飽水-風(fēng)干循環(huán)作用下砂巖強度劣化規(guī)律試驗研究

鄧華鋒，李建林，朱 敏，王孔偉，王樂華，鄧成進(jìn)

（三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

隨著三峽工程的竣工，庫區(qū)水位將常年在175～145 m 之間反復(fù)升、降變化，形成一個高達(dá)30 m的庫水變幅帶，在庫水位升、降循環(huán)中，變幅帶巖土體將處于一種飽水-風(fēng)干交替狀態(tài)，這種飽水-風(fēng)干交替作用對巖土體來說是一種“疲勞作用”[1－2]，在這種循環(huán)作用下岸坡巖土體的強度將如何劣化，以及由此引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害都是十分嚴(yán)峻而又不可回避的問題[3]。

國內(nèi)外對水-巖作用下巖體損傷研究已經(jīng)積累了較多的成果。歸納起來主要是以下幾個方面：①飽水或不同含水率情況下巖石（軟巖）的強度、變形特性[4－5]、流變特性試驗研究[6－7]。研究表明，含水巖石的強度及彈性模量等均有不同程度的降低，而且飽水砂巖比干燥砂巖具有更明顯的流變性，飽水砂巖的應(yīng)力門檻值比干燥砂巖的??；②考慮時間效應(yīng)的巖石（軟巖）水或者化學(xué)溶液浸泡試驗研究[8－9]。結(jié)果表明，巖石力學(xué)強度指標(biāo)隨著浸泡時間的增長而逐漸降低；③干濕交替（飽水-風(fēng)干）循環(huán)作用下巖石（軟巖）力學(xué)性質(zhì)劣化規(guī)律研究[10－13]，但這里的“干”、“濕”一般采用的是人工強制的烘干或者飽和；④考慮溫度變化[14]、凍融循環(huán)[15]等耦合因素的水-巖作用研究；⑤考慮庫水位升、降變化的典型庫岸邊坡穩(wěn)定性分析[16－17]。

以往的這些研究成果為庫岸邊坡變幅帶的水-巖作用機制探討奠定了較好的基礎(chǔ)，但還存在一些不足和需要完善的地方：例如這些研究中較少考慮庫岸邊坡庫水變幅帶的飽水-風(fēng)干循環(huán)作用，或者在試驗過程中考慮了干濕循環(huán)作用，但不考慮循環(huán)作用的時間效應(yīng)，采用強制的“干濕”循環(huán)措施，同時，有些試驗條件（如強酸、強堿、高溫等）在自然界的庫岸邊坡巖體中一般是不會出現(xiàn)的；常用的試驗方法是常溫、常壓情況下水或化學(xué)溶液短期或者長期浸泡，浸泡試驗時很少考慮水壓力升、降變化的影響。基于此，本文針對三峽典型庫岸邊坡的變幅帶砂巖設(shè)計了考慮水壓力升、降變化的飽水-風(fēng)干循環(huán)作用試驗（后面簡稱飽水-風(fēng)干循環(huán)作用試驗），旨在比較真實地模擬庫水變幅帶的飽水-風(fēng)干循環(huán)作用，對循環(huán)作用下砂巖的力學(xué)參數(shù)劣化規(guī)律及劣化機制進(jìn)行深入的試驗研究。

2 試驗設(shè)計

2.1 試樣制作及選擇

砂巖是沉積巖中分布范圍很廣的一類巖石，也是水利、水電建設(shè)、邊坡、滑坡治理工程中經(jīng)常遇到的巖石類型，在三峽庫區(qū)岸坡中廣泛存在，本次試驗采集三峽庫區(qū)典型庫岸邊坡變幅帶的砂巖為試驗對象，試驗結(jié)果具有較好的代表意義。典型巖樣如圖1所示。

圖1 典型砂巖試樣Fig.1 Typical sandstone samples

經(jīng)中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）分析測試中心鑒定，巖樣為絹云母中粒石英砂巖，微風(fēng)化，孔隙式鈣質(zhì)膠結(jié)，基質(zhì)具微細(xì)鱗片變晶結(jié)構(gòu)的中粒砂狀結(jié)構(gòu)，巖石由石英、長石、巖屑、云母等組成，天然密度為 2.63 g/cm3。巖樣取回后，按照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》[18]和RMT-150C巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)規(guī)格要求加工成直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣，制樣精度嚴(yán)格按照規(guī)范要求。測試已經(jīng)制備好的每個試樣的縱波波速、回彈值，嚴(yán)格選取縱波波速和回彈值均相近的試樣[19－20]，進(jìn)行后面的飽水-風(fēng)干循環(huán)作用試驗。

2.2 試驗方案設(shè)計

試驗中，為了比較真實地模擬庫水位升、降變化的影響，浸泡時采用3種平行試驗方案：①靜水、常壓；②靜水、加壓（壓力考慮0.4 MPa）；③靜水、加壓（壓力考慮0.8 MPa）。參照類似試驗的經(jīng)驗，考慮浸泡的時間效應(yīng)影響，同時，考慮試驗的可行性，設(shè)計每期浸泡時間為30 d，其中，前10 d為均勻增加至設(shè)計水壓力，模擬庫水位的上升，中間10 d保持壓力不變，模擬正常蓄水的相對穩(wěn)定期，后10 d壓力均勻降低至0，模擬庫水位的下降，浸泡儀器采用 YRK-1巖石溶解試驗儀（已申請專利）[21]，如圖2所示，壓力通過儀器底部的壓力氣囊（接氮氣瓶）施加，手動調(diào)壓閥控制，浸泡的水取自巖石取樣附近的長江水域。

圖2 YRK-1巖石溶解試驗儀Fig.2 YRK-1 rock dissolution tester

每期浸泡滿30 d后，取出所有試樣放置在實驗室自然風(fēng)干，模擬庫水位下降后，岸坡巖體自然風(fēng)干情況，時間統(tǒng)一為5 d（據(jù)準(zhǔn)備階段的試驗測試，飽水試樣自然風(fēng)干5 d左右，試樣的重量趨于穩(wěn)定，試樣達(dá)到基本風(fēng)干狀態(tài)。），5 d后，從3個浸泡方案中各取出一組試樣先采用自由浸水飽和法使其達(dá)到飽和狀態(tài)，然后，進(jìn)行抗壓強度試驗（圍壓為0、5、10、20 MPa）；把其余試樣重新放置回浸泡儀器中繼續(xù)浸泡，設(shè)計循環(huán)次數(shù)為6次。研究在不同浸泡方案情況下，砂巖試件在飽水-風(fēng)干循環(huán)作用下的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。

飽水-風(fēng)干循環(huán)模擬中，為了更真實地模擬庫岸邊坡巖體現(xiàn)實情況，盡量采取“自然”的方式，在試驗循環(huán)過程中讓試樣自然風(fēng)干，避免以往試驗中采取烘干法對巖石礦物成分和巖體性質(zhì)的影響；整個試驗過程是在5月份至12月份完成的，隨著季節(jié)的變化，每次風(fēng)干時的環(huán)境條件有些差異，對單次飽水-風(fēng)干循環(huán)作用效應(yīng)的均勻性可能也會有一定的影響，但這種試驗方法是一種更接近自然狀態(tài)的方法，其最終的試驗結(jié)果會更接近現(xiàn)實的狀態(tài)。另一方面，巖石的含水率對物理性質(zhì)、力學(xué)試驗的結(jié)果都是影響較大的，因此，在試驗過程中，為了更好地把握試驗規(guī)律，所有物理力學(xué)參數(shù)均在試樣飽和狀態(tài)下測定?？紤]庫岸邊坡巖體的實際工程環(huán)境，采用自由浸水飽和法，按照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》[18]規(guī)定，先將試件豎直置放于飽和缸中，第1次加水至試件高度1/4處，以后每隔2 h加水至試件高度的1/2和3/4處，6 h后試件全部淹沒于水中，48 h后取出，此時試件已經(jīng)飽和。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 砂巖試樣抗壓強度變化規(guī)律分析

不同浸泡情況、不同循環(huán)次數(shù)的飽水砂巖試樣抗壓強度試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖 3可以看出，砂巖試樣在飽水-風(fēng)干循環(huán)過程中抗強度變化具有以下規(guī)律：

（1）在飽水-風(fēng)干循環(huán)過程中，砂巖試樣的抗壓強度逐漸降低，總體趨勢明顯，浸泡時的水壓力變化幅度越大，劣化的趨勢越明顯，這個差別在循環(huán)初期相對不明顯，在后期，這個差別逐漸變大，6次循環(huán)以后，不同浸泡情況強度差別約3%～10%，說明在模擬庫水變幅帶水-巖作用時，水壓力的變化是一個不容忽視的因素。

（2）在飽水-風(fēng)干循環(huán)過程中，砂巖試樣的抗壓強度的劣化趨勢與試驗時加載的圍壓有關(guān)，圍壓越低，劣化的趨勢越明顯，同一期試樣中，單軸抗壓強度與圍壓20 MPa的抗壓強度降低程度相比，要大3%～7%。例如在飽水-風(fēng)干循環(huán)6次后，0.8、0.4 MPa和靜水常壓浸泡試樣單軸抗壓強度分別下降了 36.37%、34.25%和 32.15%，而圍壓 20 MPa時的抗壓強度分別下降了 31.02%、28.42%和25.80%，說明飽水-風(fēng)干循環(huán)過程對巖樣內(nèi)部的損傷有累積放大的作用，這種損傷效應(yīng)在圍壓較小時體現(xiàn)的更加明顯。

圖3 飽水-風(fēng)干循環(huán)作用下砂巖的抗壓強度變化規(guī)律曲線Fig.3 Curves of compressive strength change rules for sand rock samples under “saturation-air dry” circulation function

（3）文獻(xiàn)[10]中的砂巖人工強制飽水-風(fēng)干試驗，3次循環(huán)以后，圍壓為10、20 MPa的抗壓強度分別下降了16.78%、15.26%；6次循環(huán)以后，分別下降了24.75%、22.30%。本文的試驗結(jié)果為，3次循環(huán)以后，圍壓為10、20 MPa的抗壓強度分別下降了19.72%～22.90%、14.57%～19.17%；6次循環(huán)以后，分別下降了 28.89%～34.80%、25.80%～31.02%。比較而言，二者的變化趨勢相似，但文獻(xiàn)[10]數(shù)值上明顯小于本文的試驗結(jié)果，其原因主要是由于文獻(xiàn)[10]的飽水-風(fēng)干循環(huán)作用試驗中，沒有考慮水-巖作用的時間效應(yīng)，也沒有考慮水壓力升、降變化對巖石試樣的影響，因此，力學(xué)參數(shù)劣化幅度相對較小。

3.2 砂巖試樣的c、φ 值變化規(guī)律分析

根據(jù)三軸抗壓強度的試驗結(jié)果，依據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則，可以計算出各種浸泡情況下每期試樣的凝聚力c值、內(nèi)摩擦角φ值，如表1所示，從表中可以看出，砂巖試樣在飽水-風(fēng)干循環(huán)過程中c、φ值變化具有以下規(guī)律：

表1 不同浸泡壓力、循環(huán)次數(shù)下試樣c、φ值變化統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of cohesion and internal friction angle of the samples under different immersion pressures and different cycle numbers

（1）在飽水-風(fēng)干循環(huán)過程中，砂巖試樣的c、φ值劣化趨勢明顯，各種浸泡情況的變化規(guī)律基本一致，浸泡時水壓力變化幅度越大，c、φ值下降的越大，而且，隨著飽水-風(fēng)干循環(huán)次數(shù)的增加，這個差別越來越大。

（2）在飽水-風(fēng)干循環(huán)過程中，水-巖作用的損傷效應(yīng)明顯，c值下降的幅度明顯大于內(nèi)摩擦角的變化，3次循環(huán)以后，c值下降了15.17%～19.30%，φ值下降6.44%～9.45%；6次循環(huán)以后，c值下降了25.86%～30.77%，φ值下降了11.87%～15.34%，其原因一方面是水對礦物顆粒間接觸面或膠結(jié)物的溶解、潤滑、軟化作用，導(dǎo)致了凝聚力的明顯下降；另一方面由于巖體中溶解、擴散和沉淀等因素的影響，使得顆粒間接觸邊緣鋸齒狀或不規(guī)則狀趨向變成圓滑狀，從而使鋸齒部分的強度下降，進(jìn)而使巖石的凝聚力和內(nèi)摩擦角下降[17]。文獻(xiàn)[10]中的砂巖試樣人工強制飽水-風(fēng)干試驗，3次循環(huán)以后，c、φ值分別下降了15.44%、7.16%；6次循環(huán)以后，c、φ值分別下降了24.27%、10.51%，其變化規(guī)律與本文相似，但數(shù)值上小于本文的試驗結(jié)果，其原因主要與文獻(xiàn)[10]中的試驗方法有關(guān)，與3.1節(jié)（3）中解釋相同。

（3）在飽水-風(fēng)干循環(huán)初期，c、φ值下降相對較小，幾次循環(huán)作用后，c、φ值下降速度較快，而在5～6次循環(huán)作用時，下降趨勢又逐漸變緩，對應(yīng)單次飽水-風(fēng)干循環(huán)作用引起的c、φ值下降比值逐漸減小。

（4）從地質(zhì)學(xué)的巖石風(fēng)化規(guī)律而言，在飽水-風(fēng)干循環(huán)若干次之后（t→∞），砂巖理論上變成凝聚力為0的砂，內(nèi)摩擦角應(yīng)該變成一個不為0的較小的角[10]，結(jié)合這個特點，對上述試驗數(shù)據(jù)可以用函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=y0[1-aln(1+btc)]較好地擬合。巖（土）體的抗剪強度一般可以用摩爾-庫侖準(zhǔn)則τ=c+σntanφ表達(dá)，根據(jù)表1統(tǒng)計得到的c、φ值變化規(guī)律可以得到不同情況下飽水–風(fēng)干循環(huán)作用后砂巖的抗剪強度衰減公式，如表2所示。并根據(jù)抗剪強度衰減公式繪制曲線如圖4所示。

表2 抗剪強度擬合函數(shù)關(guān)系式Table 2 Fitting function relationships of shear strength

圖4 砂巖試樣抗剪強度變化規(guī)律及趨勢擬合圖Fig.4 Shear strength change rules and trend fitting chart of sand rock samples

從圖 4可以看出，砂巖的抗剪強度隨著飽水-風(fēng)干循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。在循環(huán)作用前期，下降速率較快，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強度的降低速率趨于緩慢。

4 飽水-風(fēng)干水-巖循環(huán)作用機制研究

巖石內(nèi)部往往存在著大量彌散分布的細(xì)觀缺陷，如微裂紋、裂隙分布區(qū)，尤其是裂紋、裂隙尖端的塑性區(qū)，是水-巖物理、化學(xué)作用、滲透作用的活躍帶。巖石試樣浸泡時，一方面，水分子沿著巖體中的微裂紋、微裂隙和顆粒之間接觸面等結(jié)構(gòu)面向巖體內(nèi)部滲透，潤滑、軟化作用降低了巖體的內(nèi)摩擦系數(shù)和凝聚力，另一方面，逐漸發(fā)生水-巖物理、化學(xué)反應(yīng)或離子交換，產(chǎn)生新的次生礦物，進(jìn)而改變巖樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。但在浸泡溶液環(huán)境變化不大的情況下，各種水-巖作用會逐漸趨于平衡。前面的試驗的結(jié)果也表明，在試驗的前期，巖樣的抗壓強度、c、φ值劣化的速率較快，而在5～6次飽水-風(fēng)干循環(huán)作用后，由于浸泡溶液中各種離子濃度趨于飽和，各種水-巖作用趨于緩慢，各力學(xué)參數(shù)的劣化逐漸趨于緩慢。

在水壓力的作用下，特別是水壓力上升、下降的變化，在裂紋端點處產(chǎn)生的應(yīng)力集中容易誘發(fā)裂紋擴張、擴展，更有利于水分子在巖石試樣中的內(nèi)滲、外滲和滲透通道的形成，進(jìn)而為水化學(xué)反應(yīng)提供了更多的反應(yīng)表面，使溶液與巖石礦物的反應(yīng)機率增大、速度加快，由此加大了其微觀結(jié)構(gòu)變化的程度，從而促進(jìn)裂紋、裂隙的擴展和聚集，在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為抗壓強度、c、φ值下降。前面的試驗中，飽水-風(fēng)干循環(huán)兩次之后，不同壓力浸泡試樣的強度變化差別逐漸明顯，而且，浸泡時水壓力變化幅度越大，巖石試樣強度劣化越快，對比分析也發(fā)現(xiàn)，考慮飽水-風(fēng)干的循環(huán)作用時的巖樣的損傷程度要比以往單一水-巖浸泡損傷大得多。這些都較好地說明了水壓力的升、降變化在庫岸邊坡變幅帶水-巖作用試驗中不可忽視。

飽水-風(fēng)干的循環(huán)過程，是對巖樣損傷的一次次累積，一次浸泡和水壓力的上升，水分子入滲，促使水-巖物理、化學(xué)作用的產(chǎn)生，加劇了內(nèi)部裂紋、裂隙的發(fā)展及聚集效應(yīng)，一次水壓力的下降和風(fēng)干，水分子外滲，水-巖物理、化學(xué)作用產(chǎn)生的礦物顆粒和化學(xué)物質(zhì)沿著腐蝕的裂紋、孔隙、顆粒間接觸面外滲，產(chǎn)生新的次生孔隙，為下一次的水-巖物理、化學(xué)作用提供更多新的反應(yīng)表面。這個循環(huán)過程就逐漸導(dǎo)致巖樣內(nèi)部的細(xì)微觀裂紋、裂隙的集中化及擴展，向宏觀裂紋、裂隙的轉(zhuǎn)變，在宏觀裂紋、裂隙形成以后，水-巖物理、化學(xué)作用愈加強烈，其細(xì)觀的損傷不斷演化，推動宏觀缺陷的發(fā)展，而宏觀裂紋在擴展過程中所引起的細(xì)觀損傷區(qū)域，又將是水-巖作用強烈的區(qū)域。

這一點可以從砂巖試樣不同飽水-風(fēng)干循環(huán)階段的薄片顯微結(jié)構(gòu)照片中得到較好地印證，砂巖試樣在飽水-風(fēng)干循環(huán)作用下，其微觀結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)生變化，選取不同試驗階段的部分巖石試樣磨取薄片，典型顯微結(jié)構(gòu)照片如圖5所示。

圖5 砂巖試樣部分典型薄片顯微結(jié)構(gòu)照片（0.4 MPa）Fig.5 Microscopic-structure photos of some typical sandstone samples (0.4 MPa)

從圖5可以看出，初始狀態(tài)下砂巖長石顆粒表面存在一些蝕變點，顆粒界限邊緣相對清晰，膠結(jié)物相對致密；隨著飽水-風(fēng)干循環(huán)作用次數(shù)增加，長石顆粒表面蝕變點明顯增多、蝕坑增大，并出現(xiàn)一些微裂紋，顆粒界限邊緣變的模糊，不規(guī)則狀變得趨向圓滑，顆粒之間的鈣質(zhì)膠結(jié)趨向松散，這些現(xiàn)象說明飽水-風(fēng)干循環(huán)作用對砂巖的物理、化學(xué)、力學(xué)細(xì)觀損傷作用較強，促進(jìn)了巖石的微觀裂紋向宏觀缺陷發(fā)展。

5 結(jié) 論

（1）在飽水-風(fēng)干循環(huán)過程中，水-巖作用對試樣的強度損傷效應(yīng)較大，砂巖試樣的抗壓強度、c、φ值逐漸劣化，變化趨勢基本一致，而且，浸泡時的壓力變化幅度越大，強度劣化的趨勢越明顯。在循環(huán)作用初期，劣化幅度比較?。?～4次飽水-風(fēng)干循環(huán)作用時，劣化速率相對較快；5～6次循環(huán)作用時，劣化速率相對變緩，并逐漸趨于緩慢。

（2）飽水-風(fēng)干循環(huán)作用對巖樣的損傷在微觀上表現(xiàn)為其微觀結(jié)構(gòu)的變化，包括孔隙、裂隙、裂紋的聚集、擴展等，在宏觀上則表現(xiàn)為巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化。而這個損傷演化過程與水-巖物理、化學(xué)作用和力學(xué)作用密切相關(guān)，從本文的試驗結(jié)果來看，除了水-巖物理、化學(xué)作用之外，水壓力的升、降變化和飽水-風(fēng)干循環(huán)作用過程對損傷演化規(guī)律起著非常重要的作用，這也是本文所研究的重點。飽水-風(fēng)干循環(huán)作用對巖體的損傷是一種累積性發(fā)展的過程，即每一次的效應(yīng)并不一定很顯著，但多次重復(fù)發(fā)生，卻可使效應(yīng)累進(jìn)性增大，導(dǎo)致巖體質(zhì)量逐漸劣化。

（3）本文設(shè)計的試驗方案相對于以往的類似水-巖作用試驗，不僅考慮了飽水-風(fēng)干循環(huán)的過程，而且考慮了水-巖作用的時間效應(yīng)和水壓力的升、降變化對巖石試樣的影響，試驗條件更趨近于現(xiàn)實情況，相關(guān)的試驗方法、試驗結(jié)果和結(jié)論也可以為其他巖體的劣化規(guī)律研究提供有益的參考。

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