山區(qū)船閘地基粉砂質泥巖室內壓縮試驗研究

吳禮國 李泳龍 裴建良

摘要：利用MTS 815試驗系統(tǒng)對岷江尖子山航電樞紐工程右岸船閘地基擠壓破碎帶粉砂質泥巖進行了系統(tǒng)的單軸壓縮和常規(guī)三軸壓縮試驗，得到了其基本力學性質和破壞形態(tài)。研究結果表明：天然含水量和溶蝕作用對砂質泥巖的單軸抗壓強度影響顯著，巖樣含水量越大，其軟巖特征越明顯;在天然含水率ω為7.3%～22.1%范圍內，單軸抗壓強度的最大值為最小值的10.3倍，非溶蝕巖樣的單軸抗壓強度與含水量呈良好的冪指數(shù)關系。在圍壓的側限作用下，天然含水量對粉砂質泥巖的三軸抗壓峰值（剪斷）強度的影響更加明顯，在天然含水量ω=15.2%～19.9%范圍內，其上、下限強度包絡線可用Coulomb準則進行表達。在天然含水量較低或圍壓較低時，非溶蝕巖樣易發(fā)生剪切破壞;隨著天然含水率的增加和圍壓的增大（ω≥17.3%或σ3≥4 MPa），非溶蝕巖樣易發(fā)生鼓脹破壞;在單軸壓縮條件下，溶蝕巖樣的破壞形態(tài)與試樣中溶蝕的空間分布關系等緊密相關。

關 鍵 詞：船閘地基; 粉砂質泥巖; 單軸抗壓強度; 單軸壓縮試驗; 常規(guī)三軸壓縮試驗

中圖法分類號： O38;TU45 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.030

0 引 言

中國幅員遼闊，在巖土工程建設中不可避免地會遇到各種軟巖地層和軟弱夾層。泥巖是一種常見的軟巖，由于其獨特的物理化學性質，使其對溫度、濕度、應力等環(huán)境因素極為敏感。在天然狀態(tài)下泥巖較為完整、堅硬，力學性能良好，遇水后迅速膨脹、崩解和軟化，強度會發(fā)生顯著弱化，引發(fā)一系列水電站壩基變形、庫岸邊坡失穩(wěn)、路基沉降、巷道塌坍等[1-6]工程問題。

眾多學者從水、溫度、加載方式等對泥巖力學性質的影響、滲流特性、泥巖脹縮性和微細構特征等方面進行了研究，取得了大量卓有成效的研究成果。周翠英等[7]針對華南地區(qū)廣為分布的典型軟巖，研究不同飽水狀態(tài)下軟巖軟化的力學性質變化規(guī)律。郭瑞等[8]對砂質泥巖進行了不同含水量和干密度條件下的單軸抗壓強度試驗，建立了以含水量和干密度為變量的砂質泥巖抗壓強度數(shù)學表達式。蔣景東等[9]研究不同含水狀態(tài)下泥巖的力學性質，并結合能量機制分析了含水率對巖石力學性質的劣化效應及機理。FU等[10]研究了不同圍壓和溫度對粉砂質泥巖裂隙滲流特性及滲透系數(shù)的影響。王閆超等[11]對巴東組泥巖開展室內瞬時力學試驗和流變力學試驗，分析巖石的流變力學特性和本構模型。李蕊等[12]對秭歸縣馬家溝滑坡中粉砂質泥巖開展三軸壓縮試驗，研究不同加載控制方式下巖石的變形破壞特征。于懷昌等[13]研究了分級加載條件下巖石的應力松馳特性及其規(guī)律。王磊等[14]開展了不同狀態(tài)和不同圍壓水平的室內三軸壓縮試驗，分析西部弱膠結泥巖的強度特征和基本力學指標與圍壓的變化關系。含水率泥質粉砂巖的強度對含水率的變化更為敏感，賈海梁等[15]通過測定泥質粉砂巖在脫水過程中不同飽和度下的物理、力學性質，深入研究了孔隙水對泥質粉砂巖的微（細）觀軟化機制。

岷江尖子山航電樞紐工程右岸船閘地基的巖性以中風化粉砂質泥巖為主，內含石膏雜質。由于靠近河床，巖體內裂隙發(fā)育，局部存在擠壓破碎及輕微至中等溶蝕現(xiàn)象。由于受含水量、結構特征等因素的影響，粉砂質泥巖抗壓強度差異較大。因此，本文利用國際先進的MTS 815巖石力學系統(tǒng)對天然狀態(tài)下的粉砂質泥巖較為系統(tǒng)地開展了單軸壓縮和常規(guī)三軸壓縮試驗研究，獲得了該區(qū)域粉砂質泥巖的基本力學性質，同時結合含水率、原生裂隙及溶蝕情況對其破壞形態(tài)進行了深入的原因分析和探討，為類似山區(qū)船閘工程設計和施工參數(shù)的選取提供了科學依據(jù)。

1 試驗描述

1.1 巖性特征與巖樣制備

本文試驗所用巖樣均取自該船閘地基面以下2.5～5.5 m及15.5～18.5 m處的擠壓破碎帶（見圖1）。

按照國際巖石力學學會（簡稱ISRM）的要求[15]，現(xiàn)場鉆孔取芯后立即進行密封包裝，送至室內加工為50 mm×100 mm的標準圓柱樣，加工精度按照GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標準》進行，收集巖樣制作后的殘余巖塊，烘干后稱重并計算出該巖樣對應的天然含水量。

本次試驗共制作巖樣30個，其中13個巖樣用于單軸壓縮試驗，17個巖樣用于三軸壓縮試驗。鑒于制備后的巖樣所含天然裂隙均由石膏良好膠結，用于單軸壓縮試驗的巖樣分為兩組，即非溶蝕巖樣（A組）和溶蝕巖樣（B組）。在試驗前測得巖樣的幾何尺寸、天然密度和縱波波速。

1.2 試驗系統(tǒng)和加載過程

試驗以中國科學院成都分院山地災害與環(huán)境研究所MTS 815巖石力學試驗系統(tǒng)（見圖2）為試驗平臺，開展室內單軸、三軸壓縮試驗。該設備具有軸向剛度大、測試精度高、性能穩(wěn)定等特點。

在試驗過程中，試驗系統(tǒng)實時記錄荷載、應力、位移和應變值，并同步繪制荷載-位移、應力-應變曲線。單軸壓縮的技術指標為：軸向荷載0～1 000 kN（壓縮）;軸向位移0～90 mm;縱向變形引伸計量程為-4.0～4.0 mm，橫向變形引伸計量程為-2.5～12.5 mm;各測試傳感器的測量精度均為示值的0.5%。圍壓最大值為80 MPa，三軸縱、橫向變形引伸計量程為-2.5～5.0 mm和-2.5～8.0 mm。

單軸壓縮試驗采用變形控制方式進行，試樣安裝、接觸完畢后，按0.05 mm/min的恒定加載速率進行軸向加載，直至軸向荷載出現(xiàn)峰值并進入峰后階段，試樣發(fā)生宏觀破壞。三軸壓縮試驗中，先按0.1 MPa/s的速率施加圍壓至預設水平，待圍壓量值穩(wěn)定后，按變形控制方式，以0.05 mm/min的加載速率施加軸向荷載，直至軸向荷載出現(xiàn)峰值并進入峰后階段，試樣發(fā)生宏觀破壞。單軸和三軸試驗過程中實時記錄試樣軸向荷載及軸向、環(huán)向變形數(shù)據(jù)。試驗結束后，收集破壞巖樣再次進行烘干稱重，重新核定巖樣的天然含水量。

2.2 常規(guī)三軸壓縮試驗

由單軸壓縮試驗結果可知，含水量和溶蝕影響對粉砂質泥巖的單軸抗壓強度影響很大。為了避免三軸壓縮強度的離散性過大，且考慮到船閘蓄水后地基土含水量不會太小，故而選取天然含水量較大的非溶蝕巖樣進行常規(guī)三軸壓縮試驗。圖5和圖6給出了常規(guī)三軸壓縮試驗條件下粉砂質泥巖非溶蝕巖樣的典型應力-應變曲線和破壞形態(tài)。

從圖5可以看出，在側限壓縮試驗條件下，非溶蝕巖樣的軟巖特征更加明顯。由于在施加靜水圍壓的過程中，巖樣內部的初始裂隙得到了不同程度的壓密，在低應力階段巖樣的應力-軸向應變曲線近似為一條直線，破壞時巖樣的軸向應變值和環(huán)向應變值顯著增大。

3 結 論

（1） 受天然含水量大小不同和溶蝕作用影響，擠壓破碎帶粉砂質泥巖的單軸抗壓強度離散性很大。在天然含水量ω為7.3%～22.1%范圍內時，單軸抗壓強度的最大值為23.19 MPa，最小值為2.05 MPa，前后兩者相差10.3倍。巖樣含水量越大，軟巖特征越明顯。非溶蝕巖樣的單軸抗壓強度與含水量呈良好的冪指數(shù)關系：σc = 1 299.5ω-2.038。

（2） 在圍壓的側限作用下，天然含水量的大小對巖樣的三軸抗壓峰值強度的影響更加明顯，含水量越大，抗壓峰值強度越低，反之亦然。常規(guī)三軸壓縮試驗條件下，當天然含水量范圍為15.2%～19.9%時，非溶蝕巖樣強度破壞準則的上、下限破壞包絡線表達式為：σs=2.765σ3+2.20、σs=1.27σ3+2.91。前者對應的黏聚力是后者的0.51倍，前者對應的內摩擦角是后者的4.12倍。

（3） 在天然含水量較低或圍壓較低時，非溶蝕巖樣易發(fā)生剪切破壞;隨著天然含水量的增加和圍壓的增大（ω≥17.3%或σ3≥4 MPa），非溶蝕巖樣易發(fā)生鼓脹破壞。當巖樣中裂隙傾角較緩時，在壓應力作用下，裂隙兩側由于變形不協(xié)調易導致裂隙開裂或在高圍壓作用下局部塊體的擠出。在單軸壓縮條件下，巖樣的破壞形態(tài)與巖溶的空間分布關系密切。

參考文獻：

[1] 劉光廷，胡昱，李鵬輝.軟巖遇水軟化膨脹特性及其對拱壩的影響[J].巖石力學與工程學報，2006，25（9）：1729-1734.

[2] 高秀君，大久保誠介，福井勝則，等.三峽庫區(qū)滑坡地帶巖石特性的研究[J].地球與環(huán)境，2005，33（3）：125-131.

[3] 胡啟軍，謝強，王春雷.紅層泥巖填筑路堤本體沉降特性研究[J].水文地質工程地質，2006（5）：34-37.

[4] 黃宏偉，車平.泥巖遇水軟化微觀機理研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2007，35（7）：866-870.

[5] 劉錄錄，李玉婕.庫岸降雨型滑坡發(fā)生機制變形特征及處理研究[J].人民長江，2019，50（增1）：96-101.

[6] 韓文喜，文靜，嚴明，等.西南某機場三疊系泥巖軟化規(guī)律研究[J].人民長江，2018，49（20）：87-94.

[7] 周翠英，鄧毅梅，譚祥韶，等.飽水軟巖力學性質軟化的試驗研究與應用[J].巖石力學與工程學報，2005，24（1）：33-38.

[8] 郭瑞，洪剛，張建華，等.砂質泥巖單軸抗壓強度試驗研究[J].地下空間與工程學報，2018，14（3）：607-612.

[9] 蔣景東，陳生水，徐婕，等.不同含水狀態(tài)下泥巖的力學性質及能量特征[J].煤炭學報，2018，43（8）：2217-2224.

[10] FU H Y，JIANG H B，QIU X，et al.Seepage characteristics of a fractured silty mudstone under different confining pressures and temperatures[J].J.Cent.South Univ，2020，27：1907-1916.

[11] 王閆超，晏鄂川，叢璐，等.巴東組泥巖非線性流變本構模型研究[J].巖石力學與工程學報，2019，38（增2）：3362-3373.

[12] 李蕊，胡新麗，叢璐，等.粉砂質泥巖不同加載控制方式下三軸壓縮試驗研究[J].鐵道建筑，2016（4）：149-152.

[13] 于懷昌，周敏，劉漢東，等.粉砂質泥巖三軸壓縮應力松弛特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（4）：803-811.

[14] 王磊，李祖勇.西部弱膠結泥巖的三軸壓縮試驗分析[J].長江科院院報，2016，33（8）：86-95.

[15] 賈海梁，王婷，項偉，等.含水率對泥質粉砂巖物理力學性質影響的規(guī)律與機制[J].巖石力學與工程學報，2018，37（7）：1618-1628.

（編輯：鄭 毅）