水-巖作用下庫岸邊坡巖石試驗研究

李 剛

(赫章縣水投水務有限責任公司，貴州 畢節 553208)

1 概 述

隨著我國基建項目的增加，新建了大量大型的地下硐室、水利工程、跨海大橋等基礎工程，因此水巖作用下引起的基礎工程安全問題逐漸增多。1976年，美國Teton土壩崩塌，原因是大量降雨導致岸坡壩段齒槽底土體松軟和不利地質條件對槽底松土產生管涌。1961年，湖南柘溪水庫也因為降雨導致事故發生。因此，對水-巖作用下庫岸邊坡巖石的研究迫在眉睫。

目前，越來越多的學者關注到水作用下的巖石工程安全問題，也因此取得了較為豐碩的成果[1-3]。陳騰飛等[4]通過大三軸試驗對紅砂巖力學性質進行討論，研究了飽水和高溫等敏感參數對紅砂巖聲學力學性質的影響。鄧華鋒等[5]通過大量的試驗對紅砂巖進行分析，著重分析了飽水度的影響，研究表明飽水度對紅砂巖縱波波速及強度有顯著影響。李天斌等[6]通過單軸、三軸試驗對紅砂巖進行研究，分析了不同含水率作用下紅砂巖的能量機制。孫彥峰等[6]基于試驗方法，對紅砂巖蠕變特性進行研究，分析了含水率和圍壓等相關敏感參數的影響。綜上，本文針對某水利工程庫岸邊坡紅砂巖進行水-巖作用下庫岸邊坡巖石基本試驗研究。

2 試驗設備及試樣制備

2.1 試驗設備

本文研究所用的試驗儀器為TFD-2000微機伺服控制巖石三軸流變試驗機和巖石雙軸流變測試儀，見圖1和圖2。

圖1 巖石雙軸流變測試儀

圖2 TFD-2000 微機伺服控制巖石三軸流變試驗機

TFD-2000試驗機包括汽泵、軸壓控制柜、冷水機、圍壓控制柜、油泵、電控箱等。該試驗機水壓最大可達80 MPa，圍壓最大可達110 MPa，軸向應力最大可達1 800 kN。

2.2 試樣制備

本次實驗所選用的巖石均為紅砂巖。實驗所用試樣均嚴格按照統一的標準進行取樣，以避免試件各向異性對實驗結果的影響。通過巖石取芯機對紅砂巖進行取芯，再通過磨平機對試樣進行切割打磨至標準尺寸。圓柱體試樣尺寸為直徑5 cm，高度10 cm。試樣及裝樣見圖3和圖4。

圖3 巖石試樣

圖4 巖石裝樣

3 試驗步驟

本文主要研究巖石試樣不同含水率對紅砂巖在強度和變形方面的影響。對紅砂巖試驗分別進行干燥、天然及飽和狀態下的單軸和三軸試驗。具體試驗步驟如下：

1)對試樣進行測量，記錄下尺寸和重量。

2)分別制備3種不同狀態試樣。

3)對部分巖石試樣進行聲波測試試驗，以得到波速試驗結果。

4)將試樣放置于三軸試驗儀上，對其進行圍壓加載至目標值，隨后施加軸向力直至試樣破壞。加載速度控制在5×10-3mm/min。

5)試驗結束后，記錄試驗數據，并取出試樣。

4 試驗結果分析

4.1 對巖石變形的影響

本次實驗施加4種不同圍壓分別對干燥、天然及飽和狀態進行加壓，4種圍壓分別為0、5、10和15 MPa。試驗得到試樣干燥、天然及飽和狀態下的泊松比、彈性模量等，試驗結果見表1。

表1 干燥、天然及飽和狀態下試驗結果

由表1可知，當施加的圍壓為0 MPa時，干燥、天然及飽和狀態下試樣的抗壓強度分別為73.50、68.17和34.63 MPa。當施加的圍壓為15 MPa時，干燥、天然及飽和狀態下試樣的抗壓強度分別為117.31、100.26和83.01 MPa。干燥狀態下試樣在圍壓為0 MPa時的彈性模量為20.29 GPa，此時從干燥狀態到天然狀態，彈性模量減小7.55 GPa；從天然狀態到飽和狀態，減小2.49 GPa。可見，試樣抗壓強度、應力和彈性模量均隨著含水量的增大而減小。但紅砂巖的泊松比隨著含水量的增大而增大。另外，3種不同含水狀態下，紅砂巖的抗壓強度、應力和彈性模量均隨著圍壓的增大而增大，但增大幅度逐漸減小。泊松比隨圍壓總體呈現增大趨勢。

圖5為干燥、天然及飽和狀態下試樣的應力隨應變的變化曲線。由圖5中可以看出，當試樣含水率一樣時，隨著圍壓的增大，試樣最大應力也隨著增大，且最大應力對應的應變也隨著圍壓的增大而增大。當圍壓增大到屈服強度時，試樣將產生不可逆的變形，試樣逐漸表現出延性的變形特征。當圍壓較小時，試樣的最大應力減小，變形擴容特征愈加顯著，這是由于對試樣的側向約束少。當試樣受到的圍壓大時，試樣的橫向變形受到限制，顯著增大了極限承載力。試樣最大應力也隨著試樣含水率的增加顯著減小。

圖5 不同含水率下應力應變曲線

4.2 對巖石強度的影響

分析巖石強度特征通常參考下列指標：抗剪強度、單軸抗拉強度、三軸抗壓強度等。巖石強度特征在不同含水率下也表現出不同，破壞形態亦如此。試樣強度隨著含水率增大先緩慢減小，隨后顯著降低。干燥和天然狀態下的試樣表現出相似的強度特征。低含水率的試樣脆性特征更加明顯，更易破壞。

庫倫準則可較好地描述強度特征。庫倫準則公式表述為σ1=A+Bσ3，其中σ1為峰值應力，σ3為圍壓。A和B為與內摩擦角和黏聚力有關的強度參數：

由上式可得黏聚力和內摩擦角：

用庫倫準則對試樣的波速試驗結果(表2)進行處理得到試樣相關強度參數，見表3。圖6為試樣最大應力與圍壓的關系圖。

表2 不同含水率下試樣的波速試驗結果

表3 不同含水率下試樣的強度參數表

圖6 不同含水率下最大應力與圍壓的關系曲線

從表2可以看出，隨著試樣含水率的增加，試樣的波速逐漸增大。從表3和圖6可以看出，天然狀態下試樣的內摩擦角相較于干燥狀態下的試樣減小約1.5%，黏聚力減小約21%。飽和狀態下的黏聚力和內摩擦角相比于天然狀態下的試樣也減小。可見，試樣內摩擦角和黏聚力隨著含水率的增大而逐漸減小。

圖7為不同狀態下試樣三軸壓縮包絡線。莫爾強度包絡線能很好地解釋試樣在三軸壓縮試驗的強度指標。由圖7可以看出，3種含水率狀態下試驗應力曲線正好與莫爾強度包絡線相切。

圖7 不同狀態下試樣三軸壓縮包絡線

5 結 論

本文利用TFD-2000 微機伺服控制巖石三軸流變試驗機和巖石雙軸流變測試儀，對紅砂巖分別進行單軸和三軸壓縮試驗，得到不同含水率下紅砂巖試樣的彈性模量、單軸抗壓強度、三軸強度參數等結果。主要結論如下：

1)紅砂巖含水率對紅砂巖的波速、彈性模量、泊松比等有顯著影響。隨著紅砂巖含水率的增大，紅砂巖的波速逐漸減小；反之，紅砂巖彈性模量和泊松比逐漸增大。

2)紅砂巖的黏聚力和內摩擦角隨著含水率的增大均逐漸減小。天然狀態下紅砂巖試樣的黏聚力比干燥狀態下減小約21%，內摩擦角減小約1.5%。

3)紅砂巖的抗壓強度隨著含水率的增大逐漸減小，飽和狀態下試樣的抗壓強度小于干燥和飽和狀態下的試樣。