三種不同粒徑砂巖的強(qiáng)度與破壞特征

宿 輝， 劉 闊， 王 翀， 白延杰， 程 方*， 隋智力

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院， 邯鄲 056021； 2.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點實驗室，邯鄲 056021； 3.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司， 北京 100024； 4.北京城市學(xué)院， 北京 100089)

巖質(zhì)邊坡工程及深埋隧道工程經(jīng)常面臨巖體的強(qiáng)烈開挖卸荷，這很可能在開挖擾亂的區(qū)域引起應(yīng)力破壞危險，如巖體的拉動和剪切[1-2]。所以，對于大型水電項目和露天煤礦開采等重大項目，在選址時會考慮砂巖作為其地基或圍巖。巖石的強(qiáng)度及其變形特性構(gòu)成了理論計算和施工工作的基礎(chǔ)[3]。因此，研究加載條件下砂巖的損傷和破壞情況意義重大。

近年來，眾多學(xué)者從不同角度對巖石力學(xué)行為進(jìn)行了物理實驗研究和數(shù)值仿真實驗研究，主要集中在以下方面:①巖石的加、卸載特性方面，如在不同加載路徑[4]、加載速率[5-6]、荷載方向[7]下，巖石力學(xué)性能的變化規(guī)律；②對強(qiáng)度影響因素方面，如不同粒徑分布條件下弱膠結(jié)顆粒巖石的力學(xué)性質(zhì)[8]、不同含水率條件下砂巖力學(xué)性能的變化[9]、尺寸效應(yīng)對砂巖劈裂的影響[10]、大粒徑石塊分布對土石混合體穩(wěn)定性的影響[11]以及砂巖在酸性環(huán)境干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度退化規(guī)律[12]等。

中外學(xué)者對巖石的各種力學(xué)和變形特性進(jìn)行了大量的研究，但對于荷載條件下不同粒徑砂巖的力學(xué)性質(zhì)和破壞特征的研究相對較少。鑒于此，現(xiàn)以黑岱溝露天煤礦邊坡為工程基礎(chǔ)，取當(dāng)?shù)?種不同粒徑砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，得到取決于砂巖粒徑的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度等的變化規(guī)律，提出黑岱溝露天煤礦邊坡砂巖粒徑與其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系，并通過基恩士超景深顯微系統(tǒng)觀察分析這3種砂巖的細(xì)觀破壞特性，以期為巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性和水利工程安全性提供參考信息。

1 試驗條件及方案

1.1 試驗設(shè)備

采用長春TAW-2000三軸伺服壓力機(jī)作為加載系統(tǒng)，進(jìn)行3種砂巖的單軸壓縮、巴西劈裂試驗，該壓力機(jī)軸向最大荷載為2 000 kN；利用線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer，LVDT)作為加載控制系統(tǒng)，加載速率為0.02 mm/s，并且記錄下軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變；基恩士超景深顯微系統(tǒng)VHX-5000對試件破壞后裂紋進(jìn)行觀察，設(shè)定超景深光源為環(huán)形照明，放大倍數(shù)150 倍，試驗照片經(jīng)過一次高動態(tài)范圍圖像(high-dynamic range，HDR)處理后再進(jìn)行高畫質(zhì)深度合成，最終獲取試件破壞圖片。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)備圖Fig.1 Test equipment diagram

1.2 巖樣制備

試驗所用砂巖取自黑岱溝露天煤礦地下巖石工程邊坡，現(xiàn)場鉆取不同位置的砂巖取芯，按照SL 264—2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》，將巖樣加工成φ50 mm ×100 mm和φ50 mm ×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，并對試樣進(jìn)行切割、打磨，最終選取無明顯裂隙的試樣進(jìn)行試驗，為保證試驗數(shù)據(jù)符合統(tǒng)計學(xué)條件，將單軸壓縮和巴西劈裂試驗均分成3組，每組巖樣均為3個試件。

通過顯微鏡對5 cm×5 cm砂巖薄片進(jìn)行粒度分析，薄片上顆粒數(shù)目大約為1 000顆，砂巖內(nèi)礦物分布比較均勻，但粒徑大小不一，測得3種砂巖巖芯密度及粒徑如表1所示。按粒徑大小，將粒徑為0.062 5～0.003 9 mm的歸為粉顆粒砂巖，0.25～0.062 5 mm的歸為細(xì)顆粒砂巖，1.0～0.5 mm的歸為粗顆粒砂巖(以下簡稱粉砂巖、細(xì)砂巖和粗砂巖)[13]。粉砂巖、細(xì)砂巖和粗砂巖的標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖2所示。

表1 3種砂巖的平均密度Table 1 Density of three kinds of sandstone

圖2 砂巖試樣圖Fig.2 Sandstones sample map

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 單軸壓縮試驗結(jié)果分析

為研究不同粒徑砂巖在受載條件下的力學(xué)性質(zhì)，對上述3種不同粒徑砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，得出3種砂巖單軸壓縮試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 3種砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 The stress-strain curves of three sandstones

由圖3看出，粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖3種巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢大體相同，其力學(xué)演化過程可分為4個階段：初始壓密階段、彈性變形及微彈性裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段、非穩(wěn)定裂隙擴(kuò)展階段和最終破壞階段[6]。受載時3種砂巖均先進(jìn)入壓密階段，此時，巖石內(nèi)部孔隙與微裂隙閉合，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“下凹”形。不同的是，粉砂巖在應(yīng)變0.06%時由壓密階段進(jìn)入彈性變形階段，而細(xì)砂巖、粉砂巖分別在應(yīng)變0.09%、0.13%時進(jìn)入下一階段。從壓密段產(chǎn)生應(yīng)變由小到大排列分別為粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖，這主要與組成砂巖的顆粒大小有。粉砂巖組成顆粒小、致密，內(nèi)部孔隙少，細(xì)砂巖次之，粗砂巖組成顆粒大，內(nèi)部孔隙較大，故產(chǎn)生的變形也較大。彈性階段主要是砂巖顆粒、內(nèi)部孔隙和微裂隙彈性變形的結(jié)果。此時，整個巖樣發(fā)生彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈直線形狀。

3種砂巖都具有明顯的非穩(wěn)定裂隙擴(kuò)展階段，此時，材料內(nèi)部孔隙坍塌，特別是粗砂巖中，應(yīng)變速率突然加快，應(yīng)力集中從尖端出現(xiàn)并向兩端延伸，應(yīng)力-應(yīng)變曲線減慢，表明試樣從非穩(wěn)定階段向破壞階段演化。隨著裂紋的不斷聚集、擴(kuò)展、貫通，形成宏觀可見的裂紋，試樣喪失承載能力。其中粉砂巖在非穩(wěn)定裂隙擴(kuò)展階段，其膠結(jié)物和顆粒共同承載力，導(dǎo)致其實驗曲線接近峰值處產(chǎn)生小幅度波動。

試驗過程中通過監(jiān)測以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到3種砂巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變等巖石力學(xué)參數(shù)，粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖的平均彈性模量分別為22.0、12.8、7.6 GPa，抗壓強(qiáng)度分別為49.7、37.7、25.2 MPa，對應(yīng)峰值應(yīng)變分別為0.313%、0.386%、0.466%，細(xì)砂巖較粉砂巖強(qiáng)度降低了24.1%，粗砂巖較粉砂巖強(qiáng)度降低了49.4%，如表2所示。

表2 單軸壓縮下砂巖力學(xué)參數(shù)Table 2 Sandstone mechanical parameters under uniaxial compression

3種砂巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。3種砂巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變的平均值用直線表示，三角、圓形、方形符號為砂巖試件的結(jié)果值。

圖4 砂巖力學(xué)參數(shù)圖Fig.4 Mechanical parameter of sandstone map

從圖4中可以看出，粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量總體呈線性下降，而峰值應(yīng)變整體呈線性上升。峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的走勢可以成為判斷巖石脆性破壞標(biāo)準(zhǔn)[14]，粉砂巖應(yīng)力下降最大，細(xì)砂巖次之，粗砂巖最小，即粉砂巖在單軸壓縮條件下發(fā)生脆性破壞，粗砂巖則更多呈現(xiàn)延性破壞。

將平均粒徑作為自變量，平均抗壓強(qiáng)度作為因變量，進(jìn)行非線性曲線擬合，采用Origin軟件進(jìn)行計算，可以得到3種砂巖粒徑-抗壓強(qiáng)度曲線(圖5)。

y1為平均抗壓強(qiáng)度；x為平均粒徑圖5 3種砂巖粒徑-抗壓強(qiáng)度曲線Fig.5 The particle size-compressive strength curves of three sandstone

相同實驗條件下，粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖的抗壓強(qiáng)度與其粒徑大小存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系，粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖的抗壓強(qiáng)度依次遞減，說明粒徑越大，抗壓強(qiáng)度越小，粒徑越小，顆粒間膠結(jié)依附得越充分，顆粒間接觸面積越大，排列越緊密，內(nèi)部孔隙率越低，抗壓強(qiáng)度越高。粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖的峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變量是依次遞減的，說明粒徑的大小不僅影響砂巖的強(qiáng)度特性，而且影響砂巖的變形特征，其塑性變形能力不同程度的增加。試樣破壞如圖6所示。

圖6 單軸壓縮破壞圖Fig.6 Uniaxial compression failure diagram

2.2 巴西劈裂試驗結(jié)果分析

巴西劈裂是衡量巖石抗拉性能的一種常用手段，工程中巖石的破壞不完全是由壓應(yīng)力造成的，受拉導(dǎo)致巖石破裂的情況時有發(fā)生。因此，獲取砂巖的抗拉強(qiáng)度是十分必要的，由壓力機(jī)得到試樣的峰值荷載后帶入抗拉強(qiáng)度計算公式[15]，求得最終試樣的抗拉強(qiáng)度。3種砂巖的巴西劈裂試驗的結(jié)果如表3所示。

表3 巴西劈裂結(jié)果Table 3 Brazilian splitting result

由表3可以得出，3種砂巖的抗壓強(qiáng)度均遠(yuǎn)超其抗拉強(qiáng)度。粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖抗拉強(qiáng)度分別為2.98、1.99、1.42 MPa，壓拉比分別為16.7、18.9、17.7。

將平均粒徑作為自變量，平均抗拉強(qiáng)度作為因變量，進(jìn)行非線性曲線擬合，采用Origin軟件進(jìn)行計算，可以得到3種砂巖粒徑-抗壓強(qiáng)度曲線如圖7所示。

y2為平均抗拉強(qiáng)度；x為平均粒徑圖7 3種砂巖粒徑-抗拉強(qiáng)度曲線Fig.7 The particle size-tensile strength curves of three sandstone

粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖的抗拉強(qiáng)度與其粒徑大小存在冪函數(shù)關(guān)系，粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖的抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)減小趨勢，隨著組成砂巖的顆粒粒徑的增大，抗拉強(qiáng)度減小，細(xì)砂巖較粉砂巖抗拉強(qiáng)度降低了33.2%，粗砂巖較粉砂巖抗拉強(qiáng)度降低了52.3%，主要原因是粉砂巖致密，孔隙結(jié)構(gòu)少，在受拉過程中有效黏結(jié)力強(qiáng)；細(xì)砂巖、粗砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)依次增大，尤其粗砂巖顆粒間間距大，孔隙結(jié)構(gòu)多且明顯，使其黏結(jié)力明顯降低，抗拉能力大幅降低。因此，在地下巖石工程中，一定做好周圍巖體因拉應(yīng)力造成破壞的預(yù)防措施。

2.3 砂巖細(xì)觀破壞特征

粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖在受壓、受拉破壞時分別具有不同的破壞特征，肉眼很難觀察到，現(xiàn)借助基恩士超景深顯微系統(tǒng)VHX-5000進(jìn)一步觀察3種砂巖在受壓、受拉破壞后裂隙周圍巖石結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)150 倍，如圖8、圖9所示。

圖8 砂巖單軸壓縮破壞細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Microstructure diagram of sandstone under uniaxial compression failure

圖9 砂巖巴西劈裂破壞細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Microstructure diagram of sandstone under Brazilian splitting failure

由圖8、圖9可見，在同等放大倍數(shù)情況下，粉砂巖的破壞模式主要為顆粒間膠結(jié)物發(fā)生張拉破壞，進(jìn)而導(dǎo)致試件整體破壞，其破裂邊緣較為光滑，顆粒完整就是證明，這是由于粉砂巖顆粒微小，由于尺寸效應(yīng)顆粒自身強(qiáng)度高于膠結(jié)物強(qiáng)度，在受拉時膠結(jié)物先達(dá)到破壞極限；細(xì)砂巖破壞模式表現(xiàn)為顆粒間膠結(jié)物破壞和少量的顆粒發(fā)生破壞，其裂縫邊緣既有光滑部分同時有少量“毛刺”出現(xiàn)，這是砂巖顆粒和膠結(jié)物破壞的標(biāo)志；粗砂巖的破壞以顆粒破壞和顆粒間交接物破壞同步發(fā)生，從裂縫處可觀察到大量“毛刺”，這是由于粗砂巖組成顆粒成分大，孔隙多，顆粒自身和其膠結(jié)物強(qiáng)度相差不大造成的。

3 結(jié)論

(1)在組成成分相似條件下，組成砂巖的顆粒粒徑對砂巖的力學(xué)性能有較大影響，砂巖抗壓強(qiáng)度隨著粒徑增加呈指數(shù)減小的演化規(guī)律，粉、細(xì)、粗砂巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量依次降低，細(xì)砂巖較粉砂巖抗壓強(qiáng)度降低了24.1%，粗砂巖較粉砂巖強(qiáng)度降低了49.4%。粉砂巖破壞最突然，為脆性破壞，粗砂巖更多表現(xiàn)為延性破壞。

(2)粉、細(xì)、粗砂巖的抗拉強(qiáng)度依次降低，砂巖抗拉強(qiáng)度隨著粒徑增加呈冪函數(shù)減小的演化規(guī)律。細(xì)砂巖較粉砂巖抗拉強(qiáng)度降低了33.2%，粗砂巖較粉砂巖強(qiáng)度降低了52.3%。3種砂巖具有較大的壓拉比，在受載時更易發(fā)生受拉破壞，其拉壓比分別為16.7、18.9、17.7。

(3)3種砂巖在受拉破壞時具有不同的破壞特征，粉砂巖由于尺寸效應(yīng)顆粒強(qiáng)度大于顆粒間膠結(jié)物強(qiáng)度，以顆粒間膠結(jié)物破壞為主；細(xì)砂巖的破壞為顆粒間膠結(jié)物破壞和少量顆粒破壞；在粗砂巖中，顆粒較大，顆粒間膠結(jié)物破壞和顆粒自身破壞同時發(fā)生。