不同含水率的砂化白云巖力學(xué)特性研究

張正全

（中鐵二局第一工程有限公司，貴州 貴陽 550007）

地下水常常引發(fā)巖石物理力學(xué)特性的改變，使得巖石在水作用下的變形破壞更加敏感。巖石賦存在地應(yīng)力和地下水環(huán)境中，這種環(huán)境一方面影響巖石的承載能力、變形和破壞機(jī)制，另一方面也影響巖石中應(yīng)力傳播法則。國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者也開展了水-巖作用下巖石的力學(xué)特性及損傷特性的試驗(yàn)研究。曹洋兵等[1]開展了不同含水率黑云母二長(zhǎng)花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)，分析破壞特征和應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。趙奎等[2]開展了不同含水率條件下紅砂巖試件單軸壓縮試驗(yàn)，構(gòu)建了紅砂巖的損傷演化模型。陳玉華等[3]開展了不同含水率花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)，建立了以單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行量化的損傷演化規(guī)律。李安潤(rùn)等[4]以滇中地區(qū)粉砂質(zhì)泥巖為研究對(duì)象，提出了含水損傷蠕變本構(gòu)模型。萬億等[5]以川藏鐵路沿線的紅砂巖為研究對(duì)象，揭示了模型參數(shù)及劣化系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)及含水率的變化規(guī)律。李回貴等[6]以神東礦區(qū)大柳塔煤礦巖層中的砂巖為研究對(duì)象，研究了含水率對(duì)弱膠結(jié)砂巖力學(xué)特征的影響規(guī)律。劉堅(jiān)[7]利用水巖耦合作用下巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線極值特點(diǎn)，建立了三軸壓縮條件下的巖石損傷本構(gòu)模型。

滇中引水工程部分隧洞穿越砂化白云巖地層，白云巖砂化導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低，在地下水位以下的隧洞成洞難度增大。針對(duì)砂化白云巖，開展不同含水率下的物理及力學(xué)試驗(yàn)，分析巖石力學(xué)參數(shù)隨含水率之間的變化規(guī)律很有必要。

1 試件制備

本次試驗(yàn)共制備4 組巖樣，其中干燥巖樣1 組，自然吸水的巖樣3 組，每組巖樣3 個(gè)。設(shè)置吸水時(shí)間為2 h、4 h、6 h，在不同時(shí)刻取出巖樣拭干表面水分并稱重。巖石的自然吸水率計(jì)算公式為：

式（1）中：ωa為自然吸水率，%；ma為試件自然吸水后質(zhì)量，g；md為試件烘干后質(zhì)量，g。

在單軸壓縮試驗(yàn)前，記錄不同浸水時(shí)間巖樣的試樣含水率數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

由圖1 可知，隨浸水時(shí)間增加，含水率逐漸提高。本次試驗(yàn)共4 組，分組為1（干燥、含水率0%）、2（浸水2 h、平均含水率0.53%）、3（浸水12 h、平均含水率0.61%）、4（浸水24 h、平均含水率0.73%）。

圖1 砂化白云巖含水率隨浸水時(shí)長(zhǎng)的變化曲線圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

通過試驗(yàn)，得到不同含水率下砂化白云巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2 所示。由圖2 可知，不同含水率下的砂化白云巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展基本相似，經(jīng)歷了裂隙壓縮密實(shí)、彈性變形、裂隙擴(kuò)展、破壞變形4個(gè)階段。隨著含水率提高，初始?jí)好茈A段明顯增長(zhǎng)，彈性階段占比減小，且斜率也逐漸減小。

圖2 不同含水率砂化白云巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

單軸壓縮下不同含水率砂化白云巖的力學(xué)參數(shù)如表1 所示，不同含水率的砂化白云巖彈性模量和峰值抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 含水率與砂化白云巖彈性模量的關(guān)系

圖4 含水率與砂化白云巖峰值抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

結(jié)合表1、圖3 和圖4 可知，由于含水率增加，峰值強(qiáng)度和彈性模量隨含水率的增加而逐漸減小。其中，含水率為0.53%、0.61%、0.73%的白云巖與干燥時(shí)相比，其彈性模量分別下降了13.21%、27.03%、44.51%，峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了16.85%、26.19%、44.32%。采用線性擬合，求得彈性模量與峰值抗壓強(qiáng)度隨含水率變化的關(guān)系方程式為：

式（2）（3）中：E為彈性模量，GPa；ω為含水率，%；σc為峰值抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.2 巖樣破壞形式

巖石開裂破壞是巖體內(nèi)部裂隙發(fā)展，微裂縫貫通后所呈現(xiàn)的宏觀破壞形式，其特征能在一定程度上反映出試樣所處的應(yīng)力狀態(tài)和物理性質(zhì)。不同含水率的砂化白云巖試件開裂破壞模式如圖5 所示。

圖5 不同含水率的巖樣破壞模式

由圖5 可以看出，干燥狀態(tài)下白云巖最終破壞形式為單個(gè)斜面剪切破壞，巖樣整體較為完整。在含水率為0.53%和0.61%時(shí)，試件主裂紋附近會(huì)伴隨產(chǎn)生許多次生裂紋。含水率為0.73%時(shí)，次裂紋進(jìn)一步發(fā)展并貫通，破裂程度較為嚴(yán)重。從試件的最終破裂狀態(tài)來看，含水率的提高會(huì)使試件表面產(chǎn)生大量的次生裂紋。次生裂紋增強(qiáng)了水的滲透能力，巖樣破壞形態(tài)趨于復(fù)雜。試件破裂后的塊度越小，破碎程度越高。

3 試驗(yàn)過程損傷分析

3.1 損傷參數(shù)

根據(jù)不同含水率的砂化白云巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線求得損傷本構(gòu)方程參數(shù)m、F，如表2 所示。含水率與參數(shù)m、F的關(guān)系如圖6、圖7 所示。

表2 不同含水率的巖樣損傷統(tǒng)計(jì)力學(xué)參數(shù)

圖6 含水率與參數(shù)m 的關(guān)系

圖7 含水率與參數(shù)F 的關(guān)系

采用線性擬合，求得參數(shù)m與F隨含水率變化的關(guān)系方程式為：

參數(shù)m為巖石脆性的參數(shù)，參數(shù)F為巖石的宏觀強(qiáng)度，兩者共同影響巖石的損傷力學(xué)特性。由表2、圖6 和圖7 可知，隨著含水率的增大，參數(shù)m、F均逐漸減小，導(dǎo)致巖石的脆性降低，強(qiáng)度降低。

3.2 損傷過程分析

以含水率0.53%的應(yīng)力應(yīng)變曲線為例，對(duì)砂化白云巖的損傷過程進(jìn)行分析，如圖8 所示。在加載初期，損傷變量增長(zhǎng)緩慢。隨著加載過程的逐漸進(jìn)行，裂隙逐漸發(fā)育，應(yīng)力水平還未達(dá)到峰值時(shí)損傷就開始加速，當(dāng)白云巖進(jìn)入裂隙擴(kuò)展后期，此時(shí)損傷變量陡增到0.237，此階段損傷曲線增長(zhǎng)速度加劇；當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，此時(shí)損傷變量達(dá)到0.356，此時(shí)其大尺度損傷逐漸擴(kuò)展并最終貫通。

圖8 砂化白云巖損傷變量曲線

將峰值應(yīng)變下的損傷值定義為臨界損傷值Dcr，即：

臨界損傷值的物理意義是峰荷時(shí)材料所具有的塑性應(yīng)變能力，也可以說是峰荷時(shí)的塑性應(yīng)變占峰荷應(yīng)變的比例。不同含水率下砂化白云巖的臨界損傷值如表3 所示。

表3 不同含水率的砂化白云巖臨界損傷值

由表3 可知，隨著含水率提高，砂化白云巖的臨界損傷值逐漸增大，其壓縮變形過程中塑性應(yīng)變的占比逐漸增大。

4 結(jié)論

通過對(duì)不同含水率的砂化白云巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究所得結(jié)論如下：①砂化白云巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量受含水率的影響較大，峰值強(qiáng)度和彈性模量隨含水率的增加而逐漸減小。②隨著白云巖巖樣含水率增大，巖樣裂紋發(fā)展更加豐富，裂紋擴(kuò)展總長(zhǎng)度增加，破壞形態(tài)趨于復(fù)雜。試件破裂后的塊度越小，破碎程度越高。③隨著含水率的增大，損傷本構(gòu)模型參數(shù)m、F均逐漸減小，說明隨著含水率的增大，巖石的脆性降低，強(qiáng)度降低。同時(shí)臨界損傷值逐漸增大，表明其壓縮變形過程中塑性應(yīng)變的占比逐漸增大。