水巖作用對(duì)充填節(jié)理巖石劣化的影響

柴少波, 宋 浪, 周 煒, 付曉東, 周永強(qiáng)

1.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院,西安 710064

2.湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院,湖南 益陽(yáng) 413000

3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,武漢 430071

0 引言

動(dòng)力荷載作用下巖體邊坡和洞室安全評(píng)價(jià)是影響工程安全的關(guān)鍵難點(diǎn)問(wèn)題[1]。實(shí)際水利水電工程所建巖體不可避免地存在一些節(jié)理巖體,而節(jié)理中往往含有一定的充填物,充填節(jié)理的低強(qiáng)度和大變形特性會(huì)改變整個(gè)巖體的強(qiáng)度,增加工程巖體的不穩(wěn)定性[2-4]。此外,由于水利水電工程中庫(kù)岸邊坡不斷遭受庫(kù)水作用[5],長(zhǎng)期水巖相互作用會(huì)對(duì)充填節(jié)理巖體造成明顯的劣化影響,在外荷載作用下更易導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)破壞[6]。因此,開(kāi)展水巖作用對(duì)充填節(jié)理巖石力學(xué)特性尤其是動(dòng)力學(xué)劣化特性的研究,對(duì)評(píng)價(jià)庫(kù)岸邊坡安全穩(wěn)定性有重要的意義。

水巖相互作用(water-rock interaction,WRI)這一術(shù)語(yǔ)于20世紀(jì)50年代在蘇聯(lián)首次提出[7],半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)研究人員從物理、化學(xué)、力學(xué)等角度對(duì)水巖相互作用開(kāi)展了大量的研究,并取得了一定的成果[8-14]。水巖相互作用的方式有很多,對(duì)于庫(kù)岸邊坡而言,其中賦存的水巖作用方式主要有長(zhǎng)期位于庫(kù)水位線以下的持續(xù)浸泡作用和處于庫(kù)水位線升降范圍內(nèi)的干濕循環(huán)作用兩種。為此,相關(guān)學(xué)者針對(duì)持續(xù)浸泡和干濕循環(huán)作用對(duì)巖體劣化的影響展開(kāi)了一系列研究[15-21],例如:王偉等[15]開(kāi)展了干濕循環(huán)作用下錦屏水電站邊坡大理巖壓縮試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,巖石單軸峰值強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,干濕循環(huán)對(duì)黏聚力的劣化效應(yīng)大于內(nèi)摩擦角,且圍壓作用可以有效弱化干濕循環(huán)對(duì)巖石彈性模量的劣化效應(yīng);姚華彥等[16]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同次數(shù)干濕循環(huán)作用后紅砂巖的彈性模量、單軸和三軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等都存在不同程度的降低,且紅砂巖的各力學(xué)指標(biāo)在第一次飽水后有大幅度的降低,此后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,降低的幅度逐漸變小;付建軍等[17]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)飽水和干濕循環(huán)作用下砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與水巖作用次數(shù)呈對(duì)數(shù)關(guān)系,且相比于飽水作用,干濕循環(huán)作用后試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量更小;鄧華鋒等[18]進(jìn)行了長(zhǎng)期浸泡和浸泡-風(fēng)干循環(huán)作用下砂巖的斷裂力學(xué)試驗(yàn),結(jié)果表明,水巖作用下砂巖斷裂韌度劣化最大,抗拉強(qiáng)度次之,抗壓強(qiáng)度劣化相對(duì)較小,且浸泡-風(fēng)干循環(huán)作用比長(zhǎng)期浸泡作用對(duì)砂巖力學(xué)參數(shù)劣化更明顯。

目前對(duì)水巖作用的相關(guān)研究工作已取得可觀的成果,但仍存在以下不足:1)研究對(duì)象主要針對(duì)完整巖體,但實(shí)際中工程巖體內(nèi)部存在大量充填節(jié)理,充填節(jié)理巖體與完整巖體的力學(xué)及變形特性差異較大;2)研究者多以單一水巖作用方式進(jìn)行分析,較少進(jìn)行多種水巖作用的對(duì)比分析,而實(shí)際中庫(kù)岸邊坡往往存在多種水巖作用方式;3)研究?jī)?nèi)容大多局限于巖石的靜力學(xué)特性,而實(shí)際中工程巖體將不可避免地受到爆破、地震等動(dòng)荷載作用,巖石的動(dòng)力學(xué)特性很大程度上決定了工程巖體的安全穩(wěn)定性。針對(duì)以上問(wèn)題,本研究開(kāi)展了不同水巖作用(持續(xù)浸泡和干濕循環(huán)作用)對(duì)充填節(jié)理巖石靜力以及動(dòng)力特性試驗(yàn)研究。首先對(duì)預(yù)制的充填節(jié)理巖石進(jìn)行不同次數(shù)的持續(xù)浸泡和干濕循環(huán)預(yù)處理;然后對(duì)其進(jìn)行縱波波速測(cè)定、靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)和分離式Hopkinson桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)動(dòng)態(tài)單軸沖擊試驗(yàn),對(duì)比分析持續(xù)浸泡和干濕循環(huán)作用對(duì)充填節(jié)理巖石波速值、靜態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度以及能量耗散特性劣化效應(yīng)的影響;最后進(jìn)一步對(duì)比分析干濕循環(huán)作用后不同狀態(tài)(干燥和含水狀態(tài))下充填節(jié)理巖石力學(xué)參數(shù)劣化效應(yīng)的差異性,以掌握不同水巖作用對(duì)充填節(jié)理巖石損傷劣化的影響程度。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

考慮到實(shí)際工程中充填節(jié)理巖體取樣困難且成本消耗大,故本試驗(yàn)根據(jù)相似原理采用充填砂漿模擬實(shí)際工程中充填節(jié)理層,試驗(yàn)所用巖樣選自陜西省渭南市某質(zhì)地良好的花崗巖,充填砂漿由石灰、砂和水按比例配置而成,參照前期研究[22-23]進(jìn)行充填節(jié)理巖石試樣的制備。充填節(jié)理巖石試樣由兩側(cè)的花崗巖和中間部位的充填節(jié)理組成。由于實(shí)際中充填節(jié)理雖具有一定的厚度但明顯小于兩側(cè)巖石尺寸,結(jié)合文獻(xiàn)[23-25]中充填節(jié)理與兩側(cè)巖石的比例,同時(shí)考慮到SHPB動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)過(guò)程中巖石試樣要滿足應(yīng)力波作用下應(yīng)力均勻性條件,試樣的長(zhǎng)徑比要求一般較小[26];故設(shè)置本試驗(yàn)中兩側(cè)花崗巖直徑為50 mm,厚度為15 mm,充填節(jié)理厚度為5 mm。將兩側(cè)花崗巖外表面打磨平整(平整度誤差在0.02 mm范圍內(nèi)),對(duì)兩側(cè)花崗巖巖樣內(nèi)表面進(jìn)行等間距、等深度的刻槽,由此來(lái)保證巖石節(jié)理面的粗糙度一致。為提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,采用平行試驗(yàn),且3個(gè)試樣為1組進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)流程

本試驗(yàn)流程可為以下4個(gè)步驟。

1)充填節(jié)理巖石試樣的制備及養(yǎng)護(hù),如1.1節(jié)所述。

2)對(duì)充填節(jié)理巖石試樣進(jìn)行干濕循環(huán)作用和持續(xù)浸泡作用。巖樣的干濕循環(huán)試驗(yàn)分為烘干階段和浸泡階段,其中烘干試驗(yàn)在烘箱內(nèi)進(jìn)行,浸泡試驗(yàn)在自制的浸泡箱內(nèi)進(jìn)行。對(duì)充填節(jié)理巖石試樣分別進(jìn)行0(全程干燥)、1、5、10、15、20次的干濕循環(huán)處理。其中1次干濕循環(huán)作用定義為:充填節(jié)理巖石在恒溫恒濕烘箱中以60 ℃烘干12 h,自然風(fēng)干0.5 h后,再在水箱中浸泡12 h。為了與干濕循環(huán)作用進(jìn)行對(duì)比,持續(xù)浸泡和干濕循環(huán)作用持時(shí)保持一致,即1次持續(xù)浸泡作用定義為在自制的浸泡箱中浸泡24 h,對(duì)充填節(jié)理巖石試樣分別進(jìn)行0、1、5、10、15、20次的持續(xù)浸泡處理。

3)水巖作用后損傷巖樣波速測(cè)定。采用NN-4B非金屬超聲檢測(cè)分析儀對(duì)具有不同損傷特性的試樣進(jìn)行波速測(cè)試。測(cè)量波速之前在充填節(jié)理巖石表面涂刷一層凡士林,保證波速儀的金屬探頭與充填節(jié)理巖石緊密貼合,改變金屬探頭方向?qū)Τ涮罟?jié)理巖石進(jìn)行多次波速測(cè)定。同一工況取3個(gè)試樣,每個(gè)試樣測(cè)3次波速,剔除方差大的結(jié)果,最后取各工況波速平均值作為最終波速值。

4)水巖作用后損傷巖樣靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)。靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)的裝置采用WAW31000型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中采用試驗(yàn)力加載進(jìn)行控制,加載速率為50 N/s。每次進(jìn)行壓縮工作之前,保證充填節(jié)理巖石試樣放置于試驗(yàn)機(jī)壓力板的正中央,調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的球鉸底座,確保巖石試樣垂直受壓,再通過(guò)GTC350電液伺服控制系統(tǒng)施加恒定的壓力。動(dòng)態(tài)單軸沖擊試驗(yàn)的裝置采用直徑為50 mm的SHPB裝置,試驗(yàn)中將兩端涂刷凡士林的巖樣水平置于入射桿和透射桿之間,開(kāi)啟子彈觸發(fā)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖樣的單軸沖擊。

圖1所示為以干濕循環(huán)為例的試驗(yàn)流程圖。

圖1 干濕循環(huán)試驗(yàn)流程

1.3 SHPB試驗(yàn)裝置及工作原理

a. SHPB裝置示意圖;b. 入射、透射桿間的充填節(jié)理試樣示意圖;c. 節(jié)理兩側(cè)巖石切槽照片。v0. 沖擊速率。

(1)

(2)

(3)

式中:t為試驗(yàn)的時(shí)間,s;v為沖擊波速,m/s;l為試樣的長(zhǎng)度,m;εi為入射應(yīng)變;εr為反射應(yīng)變;εt為透射應(yīng)變;A為SHPB裝置壓桿的橫截面面積,mm2;E為SHPB裝置壓桿的彈性模量,GPa;As為試樣的橫截面面積,mm2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 波速劣化

一般情況下,固體物質(zhì)的密實(shí)度和彈性模量越大,波傳播的速度越快,當(dāng)固體內(nèi)部孔隙率和裂紋增多時(shí),相應(yīng)波傳播速度也會(huì)發(fā)生變化,超聲波波速檢測(cè)可以很好地衡量固體物質(zhì)的損傷程度。充填節(jié)理巖石在水巖作用(持續(xù)浸泡和干濕循環(huán)作用)下產(chǎn)生不同程度的損傷,利用波速值可以簡(jiǎn)單直觀地評(píng)價(jià)水巖作用對(duì)充填節(jié)理巖石的損傷大小。圖3為不同次數(shù)水巖作用后充填節(jié)理巖石的波速值。

n. 水巖作用次數(shù)。

從圖3可以看出,隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加,充填節(jié)理巖石波速值不斷減小,且降低速率逐漸變小,通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)波速值與干濕循環(huán)作用次數(shù)之間存在一致性較強(qiáng)的指數(shù)型函數(shù)關(guān)系。初始狀態(tài)時(shí)波速值為2 945 m/s,20次干濕循環(huán)作用后波速值降為2 530 m/s,降低幅度達(dá)到14.09%。此外還可以看出,隨著持續(xù)浸泡作用次數(shù)的增加,波速值先增大后逐漸減小,波速值與持續(xù)浸泡作用次數(shù)之間無(wú)明顯的函數(shù)關(guān)系。波速值發(fā)生先增大后減小的主要原因是:在首次持續(xù)浸泡作用下溶液中水分子進(jìn)入充填節(jié)理巖石的孔隙,填充了巖樣中的裂隙,使得巖樣孔隙率減小進(jìn)而波速值增大;隨著持續(xù)浸泡次數(shù)的增加,由于水分子對(duì)充填節(jié)理的溶蝕、潤(rùn)滑及軟化等作用,使得巖樣出現(xiàn)新的裂隙,孔隙率增加進(jìn)而導(dǎo)致了波速值的降低。通過(guò)對(duì)比同一次數(shù)兩種水巖作用下充填節(jié)理巖石波速值大小可以看出:水巖作用次數(shù)小于10次時(shí),干濕循環(huán)作用下巖樣的波速值顯著小于持續(xù)浸泡作用下巖樣的波速值;隨著水巖作用次數(shù)的增加,兩者波速值的差距不斷縮小,可見(jiàn)長(zhǎng)期持續(xù)浸泡作用對(duì)充填節(jié)理巖石的損傷劣化不可忽視。

2.2 靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度劣化

圖4為不同次數(shù)干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用下充填節(jié)理巖石靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4可以看出,充填節(jié)理巖石首次遭受水巖作用后應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生了明顯的偏移,不同次數(shù)水巖作用后充填節(jié)理巖石峰值應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的降低,而對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變出現(xiàn)明顯的提高。根據(jù)曲線的變化規(guī)律及壓縮過(guò)程中的巖樣狀態(tài),可將充填節(jié)理巖石的靜態(tài)單軸壓縮過(guò)程大致分為4個(gè)階段[22]：

圖4 充填節(jié)理巖石靜態(tài)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

充填節(jié)理層壓密階段(應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)快而應(yīng)力增長(zhǎng)不大)、彈性變形階段(曲線呈直線增長(zhǎng)階段)、裂縫擴(kuò)展階段和破壞階段(曲線呈下降階段)。當(dāng)水巖作用次數(shù)小于10次時(shí),充填節(jié)理層壓密階段較短;隨著水巖作用次數(shù)的增加,充填節(jié)理層壓密階段逐漸變長(zhǎng),出現(xiàn)明顯的塑性屈服期。從圖4應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可得到不同次數(shù)水巖作用下充填節(jié)理巖石靜態(tài)抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變,數(shù)據(jù)列于表1。

表1 不同次數(shù)水巖作用下充填節(jié)理巖石靜態(tài)抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變

從表1的數(shù)據(jù)可以看出:隨著水巖作用次數(shù)的增加,充填節(jié)理巖石的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度不斷減小,峰值應(yīng)變不斷增大。初始狀態(tài)下巖樣的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為58.29 MPa,20次干濕循環(huán)作用后巖樣的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為42.46 MPa,強(qiáng)度降低幅度為27.16%,而20次持續(xù)浸泡作用后巖樣的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為47.25 MPa,強(qiáng)度降低幅度為18.94%;可見(jiàn)干濕循環(huán)作用對(duì)充填節(jié)理巖石靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的劣化效應(yīng)大于持續(xù)浸泡作用。此外,對(duì)比兩種水巖作用后巖樣的峰值應(yīng)變可以看出,除15次水巖作用外,其余各次數(shù)下持續(xù)浸泡作用后巖樣的峰值應(yīng)變均大于干濕循環(huán)作用后巖樣的峰值應(yīng)變;這是由于持續(xù)浸泡過(guò)程中水分子對(duì)充填節(jié)理長(zhǎng)期的軟化作用使得巖樣的延展性增強(qiáng)。

為準(zhǔn)確得出水巖作用對(duì)充填節(jié)理巖石靜態(tài)抗壓強(qiáng)度劣化規(guī)律,采用總劣化度和階段劣化度指標(biāo)進(jìn)行分析?？偭踊葹閚次水巖作用后單軸抗壓強(qiáng)度的總降低程度,階段劣化度為相鄰兩階段水巖作用后單軸抗壓強(qiáng)度的降低程度。將通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算所得不同次數(shù)水巖作用下充填節(jié)理巖石的劣化度和階段劣化度與不同水巖作用次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行整理,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 抗壓強(qiáng)度劣化度與不同水巖作用次數(shù)的關(guān)系曲線

從圖5可看出:干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用下,充填節(jié)理巖石靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的總劣化度隨水巖作用次數(shù)的增加而不斷增加,可知干濕循環(huán)作用和持續(xù)浸泡作用對(duì)充填節(jié)理巖石的損傷具有累積效應(yīng);同一次數(shù)水巖作用下,干濕循環(huán)作用下巖樣的總劣化度始終大于持續(xù)浸泡作用下巖樣的總劣化度,可見(jiàn)干濕循環(huán)作用對(duì)充填節(jié)理巖石靜態(tài)抗壓強(qiáng)度劣化更嚴(yán)重;隨著水巖作用次數(shù)的增加,階段劣化度總體趨勢(shì)不斷減小,首次干濕循環(huán)作用后巖樣的階段劣化度最大,為11.74%,5次持續(xù)浸泡作用后巖樣的階段劣化度最大,為6.88%,可見(jiàn)干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用對(duì)巖樣靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的損傷劣化主要集中在前期。

2.3 動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度劣化

首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)入射和反射應(yīng)變的疊加與透射應(yīng)力基本重合,表明巖樣能夠達(dá)到應(yīng)力平衡。再對(duì)不同次數(shù)干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用下充填節(jié)理巖石試樣開(kāi)展動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn),得到對(duì)應(yīng)的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖6所示。

從圖6可以看出,動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與靜力單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線有所不同,動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始?jí)嚎s段并非為緩慢增長(zhǎng),而是呈現(xiàn)較小應(yīng)變下的應(yīng)力快速增長(zhǎng);達(dá)到一定程度后應(yīng)力增長(zhǎng)率有所減小,曲線出現(xiàn)平緩增長(zhǎng)段;當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值之后,曲線出現(xiàn)了快速下降階段。圖6應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化過(guò)程可以分為5個(gè)階段,即充填節(jié)理層壓密階段、彈性變形階段、充填節(jié)理破壞階段、裂縫擴(kuò)展階段和最終破壞階段。在動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中,由于沖擊速度較快,充填節(jié)理層壓密階段很快結(jié)束便迅速進(jìn)入彈性變形階段,節(jié)理層發(fā)生一定的壓密,側(cè)面產(chǎn)生輕微鼓脹。彈性變形階段期間兩側(cè)巖石發(fā)生彈性壓縮,但該過(guò)程持時(shí)較短;隨著沖擊試驗(yàn)的進(jìn)行,充填節(jié)理外表面出現(xiàn)隆起并伴有碎屑脫落。之后由于充填層強(qiáng)度顯著低于兩側(cè)巖石,充填節(jié)理層率先發(fā)生破壞,可觀察到動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前階段表現(xiàn)出一定的屈服期。隨著沖擊試驗(yàn)的進(jìn)行,兩側(cè)巖石裂紋不斷萌生、擴(kuò)展,最終兩側(cè)巖石發(fā)生破壞,導(dǎo)致巖樣的整體破壞。

此外,從圖6可以發(fā)現(xiàn),首次干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用后曲線前期的斜率高于0次循環(huán)(全程干燥)下巖樣曲線前期的斜率;這是由于浸泡過(guò)程中水分子進(jìn)入巖樣裂隙,在動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)沖擊速度過(guò)快,水分子未能迅速排出,水分子和巖樣構(gòu)成耦合體共同抵抗沖擊荷載,進(jìn)而提高了巖樣的彈性模量,表現(xiàn)為巖樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率增大。從動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可得到不同次數(shù)水巖作用下巖樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值;進(jìn)而計(jì)算得到不同次數(shù)干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用下充填節(jié)理巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的總劣化度和階段劣化度值(表2)。

表2 不同次數(shù)水巖作用下充填節(jié)理巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度及劣化度

從表2中可以看出:在兩種水巖作用下,充填節(jié)理巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著水巖作用次數(shù)的增加而不斷降低,總劣化度隨著水巖作用次數(shù)的增加而不斷增加;相同水巖作用次數(shù)下,干濕循環(huán)作用對(duì)充填節(jié)理巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度劣化比持續(xù)浸泡作用大,當(dāng)水巖作用次數(shù)為20次時(shí),在干濕循環(huán)作用下總劣化度為23.33%,持續(xù)浸泡作用下總劣化度為21.76%。當(dāng)水巖作用次數(shù)為5次時(shí),巖樣的階段劣化度最大,之后隨著水巖作用次數(shù)的增加,階段劣化度不斷減小,可見(jiàn)兩種水巖作用對(duì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的劣化也集中在前期。

2.4 能量耗散特性劣化

充填節(jié)理巖石在動(dòng)態(tài)沖擊破壞過(guò)程中伴隨能量的轉(zhuǎn)換和耗散,通過(guò)能量耗散特性分析可以很好地反映兩種水巖作用對(duì)充填節(jié)理巖石的損傷程度。根據(jù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀記錄的入射應(yīng)變?chǔ)舏、反射應(yīng)變?chǔ)舝和透射應(yīng)變?chǔ)舤可計(jì)算入射能Ei、反射能Er和透射能Et,計(jì)算公式如下:

(4)

(5)

(6)

式中:A數(shù)值為1 962.5 mm2;E數(shù)值為210 GPa;v數(shù)值為5 172 m/s。

根據(jù)能量守恒定律可計(jì)算出充填節(jié)理巖石試樣耗散的能量Ed：

Ed=Ei-Er-Et。

(7)

試驗(yàn)中忽略巖樣端部與壓桿的摩擦效應(yīng),認(rèn)為在沖擊過(guò)程中耗散的能量主要用于巖樣裂隙的擴(kuò)展和破壞。為消除入射波幅值波動(dòng)的影響,采用能量耗散率Ed/Ei分析沖擊壓縮下充填節(jié)理應(yīng)力波能量傳遞的影響。圖7為不同次數(shù)水巖作用下充填節(jié)理巖石能量耗散率的變化情況。

圖7 水巖作用下充填節(jié)理巖石能量耗散率

從圖7可以看出,隨著水巖作用次數(shù)的增加,充填節(jié)理巖石的能量耗散率不斷降低,20次干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用下充填節(jié)理巖石能量耗散率分別降低了74.29%和59.71%,且降低趨勢(shì)符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。這是由于反復(fù)的干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用對(duì)充填節(jié)理巖石的劣化損傷不斷增大,使得充填節(jié)理巖石破壞所需消耗能量不斷減小。此外還可以看出,在水巖作用相同次數(shù)下,干濕循環(huán)作用后充填節(jié)理巖石的能量耗散率更低;說(shuō)明干濕循環(huán)作用后巖樣達(dá)到動(dòng)態(tài)破壞狀態(tài)的所需能量更小,亦可說(shuō)明干濕循環(huán)作用相比于持續(xù)浸泡作用對(duì)充填節(jié)理巖石的劣化損傷大。

3 干燥和含水狀態(tài)下的結(jié)果對(duì)比

前文對(duì)充填節(jié)理巖石進(jìn)行的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)均是在充填節(jié)理巖石完成浸泡后開(kāi)展的,即巖樣處于含水狀態(tài)。為進(jìn)一步對(duì)比分析干濕循環(huán)作用后巖樣在含水和干燥狀態(tài)下劣化特性的差異性,加設(shè)對(duì)照組對(duì)其進(jìn)行不同次數(shù)的反向干濕循環(huán)作用(即充填節(jié)理巖石在水箱中浸泡12 h,自然風(fēng)干0.5 h后,再在恒溫恒濕烘箱中以60 ℃烘干12 h,最終巖樣處于干燥狀態(tài))后進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)。圖8為不同次數(shù)干濕循環(huán)作用后干燥和含水狀態(tài)巖樣的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度及峰值應(yīng)變的變化情況。

圖8 干濕循環(huán)作用后干燥和含水狀態(tài)巖樣靜態(tài)(a)、動(dòng)態(tài)(b)單軸抗壓強(qiáng)度及峰值應(yīng)變

從圖8a可以看出:隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,干燥和含水狀態(tài)巖樣的靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同,經(jīng)計(jì)算得出干燥狀態(tài)下巖樣靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度總劣化度為23.14%,含水狀態(tài)下巖樣靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度總劣化度為27.16%;與干燥狀態(tài)相比,同一干濕循環(huán)次數(shù)作用后含水狀態(tài)巖樣的靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度更低。此外可以看出,干燥和含水狀態(tài)下巖樣的峰值應(yīng)變隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增大,其中干燥狀態(tài)下巖樣靜態(tài)峰值應(yīng)變?cè)黾映潭葹?2.91%,含水狀態(tài)下巖樣靜態(tài)峰值應(yīng)變?cè)黾映潭葹?0.90%。這是由于水分子在一定程度上潤(rùn)滑和軟化了充填節(jié)理,并且水分子在巖樣裂紋尖端產(chǎn)生類(lèi)似“虹吸”效應(yīng),促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展[28],從而使得充填節(jié)理巖石強(qiáng)度降低、延性增強(qiáng)。

與圖8a不同的是,同一干濕循環(huán)次數(shù)作用后含水狀態(tài)巖樣的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度略高于干燥狀態(tài)巖樣的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度值(圖8b)。這是由于在靜態(tài)壓縮過(guò)程中,巖樣中初始裂隙受壓,使得裂隙處自由水產(chǎn)生孔隙水壓力,自由水對(duì)翼裂紋造成向外擠壓的應(yīng)力,促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展[25];此外,水分子對(duì)巖樣裂隙的溶蝕、軟化和潤(rùn)滑作用進(jìn)一步降低了巖樣的抗壓強(qiáng)度,故含水狀態(tài)巖樣的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度小于干燥狀態(tài)巖樣的強(qiáng)度值。而在動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中,由于加載速率很快,自由水未能及時(shí)排出,也無(wú)法瞬間擴(kuò)散到裂紋尖端;因此自由水會(huì)在裂隙處形成阻礙裂紋擴(kuò)展的黏聚力[29]。同時(shí),由于 Stefan效應(yīng)[30]也會(huì)產(chǎn)生阻礙巖樣裂紋擴(kuò)展的阻力,在自由水的黏聚力和Stefan效應(yīng)產(chǎn)生的阻力共同影響下提高了巖樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度;這與王斌等[31]和袁璞等[32]的研究分析一致,雖然水分子也會(huì)對(duì)裂隙造成溶蝕、軟化和潤(rùn)滑,但相比前者影響較小。從圖8b還可以看出,干濕循環(huán)作用后干燥和含水狀態(tài)充填節(jié)理巖石的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變差異較小。

4 結(jié)論與建議

1)水巖作用次數(shù)較少時(shí),干濕循環(huán)作用下巖樣的波速值顯著小于持續(xù)浸泡作用下巖樣的波速值,但隨著水巖作用次數(shù)的增加,兩者波速值的差距不斷縮小,可見(jiàn)長(zhǎng)期持續(xù)浸泡作用對(duì)充填節(jié)理巖石的損傷劣化不可忽視。

2)同一次數(shù)水巖作用時(shí),干濕循環(huán)作用下巖樣的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度始終小于持續(xù)浸泡作用下對(duì)應(yīng)的巖樣抗壓強(qiáng)度值,且兩種水巖作用對(duì)充填節(jié)理巖石強(qiáng)度損傷劣化集中在前期;可知干濕循環(huán)作用對(duì)充填節(jié)理巖石靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度劣化更嚴(yán)重。

3)隨著水巖作用次數(shù)的增加,充填節(jié)理巖石能量耗散率不斷降低,且干濕循環(huán)作用下巖樣的能量耗散率比持續(xù)浸泡作用下巖樣的能量耗散率低;亦可說(shuō)明干濕循環(huán)作用相比于持續(xù)浸泡作用對(duì)充填節(jié)理巖石的劣化損傷大。

4)同一干濕循環(huán)次數(shù)作用下含水狀態(tài)巖樣的靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度低于干燥狀態(tài)巖樣的靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度,且干燥和含水狀態(tài)下巖樣的峰值應(yīng)變隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增大;相反,同一干濕循環(huán)次數(shù)作用后含水狀態(tài)巖樣的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度略高于干燥狀態(tài)下巖樣的動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度。

5)實(shí)際工程中在外荷載作用下遭受干濕循環(huán)作用的部分充填節(jié)理巖質(zhì)庫(kù)岸邊坡力學(xué)特性和穩(wěn)定性較差,應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注并對(duì)其采取必要的加固措施。