熱濕作用下三峽庫區(qū)典型砂巖劣化效應研究

王樂華，金 晶，趙二平，宛良朋，鄧華鋒

(1.三峽大學 三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2.武漢大學 水利水電學院，武漢 430072；3.中國三峽建設管理有限公司 烏東德建設部，昆明 651500)

熱濕作用下三峽庫區(qū)典型砂巖劣化效應研究

王樂華1,2，金 晶1，趙二平1,2，宛良朋3，鄧華鋒1,2

(1.三峽大學 三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2.武漢大學 水利水電學院，武漢 430072；3.中國三峽建設管理有限公司 烏東德建設部，昆明 651500)

針對取自三峽庫區(qū)范家坪滑坡砂巖，采用室內(nèi)模擬高溫季節(jié)環(huán)境條件，研究砂巖在“烘干-吸水”循環(huán)作用下的熱濕效應，包括砂巖的質(zhì)量劣化和抗剪強度參數(shù)的變化。結(jié)果表明：①經(jīng)歷“烘干-吸水”熱濕循環(huán)作用后，巖石質(zhì)量劣化速率和吸水率是非線性波動變化的，其波動特征體現(xiàn)出了巖石內(nèi)部裂隙的動態(tài)發(fā)育；②砂巖的抗剪強度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨著“烘干-吸水”熱濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷降低，在循環(huán)初期參數(shù)折減幅度較大，后期變緩并逐漸趨于穩(wěn)定，這與巖石質(zhì)量劣化規(guī)律具有相似性；③提出通過巖石直剪破壞裂紋延伸角度，定性判斷巖石強度的方法。研究成果對晝夜溫差大且氣候潮濕的華中地區(qū)巖石劣化預測具有實際意義。

砂巖; 烘干-吸水； 直剪試驗；裂隙發(fā)育；直剪破壞模式；熱濕循環(huán)；巖石質(zhì)量劣化

1 研究背景

水和溫度是影響巖土體性質(zhì)的重要因素，對巖土體的作用形式是多種多樣的。除了降雨、庫水位上升和消落、地下水位波動、高溫作用影響外，自然界中還廣泛存在著另一種溫度和水交替循環(huán)作用的影響效應，比如高溫季節(jié)被烘烤炙熱的巖體突遇降雨、夏季高溫時節(jié)晝夜交替的巨大溫差等引起的巖土體熱濕循環(huán)效應。事實上，這種熱濕循環(huán)對巖石力學性質(zhì)及巖體工程穩(wěn)定性造成的衰減是一種累積發(fā)展的過程，比持續(xù)浸泡更劇烈[1-3]。

目前，關(guān)于干濕交替作用對巖體的劣化效應研究方面已有相當豐富的成果。

王永新等[4-16]基于不同干濕循環(huán)作用下砂巖力學試驗結(jié)果，分析了干濕循環(huán)效應對砂巖物理力學特征影響規(guī)律。王永新[4]在水對巖石力學性質(zhì)的劣化試驗中得出“飽水-風干”循環(huán)過程對巖體強度參數(shù)有顯著影響。李克鋼等[5]通過單軸壓縮試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂巖的破壞特征在干濕循環(huán)試驗次數(shù)的影響下，呈現(xiàn)一種從脆性到延性轉(zhuǎn)化的破壞規(guī)律。張鵬等[6]通過砂巖的單軸壓縮試驗指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-風干”過程中，膠結(jié)物會不斷經(jīng)歷膨脹和收縮作用，導致巖石孔隙率增大，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。王莎莎等[7]在研究干濕循環(huán)區(qū)間間隔逐漸增大對砂巖的漸進性影響的工作中發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，砂巖的質(zhì)量損失率呈遞增規(guī)律，體現(xiàn)了砂巖內(nèi)的礦物組成成分和巖石結(jié)構(gòu)性質(zhì)在不斷發(fā)生變化，干濕循環(huán)作用加速巖石內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生、擴展，影響巖石的力學強度指標。姚華彥等[8-10]通過實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過不同次數(shù)的“干-濕”交替作用后，砂巖的彈性模量和破壞脆性均有不同程度的降低。“干燥-飽水”循環(huán)作用對砂巖的縱波波速、抗剪強度參數(shù)的劣化作用在循環(huán)初期的表現(xiàn)比較強烈，隨著循環(huán)次數(shù)的遞增，其作用有所減弱，且黏聚力的下降幅度較內(nèi)摩擦角要大[11-16]。

上述研究工作主要考慮了巖石處于干燥和飽水2種極端狀態(tài)下的劣化效應，忽略了溫度和水的共同作用在循環(huán)過程對巖石性質(zhì)的影響。本文在設計試驗“烘干-吸水”流程中，對砂巖質(zhì)量劣化、吸水率及抗剪強度參數(shù)劣化規(guī)律及直剪破壞模式進行詳細研究，宏觀反映邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整方向。

2 試驗方案

為避免巖石材料的不均質(zhì)性和各向異性[17]帶來試驗結(jié)果的離散性，根據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》[18]，砂巖試樣按50 mm×50 mm圓柱體進行制備，制樣直徑偏差≤±0.3 mm，端面不平整度≤±0.05 mm。試樣加工后，如圖1所示。巖樣制備完成后，通過質(zhì)量、高度、直徑和超聲波縱波波速測試，進行試樣篩選，剔除離散性大的試樣。

圖1 直剪砂巖試樣Fig.1 Sandstone specimens for direct shear test

基于庫區(qū)水文、氣候條件，設計烘烤溫度為50 ℃，烘烤4 h后巖樣1/10高度進行為期1 h的吸水為一個熱濕試驗循環(huán)過程，設計6個期次，其循環(huán)次數(shù)分別為5，10，20，30，40，50次；進行直剪試驗時，考慮到巖石取自于邊坡工程露裸巖體，設計法向力分別為5，10，15，20，25 kN，施加速率為1 kN/s；每一法向力下，設計切向力以20 kN為梯度進行逐級加載，施加速率為0.2 kN/s，同時對同步進行熱濕循環(huán)的巖樣G1，G2，G3進行浸泡前后的質(zhì)量稱重和吸水率測量。

圖2 巖樣質(zhì)量劣化隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢Fig.2 Deterioration trend of sandstone specimens’ quality along with the increase of cycle times

3 試驗結(jié)果分析

3.1 巖石質(zhì)量劣化規(guī)律分析

巖石質(zhì)量的劣化與巖石礦物成分發(fā)生的物理、化學反應有關(guān)，物理作用主要表現(xiàn)在巖石崩解，造成裂隙發(fā)育；化學作用主要表現(xiàn)為巖石與水反應過程中，Ca2+，Na+，K+等離子的析出溶解。

對試驗組3個試樣進行巖樣質(zhì)量劣化Dm統(tǒng)計，如圖2所示，巖石質(zhì)量劣化百分比增量如圖3所示。

圖3 巖樣質(zhì)量劣化增量趨勢Fig.3 Trend of the increment of deterioration after wateradsorption along with the increase of cycle times

巖石質(zhì)量劣化公式為

(1)

式中：ΔmN為循環(huán)N次后巖樣的質(zhì)量；m0為巖樣的初始質(zhì)量。

從圖3可以看出：在循環(huán)初期，巖石質(zhì)量劣化速率較快，呈非線性劣化，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，逐漸轉(zhuǎn)化成近似的線性變化。從每次循環(huán)作用巖石質(zhì)量劣化百分比增量來看，巖石質(zhì)量劣化百分比增量是隨著循環(huán)次數(shù)(50次內(nèi))的增加而逐漸遞減的，說明巖石熱濕效應主要體現(xiàn)在前期，隨著時間的推移，表面巖石將處于穩(wěn)步劣化狀態(tài)。

當巖樣在烘箱中烘烤時，其內(nèi)部水分氣化，巖石內(nèi)部孔隙和裂隙處于膨脹狀態(tài)，水分汽化外滲的過程，孔隙和裂隙中脆弱的巖橋可能因受拉而發(fā)生破壞，隨其不斷發(fā)育，最終導致巖石破裂。當巖石吸水時，巖石表面與空氣充分接觸，水在巖石吸力作用下，不斷攀升，由于巖石溫度尚未退卻，導致吸入水分溫度升高，巖石表面的化學反應充分。由于溫度較高，巖石表面與水接觸后，再次經(jīng)歷的蒸騰作用，導致化學反應溶解出的離子較多，巖石質(zhì)量下降快。

巖石質(zhì)量劣化速率的波動性，說明巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變是在利于儲水和不利于儲水2種狀態(tài)交替發(fā)生，進一步體現(xiàn)出了巖石內(nèi)部裂隙的動態(tài)發(fā)育。

通過擬合，可得到巖石質(zhì)量劣化百分比3個試件平均值DmN與循環(huán)次數(shù)i的關(guān)系為

(2)

3.2 巖石裂隙發(fā)育宏觀判斷

水分子進入巖石的孔隙、裂隙中，發(fā)生物理、化學反應。吸水過程，是水由巖石毛細管吸力作用吸入，進入巖石內(nèi)部，其吸水速率一定程度上反映了巖石孔隙和裂隙的發(fā)育情況。

由于本試驗方案中，以時間控制巖石的“烘干-吸水”循環(huán)作用，所以得出的吸水率并非巖石的總孔隙率或者有效孔隙率，根據(jù)規(guī)范GB/T23561.4—2009[19]中對煤或巖石總孔隙率計算方法的規(guī)定，本文以相對強制孔隙率來描述，其表達式為

(3)

吸水率百分比統(tǒng)計如圖4所示，吸水百分比隨循環(huán)次數(shù)的增量趨勢圖如圖5所示。

圖4 巖石吸水百分比隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.4 Variation of water adsorption rate alongwith the increase of cycle times

圖5 巖石吸水百分比增量隨循環(huán)次數(shù)變化的趨勢Fig.5 Trend of the increment of water adsorption ratealong with the increase of cycle times

從圖5可以看出：巖石1 h吸水率總體趨勢可分為2個階段：減速增長階段和穩(wěn)定增長階段。對比圖3和圖5可知，巖石在1 h內(nèi)的吸水率變化規(guī)律與質(zhì)量劣化規(guī)律具有一定的相似性。當吸水率大時，烘烤4 h后，質(zhì)量的劣化相對吸水率小時要小，這說明4 h的烘烤，巖石并非處于干燥狀態(tài)，孔隙和裂隙內(nèi)含有一定水分，這與夏季高溫季節(jié)下，巖石的實際賦存狀態(tài)是相似的。

通過數(shù)據(jù)擬合，可以得出1 h內(nèi)相對強制吸水率平均值DωN與循環(huán)作用次數(shù)N的函數(shù)關(guān)系，即

DωN=0.009 7lnN+0.329 9,R2=0.448 。

(4)

式(4)的擬合精度<0.5，說明每次循環(huán)對巖石吸水含量的影響變化大，進一步說明，在該模擬方案下，孔隙和裂隙發(fā)育情況發(fā)生顯著的調(diào)整。

3.3 抗剪強度參數(shù)劣化規(guī)律研究

黏聚力主要取決于顆粒之間的膠結(jié)強度，遇水作用后，膠結(jié)作用迅速減弱。內(nèi)摩擦角主要取決于顆粒排列、大小等，在循環(huán)作用的過程中，礦物顆粒的收縮膨脹等均對顆粒之間的摩擦特性產(chǎn)生影響[20]。

采用YZW100型微機控制電動應力式直剪儀，對巖石進行直剪試驗，通過對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，根據(jù)上述分析結(jié)果統(tǒng)計出每期試樣的c,φ值，并對結(jié)果進行分析，分析結(jié)果如表1和表2所示。

表1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下黏聚力c的劣化分析結(jié)果

表2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下內(nèi)摩擦角φ的劣化分析結(jié)果

表1和表2中：期次為0即為空白試驗組；總劣化度QN=(c0-cN)/c0×100%；期次內(nèi)總劣化度ΔQN=QN-QN-1；期次內(nèi)單次劣化度qN=ΔQN/(Ni-Ni-1)；N為循環(huán)次數(shù);i為期數(shù)。

在循環(huán)作用前期，參數(shù)劣化受影響程度較顯著；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，參數(shù)劣化程度減小，參數(shù)降低趨于平緩。巖樣黏聚力在20次循環(huán)時的總劣化度為11.67%，占50次循環(huán)總劣化度的71.25%；內(nèi)摩擦角在20次循環(huán)時的總劣化度為7.15%，占50次循環(huán)總劣化度的80.16%。

循環(huán)作用對砂巖的抗剪強度參數(shù)有一定的劣化效應，但其劣化效應的大小是有區(qū)別的。對比表1和表2中黏聚力和內(nèi)摩擦角的期次內(nèi)單次劣化度，不難發(fā)現(xiàn)風化作用對砂巖黏聚力的劣化效應較內(nèi)摩擦角的大。

(5)

(6)

3.4 巖石直剪破壞模式研究

為了研究試樣在不同加載方式造成的巖石破壞模式，先設置不同的剪切縫寬度0，3，5mm，以法向力為20kN為例，試件在不同切向力下，其破壞模式如圖6所示。

圖6 圓柱體試件不同剪切預留縫下的直剪破壞裂紋展開圖Fig.6 Direct shear cracks in the presence ofdifferent reserved cut slits

圖7 圓柱體試件不同法向力下巖樣破壞裂紋展開圖Fig.7 Damage cracks of specimens underdifferent normal forces

預留剪切縫越大，在直剪過程中，產(chǎn)生的彎矩越大，故在剪切過程中，剪切面會呈現(xiàn)斜坎，并伴隨著一些因應力集中造成的彎曲破壞縫，如圖6中剪切縫下方的衍生縫。當剪切縫較小時，由于剪切面不是絕對平的，在中間凹凸不平的地方剪切錯動的過程中，會產(chǎn)生一些斜向的剪切甚至張拉的裂縫形成，如圖6(a)中剪切縫上方的衍生縫。

由上述分析可知：剪切縫設置的偏大或者偏小都會影響對巖石直剪破壞模式的分析，因此取剪切縫為3mm時巖石在不同法向力作用下的直剪破壞裂紋圖進行分析，如圖7所示。

從圖7中可以看出：法向力越大時，剪切縫下方的彎曲破壞縫和剪切縫上方的拉剪破壞縫的角度就越大，這主要是方向力的增大致使巖樣破壞的切向力增大。

從摩爾-庫倫屈服準則的計算公式τ=σtanφ+c可知：

當tanφ>1時，σ的增大速度小于τ的增大速度；

當tanφ=1時，兩者增長速度一致；

當tanφ<1時，σ的增大速度大于τ的增大速度。

故當破壞縫角度越大，說明兩者的合力方向偏向法向方向發(fā)展，因此可判斷tanφ<1。該理論判斷與結(jié)果與試驗結(jié)果一致，說明破壞模式亦能作為巖石強度的判斷標準。

4 結(jié) 論

(1) 在“烘干-吸水”循環(huán)作用下，巖石質(zhì)量劣化呈非線性，循環(huán)初期的劣化速率較快，后期的劣化速率逐漸變緩并轉(zhuǎn)化成近似的線性變化，巖石質(zhì)量劣化百分比增量是隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸遞減的；巖石質(zhì)量劣化速率的波動表明巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變勢必是利于儲水和不利于儲水交替發(fā)生，進一步體現(xiàn)出了巖石內(nèi)部裂隙的動態(tài)發(fā)育。

(2) 在“烘干-吸水”循環(huán)作用過程中，巖石內(nèi)部的孔隙和裂隙發(fā)育情況發(fā)生顯著的調(diào)整，烘干的巖石在1h內(nèi)的吸水率變化印證了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，且吸水率變化規(guī)律與質(zhì)量劣化規(guī)律具有一定的相似性。

(3) 砂巖的抗剪強度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著“烘干-吸水”循環(huán)次數(shù)的增加而不斷降低，在循環(huán)初期參數(shù)折減幅度較大，后期變緩并逐漸趨于穩(wěn)定，這與巖石質(zhì)量劣化規(guī)律均有相似性，但巖石強度劣化不如質(zhì)量劣化明顯；循環(huán)作用對砂巖的抗剪強度參數(shù)黏聚力的劣化效應較內(nèi)摩擦角強烈。

(4) 通過理論結(jié)果與試驗結(jié)果的分析，由提出了巖石直剪破壞延伸角定性判斷巖石強度的方法。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

DegradationofTypicalSandstonefromtheThreeGorgesReservoirundertheActionofAlternateDryingandWettingCycles

WANG Le-hua1,2, JIN Jing1, ZHAO Er-ping1,2, WAN Liang-peng3, DENG Hua-feng1,2

(1.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.School of Water Resource and Hydropower, Wuhan University, Wuhan 430072, China；3.Wudongde Engineering Construction Department, China Three Gorges Construction Management Co., Ltd., Kunming 651500, China)

The degradation of sandstone, including mass degradation and variation of shear strength parameters, under the action of cyclic drying and water adsorption in high temperature season was simulated in laboratory. Sandstone samples were taken from Fanjiaping landslide in the Three Gorges Reservoir. Results indicate that 1) mass degradation rate and water adsorption rate fluctuated non-linearly under drying and wetting cycles, reflecting the dynamic development of fractures in the sandstone; 2) cohesioncand internal friction angleφof sandstone reduced by a large margin in the initial stage of drying-wetting cycles, and then reduced steadily in the later stage, which is similar with the mass degradation law; 3) a method of determining the strength of sandstone in quantitative sense according to the extension angle of direct shear failure cracks was proposed. The research results are of practical significance to predicting rock deterioration in central China with humid climate and large temperature difference between day and night.

sandstone; heating and water absorption; direct shear test; fracture development; direct shear failure mode; drying-wetting cycle; degradation of rock quality

2016-03-18；

2016-04-13

國家自然科學基金項目(51309141)；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0402003)；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201401029)；三峽大學土木與建筑學院2015年碩士創(chuàng)新基金資助項目(2015CX031)

王樂華(1977-)，男，安徽懷寧人，教授，博士，主要從事巖土工程方面的教學與研究工作，(電話)13986811749(電子信箱)lehuatg@126.com。

鄧華鋒(1979-),男，湖北宜昌人，副教授,博士，主要從事巖土工程和水工結(jié)構(gòu)方面的研究工作，(電話)13872585190(電子信箱)dhf8010@ctgu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160251

2017,34(6):76-80

TU45

A

1001-5485(2017)06-0076-05