三軸壓縮與干濕循環(huán)作用下灰?guī)r的力學(xué)試驗(yàn)研究

樊德東 ,仇意 ,常樂(lè)

(1.中交一公局第三工程有限公司,北京,101102;2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭,411201)

巖石是一種非均質(zhì)且不完全連續(xù)的材料,因外在因素影響,其結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化,引起損傷甚至失穩(wěn)破壞,其中最關(guān)鍵因素之一便是水[1-2]。從地球表層到深部,水對(duì)巖石的作用無(wú)處不在,特別是干濕循環(huán)作用,它對(duì)巖體產(chǎn)生的損傷劣化較為明顯[3-5]。而實(shí)際上,隨著雨季與旱季交替等地質(zhì)原因,巖石經(jīng)常是經(jīng)歷多次干濕循環(huán),這使得其損傷劣化程度不斷加大直至發(fā)生破壞;這對(duì)公路、鐵路等地下工程的安全穩(wěn)定性影響重大。由此,開(kāi)展干濕循環(huán)作用下巖石力學(xué)試驗(yàn)研究具有十分重要的工程意義。

宋朝陽(yáng)等[6]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)和AE 監(jiān)測(cè)技術(shù),分析了不同干濕循環(huán)作用次數(shù)后的巖樣的變形和聲發(fā)射特征。韓鐵林等[7]研究了裂隙巖體在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)共同作用后的力學(xué)特性和破壞特征。通過(guò)巖石劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和剪切強(qiáng)度試驗(yàn),曾勝等[8]探討了干濕循環(huán)下紅砂巖強(qiáng)度衰減規(guī)律。張鵬等[9]分析了干濕循環(huán)作用對(duì)砂巖的變形破壞和力學(xué)性能的影響規(guī)律。杜彬等[10]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)巖石的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能的影響?；趩屋S壓縮試驗(yàn),李克鋼等[11]研究了干濕循環(huán)作用下砂巖力學(xué)特性及其本構(gòu)模型;宋勇軍等[12]揭示了砂巖在干濕循環(huán)作用下的損傷演化規(guī)律。劉新榮等[13]和王子娟等[14]對(duì)酸性環(huán)境干濕循環(huán)下的巖石進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)的劣化研究。在蠕變力學(xué)試驗(yàn)方面,馬芹永等[15]研究了干濕循環(huán)下粉砂巖的蠕變特性,包括軸向蠕應(yīng)變、穩(wěn)態(tài)蠕變率和蠕變破壞特征。

目前看來(lái),上述研究主要針對(duì)砂巖試樣,對(duì)其他巖性巖石的干濕循環(huán)條件作用下的力學(xué)研究較少,基于此,劉鵬程等[16]、朱自強(qiáng)等[17]、談云志等[18]和李亞等[19]分別對(duì)泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)板巖、泥巖和石膏巖在干濕循環(huán)作用下進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)研究,探索了巖石的強(qiáng)度、變形等力學(xué)特性。然而,在硬巖的干濕循環(huán)作用下的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[20-23]。

南京地鐵6 號(hào)線萬(wàn)壽村站至燕堯路站區(qū)間深部主要為灰?guī)r,盾構(gòu)隧洞貫通后,深部巖體對(duì)隧洞維護(hù)起至關(guān)重要的作用,據(jù)此,本文通過(guò)該地鐵深部灰?guī)r在干濕循環(huán)后的常規(guī)三軸試驗(yàn),研究了灰?guī)r在不同干濕循環(huán)次數(shù)與不同圍壓條件下的強(qiáng)度與變形特征,為該地鐵深部穩(wěn)定性提供理論指導(dǎo)。

1 干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣準(zhǔn)備

本文所用灰?guī)r巖樣取自南京地鐵6 號(hào)線萬(wàn)壽村站至燕堯路站區(qū)間深部,主要成分為方解石和石英,灰黑色,平均縱波波速為6.21 km/s,平均干密度為2.74 g/cm3。取樣后到加工廠進(jìn)行加工制作,根據(jù)規(guī)范[24],試驗(yàn)所用試件為直徑×高度=50 mm×100 mm的圓柱形試件,保證端面平整與光滑,減小試驗(yàn)誤差與端部效應(yīng)。本文所用試件共計(jì)12 個(gè),分為4 組,對(duì)應(yīng)于4 種干濕循環(huán)次數(shù);每組3 個(gè)試件,對(duì)應(yīng)于3 種不同圍壓水平。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備使用的是由美國(guó)MTS 公司生產(chǎn)的三軸伺服剛性試驗(yàn)機(jī)MTS815,專門適用于巖石和混凝土,它具有3 套獨(dú)立的閉環(huán)伺服控制功能,分別是軸壓、圍壓和孔隙水壓?？砷_(kāi)展單軸與三軸壓縮試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)、流—固耦合試驗(yàn)等,能實(shí)現(xiàn)最大軸向壓力(拉力)4 600 kN(2 300 kN),最大動(dòng)態(tài)圍壓140 MPa和最大孔隙水壓140 MPa。

1.3 干濕循環(huán)三軸壓縮試驗(yàn)方案

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[25],本文試件干濕循環(huán)方法為:(1) 將標(biāo)準(zhǔn)巖樣放入105 ℃烘箱中干燥24 h,待其冷卻至室溫后取出;(2) 再放入容器中自由吸水24 h,水為純凈水,中性。上述兩步為1 次干濕循環(huán),本文設(shè)定干濕循環(huán)次數(shù)有0、1、5、10 次。

將巖樣干濕循環(huán)后,通過(guò)MTS815 試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。本文試件圍壓設(shè)計(jì)為0、2 和4 MPa,試驗(yàn)通過(guò)位移加載,加載速率為0.05 mm/min,收據(jù)采集為每0.2 s 采集一次。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同干濕循環(huán)次數(shù)不同圍壓下的強(qiáng)度與變形特征

2.1.1 軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖1 為相同干濕循環(huán)次數(shù)不同圍壓下試件軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。容易發(fā)現(xiàn),所有試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線與不進(jìn)行干濕循環(huán)的圍壓為0的試件較為一致,均經(jīng)歷了較為明顯的孔隙微裂隙壓密階段、較長(zhǎng)的線彈性階段、不太明顯的屈服階段和峰后階段共4 個(gè)階段,由于各個(gè)階段均比較常規(guī),在此不再詳述成因與常規(guī)特征。各個(gè)試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線走勢(shì)較為一致,說(shuō)明試件的均質(zhì)性較好。

圖1 相同干濕循環(huán)次數(shù)下試件軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

由圖1 可知,灰?guī)r試件在相同干濕循環(huán)次數(shù)、常規(guī)三軸壓縮下應(yīng)力—應(yīng)變曲線特點(diǎn)如下:(1) 灰?guī)r屬?gòu)?qiáng)度較高的脆性巖石,因而整個(gè)破壞過(guò)程的變形相對(duì)較小,不足1%;(2) 峰值前變形基本為的線彈性變形,且曲線斜率較大,即彈性模量較大;(3) 干濕循環(huán)次數(shù)相同,圍壓增加時(shí),試件最大軸向應(yīng)變逐漸增大,這表明巖樣在圍壓較低時(shí),試件內(nèi)部損傷較少;(4) 干濕循環(huán)次數(shù)相同,隨著圍壓的增加,試件的峰值強(qiáng)度逐漸上升,表明圍壓對(duì)干濕循環(huán)前后的試件峰值強(qiáng)度均有積極影響作用;(5) 試件沒(méi)有出現(xiàn)明顯的屈服階段和屈服點(diǎn),灰?guī)r試件在達(dá)到峰值強(qiáng)度后,應(yīng)力迅速下跌至一個(gè)極低的值,大多數(shù)難以測(cè)得其殘余強(qiáng)度,這說(shuō)明試驗(yàn)灰?guī)r脆性很強(qiáng)。

2.1.2 峰值強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,將所有試件基本力學(xué)參數(shù)列于表1。

為了更加直觀的比較相同干濕循環(huán)次數(shù)試件峰值強(qiáng)度σc與圍壓的關(guān)系,繪制圖2。

由圖2 可知,相同干濕循環(huán)次數(shù)后的巖石試件,隨著圍壓的增大,試件的峰值強(qiáng)度逐漸增大。干濕循環(huán)為0 次試件在圍壓為0時(shí)的峰值強(qiáng)度為166.67 MPa,圍壓為2 和4 MPa試件的峰值強(qiáng)度分別提升了6.21%和9.29%。干濕循環(huán)為1次試件在圍壓為0 時(shí)的峰值強(qiáng)度為147.79 MPa,圍壓為2和4 MPa 試件的峰值強(qiáng)度分別提升了12.52%和18.12%。干濕循環(huán)為5 次試件在圍壓為0 時(shí)的峰值強(qiáng)度為140.43 MPa,圍壓為2 和4 MPa 試件的峰值強(qiáng)度分別提升了11.94%和20.36%。干濕循環(huán)為10次試件在圍壓為0 時(shí)的峰值強(qiáng)度為134.57 MPa,圍壓為2 和4 MPa 試件的峰值強(qiáng)度分別提升了10.94%和24.12%。

圖2 相同干濕循環(huán)次數(shù)試件峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系

對(duì)于彈性模量,干濕循環(huán)為0次試件在圍壓為0 時(shí)的彈性模量為23.07 GPa,圍壓為2 和4 MPa 試件的峰值強(qiáng)度分別為23.19 和23.23 GPa,分別提升了0.52%和0.69%,提升較小。圍壓的增大會(huì)使灰?guī)r的彈性模量增大,其他試件的提升情況類似,在此不再贅述。

2.1.3 破裂模式

為了探討相同干濕循環(huán)次數(shù)試件在不同圍壓下的破裂模式,繪制了表2。

表2 相同干濕循環(huán)次數(shù)試件破壞圖表

結(jié)合表1、2 和試驗(yàn)后的仔細(xì)觀察,以1 次干濕循環(huán)為例,可以發(fā)現(xiàn),相同干濕循環(huán)次數(shù)下在圍壓為0的時(shí)候,試件的破裂模式為拉伸破壞所產(chǎn)生的裂紋數(shù)量遍布整個(gè)試件,但只出現(xiàn)一個(gè)貫穿整個(gè)巖樣的縱向破壞面,這其中原因即是在試件周圍沒(méi)有一定的圍壓限制,導(dǎo)致其破裂主要為拉伸破壞,擴(kuò)容現(xiàn)象明顯。在圍壓為2和4 MPa 時(shí),試件主要體現(xiàn)為剪切破壞。不同的巖石狀態(tài),其破壞形式也不同,這是由巖石本身的性質(zhì),此處表現(xiàn)為不同的應(yīng)力條件引起了不同的破裂模式。圍壓為2 MPa的試件沿著縱軸也有許多裂隙產(chǎn)生,但破裂形式較為完整,破裂面呈傾斜波浪型,其破裂模式為剪切破壞。圍壓為4 MPa的試件破裂面也是縱向傾斜型,拉伸裂紋較少,說(shuō)明此灰?guī)r在低圍壓便呈剪切破壞。

表1 試件基本力學(xué)參數(shù)表

2.2 相同圍壓不同干濕循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度與變形特征

2.2.1 軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3 為相同圍壓下試件在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。

由圖3 可知,試件軸向應(yīng)力—應(yīng)變主要特點(diǎn)可歸納如下:(1) 圍壓為0時(shí),試件的孔隙和裂隙的壓密階段較短,且在曲線中的上凹型的凹度較小,這是因?yàn)閹r樣在圍壓較低時(shí),試件內(nèi)部損傷較少;(2) 隨著循環(huán)次數(shù)的增加,試件在同一圍壓水平時(shí),彈性模量有細(xì)微降幅,這是由于灰?guī)r屬于硬巖,同時(shí)較為致密,干濕循環(huán)的影響對(duì)其彈性模量影響不大;(3) 試件在圍壓為0 和2 MPa 時(shí),彈性模量幾乎一致,即隨著圍壓的增大,灰?guī)r的低次數(shù)(≤10 次)干濕循環(huán)在此方面的影響可基本不計(jì);(4) 干濕循環(huán)作用對(duì)灰?guī)r沒(méi)有造成明顯的屈服階段和屈服點(diǎn),這進(jìn)一步說(shuō)明試驗(yàn)灰?guī)r脆性很強(qiáng)。

圖3 相同圍壓下試件軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

2.2.2 峰值強(qiáng)度

根據(jù)表1,將相同圍壓試件峰值強(qiáng)度σc與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖4。

由圖4 可知,相同圍壓下的灰?guī)r試件,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試件的峰值強(qiáng)度逐漸減小。圍壓為0 試件在干濕循環(huán)次數(shù)為0 次時(shí)的峰值強(qiáng)度為166.67 MPa,干濕循環(huán)次數(shù)為1、5 和10 次的試件的峰值強(qiáng)度分別減小了11.33%、15.75%和19.26%。圍壓為2 MPa 試件在干濕循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)的峰值強(qiáng)度為177.03 MPa,干濕循環(huán)次數(shù)為1、5 和10次的試件的峰值強(qiáng)度分別減小了6.06%、11.20%和15.66%。圍壓為4 MPa 試件在干濕循環(huán)次數(shù)為0 次時(shí)的峰值強(qiáng)度為182.15 MPa,干濕循環(huán)次數(shù)為1、5 和10 次的試件的峰值強(qiáng)度分別減小了4.16%、7.20%和8.30%。

圖4 相同圍壓試件峰值強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),試件峰值強(qiáng)度在第1 次干濕循環(huán)后的劣化較第5 次和第10 次干濕循環(huán)后明顯,尤其是圍壓為0的試件,劣化程度達(dá)到了11.33%。本文設(shè)置最高的干濕循環(huán)次數(shù)為10 次,在10 次干濕循環(huán)后,試件的峰值強(qiáng)度的劣化最高達(dá)到19.26%,可謂劣化明顯?？梢?jiàn)在地下工程中,干濕循環(huán)作用對(duì)巖體的影響值得重視。

對(duì)于彈性模量,圍壓為0 試件在干濕循環(huán)次數(shù)為0 次時(shí)的彈性模量為23.07 GPa,干濕循環(huán)次數(shù)為1、5 和10 次的試件的分別減小了3.77%、6.33%和1.47%,減幅較小。干濕循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)使灰?guī)r的彈性模量減小,就本文來(lái)說(shuō)其他沒(méi)有明顯規(guī)律,對(duì)于其他圍壓情況與上文類似。

2.2.3 破裂模式

相同圍壓試件在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的破裂模式如表3 所示。

表3 試件破壞圖表

結(jié)合上述表格和試驗(yàn)觀察,以圍壓為2 MPa為例,相同圍壓下,無(wú)干濕循環(huán)的試件裂紋不太復(fù)雜,基本是剪切裂紋延伸成為破裂面,有少量巖屑剝落,基本沒(méi)有大量巖塊崩壞、脫落的情況,破裂模式屬于剪切型破壞;干濕循環(huán)次數(shù)為1 次時(shí),同樣是剪切裂紋貫穿成為整個(gè)試件的破裂面,沿著巖樣縱向同時(shí)有許多裂隙產(chǎn)生,其破裂模式仍屬于剪切型破壞;干濕循環(huán)次數(shù)為5 次時(shí),破裂模式不變,裂紋產(chǎn)生與前面幾乎保持一致,同樣有少量巖屑剝落,破裂面傾斜度不大;干濕循環(huán)次數(shù)為10 次時(shí),試樣在加載破壞過(guò)程中會(huì)沿著破壞面發(fā)生滑動(dòng),且有大塊巖屑脫落,剪切破裂面傾斜度較大。不難發(fā)現(xiàn),干濕循環(huán)作用會(huì)使試驗(yàn)的剪切破壞較為明顯,巖屑剝落較為嚴(yán)重。

3 結(jié)論

本文通過(guò)南京地鐵6 號(hào)線萬(wàn)壽村站至燕堯路站區(qū)間深部灰?guī)r在干濕循環(huán)后的常規(guī)三軸試驗(yàn),研究分析了灰?guī)r在不同干濕循環(huán)次數(shù)與不同圍壓條件下的強(qiáng)度與變形特征,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 受干濕循環(huán)作用前后的試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線較為一致,均經(jīng)歷了較為明顯的孔隙微裂隙壓密階段、較長(zhǎng)的線彈性階段、不太明顯的屈服階段和峰后階段共4 個(gè)階段。

(2) 相同干濕循環(huán)次數(shù)后的灰?guī)r試件,隨著圍壓的增大,試件的峰值強(qiáng)度和彈性模量逐漸增大,彈性模量增幅不明顯。試件峰值強(qiáng)度在第1 次干濕循環(huán)后的劣化較第5 和第10 次干濕循環(huán)后明顯,在10次干濕循環(huán)后,試件的峰值強(qiáng)度的劣化最高達(dá)19.26%。干濕循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)使灰?guī)r的彈性模量減小,在10 次干濕循環(huán)以內(nèi)減幅較小。

(3) 相同干濕循環(huán)次數(shù)下在圍壓為0 時(shí),試件的破裂模式為拉伸破壞,擴(kuò)容現(xiàn)象明顯。在圍壓為2和4 MPa 時(shí),試件主要體現(xiàn)為剪切破壞。相同圍壓下,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試件裂紋不太復(fù)雜,基本是剪切裂紋延伸成為破裂面,破裂模式屬于剪切型破壞,剪切破裂面傾斜度逐漸增大,剪切破壞逐漸明顯,巖屑剝落逐漸嚴(yán)重。