水對軟質砂巖加卸荷力學特性影響的試驗研究

李宏國,　邵　迅,　姚華彥,　吳　平,3

(1.合肥工業(yè)大學 土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥　230009; 2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山　243000； 3.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥　230031)

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水對軟質砂巖加卸荷力學特性影響的試驗研究

李宏國1,2,邵迅1,姚華彥1,吳平1,3

(1.合肥工業(yè)大學 土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥230009; 2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山243000； 3.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥230031)

摘要:文章進行了軟質砂巖在飽水和干燥條件下的單軸、三軸加載以及卸圍壓試驗。試驗結果表明巖樣加卸荷力學特性受水的影響顯著。飽水狀態(tài)下,砂巖的加載及卸荷強度均低于干燥狀態(tài)巖石的強度;無論是干燥還是飽水狀態(tài),卸荷條件下砂巖的黏聚力相對于加載條件有所提高,而內摩擦角卻降低。在圍壓大于5 MPa時,卸荷條件下的巖樣峰值強度低于加載條件下的強度;卸荷試驗與加載試驗相比較,處于飽水狀態(tài)的巖樣,其黏聚力和內摩擦角的變化幅度遠大于干燥狀態(tài)的巖樣。

關鍵詞:砂巖;飽水;卸荷;試驗;力學特性

在含水的多孔巖石中,由于水的應力腐蝕作用,會導致巖石中原有的微裂紋不斷擴展、長大貫通以及新裂紋的產生,并促使裂紋加速擴展[1]。水對巖體介質力學性質的影響已經成為進行深入理論和試驗研究的主題[2-4]。

對于加載條件下的巖石變形和破壞機制方面的研究成果很多[5-7],隨著深部工程或高應力工程建設增多,人們逐漸發(fā)現(xiàn)采用卸荷作用的思想來探討和解決這些問題可能更符合工程實際的響應[8-9]。

考慮到地下水的作用,一些研究者也開展了卸荷條件下的滲透特性[10-11]研究,結果表明裂隙巖體卸荷過程對滲透系數(shù)的影響不容忽視。而有水壓時巖石卸荷的強度和破壞特性均有較大變化[12-13]。工程實際中考慮到水對巖石力學性質的弱化作用,也采用注水或噴水防治巖爆[14-15]。但目前,考慮地下水對巖體卸荷影響的研究并不充分。

本文通過對干燥和飽水2種狀態(tài)下的軟質砂巖進行加載和卸荷三軸試驗,分析水對軟質巖加載和卸荷力學特性的影響。

1試驗材料和方法

試驗巖樣取自三峽庫區(qū)秭歸縣千將坪鎮(zhèn)侏羅系的砂巖。經安徽省地質試驗研究所鑒定為長英質細砂巖，泥質孔隙式膠結結構，其主要成分為:石英,含量73%左右;長石,含量15%左右;白云母,含量2%左右；泥質膠結物，含量8%左右;少量鋯石、方解石、獨居石、磷灰石、綠簾石等。將巖塊加工成直徑約為50 mm,高度約為100 mm的圓柱形試樣。試驗分為如下4組:

(1) 干燥砂巖單軸、常規(guī)三軸加載試驗。

(2) 飽水砂巖單軸、常規(guī)三軸加載試驗。

(3) 干燥砂巖三軸卸圍壓試驗。

(4) 飽水砂巖三軸卸圍壓試驗。

其中飽水砂巖是將試件放在蒸餾水自然浸泡至飽和進行力學試驗。干燥砂巖在105 ℃下烘干24 h,再冷卻至室溫之后進行力學試驗。

試驗在RMT 150試驗機上進行。常規(guī)三軸加載試驗為:將干燥或飽水試件分別先將圍壓加載至5、10、15 MPa,然后固定圍壓繼續(xù)施加軸向應力直至試件破壞。卸圍壓試驗時,采用恒軸壓、卸圍壓應力途徑,即先加圍壓至預定圍壓(5、10、15、20 MPa),再施加軸壓至預定值,然后保持軸壓不變將圍壓減小,直至試樣破壞。參照文獻[16],采用的卸圍壓的速率為0.05 MPa/s。

2試驗結果分析

試驗結果見表1所列，計算出試件的剪切強度參數(shù)c和φ值。

由試驗結果可知,巖樣干燥時單軸抗壓強度為35.94 MPa,飽水單軸抗壓強度為20.2 MPa,根據(jù)文獻[17]的分類,屬于較軟巖，軟化系數(shù)為0.56,是一類工程性質較差的巖石。

表1　試驗結果　MPa

2.1飽水與干燥砂巖常規(guī)三軸試驗研究

圖1所示為砂巖峰值強度與圍壓的關系,可以看到無論是在干燥還是飽水條件下,隨著圍壓的增加,其峰值強度都有明顯的升高,干燥試件比飽水試件升高得更快。在相同的圍壓下,干燥試件的峰值強度大于飽水試件，表明飽水條件下,砂巖的抗壓強度顯著降低,這與很多學者研究結果一致[18-19]。本文所用巖樣為孔隙式泥質膠結,泥質膠結物一般含有膨脹性黏土礦物,遇水作用后,膠結作用迅速減弱，因而飽和砂巖相對于干燥狀態(tài)砂巖,強度下降。

圖1　常規(guī)三軸飽水與干燥砂巖的峰值強度與圍壓的關系

用Mohr-Coulomb準則來描述砂巖的強度規(guī)律。峰值強度σ1和圍壓σ3基本上呈線性關系。采用公式σ1=a+bσ3(其中a、b均為擬合系數(shù))線性擬合。干燥砂巖:

σ1=5.992σ3+40.71，R2=0.968 5

(1)

飽水砂巖:

σ1=4.538σ3+23.19，R2=0.988 1

(2)

抗剪強度參數(shù)黏聚力c和內摩擦角φ計算公式為:

(3)

(4)

計算得到飽水砂巖的c值、φ值分別為5.4 MPa、39.7°,而干燥砂巖分別為8.3 MPa、45.6°。相比于干燥砂巖的參數(shù),在飽水的條件下,巖樣的c值、φ值分別降低了34.9%、12.9%,黏聚力c值降低幅度比內摩擦角顯著。

在加載過程中,巖樣在圍壓作用下都有一個壓密的階段。尤其是軟巖,其內部的空隙、裂隙等較大,這種現(xiàn)象更為突出[7]。計算不同圍壓作用下的砂巖彈性模量,其與圍壓的關系如圖2所示。可以看到,相同圍壓條件下飽水砂巖彈性模量低于干燥巖石;在干燥和飽水2種情況下,彈性模量均隨著圍壓而增大,圍壓低于10 MPa時,增大的趨勢顯著,但大于10 MPa時,只有小幅度的增加，表明水對該巖樣變形特性也有顯著影響。

圖2　砂巖彈性模量與圍壓的關系曲線

2.2飽水砂巖與干燥砂巖卸圍壓試驗研究

卸圍壓情況下,砂巖的峰值強度與圍壓的關系如圖3所示。在卸圍壓狀態(tài)下,無論干燥還是飽和砂巖,其峰值強度與圍壓基本也呈線性關系,峰值強度隨著圍壓的增加而增加,這與上述常規(guī)三軸試驗的情況是類似的。

圖3　飽水與干燥砂巖的破壞時峰值強度與圍壓的關系

卸圍壓狀態(tài)下飽水巖樣的強度參數(shù)也比干燥巖樣有所降低。干燥巖樣的抗剪強度參數(shù)c、φ值分別為9.7 MPa、41.9°,飽水巖樣分別為9.1 MPa、29.8°,分別降低了6.2%、28.9%,表明內摩擦角降低的幅度更大。

2.3干燥砂巖的加載和卸荷試驗研究

干燥巖樣在加載和卸圍壓2種情況的峰值強度與圍壓關系如圖4所示。由強度參數(shù)計算結果可知，與常規(guī)三軸加載相比,卸圍壓下c值增加了16.9%,而φ值則降低8.1%。

關于卸荷對巖石強度的影響,不同學者的觀點不盡一致。如文獻[18-19]對花崗巖、大理巖的卸圍壓試驗表明,相對于加載情況,卸荷得到的巖石的內聚力降低,而內摩擦角增大;文獻[20]的研究表明,對于各種卸荷應力路徑,如果卸荷點處于彈性范圍內,當接近破壞時的屈服接近速率一定時,應力路徑對強度影響不明顯。

本文砂巖的加卸荷試驗得到的強度變化規(guī)律與上述文獻不一致。究其原因在于應力路徑(加載、卸荷)是影響強度的外因,而巖石本身的結構是巖石強度的內因。文獻[18-19]都是強度較高的巖石,結構致密,具有明顯的脆性特征。本文的巖樣屬于較軟巖,孔隙度較大,在圍壓的作用下一些原來張開的微裂隙閉合或垮塌而壓密(這可以從圖2所示砂巖彈性模量隨圍壓的變化中得到驗證),而且圍壓越高這種壓密作用也越強。卸圍壓過程與加載過程相比,如果破壞時的圍壓相等,由卸圍壓達到破壞的試樣經歷了一個更高的圍壓作用過程,在這種壓密過程中,巖石內部結構已經受到損傷或破壞,在圍壓較低情況下,這種損傷破壞可以忽略,而在較高圍壓(如本文大于10 MPa時)下,則使巖樣的力學性質發(fā)生較大變化。從圖4中可以看到,圍壓較高時,卸荷破壞的巖樣強度位于三軸加載擬合曲線下方。因而卸圍壓試驗相對三軸加載試驗時c值增加,φ值減小。

圖4　干燥砂巖加載和卸荷破壞時峰值強度與圍壓關系

2.4飽水砂巖的加載和卸荷試驗研究

圖5所示為飽水砂巖加載、卸荷破壞時峰值強度與圍壓的關系曲線。與上述干燥砂巖的試驗結果類似,圍壓較高時,卸荷破壞的巖樣峰值強度位于三軸加載擬合曲線下方。與常規(guī)三軸加載相比較,卸圍壓情況下c值增加68.5%,而φ值則降低24.9%，其原因也類似于前文所述。

圖5　飽水砂巖加載和卸荷破壞時峰值強度與圍壓關系

值得注意的是,在飽水情況下,內聚力和內摩擦角的變化幅度遠大于干燥條件下的巖石。其原因在于,由于水的軟化作用,導致巖石內部微裂隙更容易閉合或坍塌,巖石結構的損傷更嚴重,其最終結果是在圍壓較高時，卸圍壓條件下砂巖的強度有更大幅度的降低。

3結論

試驗結果表明,本文所用巖樣為較軟巖,其力學特性受水的影響顯著,飽水狀態(tài)下,砂巖的常規(guī)三軸加載及卸荷強度均低于干燥巖石的強度。無論是干燥還是飽水狀態(tài),卸荷狀態(tài)下砂巖的黏聚力c值與加載狀態(tài)下的比較有所提高,而內摩擦角φ值卻降低。在圍壓作用下,卸荷條件下的巖樣強度低于加載條件下的強度。上述研究表明軟質巖與一般硬巖卸荷破壞規(guī)律存在差別。卸荷試驗與加載試驗的強度相比較,在飽水情況下,砂巖的內聚力和內摩擦角的變化幅度遠大于干燥條件下的巖石。

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(責任編輯馬國鋒)

Research on the effect of water on mechanical properties of soft sandstone under loading and unloading conditions

LI Hong-guo1,2,SHAO Xun1,YAO Hua-yan1, WU Ping1,3

(1.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine, Ma’anshan 243000, China； 3.Anhui Institute of Building Research and Design, Hefie 230031, China)

Abstract:The uniaxial loading, triaxial loading and confining pressure unloading tests were carried out on dry or water-saturated typical soft sandstone. The tests results show that water has great influence on the mechanical properties of soft sandstone under loading and unloading conditions. The strength of water-saturated sandstone is lower than that of the dry sandstone under either loading or unloading conditions. For both the dry and water-saturated sandstone samples, the cohesion under unloading condition is higher than that of loading condition, and on the contrary, the internal friction angle is lower. When the confining pressure is greater than 5 MPa, the strength of the sample under unloading condition is lower than that of loading condition; the results of unloading test and loading test show that the variations of cohesion and internal friction angle of water-saturated sandstone samples are greater than those of dry samples.

Key words:sandstone; water saturation; unloading; test; mechanical property

中圖分類號:TU45

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)03-0360-04

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.015

作者簡介：李宏國(1975-),男，河南商城人,合肥工業(yè)大學博士生.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51078123；51179043);金屬礦山安全與健康國家重點實驗室開放課題基金資助項目(ZDSYS001)

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-05-19