干濕循環(huán)條件下砂巖強度劣化試驗研究*

張 鵬 柴肇云

(太原理工大學(xué)采礦工藝研究所)

水是影響巖石力學(xué)性質(zhì)的重要因素之一［1］。近年來隨著礦業(yè)工程、巖土工程、水電工程的飛速發(fā)展，眾多工程領(lǐng)域面臨著更加復(fù)雜、嚴(yán)峻的地質(zhì)環(huán)境。因地下水引發(fā)的工程失穩(wěn)問題逐漸增多，水巖作用后工程的安全性、可靠性、穩(wěn)定性日益成為關(guān)注的焦點。在干旱半干旱地區(qū)，由于季節(jié)性降雨、巖體周期性的飽水—風(fēng)干造成巖性劣化對工程的長期穩(wěn)定性有較大的影響［2-8］。因此，有必要研究周期性干濕循環(huán)對巖體強度的影響規(guī)律。目前，國內(nèi)外學(xué)者對干濕循環(huán)下巖石的力學(xué)性質(zhì)進行了一些研究，如顏定玉等［9］通過試驗探究了飽水時間對巖石動態(tài)參數(shù)的影響;劉新榮等［10-11］通過模擬庫岸邊坡巖體在庫水漲落情況下水巖作用的過程，指出“飽水—風(fēng)干”水－巖循環(huán)作用下，砂巖黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強度均隨循環(huán)次數(shù)下降;薛晶晶等［12］對干濕循環(huán)下強度與波速關(guān)系的探究實驗表明縱波波速與單軸抗壓強度有很好的對應(yīng)關(guān)系;王永新［13］在水對巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化試驗中得出“飽水—風(fēng)干”循環(huán)過程對巖體強度參數(shù)有顯著影響。但是上述文章較少涉及干濕循環(huán)下砂巖強度的劣化機理和破壞形式。本研究以砂巖為代表設(shè)計了“飽水—風(fēng)干”水－巖循環(huán)試驗，通過進行干濕循環(huán)下單軸抗壓試驗，得出了干濕循環(huán)下砂巖強度變化規(guī)律以及破裂形式。

1 巖樣與過程描述

1.1 試驗巖樣

試驗所用巖樣采自山西省忻州市保德煤礦8號煤頂板，為古生代二疊系月門溝統(tǒng)山西組中粒長石石英砂巖，斷面似沙糖狀，微風(fēng)化。在實驗室加工成?50 mm×100 mm的試樣，為保證試樣加工精度控制在允許誤差范圍(相鄰面互相垂直，偏差不超過0.25°;相對面平行，不平行度不大于0.05 mm)內(nèi)，將巖樣在雙端面磨石機上磨平。共加工試件20個，見圖1。

圖1 砂巖巖樣

1.2 試驗過程

試驗時，采用自然吸水飽和法，首先將試件侵入蒸餾水中，使液面高出巖樣上表面，待24 h后取出，此時試件已經(jīng)完全飽和，然后將試件置于DZF－6020真空干燥箱中，將溫度保持在105℃不變，開啟除濕干燥風(fēng)機，10 h后取出，冷卻至室溫。至此完成一個干濕交替過程。試驗時隨機從20個試件中取15個加工較理想的試件進行循環(huán)試驗。以下為了敘述方便，把初始加工好的、沒有在室內(nèi)經(jīng)過干濕水巖作用的試件稱為干燥狀態(tài)試件，即經(jīng)過0次干濕交替作用的試件。等此循環(huán)結(jié)束后，開啟下一循環(huán)，如此反復(fù)，共進行7次干濕循環(huán)。

在室內(nèi)對經(jīng)不同次“飽水—風(fēng)干”分組試件用微機控制電液伺服萬能試驗機進行力學(xué)參數(shù)測定。試驗軸向加載方式均采用位移控制，控制其加載速率為0.005 mm/s，試件加載過程中，注意觀測試件破裂過程，并對破裂圖像做好記錄。

2 砂巖強度劣化規(guī)律

2.1 試驗結(jié)果分析

表1為經(jīng)歷不同干濕循環(huán)砂巖單軸抗壓強度試驗結(jié)果。圖2為經(jīng)歷不同干濕循環(huán)砂巖壓縮破壞全過程應(yīng)力－應(yīng)變曲線。鑒于篇幅限制，取每組1號試樣，從圖2中可以看出:不論是干燥狀態(tài)的試件還是經(jīng)過不同次數(shù)干濕循環(huán)之后的試件，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線變化趨勢與宏觀力學(xué)試驗［14］類似，大致可分為4個主要階段:①微裂隙壓密階段;②線彈性變形階段;③彈塑性變形階段;④應(yīng)變軟化階段。到達峰值強度之前，各試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀基本相似，經(jīng)過干濕循環(huán)作用后試件峰值強度降低。峰值強度之后，初始狀態(tài)試件應(yīng)力下降比較快，而經(jīng)過干濕交替作用的試件，下降比較慢，形成一些下降臺階。由此可見，砂巖所能承受的最大應(yīng)力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化而變化，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，強度發(fā)生大幅度的劣化，衰減程度顯著。干濕循環(huán)對砂巖的強度有很大的影響，在水巖相互相互作用下，砂巖的強度和變形發(fā)生了不可逆的漸進性損傷。

表1 單軸抗壓試驗結(jié)果

圖2 砂巖單軸抗壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖3為砂巖峰值強度擬合曲線。由表1和圖3可以看出，砂巖的強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加強度逐漸降低，而且在第1次干濕作用之后，巖石的強度有大幅度的降低，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加其強度降低的幅度逐漸減小，峰值強度的變化趨勢類似于指數(shù)形式變化，即

式中，σc為峰值強度，MPa;A，B為擬合參數(shù);n為干濕循環(huán)交替的次數(shù)。

圖3 砂巖峰值強度擬合曲線

擬合結(jié)果為

從擬合曲線中也能反映峰值強度這種變化規(guī)律。

通過實時觀測干燥及干濕交替作用下試件破裂的全過程，可以得到，經(jīng)過干濕循環(huán)作用后試件破裂快，失穩(wěn)破壞所需要的荷載小，試件的脆性降低，干濕交替作用下對巖石產(chǎn)生損傷。為了定量描述干濕循環(huán)對砂巖強度的影響規(guī)律，在此，引入劣化度的概念，劣化度

式中，σc(0)為巖樣干燥狀態(tài)下單軸抗壓強度，MPa;σc(n)為巖樣某次循環(huán)后的單軸抗壓強度，MPa;

表2為砂巖的劣化程度隨循環(huán)次數(shù)的變化的結(jié)果。由表2可知，總劣化度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，第1次干濕循環(huán)后單軸抗壓強度下降4.95%，循環(huán)7次以后單軸抗壓強度下降21.46%。從總的劣化度來看，干濕循環(huán)對砂巖強度影響很大，砂巖的抗壓性能在干濕循環(huán)以后對水表現(xiàn)敏感。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，水對巖石的侵蝕程度增強，在水－巖作用下，砂巖的弱化性明顯，劣化程度高。

表2 砂巖的劣化程度隨循環(huán)次數(shù)的變化

2.2 劣化機理解釋

巖石內(nèi)部往往存在著大量分布的微觀裂隙，如微裂紋、裂隙分布區(qū)等，為水－巖物理、化學(xué)作用、滲透作用創(chuàng)造條件。巖石試樣浸泡時，一方面，在水壓力的作用下，在裂紋端點處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，引起裂紋的擴張、擴展，有利于水分子沿著微裂紋、微裂隙和顆粒之間接觸面等向巖體內(nèi)部滲透，降低了巖體的內(nèi)摩擦系數(shù)和凝聚力。另一方面，水巖作用下巖體內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)的溶蝕導(dǎo)致顆粒間的黏結(jié)減弱。而被溶解的礦物將使更多的水填充裂隙，加速對微裂紋尖端的沖蝕，并增加尖端的應(yīng)力，助長劣化的進一步發(fā)展，尤其在干濕循環(huán)作用下，水巖相互作用更加明顯。巖石內(nèi)部孔隙率的逐漸增加使得每次循環(huán)后水的侵蝕程度加深，直到完全將巖石浸透，造成其力學(xué)參數(shù)大幅降低。同時，劣化后的巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而促進水巖相互作用的進行。水－巖循環(huán)作用下，砂巖強度的變化反映了水對砂巖的作用是一個損傷累積并擴大發(fā)展直至破壞的漸變過程。

2.3 破裂形式

為探求干濕循環(huán)對砂巖破壞形式的影響，取初始干燥試件與干濕循環(huán)后試件破碎一部分照片進行對比，照片見圖4。整個加載過程中，初始的裂紋基本與軸向平行，隨著軸向荷載的增加，裂紋逐步擴展延伸到試件的兩端，延伸過程中，裂紋的走向發(fā)生了改變，一部分裂紋變成剪切裂紋，同時形成分叉，衍生出兩條新的剪切裂紋。通過對比干濕循環(huán)前后破碎情況可以得出，干濕交替作用對巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了損傷，在“飽水—風(fēng)干”過程中，膠結(jié)物會不斷經(jīng)歷膨脹和收縮作用，導(dǎo)致巖石孔隙率增大，進而使得每次干濕循環(huán)作用下水對砂巖的侵蝕程度增加，直至將巖石完全浸透。造成砂巖的強度降低，劣化度高。因而在試樣破裂過程中，經(jīng)過干濕交替作用后巖樣更容易在較低的應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生破壞。

圖4 干濕循環(huán)前后巖樣破碎照片

3 結(jié)論

(1)從單軸抗壓試驗應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線可知，達到峰值強度之前，各試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀基本相似，經(jīng)過干濕交替作用后試件峰值強度降低。峰值強度之后，初始狀態(tài)試件應(yīng)力下降比較快，而經(jīng)過干濕交替作用的試件，下降比較慢，形成一些下降臺階。水巖相互作用對砂巖的劣化效應(yīng)明顯，干濕循環(huán)對砂巖造成了不可逆的漸進性損傷。

(2)砂巖的強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加強度逐漸降低，而且在第1次干濕作用之后，巖石的強度有大幅度的降低，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加其強度降低的幅度逐漸減小，峰值強度的變化趨勢類似于指數(shù)形式變化。而劣化度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，第1次干濕循環(huán)后單軸抗壓強度下降4.95%，循環(huán)7次以后單軸抗壓強度下降21.46%。

(3)干濕交替作用對巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了損傷，在“飽水—風(fēng)干”過程中，膠結(jié)物會不斷經(jīng)歷膨脹和收縮作用，導(dǎo)致巖石孔隙率增大，進而使得每次干濕循環(huán)作用下水對砂巖的侵蝕程度增加，直至將巖石完全侵透。造成砂巖的強度降低，劣化度高。因而在試樣破裂過程中，經(jīng)過干濕交替作用后巖樣更容易在較低的應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生破壞。

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