基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的新生代紅砂巖彈性模量估計(jì)及其衰變規(guī)律研究

陳冠琪， 郭昭贏， 張曉溫， 李 劍， 周 哲， 陳佳鑫,4

(1. 中鐵十一局集團(tuán)有限公司第二工程公司， 湖北 十堰 442000； 2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063； 3. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所， 湖北 武漢 430071；4. 常州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

新生代紅砂巖是一種含可溶性鹽較多的、典型的內(nèi)陸湖相沉積，主要分布在湖泊退化地區(qū)的地表，由于成巖時(shí)間晚，巖石膠結(jié)性差，使其具有一些獨(dú)特的工程地質(zhì)特性[1～3]。新生代紅砂巖遇水后易發(fā)生軟化、崩解，巖層中泥化夾層和層間軟弱面較發(fā)育，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度低、抵抗變形的能力弱。因此，對(duì)新生代紅砂巖力學(xué)特征的影響研究多從裂隙和水這兩個(gè)關(guān)鍵因素開展。例如，文獻(xiàn)[4～6]開展了不同裂隙條件下紅砂巖強(qiáng)度特征以及裂隙發(fā)育規(guī)律；文獻(xiàn)[7～9]研究了紅砂巖滲透規(guī)律、孔隙水壓力以及干濕循環(huán)對(duì)紅砂巖力學(xué)特征的影響。

巖體力學(xué)特征是影響巖土工程安全的首要因素。彈性模量是巖體力學(xué)特征的關(guān)鍵參數(shù)之一，它反映了巖體承載變形特征。一般情況下，巖石的彈性模量通過單軸或三軸抗壓試驗(yàn)得到，但是這種方法操作較為困難，不僅需要取完整的原狀樣，還需要進(jìn)行操作復(fù)雜的試驗(yàn)，對(duì)快速測(cè)定巖石彈性模量并不友好。因此，學(xué)者們嘗試了其他快速測(cè)試巖石彈性模量的方法。如丁鵬程[10]建立了現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試數(shù)據(jù)與巖石彈性模量之間的預(yù)測(cè)關(guān)系。田家勇、高金雪[11，12]基于巖石的聲彈理論，通過脈沖回波方法測(cè)量雙軸加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超聲縱、橫波波速變化，來測(cè)定巖石的三階彈性模量。楊鳳英[13]利用巖石的儲(chǔ)層特性與地震響應(yīng)之間的關(guān)系，建立了基于巖石物理特征的彈性模量測(cè)算方法。

以上嘗試為巖石彈性模量的快速測(cè)定提供了新的思路和借鑒，為了進(jìn)一步探討快速測(cè)定新生代紅砂巖彈性模量的方法，本文利用已開展的新生代紅砂巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究并提出了一種基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的新生代紅砂巖彈性模量估計(jì)方法，并針對(duì)新生代紅砂巖遇水軟化的特點(diǎn)，研究了其彈性模量的衰變規(guī)律，可為相關(guān)工程提供借鑒和參考。

1 新生代紅砂巖工程性質(zhì)

1.1 基本物理性質(zhì)

本次試驗(yàn)所采用的新生代紅砂巖取自安徽九華山機(jī)場(chǎng)附近，是一種典型的內(nèi)陸湖相沉積巖。巖石顏色為朱紅色，具有很強(qiáng)的風(fēng)化、崩解及吸水軟化特征。新生代紅砂巖巖樣如圖1所示。

圖1 新生代紅砂巖巖樣

通過室內(nèi)試驗(yàn)，首先確定了天然狀態(tài)下新生代紅砂巖的基本物理性質(zhì)。具體巖樣指標(biāo)見表1。

表1 新生代紅砂巖基本物理指標(biāo)

1.2 巖樣礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)

通過X衍射試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)，對(duì)新生代紅砂巖的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)。

圖2為新生代紅砂巖的礦物成分組成?？梢钥闯觯律t砂巖中礦物成分含量從高到低依次是石英、蒙脫石、方解石、伊利石和高嶺土。由于巖樣中含大量蒙脫石，導(dǎo)致新生代紅砂巖吸水性較強(qiáng)，且蒙脫石的密度較低，具有很強(qiáng)的吸水膨脹性，故吸水后的蒙脫石體積增大，降低了巖體密度，從而降低了巖體強(qiáng)度。

圖2 新生代紅砂巖礦物組成

圖3為新生代紅砂巖巖樣電鏡掃描結(jié)果。圖中可以看到新生代紅砂巖的礦物晶體形態(tài)呈蜂窩狀，棉絮狀，表面附有球形、姜狀等形態(tài)的顆粒，礦物結(jié)構(gòu)中有明顯的空洞和孔隙，容易導(dǎo)水，孔隙度較大。

圖3 新生代紅砂巖微觀結(jié)構(gòu)

1.3 崩解特性試驗(yàn)

圖4 為新生代紅砂巖在自然環(huán)境中進(jìn)行淋濕 - 風(fēng)干試驗(yàn)結(jié)果，反復(fù)干濕循環(huán)次數(shù)為8次。

圖4 新生代紅砂巖崩解性試驗(yàn)

可以看出，對(duì)于完整紅砂巖試樣，在干濕循環(huán)2～3次后，試樣開始緩慢崩解，有碎屑逐漸剝落，試樣整體保持一定的完整性，試樣主體質(zhì)量略有降低；在干濕循環(huán)4～5次后，試樣崩解加速，呈塊狀、碎屑狀剝離，試樣完整性降低，但仍可見較大塊完整試樣，試樣主體質(zhì)量持續(xù)減??；在干濕循環(huán)6～8次后，試樣崩解迅速至崩解完全，完整試樣崩解為碎塊狀、碎屑狀以及泥狀，難以辨別初始形態(tài)，未保留較為完整的試樣主體。

1.4 新生代紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度

針對(duì)本次所取的新生代紅砂巖開展了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度

可以看到，新生代紅砂巖試樣最大單軸抗壓強(qiáng)度為4.38 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為2.96 MPa，強(qiáng)度較低，屬于軟巖類。

1.5 新生代紅砂巖工程地質(zhì)特征

由新生代紅砂巖的基本性質(zhì)、礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)、崩解特性，并結(jié)合成巖方式和時(shí)間，可知：

(1)新生代紅砂巖由于成巖時(shí)間晚，巖石膠結(jié)差，有的為半膠結(jié)狀態(tài)，膠結(jié)物大都為泥質(zhì)成分，礦物穩(wěn)定性差，從而使其具有一些獨(dú)特的工程地質(zhì)特性。

(2)新生代紅砂巖強(qiáng)度低，遇水后易發(fā)生軟化、崩解，發(fā)育泥化夾層和層間軟弱面。經(jīng)開挖、爆破揭露后，新鮮巖石在自然環(huán)境下即可崩解碎裂成土狀，甚至泥化。

2 基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的新生代紅砂巖彈性模量估計(jì)

2.1 新生代紅砂巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

圖5為典型的天然狀態(tài)下紅砂巖的點(diǎn)荷載試驗(yàn)曲線。

圖5 新生代紅砂巖典型點(diǎn)荷載試驗(yàn)曲線

利用國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)[14]推薦的方法，對(duì)天然狀態(tài)下新生代紅砂巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。其中修正后的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與換算的單軸抗壓強(qiáng)度之間的倍數(shù)關(guān)系取8.96[15]，具體結(jié)果見表3。

表3 基于點(diǎn)荷載換算的單軸抗壓強(qiáng)度

2.2 新生代紅砂巖彈性模量

根據(jù)前述開展的新生代紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，計(jì)算得到了其彈性模量，如表2所示。

通過10組試樣試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以看到，對(duì)于新生代紅砂巖來講，其彈性模量與單軸抗壓強(qiáng)度有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同試樣的彈性模量與單軸抗壓強(qiáng)度的比值在87～108之間，平均94左右。

2.3 基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的彈性模量估計(jì)方法

從新生代紅砂巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)曲線上看，除了在加載端與巖樣初始接觸的瞬間有一段微小的平緩曲線，試驗(yàn)過程中巖樣的荷載 - 位移曲線基本處于直線發(fā)展，因此，可以認(rèn)為點(diǎn)荷載試驗(yàn)狀態(tài)下，新生代紅砂巖的表征彈性模量可以用點(diǎn)荷載強(qiáng)度換算后的單軸抗壓強(qiáng)度與點(diǎn)荷載應(yīng)變的比值來確定。此處定義點(diǎn)荷載應(yīng)變?yōu)閹r樣破壞時(shí)加載端位移與等效直徑的比值。

以點(diǎn)荷載試驗(yàn)為基礎(chǔ)的表征彈性模量可以用下式表示：

(1)

式中：Edzh為點(diǎn)荷載表征彈性模量；σdzh為點(diǎn)荷載換算的單軸抗壓強(qiáng)度；εdzh為點(diǎn)荷載應(yīng)變，可用式(2)計(jì)算。

(2)

式中:db為巖樣破壞時(shí)，加載端的位移；De為等效直徑[11]。

利用上述公式對(duì)點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，新生代紅砂巖的表征彈性模量數(shù)據(jù)，以及利用單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系計(jì)算得到的彈性模量數(shù)據(jù)均如表4所示。

表4 基于點(diǎn)荷載換算的彈性模量

續(xù)表4

從新生代紅砂巖表征彈性模量與單軸強(qiáng)度確定的彈性模量之間的關(guān)系來看，二者的倍數(shù)關(guān)系在3.5～4.0倍之間，表明基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的表征彈性模量與新生代紅砂巖彈性模量之間有較好的比值關(guān)系，基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的紅砂巖彈性模量的估計(jì)方法可以用式(3)表示。圖6為新生代紅砂巖彈性模量Ed與表征彈性模量Edzh之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖中可以看到，二者之間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96以上。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議紅砂巖彈性模量與表征彈性模量之間的倍數(shù)關(guān)系k取3.7。

圖6 Ed - Edzh關(guān)系曲線

E=kEdzh

(3)

式中：E為新生代紅砂巖彈性模量；k為倍數(shù)關(guān)系比值，根據(jù)試驗(yàn)確定。

需要指出的是，利用式(3)得到的紅砂巖彈性模量準(zhǔn)確與否，與基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的表征彈性模量直接相關(guān)。而表征彈性模量的計(jì)算與點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度相關(guān)，如等效直徑De是否準(zhǔn)確等，為保證彈性模量的準(zhǔn)確性，開展點(diǎn)荷載試驗(yàn)時(shí)需嚴(yán)格遵守國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的試驗(yàn)方法和步驟。

3 新生代紅砂巖彈性模量衰變規(guī)律

從新生代紅砂巖的基本物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及其工程性質(zhì)分析可知，新生代紅砂巖具有很強(qiáng)的風(fēng)化和崩解性，對(duì)水的敏感性很高，因此，在吸水軟化的情況下，其彈性模量也必然出現(xiàn)迅速衰減的情況。

如圖7不同含水率下新生代紅砂巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)曲線所示，不同含水量下，新生代紅砂巖的位移 - 荷載曲線峰值逐漸向右移動(dòng)，荷載峰值也不斷減小，說明隨著含水量的增加，新生代紅砂巖的強(qiáng)度不斷降低，其彈性模量也不斷衰減。

圖7 不同含水率下新生代紅砂巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)曲線

圖8為不同含水率狀態(tài)下，新生代紅砂巖彈性模量衰減曲線。

圖8 新生代紅砂巖彈性模量衰減曲線

從圖8可以看到，隨著含水率的增加，新生代紅砂巖的彈性模量呈明顯的衰減趨勢(shì)，說明水對(duì)新生代紅砂巖彈性模量的影響極大。

為了進(jìn)一步描述新生代紅砂巖彈性模量與含水率之間的關(guān)系，采用負(fù)指數(shù)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合，得到新生代紅砂巖彈性模量衰減曲線。

E=554.9-220.3ln(w+1)

(4)

此外，從圖7中還可以看到，當(dāng)新生代紅砂巖含水率小于8%時(shí)，其彈性模量衰減迅速，當(dāng)含水率超過8%時(shí)，彈性模量的衰減速度降低，說明新生代紅砂巖的初始含水率對(duì)其彈性模量的衰減有重要影響，當(dāng)初始含水率較低時(shí)，其彈性模量隨含水率的增加而衰減迅速，當(dāng)初始含水率較高時(shí)，其含水率的變化對(duì)其彈性模量影響較小。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)新生代紅砂巖基本物理特性的研究，掌握了新生代紅砂巖的工程地質(zhì)特征，在此基礎(chǔ)上，通過點(diǎn)荷載試驗(yàn)曲線，提出了基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的新生代紅砂巖彈性模量的估計(jì)方法，并研究了新生代紅砂巖彈性模量衰減規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)以單軸抗壓試驗(yàn)得到的彈性模量為基礎(chǔ)，基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出新生代紅砂巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)表征彈性模量與實(shí)際彈性模量之間的換算關(guān)系，建立了基于點(diǎn)荷載試驗(yàn)的新生代紅砂巖彈性模量估算方法。

(2)研究了新生代紅砂巖不同含水率條件下彈性模量的衰減規(guī)律，提出了新生代紅砂巖彈性模量隨含水率增加而衰減的經(jīng)驗(yàn)公式，為相關(guān)工程提供了參考依據(jù)。

(3)研究得到了影響新生代紅砂巖彈性模量衰減的臨界含水率，即8%。當(dāng)初始含水率小于8%時(shí)，新生代紅砂巖彈性模量隨含水率的增加而衰減明顯，當(dāng)初始含水率大于8%時(shí)，其彈性模量衰減不甚明顯。