賀蘭山巖畫區(qū)巖石吸水特性試驗(yàn)研究

楊有貞, 金夢(mèng)華, 強(qiáng)文華, 郭 家, 馬文國

(寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院 固體力學(xué)研究所,寧夏 銀川 750021)

賀蘭口巖畫區(qū)屬于干旱大陸季風(fēng)氣候[1],降水量小,但該地區(qū)屬于沖溝,為地表明流,巖石裂隙可填充水,水-巖相互作用不可忽視.暴露在自然環(huán)境下的巖石,會(huì)受到降水、地表流水或地下水的影響,巖石浸水后巖石裂隙吸水會(huì)改變內(nèi)部的一些物理、力學(xué)性質(zhì)[2].例如水分子進(jìn)入巖石裂隙或者孔隙時(shí),其中的鹽分可能會(huì)發(fā)生結(jié)晶而撐裂孔隙[3],或水分子在溫度較低情況結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹使得裂隙或孔隙被撐大.此外，巖石中的水分子在進(jìn)行無休止的無規(guī)則運(yùn)動(dòng),可能會(huì)使巖石結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成發(fā)生變化,使巖石分解.

巖石的超聲波波速對(duì)巖石內(nèi)部的物理、力學(xué)性質(zhì)有較好的相關(guān)性.巖石的吸水特性表明,吸水后巖石物理力學(xué)性質(zhì)的變化,可通過探究飽水度對(duì)縱波波速的影響來進(jìn)行分析.朱合華等[4]分別對(duì)飽和狀態(tài)下的砂巖、大理巖、花崗片麻巖、黑云母麻巖在干燥和浸水飽和狀態(tài)下的波速研究發(fā)現(xiàn),飽和后的縱波波速均有不同程度的增加.周治國等[5]在飽水度對(duì)砂巖縱波波速及強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)研究中對(duì)巖石進(jìn)行飽水和風(fēng)干實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,巖石的縱波波速與飽水度并無線性關(guān)系,亦非單調(diào)的,在飽水度不同的變化過程中,飽水度與縱波波速的關(guān)系亦不相同.劉新榮等[6]在巖石尺度效應(yīng)對(duì)吸水率影響的研究中發(fā)現(xiàn)砂巖的吸水效果與樣品的縱波波速的平方和CT數(shù)值反比例相關(guān).鄧濤等[7]研究發(fā)現(xiàn),浸水飽和后的巖樣縱波波速明顯不同于干燥狀態(tài)下的縱波波速并表現(xiàn)出分散性,巖石的各向異性被弱化.

對(duì)于賀蘭山地區(qū)巖畫載體巖石的吸水特性,馮曉芳[8]建立了砂巖在時(shí)間序列上的吸水特征.然而,考慮到賀蘭口巖石經(jīng)常處于含水環(huán)境中,測試巖石波速必須考慮巖石吸水率這一參數(shù).為此,本文以賀蘭山口巖石材料為研究對(duì)象,探究巖石吸水特性的時(shí)間變化規(guī)律及巖樣縱波波速隨吸水率的變化情況.

1 實(shí)驗(yàn)方案

賀蘭山在我國的400 mm年等降水量線上,降雨集中在7,8,9月份,暴雨較多,存在局部洪災(zāi)[9].賀蘭山較為特殊的地勢(shì)地貌,使得山體中含有大量的巖隙水,這些巖隙水便是浸入到巖石里的地下水.巖石由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化等應(yīng)力作用的影響,會(huì)產(chǎn)生斷層或者裂隙并且不斷發(fā)育擴(kuò)大,從而為溝內(nèi)裂隙水提供了條件[10];同時(shí),賀蘭山地區(qū)的豐沛雨水為溝內(nèi)裂隙水提供了水源.由于山體的地表受到外力作用產(chǎn)生地形切割,地下水又以泉水的形式露出地表形成溪流,富集在山溝內(nèi)并沿著谷溝低洼處流出,在山前荒漠平原形成洪積扇.

本文試驗(yàn)所選巖樣為采集于賀蘭口巖畫載體砂巖.為降低巖樣個(gè)體性差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,采樣過程中主要考慮巖石顏色、節(jié)理、均勻性等因素,選用較為新鮮的整體巖塊,無明顯節(jié)理及裂隙.按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11],在磨平機(jī)上磨平巖樣,以便控制巖樣的加工精度,在允許的誤差范圍內(nèi)(相鄰面互相垂直,偏差不超過0.25°;相對(duì)面平行,不平行度不大于0.05 mm).如圖1所示,選取直徑均為5 cm,高度分別為10 cm,5 cm的柱狀巖石樣品各5個(gè),分別標(biāo)號(hào)為1a，2a,…，5a,1b，2b,…，5b,其中1a～3a與1b～3b為自然吸水率實(shí)驗(yàn),4a～5a與4b～5b為飽和吸水率實(shí)驗(yàn).

圖1 實(shí)驗(yàn)巖樣圖

在吸水率實(shí)驗(yàn)中,從5 cm和10 cm的試樣中分別選擇3個(gè)巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn).首先,將巖樣放置于真空干燥箱中干燥后,取出冷卻至室溫進(jìn)行稱重,稱重精確至0.01 g.然后,將巖樣完全浸入水中,分別在浸水后1 h,3 h,5 h,7 h,10 h,14 h,24 h和48 h進(jìn)行稱重.最后,由下式計(jì)算出不同時(shí)刻巖樣的自然吸水率和飽和吸水率,即

(1)

式中:wa為巖樣自然吸水率;ms為烘干后巖樣的質(zhì)量;m0為巖樣自然浸水后的質(zhì)量.

巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,屬于非均勻材料,內(nèi)部裂隙隱蔽性強(qiáng),而聲波與巖石的強(qiáng)度以及破壞形式有密切的關(guān)系.通過聲波變化,可以分析巖石內(nèi)部在水的作用下發(fā)生的變化.本次試驗(yàn)使用圖2的瑞士Proceq材料超聲波測試儀,測試方法為圖3所示的直接發(fā)射法.其原理為,發(fā)射探頭發(fā)出的信號(hào)被接收探頭接受,利用超聲波在有限長度的巖樣中傳播的時(shí)間差以及巖樣高度,由(2)式計(jì)算得出波速結(jié)果,即

圖2 Proceq材料超聲波測試儀

圖3 直接發(fā)射法示意圖

V=L/t，

(2)

式中:V為待計(jì)算的波速;L為巖樣的高度;t為超聲波傳播的時(shí)間差.

分別計(jì)算自然吸水率實(shí)驗(yàn)和自由飽和吸水率實(shí)驗(yàn)7個(gè)不同時(shí)刻(干燥到飽和)試樣的飽水度并測量對(duì)應(yīng)的縱波波速.對(duì)比不同吸水率實(shí)驗(yàn)中縱波波速的變化趨勢(shì),并比較同一吸水環(huán)境下不同高度巖樣的縱波波速變化.其飽水度計(jì)算為

(3)

式中:wb為飽水度;mt為某一時(shí)刻巖樣的質(zhì)量;m0為初始質(zhì)量;ms為飽和質(zhì)量.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1中給出了樣品1a～3a吸水過程中的質(zhì)量變化情況.樣品初始質(zhì)量分別為535.6,527.2,531.2 g,在0～5 h過程中樣品質(zhì)量分別快速增大至536.4,527.8,523.3 g,在5～10 h過程中分別緩慢增加至536.6,528.4,532.7 g,10 h后質(zhì)量趨于穩(wěn)定.可以看出,飽和后樣品質(zhì)量的增量分別為1.3,1.4,1.9 g,即飽和后樣品3a吸水的質(zhì)量最大,樣品2a次之,樣品1a吸水質(zhì)量最小.巖樣1b～3b初始干燥質(zhì)量分別為262.4,268.1,270.5 g,飽和后質(zhì)量分別為263.1,268.8,271.5 g.5～10 h時(shí)質(zhì)量緩慢增長至262.9 g,268.8 g,271.1 g,隨后趨于穩(wěn)定.

圖4為吸水率隨時(shí)間變化的擬合曲線.由圖4可知,巖樣吸水率隨浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)型分布,即在浸水初期,巖石吸水速度較快,吸水率增長較快,隨后吸水率的增長變緩,直至穩(wěn)定.圖4中,各曲線代表不同的擬合曲線,擬合公式為

圖4 巖樣吸水率特性曲線

wa=alnt+wa0,

(4)

式中:a,wa0為擬合數(shù);t為吸水時(shí)間;wa為自然吸水率.

表1 樣品吸水過程中質(zhì)量變化情況表 g

由于不同的巖石樣品具有差異性,具有不同的吸水特性,即使高徑比相同,不同樣品的吸水率隨時(shí)間變化的擬合系數(shù)也不盡相同,其中系數(shù)a的數(shù)值越大,表示巖樣吸水率的變化越快.在樣品1a～3a中,樣品3a的系數(shù)a最大,表明樣品3a的吸水率變化快,樣品的孔隙體積較大,孔隙的數(shù)量較多.樣品1b～3b中，樣品3b的系數(shù)a最大,表明樣品3b的吸水率變化較快,樣品的孔隙較大,孔隙數(shù)量較多.

表2為吸水過程中不同時(shí)刻下樣品1a～3a,1b～3b的縱波波速,表3為相應(yīng)時(shí)刻的飽水度.

表2 自然吸水過程的縱波波速 m/s

表3 自然吸水過程不同時(shí)刻的飽水度 %

測試結(jié)果表明,當(dāng)巖樣完全飽和時(shí),對(duì)應(yīng)的縱波波速最快,以此為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)自然吸水過程中的波速進(jìn)行歸一化處理,得到巖樣縱波波速和飽水度變化關(guān)系曲線見圖5.由圖5可知,當(dāng)飽水度小于40%時(shí),巖樣波速隨著飽水度的增加變化緩慢;當(dāng)飽水度為40%～75%時(shí),巖樣波速變化明顯,隨著飽水度的增加,巖樣的縱波波速呈現(xiàn)非線性的增長趨勢(shì);當(dāng)飽水度為75%～90%(自由飽和狀態(tài))時(shí),波速出現(xiàn)了明顯下降趨勢(shì);飽和度為90%～100%時(shí),歸一化波速迅速增加到1.結(jié)合表4,得到賀蘭山砂巖飽水過程中縱波波速增量與吸水率之間近似呈二次函數(shù)關(guān)系.這主要是因?yàn)樗M(jìn)入巖石孔隙,對(duì)巖石具有軟化作用,礦物質(zhì)之間的連接降低,使波速降低;隨著飽水度的增加,水在巖石孔隙中自由存在,導(dǎo)致縱波在傳播過程中傳播路徑增大,從而使得波速持續(xù)降低;當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),水充滿孔隙,將巖石中的空氣逼出,縱波在水和巖樣的耦合體中傳播,傳播路徑減小,波速增大.

表4 巖樣的縱波波速與飽和吸水率

圖5 縱波波速和飽水度變化關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文通過對(duì)兩種巖樣進(jìn)行吸水試驗(yàn),分析了巖樣的吸水率隨浸水時(shí)間的變化,得出以下結(jié)論:

1)巖樣吸水率和浸水時(shí)間滿足對(duì)數(shù)型函數(shù)關(guān)系,即浸水時(shí)間越長,巖樣吸水率的增長逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定.

2) 吸水過程對(duì)縱波波速影響很大,與浸水之前干燥狀態(tài)下的縱波波速相比,浸水飽和后的巖樣縱波波速明顯增大.