飽水對(duì)紅層地區(qū)巖石力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究*

劉登新，胡 鵬，趙立財(cái)

(1.長江水利水電開發(fā)集團(tuán)(湖北)有限公司，湖北 武漢 430010；2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610061；3.中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

紅層主要指侏羅系到新近系的陸相紅色巖系，巖性以砂巖、泥巖和頁巖為主，在我國西南地區(qū)廣泛分布[1-2]。紅層地區(qū)巖石多為軟硬互層，在水的作用下出現(xiàn)不同程度的軟化，可能會(huì)引起巖石地基承載力顯著降低甚至發(fā)生滑移、破壞現(xiàn)象，內(nèi)陸港口建設(shè)中須加以重視[3-4]。研究飽水對(duì)紅層地區(qū)巖石力學(xué)特性的影響具有重要的意義。

目前，關(guān)于飽水對(duì)巖石力學(xué)性能影響的研究已有較多成果：徐禮華等[5]以丹江口水庫不同巖石為研究對(duì)象，開展單軸壓縮試驗(yàn)，分析水作用對(duì)巖石強(qiáng)度、彈性模量、泊松比的影響；Alt-Epping等[6]重點(diǎn)研究了飽水作用對(duì)花崗巖孔隙度及強(qiáng)度的影響；周意超等[7]進(jìn)行石膏巖單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，分析強(qiáng)度及變形軟化特征，探究石膏巖飽水軟化機(jī)制；張秀蓮等[8]以綠泥角閃巖為研究對(duì)象，采用自主研究的試驗(yàn)系統(tǒng)開展吸水軟化試驗(yàn)，揭示了綠泥角閃巖吸水特性以及飽水軟化特性；朱俊杰[9]以滇中地區(qū)紅層泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比研究飽水對(duì)強(qiáng)度、變形模量的影響。

本文研究背景為重慶某港口地基工程，所處紅層地區(qū)出露巖性為砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖，巖石在水的作用下承載能力及強(qiáng)度弱化，影響港口地基工程穩(wěn)定性。為系統(tǒng)性研究飽水對(duì)該區(qū)域紅層巖石力學(xué)特性的影響，以砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖為研究對(duì)象，開展吸水率測(cè)定、巴西劈裂、單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，分析3種巖石在不同工況下的吸水性能和強(qiáng)度特征，探究飽水對(duì)巖石力學(xué)特性的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依托工程處于重慶紅層地區(qū)，主要出露砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖。取這3種新鮮巖石，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)鋸、磨加工成φ50 mm×100 mm和φ50 mm×30 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣。3種巖石天然狀態(tài)下的基本物理參數(shù)見表1。首先，將巖樣在自然狀態(tài)下干燥1周時(shí)間，稱重后分為干燥和飽和2組，將飽和組的巖樣置于水桶，每2 h加水1次，共5次加水使水漫過巖樣，每1 d稱重1次，共飽水14 d得到飽水巖樣。

表1 巖樣物理參數(shù)

采用RMT-150B型電液伺服巖石三軸系統(tǒng)對(duì)φ50 mm×100 mm巖樣進(jìn)行單軸和三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)φ50 mm×30 mm巖樣進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)獲得抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)之前先進(jìn)行吸水率測(cè)定。

2 吸水率測(cè)定結(jié)果分析

3種巖石的吸水率測(cè)定結(jié)果見圖1。

圖1 巖石吸水率試驗(yàn)結(jié)果

由表1和圖1可知，3種巖石由于礦物成分、孔隙大小和結(jié)構(gòu)類型緊密關(guān)聯(lián)，吸水性能存在差異。其中，泥巖吸水性能最強(qiáng)，吸水率為0.347%～0.710%，平均吸水率為0.505%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.108；泥質(zhì)砂巖吸水性能次之，吸水率范圍為0.364%～0.523%，平均吸水率為0.435%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.047；砂巖吸水性能最弱，吸水率范圍為0.327%～0.543%，平均吸水率為0.414%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.067。通常泥巖含有較多的親水礦物成分，砂巖親水礦物成分較少[10-11]，這是泥巖和砂巖吸水性能存在較大差異的主要原因。

3 巴西劈裂試驗(yàn)

巴西劈裂法廣泛用于確定巖石抗拉強(qiáng)度[12]，開展干燥和飽水狀態(tài)下3種巖石的巴西劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)前測(cè)定飽水狀態(tài)下巖石的吸水率，結(jié)果見表2。

表2 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表2可看出，巖石飽水后，抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出不同幅度的降低。3種巖石中，砂巖的抗拉強(qiáng)度最高，干燥狀態(tài)下為8.54～8.76 MPa，平均值為8.63 MPa，飽水狀態(tài)下為7.16～7.31 MPa，平均值為7.24 MPa，抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.84；泥質(zhì)砂巖的抗拉強(qiáng)度次之，干燥狀態(tài)下為8.18～8.63 MPa，平均值為8.35 MPa，飽水狀態(tài)下為5.92～6.14 MPa，平均值為6.05 MPa，抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.72；泥巖的抗拉強(qiáng)度最低，干燥狀態(tài)下為2.56～3.15 MPa，平均值為2.83 MPa，飽水狀態(tài)下為1.16～1.32 MPa，平均值為1.28 MPa，抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.45。由此得出飽水對(duì)紅層巖石抗拉強(qiáng)度的軟化系數(shù)為0.45～0.84。

3種巖石中，砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖的吸水率依次增大，抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)依次遞減，吸水率與抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)存在影響關(guān)系，吸水率的增大對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度軟化起到促進(jìn)作用。

4 單軸和三軸壓縮試驗(yàn)

4.1 單軸壓縮試驗(yàn)

3種巖石的單軸壓縮試驗(yàn)曲線如圖2所示，單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖2 3種巖石的單軸壓縮試驗(yàn)曲線

表3 3種巖石的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖2和表3可看出，飽水作用對(duì)3種巖石的單軸抗壓強(qiáng)度具有較明顯的軟化效應(yīng)。3種巖石中，砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度最高，干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為58.6～72.8 MPa，平均值為65.1 MPa，飽水狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為44.2～58.6 MPa，平均值為51.0 MPa，抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.78；泥質(zhì)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度次之，干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為46.4～56.6 MPa，平均值為51.3 MPa，飽水狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為29.9～38.9 MPa，平均值為34.0 MPa，抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.66；泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度最低，干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為19.2～22.9 MPa，平均值為21.1 MPa，飽水狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為10.3～64.9 MPa，平均值為13.1 MPa，抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.62。由此得出飽水對(duì)紅層巖石抗壓強(qiáng)度的軟化系數(shù)為0.62～0.78，與飽水對(duì)抗拉強(qiáng)度的軟化系數(shù)相差不大。

飽水作用不僅影響紅層巖石的抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度，還影響巖石的變形參數(shù)。計(jì)算不同巖石的彈性模量ET、變形模量E50和泊松比μ的平均值，將飽水狀態(tài)各參數(shù)平均值與干燥狀態(tài)平均值之比作為各參數(shù)的變化系數(shù)，同時(shí)比較抗拉強(qiáng)度Rb和單軸抗壓強(qiáng)度Rc的軟化系數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 3種巖石的力學(xué)參數(shù)變化

由表4可看出，3種巖石經(jīng)歷飽水作用后，ET、E50、Rc和Rb均有所降低，泥巖的力學(xué)參數(shù)變化系數(shù)和軟化系數(shù)最小，泥質(zhì)砂巖次之，砂巖的力學(xué)參數(shù)變化系數(shù)和軟化系數(shù)最大，說明吸水率緊密影響巖石力學(xué)性能：吸水率越大，力學(xué)參數(shù)衰減幅度越大。3種巖石的泊松比變化規(guī)律較為相似，飽水后均有所增大，說明飽水后環(huán)向變形相比軸向更為敏感，體積擴(kuò)容更為顯著。由此看出，水對(duì)紅層地區(qū)港口巖石地基的影響主要體現(xiàn)在巖石地基抗變形以及承載能力的衰減，港口巖石地基設(shè)計(jì)、施工時(shí)須充分考慮水作用的影響。

4.2 三軸壓縮試驗(yàn)

3種巖石在干燥和飽水狀態(tài)下的三軸壓縮試驗(yàn)曲線見圖3。三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖3 3種巖石三軸壓縮試驗(yàn)曲線

表5 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖3和表5可知，巖石變形及強(qiáng)度特征與圍壓和含水狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)。巖石在同一含水狀態(tài)下，圍壓越高，其峰值強(qiáng)度越高，彈性模量和變形模量大致呈遞增趨勢(shì)；巖石在同一圍壓下，飽水狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度、彈性模量和變形模量低于干燥狀態(tài)，這說明飽水作用促進(jìn)巖石承載能力的降低。

巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ通常可通過繪制不同圍壓下的莫爾圓，并作其公切線求解[13]，繪制試驗(yàn)點(diǎn)最佳關(guān)系曲線如圖4所示，取斜率和截距計(jì)算得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(表6)。

圖4 試驗(yàn)點(diǎn)最佳關(guān)系曲線

表6 巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由圖4和表6可看出，巖石抗壓強(qiáng)度與圍壓大致呈線性遞增關(guān)系。經(jīng)歷飽水作用后，砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖的內(nèi)聚力c分別降低15.83%、19.43%和48.44%，內(nèi)摩擦角φ分別增大了3.49%、2.07%和1.09%，說明飽水作用明顯促進(jìn)巖石內(nèi)聚力的降低，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大。

巖石在飽水作用下，隨著吸水率增高，抗拉、單軸抗壓、三軸抗壓強(qiáng)度和內(nèi)聚力明顯降低，其中泥巖的降幅最大。港口地基設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)充分考慮巖石的飽水軟化效應(yīng)，查明軟弱夾層的分布，采取工程措施以保證地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1)砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖是紅層地區(qū)廣泛分布的巖石種類，其中泥巖吸水性能最強(qiáng)，平均吸水率達(dá)到0.505%，泥質(zhì)砂巖和砂巖的平均吸水率分別為0.435%和0.414%。

2)在飽水作用下，紅層地區(qū)巖石的抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度和內(nèi)聚力均有不同程度的降低，泥巖的衰減幅度最大，泥質(zhì)砂巖次之，砂巖相對(duì)最小。

3)經(jīng)歷飽水作用后，砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖的內(nèi)聚力c分別降低15.83%、19.43%和48.44%，內(nèi)摩擦角分別增大3.49%、2.07%和1.09%。飽水作用明顯促進(jìn)巖石內(nèi)聚力的降低，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大。

4)水對(duì)紅層地區(qū)港口巖石地基的影響主要體現(xiàn)在巖石地基抗變形以及承載能力的衰減。地基基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)充分考慮巖石的飽水軟化效應(yīng)，查明軟弱夾層的分布，采取足夠工程措施以保證地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性。