

2019-11-22

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(122102210533)

焦雋雋(1982-),女,碩士,講師,主要從事土木工程方面的研究與教學(xué)工作. E-mail:xifeng2166@126.com