基于水-巖劣化作用下的砂巖壓縮試驗分析

劉浩然

(遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110003)

1 概述

當(dāng)水庫在建成并投入長期運(yùn)行后，庫區(qū)內(nèi)水體將對周圍巖石和土體產(chǎn)生水-巖作用，這將對庫岸邊坡巖體的物理力學(xué)性質(zhì)造成較大的影響[1]。近幾年眾多學(xué)者設(shè)計并進(jìn)行了模擬庫岸邊坡水-巖作用的干濕循環(huán)試驗，如高治國等人[2]為模擬泥巖在遇水后巖體以及巖體結(jié)構(gòu)面的變化，通過巖石軟化和崩解試驗得到了對應(yīng)的強(qiáng)度變化規(guī)律。在實際的理論分析中，水力學(xué)、損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)是國內(nèi)研究者用于分析水-巖作用后巖石力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律最常用到的方法。李建林等人[3]研究了砂巖在受到浸泡作用后的力學(xué)特性質(zhì)和劣化機(jī)理，研究結(jié)果認(rèn)為導(dǎo)致砂巖斷裂破壞等力學(xué)參數(shù)劣化的主要因素是由巖石內(nèi)部細(xì)小裂紋和縫隙所致。除了水-巖作用次數(shù)的影響，砂巖的時間損傷效應(yīng)也得到相應(yīng)考慮，如朱敏等人[4]在砂巖力學(xué)研究中就考慮了時間因素的影響，試驗采用完整砂巖和損傷砂巖進(jìn)行水-巖循環(huán)對比作用，并根據(jù)試驗得出的巖石損傷變量推導(dǎo)了本構(gòu)關(guān)系。

砂巖滲透性和水體環(huán)境對砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響也有被不少研究者關(guān)注到。劉曉麗等人[5]通過研究巖石在低滲透環(huán)境中受到的“浸泡-風(fēng)干”循環(huán)作用得到了巖土體應(yīng)力變化規(guī)律與滲透系數(shù)之間關(guān)系。劉桃根等人[6]從微觀化學(xué)方面分析了水-巖作用對砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，研究結(jié)果認(rèn)為試樣質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)的變化受到浸泡溶液的離子濃度的影響。王建平等[7]將水-巖相互作用線型規(guī)劃的模擬方法應(yīng)用到白鶴灘水電項目中，對庫區(qū)復(fù)雜水文地質(zhì)條件展開了針對性的分析和評價。

以往的研究表明，砂巖在水的作用下力學(xué)性質(zhì)劣化比較顯著，這可能是由于砂巖的孔隙率通常情況下比較大的特點所致。但在實際工程中，不僅僅包括砂巖自身孔隙率大的特性，庫區(qū)水體作用也會對砂巖力學(xué)性質(zhì)造成影響，許多庫岸巖體結(jié)構(gòu)在受到庫區(qū)水位升降或者長時間的降雨后發(fā)生失穩(wěn)垮塌。本研究主要側(cè)重分析于水-巖循環(huán)作用下砂巖壓縮的力學(xué)特性，定量分析層理砂巖在受到周期性水-巖循環(huán)作用后的力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，研究結(jié)果具有重要的工程意義。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料和儀器

本文試驗所用試樣為某庫區(qū)庫岸邊坡層理狀(以平行狀和垂直狀為主)砂巖，經(jīng)XRD衍射分析，該砂巖沙量高于50%，主要成份為石英、黑長石、云母等。本研究所需主要實驗儀器有巖石取芯機(jī)、巖芯切割機(jī)、巖石打磨儀以及巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)。

2.2 制樣與試驗操作

為更貼近工程實際，選取某庫區(qū)巖體沉積面較明顯的消落帶作為選樣點，嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范要求以及三軸儀巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)對試樣尺寸的規(guī)格要求。本試驗試樣在汛期之前即庫區(qū)水位較低時進(jìn)行現(xiàn)場取樣并保證試驗的完整性。所有試樣尺寸均為圓柱體(直徑×高度=50mm×100mm)，試樣直徑偏差不超過0.3mm，端面的不平整度不大于0.05mm。

2.3 試驗設(shè)計

通過對現(xiàn)有的砂巖力學(xué)分析的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對于受到水-巖循環(huán)作用后的層理狀砂巖力學(xué)性質(zhì)的研究還有所欠缺，相應(yīng)的力學(xué)損傷效應(yīng)仍有待進(jìn)一步明確。本研究選取具有典型代表的不同層理狀砂巖作為研究對象，開展砂巖壓縮試驗，探討和研究水-巖循環(huán)作用對垂直型層理以及平行型層理2種不同層理砂巖力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律。試驗設(shè)計10次水-巖循環(huán)(每30d從巖石浸泡容器中取出一組樣品進(jìn)行風(fēng)干作為一個循環(huán))，將風(fēng)干后的試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(試驗加載速率為0.005mm/s，圍壓設(shè)置為0、5、10、20和30MPa)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水-巖循環(huán)作用下典型砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化特征分析

在實際工程運(yùn)用中，對于揭示某一種巖石材料的力學(xué)特性的最直接和最有效的方法是分析和評價該巖石試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化關(guān)系[8]。通過試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以間接地反映巖石試件在受到外在荷載時的變形、失穩(wěn)和破壞的整個過程。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，砂巖試樣在受到不同周期的水巖作用后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化過程如圖1所示。具體各階段特征及物理意義如下：

圖1 砂巖試樣加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化關(guān)系圖

(1)O-A階段，此階段代表試樣處于壓實階段。由于試驗荷載的增加，試樣受到的軸向應(yīng)力開始逐步增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率也隨之得到增加，曲線慢慢由水平開始向上彎曲。此過程中的砂巖試樣變形是非線性的，這主要是由于砂巖試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征所致。

(2)A-B階段，此階段代表試樣處于彈性變形階段。此階段式樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率幾乎為零，曲線近似一條直線，此過程中的砂巖試樣變形在撤掉軸向應(yīng)力后可得到一定程度的恢復(fù)。

(3)B-C階段，此階段代表試樣裂縫擴(kuò)展階段。此過程中砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率逐漸減小，曲線慢慢由線性變?yōu)榉蔷€性，隨著試驗荷載的進(jìn)一步加大，試樣軸向應(yīng)力不斷增加，試樣內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫，試樣變形不可恢復(fù)。

(4)C-D階段，此階段代表試樣裂縫擴(kuò)展加速階段。在該段，隨著加載應(yīng)力的增大，試件內(nèi)部裂縫迅速延伸，裂縫數(shù)量明顯增多，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值出現(xiàn)。

(5)D-E階段，此階段代表試樣破壞階段。該過程中的巖石試件內(nèi)部裂縫不斷發(fā)展最終貫通整個試樣形成斷裂面，試件強(qiáng)度迅速降低。應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率為負(fù)值，破裂面上的摩擦力是試樣在破壞后能繼續(xù)承載的主要原因。

3.2 水-巖循環(huán)作用下不同層理狀砂巖抗壓強(qiáng)度分析

垂直型層理和平行型層理砂巖試樣在受到不同周期水-巖循環(huán)作用后，抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系如圖2所示。試驗結(jié)果具體分析如下。

觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)：同一圍壓下，垂直層理砂巖試樣的抗壓強(qiáng)度要高于平行層理砂巖試樣的強(qiáng)度，2種層理的砂巖試樣抗壓強(qiáng)度均隨著圍壓的升高而增大。同一種層理型的砂巖試樣抗壓強(qiáng)度與試驗所施加的周圍壓力呈正相關(guān)，此過程的巖石試樣抗壓強(qiáng)度受水-巖循環(huán)作用的影響較??；2種層理砂巖的抗壓強(qiáng)度隨著水-巖循環(huán)作用程度的增加呈現(xiàn)出不同程度的弱化趨勢。圍壓從低到高的增加過程中，垂直層理砂巖試樣在水-巖循環(huán)作用進(jìn)行到第6次的衰減度達(dá)到了32.31%；而相同情況下的平行層理砂巖試樣的衰減度達(dá)到26.43%，這表明垂直層理砂巖試樣在水-巖循環(huán)作用下的劣化程度要比平行層理砂巖的劣化程度高；參考和對比前人的研究成果發(fā)現(xiàn)有著與本試驗結(jié)果相似規(guī)律：劉新榮等人[9]在分析泥質(zhì)砂巖受到水-巖循環(huán)作用后的力學(xué)變化規(guī)律后認(rèn)為巖石試樣的抗壓強(qiáng)度存在著急劇下降和平穩(wěn)下降2個階段，同時認(rèn)為試樣單軸抗壓強(qiáng)度會隨著水-巖循環(huán)作用次數(shù)的增加而減小，在水巖作用前期其強(qiáng)度下降急劇，下降幅度達(dá)41.49%，但在后期的下降幅度放緩并趨于平穩(wěn)，并認(rèn)為巖石的三軸壓縮試驗強(qiáng)度也滿足此規(guī)律；同樣，傅晏等人[10- 11]在對砂巖試樣進(jìn)行干濕循環(huán)作用后開展了加載試驗，試驗結(jié)果表明砂巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度在進(jìn)行到第8次干濕循環(huán)時的劣化度為12.13%，在第10次干濕循環(huán)作用時的砂巖強(qiáng)度劣化度達(dá)9%。

圖2 不同圍壓下水-巖循環(huán)作用下砂巖抗壓強(qiáng)度值

3.3 水-巖循環(huán)作用下層理砂巖壓縮試驗彈性模量變化規(guī)律

根據(jù)試驗結(jié)果，不同圍壓下的垂直型層理砂巖和平行型層理砂巖試樣在受到不同程度的水-巖循環(huán)作用后的彈性模量變化特征如圖3所示。

圖3 不同圍壓下水-巖循環(huán)作用下砂巖彈性模量值

由圖3可觀察到水-巖循環(huán)作用下不同層理砂巖的彈性模量存在著以下變化規(guī)律：隨著水-巖循環(huán)作用次數(shù)的增加，層理砂巖試樣的彈性模量逐漸降低，垂直和平行2種層理試樣的彈性模量曲線均呈現(xiàn)出“l(fā)og函數(shù)”的劣化趨勢，該趨勢可以得到較好的擬合；平行層理砂巖試樣的彈性模量衰減程度要略微低于垂直層理砂巖試樣，但是2種層理砂巖試樣的彈性模量衰減趨勢在整體上較為一致；在經(jīng)10次水-巖循環(huán)作用之后的平行層理試樣的彈性模量劣化程度高于垂直層理試樣的彈性模量，兩者劣化程度的差距隨所施加圍壓的增大而減??；垂直型層理砂巖試樣的彈性模量隨著施加圍壓的增加開始降低。

3.4 水-巖循環(huán)作用下不同層理狀砂巖粘聚力和摩擦角的變化規(guī)律分析

分析平行型層理和垂直型層理2種不同類型砂巖試樣在經(jīng)過周期性水-巖循環(huán)作用后的粘聚力和摩擦角變化規(guī)律如圖4—5所示。

圖4 水-巖循環(huán)作用下砂巖粘聚力變化曲線

圖5 水-巖循環(huán)作用下砂巖摩擦角變化曲線

由圖4—5可發(fā)現(xiàn)：在經(jīng)歷水-巖循環(huán)作用之后，層理砂巖試樣的粘聚力和摩擦角變化規(guī)律較為明顯，隨著水-巖循環(huán)作用次數(shù)的增加，2種層理砂巖試樣的粘聚力和摩擦角均逐漸降低；平行層理砂巖試樣的粘聚力要比同等條件下垂直層理砂巖試樣的粘聚力約低3～4MPa，同時其劣化速度相較于垂直層理試樣的劣化速度更低；垂直型層理的砂巖試樣在進(jìn)行到第10次水-巖循環(huán)作用時的粘聚力減小27.56%，相同條件下的平行型層理試樣的粘聚力減小20.34%；從層理砂巖的摩擦角來看，垂直層理砂巖試樣的摩擦角要比平行層理砂巖試樣的摩擦角約低1°～2°左右；在水-巖循環(huán)作用進(jìn)行到第6次時，垂直層理試樣摩擦角的劣化度達(dá)到16.29%，平行層理試樣的劣化度達(dá)11.4%，在水-巖循環(huán)作用進(jìn)行到第10次時的垂直層理和平行層理試樣摩擦角劣化度趨于平緩，最終劣化度分別達(dá)到21.24%和16.08%。

4 結(jié)論

為探究庫區(qū)周圍砂質(zhì)巖體的力學(xué)特性，本研究開展了平行層理和垂直層理砂巖在經(jīng)過10次水-巖循環(huán)作用后的三軸壓縮試驗，重點分析了水平層理砂巖試樣和垂直層理砂巖試樣在經(jīng)過浸泡和風(fēng)干循環(huán)作用下的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)的變化規(guī)律，主要試驗分析結(jié)論如下：

(1)隨著水-巖循環(huán)次數(shù)的增加，平行層理和垂直層理砂巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均表現(xiàn)出弱化趨勢，但兩者弱化程度不同，平行層理砂巖試樣的弱化程度低于同等條件下的垂直層理砂巖試樣弱化程度。

(2)相同水-巖循環(huán)作用周期內(nèi)，平行層理試樣的彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度均低于垂直層理試樣，表明砂巖的層理方向能直接影響到試樣的力學(xué)性質(zhì)。

(3)隨著圍壓的升高，水平和垂直層理試樣的抗壓強(qiáng)度升高較為明顯；試樣在同一圍壓下的抗壓強(qiáng)度會隨著水-巖循環(huán)次數(shù)的增加而不斷降低。整體上，平行層理的抗壓強(qiáng)度低于同等條件下的垂直型層理砂巖試樣的強(qiáng)度。

(4)垂直層理試樣摩擦角的衰減度要略大于平行層理試樣的衰減度，相反，平行層理試樣的粘聚力衰減度要高于垂直層理砂巖試樣。