干濕循環作用下貴州泥質白云巖的物理特性試驗研究

王桂林

摘 要：隨著水利水電、采礦、交通運輸及建筑等領域大型工程的興起，地下的大量巖石裸露于地表，處于多雨、干燥的復雜氣候環境中。受干濕循環作用的影響，巖石的物理特性發生了較大的變化，進而引發了滑坡、路基坍塌等災害。泥質白云巖是一類水敏感性巖體，在貴州地區分布較廣，因此，研究泥質白云巖的物理特性隨干濕循環作用的變化規律對工程設計、施工和運行安全有重要的工程意義。

關鍵詞：泥質白云巖；干濕循環；物理特性；水敏感性巖體

中圖分類號：TU452 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.004

1 研究意義

泥質白云巖是一類水敏感性巖體，在貴州地區分布較廣，水對其具有強烈的影響，研究泥質白云巖的物理特性隨干濕循環作用的變化規律對工程設計、施工和運行安全有重要的工程意義。

泥質白云巖具有巖石所特有的不連續性、不均勻性和各向異性的力學性質。本文采用試驗研究的方法，對泥質白云巖的物理特性進行了詳細研究。

2 試驗巖樣備制

2.1 巖樣采集加工

在貴州地區某巖質邊坡現場采集了試驗所需泥質白云巖巖芯，所選巖塊必須新鮮、完整，鉆取方向垂直于巖塊的沉積面，取樣工具為水鉆機，采集的芯樣直徑為50 mm。

對采集的巖芯進行切割打磨，加工成50 mm×100 mm的圓柱形標準試樣，具體如圖1所示。試樣精度應符合下列要求：①試樣兩端面的不平行度偏差不應大于0.05 mm；②試樣高度、直徑的偏差不應大于0.3 mm；③端面應垂直于試樣軸線，最大偏差不應大于0.25°。

圖1 巖樣加工成品

2.2 巖樣篩選與分組

篩選制作好的巖樣，以降低試驗數據的離散性。篩選時，先剔除某些外觀差異較大的巖樣，再用RS-ST01C非金屬超聲波檢測儀測定剩余巖樣的縱波波速。按照“波速相近”的原則，選出巖性相近的試樣共56個。

將篩選后的巖樣分組，并使每組巖樣的烘干波速平均值相等或相近，共分7組，每組8個試樣，具體分組及編號如表1所示。

3 干濕循環試驗

將飽和后的第2～7組試樣放置在干燥箱中，在105±2 ℃的溫度下烘烤12 h；取出浸泡在水槽中，水溫保持在20±2 ℃，吸水12 h，此為1次干濕循環，即每個干濕循環的周期為24 h。

最終對第2、第3、第4、第5、第6、第7組試樣分別進行了5，10，15，20，25，30次干濕循環試驗，巖樣烘干和浸泡狀態如圖2和圖3所示。

4 泥質白云巖的物理特性

4.1 干濕循環前的物理參數

在進行干濕循環循環試驗前，要測定巖樣的主要初始物理參數有天然密度、干密度、飽和密度、飽和含水率、孔隙率和縱波波速等。

4.1.1 巖樣天然密度

巖樣在自然條件下單位體積的質量稱為天然密度，計算公式為：

式（1）中：ρ為巖樣的天然密度，g/cm3，精確到0.01；m為巖樣總質量，g，精確到0.01 g；A為巖樣截面面積，cm2；H為巖樣高度，cm，精確到0.01 mm。

用游標卡尺測量試樣兩端和中間三個斷面上相互垂直的兩個直徑，按平均值計算截面面積；測量端面周邊對稱四點和中心點的五個高度，取高度平均值；用電子秤測量質量。

4.1.2 巖樣干密度

采用量積法計算巖樣的干密度，公式如下：

式（2）中：ρd為巖樣的干密度，g/cm3，精確到0.01；ms為巖樣烘干后質量，g，精確到0.01 g；A為巖樣截面面積，cm2；H為巖樣高度，cm，精確到0.01 mm。

將所有試樣放置在105～110 ℃的干燥箱中烘烤24 h，然后放入干燥器內冷卻至室溫，測量試驗前試樣的烘干質量。

4.1.3 巖樣飽和密度

巖樣達到飽和時單位體積的質量，稱為飽和密度，即：

式（3）中：ρsa為巖樣的天然密度，g/cm3，精確到0.01；mo為巖樣飽和質量，g，精確到0.01 g；A為巖樣截面面積，cm2；H為巖樣高度，cm，精確到0.01 mm。

將試樣放入水槽中，注水至試樣高度的1/4處，然后每隔2 h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6 h后全部浸沒，試樣在水中自由吸水48 h后達到飽和，取出試樣并擦去其表面水分測量飽和質量。

4.1.4 巖樣飽和含水率

飽和巖樣孔隙中含水的質量與固體質量之比稱為飽和含水率，即：

式（4）中：w為巖樣的飽和含水率，精確到0.1；m為巖樣烘干前質量，g，精確到0.01 g；ms為巖樣烘干后質量，g，精確到0.01 g。

4.1.5 巖樣孔隙率

巖樣的孔隙體積與總體積的比值稱為孔隙率，即：

式（5）中：n為巖樣的孔隙率，精確到0.1；ρsa為巖樣飽和密度，g/cm3；V為巖樣總體積，cm3；ms為巖樣烘干質量，g，精確到0.01 g；ρw為水密度，g/cm3。

4.1.6 巖樣縱波波速

縱波的傳播方向與質點的振動方向一致，在試樣中傳播時，波速計算公式為：

式（6）中：L為聲波發射與接收器中心點間的距離/巖樣長度，精確到0.01 mm；t為聲波在巖樣中傳播時間，μs；V為超聲波波速，m/s，精確到0.001.

巖石超聲波波速檢測技術是通過測定超聲波穿透巖石后聲波信號的波速變化，間接地反映巖石的物理力學特性及結構特征。聲波在傳播速度較慢的介質中通過或在傳播中遇到層理、節理、裂隙及軟弱夾層等結構面需要繞過時，聲波將發生衰減，使聲時延長，波速降低。

4.1.7 巖樣物理參數計算結果

干濕循環試驗前，泥質白云巖試樣的物理參數（包括天然密度、干密度、飽和密度、飽和含水率、孔隙率、烘干波速及飽和波速）的計算結果如表2所示。

試驗過程中，先對泥質白云巖試樣進行了烘干，再對其進行泡水飽和。從表2的數據結果可以看出，巖樣從烘干狀態到飽和狀態波速有明顯減緩，平均降低波速13.62%，說明水對泥質白云巖性質影響較大。

4.2 干濕循環后物理特性

對泥質白云巖試樣進行了干濕循環試驗，分析試驗后巖樣的質量、體積及縱波波速等物理特性的變化規律。

4.2.1 質量變化

質量變化率反映了巖樣的質量變化情況，計算公式為：

. （7）

式（7）中：M為巖樣質量變化率，精確到0.01；ma為干濕循環后飽和巖樣質量，g，精確到0.01 g；mb為干濕循環前飽和巖樣質量，g，精確到0.01 g；ms為試驗前烘干巖樣質量，g，精確到0.01 g。

跟蹤測量干濕循環試驗最后一組（第7組）試樣分別進行0～30次干濕循環試驗后的質量，得出的巖樣質量變化率如圖4所示。

從干濕循環試驗過程看，巖樣質量變化率在0.10%～0.45%.從1～11周期，質量變化率為0.10%～0.40%；從11～21周期，質量變化率為0.40%～0.45%；從21～30周期，質量變化率為0.45%～0.41%.

4.2.2 體積變化

體積變化率反映出巖樣的體積變化情況，計算公式為：

式（8）中：V為巖樣體積變化率，精確到0.01；va為干濕循環后飽和巖樣體積/cm3；vb為干濕循環前飽和巖樣體積，cm3；vs為試驗前烘干巖樣體積，cm3。

跟蹤測量干濕循環試驗最后一組（第7組）試樣分別進行0～30次干濕循環試驗后的體積，得出巖樣體積變化率（絕對值）如圖5所示。

從干濕循環試驗過程看，巖樣體積變化率在0.01%～0.60%之間；干濕循環試驗后，巖樣體積變化不明顯，個別巖樣測量尺寸基本沒有變化。

4.2.3 縱波波速變化

波速與巖石固體的壓實程度和連續程度有關，波速的變化（降低）可以間接反映巖石材料的損傷程度，縱波波速變化率公式為：

式（9）中：Vp為巖樣縱波波速變化率，精確到0.01；vpa為干濕循環前飽和巖樣波速，m/s；vpb為干濕循環后飽和巖樣波速，m/s；vps為試驗前烘干巖樣波速，m/s。

跟蹤測量干濕循環試驗最后一組（第7組）試樣分別進行0～30次干濕循環試驗后的縱波波速，得出巖樣縱波波速及其變化率如圖6和圖7所示。

從圖6中可以看出，干濕循環試驗后，巖樣縱波波速下降明顯；從圖7中可以看出，干濕循環到30周期時，巖樣縱波波速變化率在14.39%～21.15%之間。從干濕循環試驗過程來看，巖樣縱波波速平均下降了18.01%.

5 結論

由干濕循環試驗泥質白云巖試樣的質量、體積和縱波波速等物理特性隨循環次數的變化情況，將其規律總結如下：①干濕循環試驗30周期后，巖樣的平均質量有所增加，巖樣的縱波波速下降較多，說明干濕循環作用對巖樣質量及縱波波速影響較大；②從干濕循環試驗可以看出，巖樣體積變化不明顯，說明干濕循環作用對巖樣的體積影響不大；③隨著循環周期的增加，干濕循環試驗巖樣質量變化率的變化趨勢為先快速增加，后緩慢增加，最后緩慢降低；④隨著循環周期的增加，縱波波速的變化趨勢為干濕循環開始時降低較快，后降低緩慢，最終降低再次增快。

本文對干濕循環試驗前泥質白云巖試樣的天然密度、干密度、飽和密度、飽和含水率、孔隙率和縱波波速進行了測定，并得到了相應數據，進而對干濕循環試驗前后巖樣的質量、體積和縱波波速等物理特性的變化情況進行了詳細描述，得出了干濕循環作用下巖樣的物理特性變化規律，為固體力學、巖石力學的研究及工程設計、施工等方面提供理論依據。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕