周期性飽水下砂巖單軸抗壓強度特性試驗

魏偉 劉耕 關英俊

四川省交通勘察設計研究院有限公司 四川 成都 610017

1 概述

三峽庫區建成運行以來，庫水位一年之中水位在145m～175m來回變動，形成一個高達30m的水位差。庫區沿岸大量碼頭樁基嵌入砂巖地層，庫水位變動區巖體由于經歷飽水-疏干往復作用致使其的力學性能弱化，從而間接導致碼頭嵌巖樁承載能力下降，影響碼頭結構的穩定性。樁基承載力弱化會引起庫岸碼頭結構的大變形甚至威脅碼頭的整體問題，因此開展周期性泡水條件下庫區砂巖力學性能弱化特征研究十分必要[1、2、3]。單軸抗壓強度是巖石重要力學性能評價指標之一。

基于室內試驗，進行了砂巖在不同次泡水次數下的單軸抗壓試驗，通過試驗分析了砂巖在循環浸泡下單軸壓縮試驗下應力應變曲線變化規律及抗壓強度的變化規律；同時引入劣化度對不同浸泡次數的砂巖劣化程度進行了評價，試驗結果對庫區樁基工程等具有參考意義。

2 砂巖單軸試驗

在砂巖飽和狀態、干燥狀態下兩種狀態下分別進行1次、5次、10次、15次、20次、40次的周期性飽水循環單軸壓縮實驗。在進行實驗中，規定壓力頭壓力大于1000Kpa，并放置于合適位置上。數據采集使用位移傳感器，安裝在被測試樣本兩側以及頂端，使用感器自帶的傳感器位置監測系統確定傳感器位置擺放是否合理。傳感器安裝完成之后，使用操作軟件進行實驗預加載，即壓力頭正好與實件接觸，隨后進行實驗，壓力增加速率為0.5～1.0 MPa/s，壓力加載停止的條件為試件被完全破壞。在試驗過程中，收集并保存數據，同時記錄試驗過程中明顯的試驗現象。

3 試驗結果分析

下圖1、圖2為砂巖分別經過5次和40次循環浸泡后進行單軸試驗的圖。

圖1 5次循環

圖2 40次循環

在不同周期性泡水次數情況下對砂巖進行單軸壓縮實驗，得出的砂巖單軸壓縮實驗應力-應變的曲線可以看出其變化特征如圖3所示，通過該曲線可以看出在不同周期性飽水次數單軸壓縮實驗中，砂巖的變化特征可以劃分為5各階段，分別為裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙穩定擴展階段、裂隙加速擴展階段和應變軟化階段。其中，裂隙壓密階段，在實驗初期巖石樣本會出現天然裂隙或者空隙的閉合，其應變曲線呈現非線性的趨勢；彈性變形階段，砂巖樣本應力曲線呈現直線特征，其變形會伴隨壓力的撤銷而恢復，該階段受實驗環境和條件的影響較小，所以取得彈性模量值較為完善、準確。

圖3 砂巖單軸壓縮試驗應力應變曲線

砂巖樣本在裂隙拓展階段中，其應力與應變曲=曲線呈現出近似線性的特征，但是當前階段實驗樣本的變化為實質性，不會伴隨壓力的撤銷而恢復原來狀態。該階段的標志為實驗樣本出現損傷。在裂隙加速擴展階段，裂隙經歷由出現到貫通并形成剪切面階段，當出現抗壓強度峰值點（單軸壓縮抗壓強度）之后，標志該階段結束。應變軟化階段出現在抗壓強度峰值點之后，此時砂巖樣本失去大部分抗壓強度和承載重量水平，最終表現出殘余強度。

由樣本實驗階段變化曲線特征可以得出，砂巖為脆性巖石。在樣本出現峰值點（最大應力點）之后，其抗壓性能會出現直線型下降。在彈性階段，應力與壓力呈現出線性關系且明顯。

依據公示進行計算的彈性模量并做出的曲線圖如圖1所示，該數據結果表明砂巖樣本的單軸抗壓強度以及其彈性模量與周期性飽水循環次數呈現相互負相關線性關系。

表1 單軸壓縮試驗結果

使用劣化程度來描述和研究周期性飽水循環對于砂巖樣本的劣化程度，將該數值與干燥狀態下的砂巖樣本數據進行對比，將在周期性飽水循環中損失的力學數值百分比作為總獵花都，得出結果如表2所示。

表2 砂巖樣本單軸壓縮試驗劣化程度分析

根據表中數據可以得出，在第一次的周期性飽水循環中，砂巖樣本的單軸抗壓強度和彈性模量相比較于之后的飽水循環實驗，其損失均較大，并且在之后的20次實驗中，其劣化總量所占的比重也很大。該發現與很多學者的發現一致，在之前有多位學者表明不論對砂巖進行周期性飽水試驗、凍融實驗、荷載試驗，在第一次進行循環時均會出現砂巖樣本劣化程度最大，最后的劣化程度逐漸減少。

4 結論

本文開展了砂巖在不同周期飽水循環下單軸壓縮試驗，分析了砂巖在循環浸泡下單軸壓縮試驗下應力應變曲線變化規律及抗壓強度的變化規律。通過試驗得出：

（1）不同周期性飽水次數下應力應變曲線都可分為5個階段：裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙穩定至貫通階段、裂隙加速擴展階段、應變軟化階段。

（2）砂巖樣本單軸抗壓強度及模量與周期性飽水循環次數呈現出負相關性，線性關系。

（3）砂巖樣本在第一次循環飽水中出現的劣質化最為嚴重，在隨后的實驗中其劣質化程度逐漸減少。