干濕循環(huán)作用下砂巖三軸壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王 智

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

1 概述

自三峽大壩2003年首次蓄水，長(zhǎng)江上游地區(qū)也出現(xiàn)了高峽出平湖的壯麗景象。隨著每年175 m與145 m的蓄水泄洪水位線調(diào)節(jié)水位，使得上游地區(qū)沿著長(zhǎng)江兩岸出現(xiàn)了大量的消落帶邊坡。消落帶經(jīng)年累月地遭受蓄水泄洪作用，使得岸坡的巖石也在干燥-飽和的狀態(tài)之間反復(fù)交替，如此以往巖石本身逐漸地發(fā)生劣化現(xiàn)象，致使消落帶邊坡處于不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重阻礙著長(zhǎng)江大保護(hù)戰(zhàn)略的實(shí)施和嚴(yán)重威脅長(zhǎng)江中上游地區(qū)航道的快速安全運(yùn)營(yíng)。因此，對(duì)消落帶邊坡展開(kāi)相應(yīng)的研究顯得十分有意義。

目前，國(guó)內(nèi)較多學(xué)者針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)、烏東德、白鶴灘等水電站形成的庫(kù)區(qū)消落帶開(kāi)展了相關(guān)的研究，同時(shí)對(duì)干濕循環(huán)作用下的巖石力學(xué)特性也展開(kāi)了大量的研究。劉新喜等[1]通過(guò)預(yù)制不同傾角的裂隙碳質(zhì)頁(yè)巖試件，開(kāi)展了干濕循環(huán)作用下的單軸與三軸壓縮試驗(yàn)，研究分析了峰值強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力等力學(xué)參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，并建立了能較好反映干濕劣化效應(yīng)及傾角效應(yīng)的Drucker-Prager準(zhǔn)則。劉星等[2]針對(duì)天然粗糙節(jié)理的巖石，開(kāi)展了不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下的剪切力學(xué)特性試驗(yàn)，分析力學(xué)參數(shù)來(lái)量化干濕循環(huán)對(duì)砂巖節(jié)理剪切行為的影響，得到干濕循環(huán)對(duì)剪切力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。W. HUA等[3]研究了干濕循環(huán)次數(shù)與巖石孔隙度之間的關(guān)系，并使用斷裂韌性表征裂隙產(chǎn)生和傳播能力。韓鐵林等[4]分別通過(guò)開(kāi)展單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)，研究了干濕循環(huán)和節(jié)理、裂隙傾角對(duì)砂巖強(qiáng)度的影響。孫怡等[5]開(kāi)展了不同側(cè)限和不同風(fēng)干條件下泥質(zhì)巖的干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)泥質(zhì)巖在干濕循環(huán)作用下的變形性能進(jìn)行研究，并探討泥質(zhì)巖膨脹變形的內(nèi)在機(jī)理。

因此，基于庫(kù)區(qū)水位升降變化針對(duì)長(zhǎng)江重慶萬(wàn)州區(qū)段的消落帶邊坡的砂巖試件，設(shè)計(jì)不同次數(shù)的干濕循環(huán)，然后開(kāi)展了單軸與不同圍壓的三軸試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了砂巖試件的基本物理參數(shù)、基本力學(xué)參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，以得到砂巖試件的劣化規(guī)律，為庫(kù)區(qū)消落帶邊坡穩(wěn)定性研究提供有益參考。

2 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

2.1 試樣制備

試件均來(lái)自長(zhǎng)江沿線重慶萬(wàn)州航段消落帶的砂巖。首先在現(xiàn)場(chǎng)選取結(jié)構(gòu)完整的砂巖塊體，再在試驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過(guò)鉆芯取樣，按照ISRM[6]推薦的方法加工為H100 m×D50 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，經(jīng)過(guò)打磨兩端平整度不超過(guò)±3 mm，中間軸線偏斜不超過(guò)±0.5°。在試驗(yàn)之前采用超聲波測(cè)試儀進(jìn)行波速測(cè)試，選取波速比較接近、外觀完整、質(zhì)地均勻的試件，最終選取波速在2.7 km/s～2.9 km/s。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

試驗(yàn)采用長(zhǎng)春新試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司TYJ-1000M微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)(如圖1所示)能滿足不同圍壓、不同水壓的三軸壓縮試驗(yàn)。其最大試驗(yàn)力最高可達(dá)1 000 kN，試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差不大于±0.5%，最大圍壓為80 MPa，圍向壓力測(cè)量范圍2%～10%，孔隙水壓力在0 MPa～60 MPa，變形測(cè)量范圍軸向?yàn)?～8、徑向0～4，能滿足試驗(yàn)要求。

此次試驗(yàn)根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)水位的升降特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了室內(nèi)巖石干濕循環(huán)試驗(yàn)，干濕循環(huán)的次數(shù)分別為0次、30次、60次、90次。然后根據(jù)庫(kù)水位升降對(duì)消落帶作用力的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了圍壓為0 MPa(單軸),3 MPa,6 MPa的三軸壓縮試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中每組試驗(yàn)制作3個(gè)試件，共計(jì)27個(gè)試件。

2.3 試驗(yàn)步驟

1)先將選好的試件進(jìn)行波速測(cè)定和質(zhì)量測(cè)定。2)將其放入烘箱進(jìn)行30 ℃烘烤24 h，待烘烤24 h后將試件放入裝滿常溫純凈水的水槽靜置48 h，待48 h后將試件拿出來(lái)晾干至無(wú)明顯自由水滴落；上述烘干-浸泡算一次干濕循環(huán)，再根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的干濕循環(huán)次數(shù)要求進(jìn)行反復(fù)操作。3)待每次達(dá)到設(shè)計(jì)干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)，再對(duì)試件進(jìn)行波速、質(zhì)量測(cè)定。4)在上述試驗(yàn)過(guò)程中，同步完成巖石試件的單軸、三軸壓縮試驗(yàn)以得到應(yīng)力應(yīng)變曲線。三軸試驗(yàn)操作步驟如下：a.先將試件安裝在底座上，再用塑料橡膠管包裹試件，在兩端用扎帶扎緊，防止試驗(yàn)過(guò)程中提供圍壓的硅油漏進(jìn)試件。b.安裝好軸向應(yīng)變傳感器。c.放下圍試驗(yàn)機(jī)圍壓套筒，開(kāi)始向試驗(yàn)機(jī)腔體充油。d.待充油完畢后，施加軸向力1 kN使儀器傳力桿與試件端部接觸，防止在施加圍壓過(guò)程中試件受到圍壓的擠壓作用而發(fā)生拉伸破壞。e.再分別以0.1 MPa/s和0.05 MPa/s的速率施加圍壓與軸壓，使其達(dá)到靜水壓力。待達(dá)到靜水壓力后，保持圍壓不變，繼續(xù)以0.05 MPa/s的速率施加軸向壓力。f.待到試驗(yàn)所顯示的應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，即可認(rèn)為試件已經(jīng)發(fā)生破壞。停止試驗(yàn)，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，卸除壓力拆除試件，試驗(yàn)完畢。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 波速、質(zhì)量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

砂巖試件根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)次數(shù)干濕循環(huán)開(kāi)始之前與結(jié)束之后的波速、質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)值，分別見(jiàn)圖2,圖3。由于試件數(shù)量較多，在處理數(shù)據(jù)時(shí)取得每組3個(gè)試件的平均值作為結(jié)果分析數(shù)據(jù)，試件編號(hào)分別為A1,A2,A3。

由圖2可知，試件的波速隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而逐漸減小。其中，A1試件在第30次,60次,90次循環(huán)過(guò)程中相對(duì)于0次循環(huán)波速分別降低了6.30%,21.48%,31.11%；A2試件在第30次,60次,90次循環(huán)過(guò)程中波速分別降低了11.03%,20.64%,35.23%；A3試件在對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)下波速分別降低了9.7%,29.02%,37.76%。試驗(yàn)結(jié)果表明：干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)波速起到了劣化作用，由于在水浸泡過(guò)程中使砂巖逐漸軟化，試件結(jié)構(gòu)的致密性減弱，顆粒與顆粒之間孔隙變大，充滿了水溶液致使波速降低。

由圖3可知，試件A1在第30次、60次、90次循環(huán)過(guò)程中相對(duì)于0次循環(huán)質(zhì)量分別降低了2.91%,3.14%,2.11%；A2試件在第30次,60次,90次循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量分別降低了16.01%,21.15%,17.78%；A3試件在對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)下次數(shù)分別降低了27.07%,29.56%,28.46%。由試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試件在30次～60次循環(huán)次數(shù)之間循環(huán)時(shí)，質(zhì)量下降得最快。分析其原因，由于試件在前30次循環(huán)過(guò)程中逐漸吸水，使其內(nèi)部顆粒遇水膨脹軟化，形成了一些顆粒掉落。而當(dāng)次數(shù)在30次～60次之間時(shí)，干濕循環(huán)的次數(shù)增多加劇了砂巖內(nèi)部顆粒的軟化，使顆粒掉落更加明顯；此時(shí)水槽底部能看到明顯的砂巖顆粒。干濕循環(huán)次數(shù)超過(guò)60次時(shí)，砂巖易軟化的顆?；久撀渫瓿?，因此在此階段的循環(huán)砂巖的質(zhì)量變化不大。

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4表示了砂巖不同圍壓、不同干濕循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

由圖4(a)可知，砂巖在0次干濕循環(huán)情況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線可大致分為裂隙壓密階段、彈性變形階段、穩(wěn)定破壞階段、不穩(wěn)定破壞階段、累積性破壞階段。在壓密階段，砂巖原有的張性結(jié)構(gòu)面、大孔隙被壓密逐漸閉合，壓縮變形呈現(xiàn)非線性特征，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈下凹趨勢(shì)，經(jīng)壓密后砂巖試件逐漸發(fā)展到彈性階段，在此階段砂巖從不連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為連續(xù)介質(zhì)，由于砂巖結(jié)構(gòu)本身酥松，彈性階段的時(shí)間較短。持續(xù)受荷超過(guò)彈性極限后，砂巖試件穩(wěn)定破壞階段，此階段砂巖試件進(jìn)入塑性階段，內(nèi)部出現(xiàn)微裂隙，隨著應(yīng)力的增大裂隙增大且數(shù)量也逐漸增多，此時(shí)軸向應(yīng)變速率也增大。當(dāng)裂紋發(fā)展到一定程度時(shí)，施加的應(yīng)力出現(xiàn)短暫穩(wěn)定不變，但由于集中應(yīng)力的效應(yīng)，微裂紋破裂持續(xù)進(jìn)行，破裂不斷的累進(jìn)性發(fā)展。砂巖試件薄弱環(huán)節(jié)首先發(fā)生宏觀裂紋破壞。隨著宏觀裂紋的增大逐漸貫通，砂巖試件進(jìn)入破壞階段，砂巖試件強(qiáng)度迅速降低，變形持續(xù)發(fā)展直至巖體完全破壞。

由圖4(b)～圖4(d)可知，砂巖試件在30次,60次,90次干濕循環(huán)次數(shù)作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和0次干濕循環(huán)作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)大致接近，也可分為裂隙壓密、彈性變形、穩(wěn)定破壞、不穩(wěn)定破壞、累積性破壞5個(gè)階段。但是由圍壓作用的試件在不穩(wěn)定變形階段的延性較單軸情況下的不穩(wěn)定變形階段要明顯且圍壓越高延性越大，表明圍壓對(duì)試件的裂紋發(fā)育以及宏觀變形起到了一定的約束作用，限制了試件的變形，增加了抵抗外部荷載的能力，從而可得砂巖試件無(wú)論有無(wú)干濕循環(huán)作用，圍壓越高試件的軸向壓縮強(qiáng)度越大。

4 強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖5為不同循環(huán)次數(shù)不同圍壓下砂巖試件強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖5可知，砂巖試件峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。在0次干濕循環(huán)時(shí)，圍壓3 MPa,6 MPa 對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度相對(duì)于0 MPa圍壓的峰值強(qiáng)度增加了16.85%,43.82%。同樣，在30次干濕循環(huán)時(shí)，分別對(duì)應(yīng)增加了8.66%,25.19%；60次分別對(duì)應(yīng)增加了13.64%,39.77%；90次對(duì)應(yīng)增加了3.25%,9.09%。在同種圍壓下，隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加，砂巖試件的峰值強(qiáng)度減小。在 0 MPa圍壓時(shí)，干濕循環(huán)次數(shù)90次對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度相比0次循環(huán)的峰值強(qiáng)度降低了36.95%；圍壓3 MPa時(shí)，90次循環(huán)次數(shù)相對(duì)于0次降低了44.29%；圍壓6 MPa時(shí)，90次相對(duì)于0次降低了52.17%。

經(jīng)過(guò)對(duì)砂巖試件強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn)：不管有無(wú)圍壓，砂巖試件的峰值強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系均能用多項(xiàng)式較好地表達(dá)其之間的關(guān)系。其具體關(guān)系如下：

(1)

其中，y0,y3,y6分別表示試驗(yàn)圍壓為0 MPa,3 MPa,6 MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的砂巖試件峰值強(qiáng)度，通過(guò)擬合結(jié)果顯示，擬合系數(shù)均在0.95以上。表明所得到的擬合公式能較好的反映砂巖試件峰值強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

5 結(jié)論

通過(guò)不同圍壓、不同干濕循環(huán)次數(shù)的作用，研究分析了砂巖試件的物理力學(xué)基本參數(shù)的變化規(guī)律，可得到如下有益結(jié)論：

1)砂巖試件的波速、質(zhì)量均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。在30次～60次循環(huán)次數(shù)之間時(shí)，由于水溶液使砂巖的黏土物質(zhì)遇水逐漸軟化，因此在此循環(huán)次數(shù)階段波速與質(zhì)量下降幅度較大。2)干濕循環(huán)作用后的砂巖試件應(yīng)力應(yīng)變曲線與未干濕循環(huán)試件應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)大體一致，均可劃分為裂隙壓密、彈性變形、穩(wěn)定破壞、不穩(wěn)定破壞和累積性破壞5個(gè)階段。3)砂巖試件的峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大，峰值強(qiáng)度同時(shí)也隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而減弱；且峰值強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)之間呈現(xiàn)多項(xiàng)式關(guān)系。