水壓循環作用對砂巖卸荷破壞試驗研究

郭永成，胡 鵬，王克輝，劉鑫宇，晏 斌

(1.三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學防災減災湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

大量巖土工程實踐表明，巖體的失穩破壞與其內部裂隙的擴展、水壓作用、工程及自然卸荷密切相關。如三峽工程庫區自2006年蓄水以來，每年蓄水位均在145～175 m間循環變動，對庫岸邊坡穩定影響日益嚴重。因此，對處于循環水壓作用下的巖體卸荷力學性質進行研究是非常有必要的。在庫水位升降變化引起的巖石力學特性損傷方面的研究已取得了眾多成果，許江等[1-3]通過對飽水砂巖進行三軸試驗，分析了砂巖在壓密階段和彈性耦合階段的應變變化曲線，從能量角度出發，探討了損傷過程中的能量吸收與釋放的演化規律。劉新榮等[4-8]通過自由浸水反復浸泡-風干作用，模擬庫岸邊坡巖體在庫水漲落情況下水-巖作用的過程，得到了粘聚力c、內摩擦角φ和抗剪強度τ的劣化規律。鄧華鋒等[9-12]設計考慮水壓力升降變化的砂巖浸泡-風干循環作用試驗，分析了不同階段下砂巖試樣的變形及破壞特征，揭示了循環加卸載下砂巖各項力學指標的衰減規律，較好解釋了震后邊坡在浸泡或降雨時出現的失穩現象。姚華彥、傅晏等[13-15]通過系列室內干濕循環試驗發現，循環作用對巖石的影響是漸進性的，初期影響較大，隨著作用時間的延長，該劣化效應逐漸減弱。

盡管關于庫岸邊坡水-巖作用的研究成果頗多，但還存在一些不足。飽和-風干循環從常壓到有壓，考慮的是巖石風干后的力學特性；干濕交替循環采用強制的干濕循環措施，并未考慮水壓力升降變化。然而，在庫岸邊坡開挖卸荷工程中，大量位于淺表層的邊坡實際處于受壓情況下的循環低孔隙水壓作用。鑒于此，本文擬通過對不同次數水壓循環作用下的砂巖進行卸荷力學試驗，研究庫水位升降對巖質邊坡開挖穩定性產生的影響。

圖1 水壓循環作用下砂巖的應力—應變關系

1 試驗方案

1.1 試樣制作與選取

試驗巖樣均取自于三峽工程庫區的砂巖。按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》要求，加工成Φ50 mm×100 mm的圓柱體標準試樣。通過測量巖樣直徑、高度、質量、縱波波長及回彈值等指標進行篩選，然后在TOP INDUSTRIE自適應全自動巖石三軸試驗機上進行相關試驗。

1.2 試驗步驟

為模擬庫區水位升降循環次數對砂巖卸荷損傷力學特性的影響，設置循環孔隙水壓為0.3 MPa。試驗前，將試樣烘干，再用真空飽和儀飽水48 h以上，使試樣完全飽和。砂巖卸荷力學試驗方案如下：

(1)安裝試樣后，以1.2 MPa/min的速率增加圍壓至20 MPa。

(2)以0.01 MPa/min的速率增加水壓至0.3 MPa，維持0.5 h后，再以相同速率降水壓至0，重復此操作至水壓循環次數對砂巖的損傷穩定為止。

(3)以1.2 MPa/min的速率增加軸壓至抗壓強度的80%后保持軸壓不變，以1.0 MPa/min的速率卸載圍壓至試件破壞，試驗結束。

本次試驗設置0、2、4、…、24次循環，每組循環采用3個試樣，總計39個試樣。

2 試驗結果分析

2.1 卸荷破壞應力—應變曲線

不同次數水壓循環作用下砂巖卸荷應力—應變曲線見圖1。圖1中，(σ1-σ3)為偏應力；ε1為軸向應變；ε3為環向應變。峰值強度和峰值圍壓變化曲線見圖2。從圖1、2變化可知：

圖2 峰值強度與峰值圍壓的變化

(1)砂巖卸荷破壞過程中的應力—應變曲線分為壓密階段、彈性階段以及卸荷階段。卸荷階段初始位置存在明顯彎曲。隨著循環次數n不斷增加，壓密階段的初始軸向、環向應變略微增加，彈性階段的斜率不斷降低，卸荷破壞的峰值點不斷下降。表明飽水砂巖經過水壓循環過程后，內部結構逐漸出現累積損傷，各項力學性質開始不斷劣化。

(2)砂巖卸荷破壞的峰值強度隨n增加，其減小幅度呈先小后大再小的反“S”形曲線變化。0～6次循環峰值強度的下降幅度為0.78%；8～18次循環降幅達到3.0%，是前6次的3.85倍；次數達到20次后，降幅只有0.61%。表明20次之后，峰值強度變化幅度極小，此時水壓循環作用對砂巖的損傷達到穩定狀態。

(3)卸荷破壞峰值圍壓同峰值強度的變化趨勢相反，即先小后大再小的正“S”形上升趨勢。前6次循環，峰值圍壓值的降幅為0.68%；8～18次降幅為2.84%，是前6次平均降幅的4.18倍；20～24次降幅為0.37%。

(4)根據變化曲線，可將水壓循環對飽水砂巖的作用分為3個階段，即初始階段(0～6次)、加重階段(8～18次)和飽和階段(>20次)。

峰值強度和峰值圍壓值隨水壓循環次數的變化呈現明顯的反“S”形和正“S”形趨勢，故采用First Optimization非線性擬合軟件對曲線進行擬合，即

(1)

(2)

式中，(σ1-σ3)p為峰值強度；σ3p為峰值圍壓值。由擬合系數知，擬合關系合理，能較好預測峰值強度和峰值圍壓值。

2.2 卸荷破壞變形特性

2.2.1水壓循環階段的應變規律

(1)初始階段。限于篇幅，僅列出第6次水壓循環的水壓—應變曲線，見圖3。圖3中，曲線重合區域的寬度是水壓循環對砂巖應變影響的量值。循環次數n較小時，對軸向應變影響幅度相對較小，而環向應變幅度相對較大，即u-ε3曲線較u-ε1的曲線重合區域的寬度較大，但兩者均隨著n增大而緩慢增加。在該初始階段，n較小時，水壓對砂巖內部裂隙的侵入程度相對較小，孔隙水與砂巖內部礦物顆粒接觸有限，裂隙發育不明顯，砂巖結構劣化程度不高，水壓循環作用在這一階段主要起輔助作用。

圖3 初始階段水壓—應變的關系

(2)加重階段。限于篇幅，僅列出第12次的水壓—應變曲線，見圖4。從圖4可以看出，在加重階段，軸向、環向應變均有一定幅度的增長。在水壓循環完成后，水壓回落，開始施加軸壓的階段，軸向位移大幅增加，軸向應變增幅明顯，表明水壓循環作用對砂巖產生了較大的損傷，砂巖內部尖端裂隙發育明顯，從而導致軸壓施加過程中應變加大。這一階段環向應變較初始階段產生了一定幅度的增長，水壓循環作用對砂巖產生的劣化是環向變形增長的主要因素。

圖4 第12次水壓循環過程中水壓—應變的關系

圖5 第24次水壓循環過程中水壓—應變的關系

(3)飽和階段。限于篇幅，僅列出第24次水壓循環的水壓—應變曲線，見圖5。從圖5可知，在飽和階段，水壓循環作用對砂巖的劣化已經達到穩定，對軸向、環向位移影響趨于平衡。在循環次數n超過20次之后，水楔作用對砂巖內部結構的損傷也達到穩定狀態。水壓循環作用對砂巖軸向、環向應變的影響均不再如加重階段強烈。

2.2.2應變圍壓柔量變化規律

為進一步了解水壓循環次數和初始圍壓值對砂巖卸荷階段的變形特性的影響，引入變量——應變圍壓柔量[16]，分為軸向和環向應變圍壓柔量，即卸圍壓破壞時，卸荷起始點與破壞點之間的應變差Δε與圍壓差Δσ3的比值，其值用來反映圍壓變化量對某一方向上應變的響應程度，值越大，表明卸荷對該方向的應變影響越明顯。公式如下

(3)

圖6 應變圍壓柔量隨水壓循環次數的變化

3 結 語

本文通過飽和砂巖在水壓循環作用下的三軸卸荷試驗，分析砂巖卸荷破壞的峰值強度、峰值圍壓隨水壓循環次數的變化曲線，應變圍壓柔量隨水壓循環次數的變化關系，可得出以下結論：

(1)砂巖卸荷破壞的峰值強度(σ1-σ3)隨循環次數n的增加不斷減小，呈先小后大再小的減小趨勢。卸荷破壞峰值圍壓同峰值強度的變化趨勢恰好相反，呈先小后大再小的上升趨勢。

(2)水壓循環影響初始階段，由于循環次數n較小，初始圍壓對砂巖變形的影響比水壓循環作用更大；在加重階段，循環次數的增加導致軸向應變顯著提高；在飽和階段，水壓循環對砂巖的劣化已經達到飽和，對軸向、環向位移影響趨于平衡。