不同含水率的砂化白云巖力學特性研究

張正全

（中鐵二局第一工程有限公司，貴州 貴陽 550007）

地下水常常引發巖石物理力學特性的改變，使得巖石在水作用下的變形破壞更加敏感。巖石賦存在地應力和地下水環境中，這種環境一方面影響巖石的承載能力、變形和破壞機制，另一方面也影響巖石中應力傳播法則。國內外的眾多學者也開展了水-巖作用下巖石的力學特性及損傷特性的試驗研究。曹洋兵等[1]開展了不同含水率黑云母二長花崗巖單軸壓縮試驗，分析破壞特征和應力-應變曲線特征。趙奎等[2]開展了不同含水率條件下紅砂巖試件單軸壓縮試驗，構建了紅砂巖的損傷演化模型。陳玉華等[3]開展了不同含水率花崗巖單軸壓縮試驗，建立了以單軸抗壓強度和彈性模量進行量化的損傷演化規律。李安潤等[4]以滇中地區粉砂質泥巖為研究對象，提出了含水損傷蠕變本構模型。萬億等[5]以川藏鐵路沿線的紅砂巖為研究對象，揭示了模型參數及劣化系數隨凍融循環次數及含水率的變化規律。李回貴等[6]以神東礦區大柳塔煤礦巖層中的砂巖為研究對象，研究了含水率對弱膠結砂巖力學特征的影響規律。劉堅[7]利用水巖耦合作用下巖石應力-應變曲線極值特點，建立了三軸壓縮條件下的巖石損傷本構模型。

滇中引水工程部分隧洞穿越砂化白云巖地層，白云巖砂化導致巖體強度降低，在地下水位以下的隧洞成洞難度增大。針對砂化白云巖，開展不同含水率下的物理及力學試驗，分析巖石力學參數隨含水率之間的變化規律很有必要。

1 試件制備

本次試驗共制備4 組巖樣，其中干燥巖樣1 組，自然吸水的巖樣3 組，每組巖樣3 個。設置吸水時間為2 h、4 h、6 h，在不同時刻取出巖樣拭干表面水分并稱重。巖石的自然吸水率計算公式為：

式（1）中：ωa為自然吸水率，%；ma為試件自然吸水后質量，g；md為試件烘干后質量，g。

在單軸壓縮試驗前，記錄不同浸水時間巖樣的試樣含水率數據，如圖1 所示。

由圖1 可知，隨浸水時間增加，含水率逐漸提高。本次試驗共4 組，分組為1（干燥、含水率0%）、2（浸水2 h、平均含水率0.53%）、3（浸水12 h、平均含水率0.61%）、4（浸水24 h、平均含水率0.73%）。

圖1 砂化白云巖含水率隨浸水時長的變化曲線圖

2 試驗結果分析

2.1 應力應變曲線分析

通過試驗，得到不同含水率下砂化白云巖的應力-應變曲線，如圖2 所示。由圖2 可知，不同含水率下的砂化白云巖試樣應力-應變曲線發展基本相似，經歷了裂隙壓縮密實、彈性變形、裂隙擴展、破壞變形4個階段。隨著含水率提高，初始壓密階段明顯增長，彈性階段占比減小，且斜率也逐漸減小。

圖2 不同含水率砂化白云巖應力-應變曲線

單軸壓縮下不同含水率砂化白云巖的力學參數如表1 所示，不同含水率的砂化白云巖彈性模量和峰值抗壓強度隨含水率的變化曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 含水率與砂化白云巖彈性模量的關系

圖4 含水率與砂化白云巖峰值抗壓強度的關系

結合表1、圖3 和圖4 可知，由于含水率增加，峰值強度和彈性模量隨含水率的增加而逐漸減小。其中，含水率為0.53%、0.61%、0.73%的白云巖與干燥時相比，其彈性模量分別下降了13.21%、27.03%、44.51%，峰值抗壓強度分別下降了16.85%、26.19%、44.32%。采用線性擬合，求得彈性模量與峰值抗壓強度隨含水率變化的關系方程式為：

式（2）（3）中：E為彈性模量，GPa；ω為含水率，%；σc為峰值抗壓強度，MPa。

2.2 巖樣破壞形式

巖石開裂破壞是巖體內部裂隙發展，微裂縫貫通后所呈現的宏觀破壞形式，其特征能在一定程度上反映出試樣所處的應力狀態和物理性質。不同含水率的砂化白云巖試件開裂破壞模式如圖5 所示。

圖5 不同含水率的巖樣破壞模式

由圖5 可以看出，干燥狀態下白云巖最終破壞形式為單個斜面剪切破壞，巖樣整體較為完整。在含水率為0.53%和0.61%時，試件主裂紋附近會伴隨產生許多次生裂紋。含水率為0.73%時，次裂紋進一步發展并貫通，破裂程度較為嚴重。從試件的最終破裂狀態來看，含水率的提高會使試件表面產生大量的次生裂紋。次生裂紋增強了水的滲透能力，巖樣破壞形態趨于復雜。試件破裂后的塊度越小，破碎程度越高。

3 試驗過程損傷分析

3.1 損傷參數

根據不同含水率的砂化白云巖應力-應變曲線求得損傷本構方程參數m、F，如表2 所示。含水率與參數m、F的關系如圖6、圖7 所示。

表2 不同含水率的巖樣損傷統計力學參數

圖6 含水率與參數m 的關系

圖7 含水率與參數F 的關系

采用線性擬合，求得參數m與F隨含水率變化的關系方程式為：

參數m為巖石脆性的參數，參數F為巖石的宏觀強度，兩者共同影響巖石的損傷力學特性。由表2、圖6 和圖7 可知，隨著含水率的增大，參數m、F均逐漸減小，導致巖石的脆性降低，強度降低。

3.2 損傷過程分析

以含水率0.53%的應力應變曲線為例，對砂化白云巖的損傷過程進行分析，如圖8 所示。在加載初期，損傷變量增長緩慢。隨著加載過程的逐漸進行，裂隙逐漸發育，應力水平還未達到峰值時損傷就開始加速，當白云巖進入裂隙擴展后期，此時損傷變量陡增到0.237，此階段損傷曲線增長速度加劇；當達到峰值應力時，此時損傷變量達到0.356，此時其大尺度損傷逐漸擴展并最終貫通。

圖8 砂化白云巖損傷變量曲線

將峰值應變下的損傷值定義為臨界損傷值Dcr，即：

臨界損傷值的物理意義是峰荷時材料所具有的塑性應變能力，也可以說是峰荷時的塑性應變占峰荷應變的比例。不同含水率下砂化白云巖的臨界損傷值如表3 所示。

表3 不同含水率的砂化白云巖臨界損傷值

由表3 可知，隨著含水率提高，砂化白云巖的臨界損傷值逐漸增大，其壓縮變形過程中塑性應變的占比逐漸增大。

4 結論

通過對不同含水率的砂化白云巖進行單軸壓縮試驗，研究所得結論如下：①砂化白云巖的峰值強度、彈性模量受含水率的影響較大，峰值強度和彈性模量隨含水率的增加而逐漸減小。②隨著白云巖巖樣含水率增大，巖樣裂紋發展更加豐富，裂紋擴展總長度增加，破壞形態趨于復雜。試件破裂后的塊度越小，破碎程度越高。③隨著含水率的增大，損傷本構模型參數m、F均逐漸減小，說明隨著含水率的增大，巖石的脆性降低，強度降低。同時臨界損傷值逐漸增大，表明其壓縮變形過程中塑性應變的占比逐漸增大。