不同含水作用下砂巖抗拉強度與能量特征研究

廖安杰，賴 林

(1.成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000；2.國網四川省電力公司自貢供電公司，四川 自貢 643000)

工程巖體賦存于一定的地質環境中，往往都有水的存在[1]，而水是影響巖石物理力學性質的重要因素，大多數工程中巖體的變形破壞都與水有關。因此，不少學者對此進行了大量研究，取得了豐碩的成果[2-6]，鄧華鋒等[7]對5種含水狀態的層狀砂巖進行順層理弱面的劈裂抗拉強度試驗，分析了巖樣劈裂破壞面的微觀形貌特征；尤明慶等[8]對砂巖在干燥、飽和狀態進行劈裂抗拉試驗，分析水對砂巖抗拉強度的影響；朱朝輝等[9]對砂巖不同含水狀態下進行巴西劈裂試驗，分析砂巖抗拉強度的劣化規律；聞名等[10]對不同含水率砂巖試樣進行了劈裂抗拉試驗，分析得到紅砂巖的抗拉強度隨含水率的增加而降低，有明顯的遇水軟化現象；李天斌等[11]對5種含水率狀態下的砂巖開展常規三軸壓縮試驗，分析了砂巖能量機制隨含水率的變化關系；蒲超等[12]對千枚巖進行不同圍壓下的三軸壓縮試驗，研究圍壓對千枚巖變形破壞特征和能量演化特征的影響。

這些研究成果為分析含水率對巖石抗拉強度的影響奠定了很好的基礎，但這些研究主要是分析含水率與抗拉強度的關系，而很少關注含水率變化對巖石能量特征的影響，加之本研究選取的砂巖在工程現場受水影響較為嚴重，隧道內地下水出露明顯，且流量較大。由于地下水的大量發育致使隧道的施工進展緩慢，工期延長，同時嚴重威脅隧道的施工安全。因此選取成蘭鐵路柿子園4號橫洞典型砂巖為研究對象，考慮不同含水作用，對砂巖進行了劈裂抗拉強度試驗，分析了砂巖抗拉強度隨含水率的變化規律，并引入能量的觀念，進一步分析不同含水狀態對砂巖能量特征的影響效應，為工程提供理論基礎，同時也為類似工程提供一定的借鑒意義。

1 試驗方案

1.1 巖樣制備

試驗巖樣選取成蘭鐵路柿子園4號橫洞典型砂巖，試件采用圓柱體，直徑約為50 mm，高度約為50 mm，試件兩端面經處理、加工，其精度滿足規范要求[13]。

巖樣的含水狀態分為3種：干燥、天然和飽水狀態。其中干燥試樣，將試件置于烘箱內，在105～110℃溫度下烘24 h，取出放入干燥器內；飽水試樣，將試樣放入水槽，先注水至試件高度的1/4處，以后每隔2 h分別注水至試件高度的1/2和3/4處，6 h后全部淹沒試件，試件在水中自由吸水48 h[14]。

1.2 試驗方法

試驗所用儀器是巖石試驗壓力機，具有性能穩定、控制精度高、測試數據準確等特點。在試驗過程中，采用荷載控制加載方式，加載速率取 0.10 kN/s，直至試件完全破壞。不同含水作用下，砂巖的抗拉強度由下式計算[14]：

(1)

式中σt——巖石抗拉強度,MPa；P——試件破壞荷載,N；D——試件直徑,mm；h——試件高度,mm。

2 試驗結果分析

2.1 強度特征

根據試驗數據，計算得到不同含水狀態下砂巖的抗拉強度值見表1，其不同含水狀態與抗拉強度的關系曲線見圖1。

表1 砂巖抗拉強度統計

圖1 含水狀態與砂巖抗拉強度關系曲線

從表1和圖1可以看出，砂巖天然狀態的抗拉強度均值為0.68 MPa，含水率增加到飽和狀態其抗拉強度均值為0.49 MPa，降低幅度為27.9%；含水率減小到干燥狀態其抗拉強度均值為1.37 MPa，增加幅度為101.5%；表明該砂巖抗拉強度隨著含水率的增大而逐漸減小。

砂巖常具有易軟化、易風化等工程特性，該砂巖的主要礦物成分有石英、長石、方解石、云母以及大量伊利石等，其中伊利石屬于黏土礦物，黏土礦物易溶于水，且與水接觸反應生成其他物質，隨著含水的增多，從而會削弱了巖石顆粒間的黏結力，從而降低巖石抗拉強度，表明水對巖石有明顯的軟化現象，使巖石變軟。

2.2 破裂特征

圖2給出了砂巖試樣的宏觀破壞形態。由圖可知，不同含水狀態下，砂巖試樣均發生了明顯的張拉破壞，在加載一側最先出現裂紋，主裂紋主要通過上下兩加載點與圓心連線。試樣在干燥狀態和天然狀態下，裂紋貫通時伴隨的聲響較大，破裂面較為光滑平順，而飽和狀態下試樣破裂時發出的聲音相對較啞，破裂面粗糙，裂紋較為曲折。

a)飽和狀態 b)天然狀態 c)干燥狀態

3 能量特征分析

不同含水狀態對砂巖的抗拉強度的影響較大，因此引入能量的觀念，從能量的角度進一步分析不同含水狀態對砂巖的影響。

3.1 能量分析原理

考慮巖體單元在外力作用下產生變形，假設巖石在抗拉試驗過程中與外界沒有熱交換，在荷載作用下，對巖石所做的功可認為被巖石吸收，則巖石吸收的總能量U可以根據熱力學第一定律計算[2]，計算公式如下：

U=Ue+Ud

(2)

式中Ue——可釋放彈性應變能；Ud——耗散能。

圖3為巖體單元總能量、彈性應變能和耗散能的關系，總能量為應力-應變曲線下的總面積；面積Ud表示消耗能，面積Ue表示彈性應變能。

圖3 巖體單元能量量值關系

由于本次試驗為單軸抗拉試驗，巖體單元各部分的總能量和彈性應變能可表示為[15]：

(3)

(4)

式中σ1i、ε1i——應力-應變曲線每一點的應力、應變值。

3.2 砂巖抗拉試驗全過程能量分析

從能量角度來看，巖石的受力變形破壞是一個能量輸入、彈性能積聚、能量耗散和能量釋放的過程，巖石在能量驅動下引發損傷直至宏觀失穩破壞[11]。圖4為不同含水狀態下砂巖抗拉試驗應力-應變-能量變化曲線。從圖4可知：在彈性變形階段，巖石在外力作用下吸收的能量，主要以彈性應變能的形式儲存在巖石內部，而耗散能相對較小；進入裂紋擴展階段，彈性應變能進一步增加，但增速變緩，由于此時巖石內部發生塑性變形和微裂紋擴展，造成巖石內部損傷，耗散能開始增加；到巖石取得峰值點，彈性應變能達到最大值，然后急劇下降，而耗散能快速增加，巖樣內部微裂紋擴展加劇，直到巖石破壞。彈性應變能曲線和耗散能曲線的交點稱為能量分界點，在該點之前主要表現為能量積聚，之后主要表現為能量耗散。

a)3-1試樣

3.3 含水狀態對能量特征影響

對砂巖應力-應變-能量變化關系曲線進行統計分析，得到巖樣能量參數與含水狀態的關系曲線見圖5，彈性應變能和耗散能占總能量比例見圖6。

圖5 能量參數和含水狀態相關關系

圖6 不同含水狀態下的能量分配

從圖5、6可以得出如下結果。①砂巖在干燥、天然和飽和狀態的總能量U分別為8.023、6.089、3.646 J，表明巖樣吸收的總能量隨著巖樣含水的增大而逐漸減小，與巖樣的抗拉強度隨含水情況變化規律一致。②砂巖從干燥、天然到飽和狀態，巖樣的彈性應變能從6.989 J 降低到 2.474 J，與總能量的變化規律基本一致；而耗散能隨著含水的增大呈現增大趨勢，從1.034 J增大到1.172 J。③隨著含水的增多，砂巖的彈性應變能占總能量的比例0.87降低到0.67，而耗散能占總能量的比例從0.13 增加到0.33，表明含水增大的過程中，巖石裂隙中的水分逐漸增多，在荷載作用下，孔隙水壓力會造成應力集中，促使巖石微觀裂縫的擴展，耗散的能量增多，導致耗散能所占總能量的比值會增大。

4 結論

本文對不同含水狀態的砂巖開展了抗拉強度試驗，分析不同含水作用對砂巖抗拉強度和能量特征的影響，得到以下結論。

a)隨著含水率的增加，砂巖抗拉強度逐漸減小，表明水對巖石有明顯的軟化作用，使巖石變軟，導致砂巖的力學性質劣化，從而降低巖石的抗拉強度。

b)隨著含水率的增加，砂巖吸收的總能量和彈性應變能減小，而耗散能呈現增大趨勢；砂巖在能量分界點之前主要表現為能量積聚，之后主要表現為能量耗散。

c)隨著含水率的增加，砂巖彈性應變能占總能量的比值降低，巖石裂隙中的水分增多，在荷載作用下，孔隙水壓力會造成應力集中，促使巖石微裂縫的擴展，耗散的能量增多，導致耗散能所占總能量的比值增大。