凍融循環(huán)影響下水利工程壩基巖體力學性質(zhì)研究

樊 強

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 831100)

水利工程建設(shè)中常以砂巖作為壩基，其長期穩(wěn)定性較可靠[1- 3]。然而，在我國西北寒區(qū)冬季氣候嚴寒，為水利工程壩基的長期穩(wěn)定性帶來一定的威脅[4- 7]。因此，研究凍融循環(huán)條件下水利工程壩基巖體的蠕變力學行為具有重要意義。

部分學者針對巖石的蠕變力學行為及蠕變本構(gòu)模型展開了研究。劉洪磊、邵珠山[8- 9]基于室內(nèi)實驗，深入研究了不同含水條件下砂巖的長期蠕變力學性質(zhì)，并指出砂巖的長期強度隨含水率的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢。

綜上所述，現(xiàn)有研究較少涉及到凍融循環(huán)對水利工程壩基巖體力學性質(zhì)的影響。本文對水利工程壩基巖體展開了凍融循環(huán)蠕變力學蠕變行為研究，研究成果為我國西北寒區(qū)水利工程壩基基礎(chǔ)設(shè)計提供了一定的借鑒作用。

1 試樣制備與試驗設(shè)計

1.1 試樣制備

本次試驗研究所用試樣均取自我國新疆某地區(qū)小型水利工程壩基，取樣深度為20m。根據(jù)《工程巖體制備標準》等相關(guān)標準規(guī)范要求，將取回實驗室的巖芯加工為H×φ=100mm×50mm的標準試樣，最終所得砂巖試樣如圖1所示。

圖1 砂巖試樣

在取得標準砂巖試樣后，對式樣開展凍融循環(huán)試驗。為研究凍融循環(huán)影響下水利工程壩基砂巖的長期力學行為，室內(nèi)設(shè)計了4種不同循環(huán)次數(shù)下的砂巖單軸蠕變試驗(n=0、20、40和60次)。凍融循環(huán)處理的具體操作如下：飽和試樣→將試樣放入TDS- 300型巖石凍融試驗機并進行不同循環(huán)次數(shù)的凍融循環(huán)處理→取出試樣，室溫條件下靜置24h。最終，得到凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、20、40和60次砂巖試樣。

1.2 試驗方案

為研究凍融循環(huán)影響下下水利工程壩基巖體長期力學性質(zhì)，室內(nèi)利用YAW- 2000型萬能試驗機，對4種不同循環(huán)次數(shù)處理后的水利工程壩基砂巖開展了單軸蠕變試驗(n=0、20、40和60次)。YAW- 2000型萬能試驗機的最大軸壓為1000kN，可通過機器數(shù)字位移監(jiān)測系統(tǒng)對巖石在蠕變過程中的軸向位移進行精準檢測、記錄。采用分級加載蠕變試驗法開展巖石的單軸蠕變試驗，軸向加載分為5級進行加載，每級荷載分別為20MPa、40MPa、60MPa、80MPa和100MPa，每級荷載持續(xù)18h。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 蠕變曲線分析

4個不同凍融循環(huán)次數(shù)(n=0、20、40和60次)條件下水利工程壩基砂巖的蠕變曲線如圖2所示。由圖2可知，在低應力作用下，4個砂巖試樣均有典型的蠕變曲線特征，即，蠕變曲線表現(xiàn)出了明顯的減速蠕變特征和穩(wěn)態(tài)蠕變特征。在減速蠕變階段，砂巖試樣的蠕變應變持續(xù)增大，但其蠕變速率一直在減慢；在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，試樣的蠕變應變持續(xù)增大，但其蠕變速率基本不變，且蠕變速率遠小于減速蠕變初始階段。進一步對比不同凍融循環(huán)下砂巖的蠕變曲線，可以觀察到：①凍融循環(huán)對砂巖的蠕變變形性質(zhì)有著明顯的影響。在相同應力下，隨著軸向蠕變荷載的逐漸增大，砂巖試樣的蠕變變形量業(yè)逐漸增大。以軸向荷載為20MPa為例，當完成第1階段加載及蠕變試驗后，砂巖試樣的軸向蠕變應變分別達到0.01%、0.03%、0.06%和0.08%。②凍融循環(huán)次數(shù)對砂巖的蠕變壽命也有著很大的影響。當凍融循環(huán)次數(shù)達到80次時，砂巖試樣在第4級荷載加載階段即進入加速蠕變階段并迅速破壞。而對于其他砂巖試樣，其均在第5級荷載加載階段才發(fā)生破壞。因此可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水利工程壩基巖體的蠕變壽命縮短。

圖2 不同砂巖試樣蠕變曲線

2.2 蠕變變形量分析

基于不同砂巖試樣的蠕變曲線(如圖2所示)，進一步分析凍融循環(huán)和蠕變變形量之間的關(guān)系，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同軸向荷載條件下砂巖瞬態(tài)蠕變變化關(guān)系，如圖3所示。由圖3可知，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)條件下，隨著軸向荷載的增大，砂巖的瞬態(tài)應變逐漸增大。同理，在相同的軸向荷載條件下，砂巖的瞬態(tài)應變也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而逐漸增大。這表明，凍融循環(huán)次數(shù)越多，砂巖的蠕變變形越大，壩基巖體的長期穩(wěn)定性也就越差，凍融循環(huán)對砂巖的力學性質(zhì)有著明顯的劣化作用。分析認為，這是由于在凍融循環(huán)作用下，砂巖試樣內(nèi)部的水分子會經(jīng)歷凍結(jié)-膨脹-融化的過程，在此過程中，水分子的膨脹會導致巖體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻變形，進而破壞了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；而結(jié)晶水的融化與流動會導致巖體內(nèi)的細小顆粒被帶走，巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量孔隙。因此，凍融循環(huán)對砂巖的力學性質(zhì)有著明顯的劣化作用。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖瞬態(tài)蠕變變形量

2.3 蠕變速率分析

不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同軸向荷載下砂巖試樣在穩(wěn)定蠕變階段的蠕變速率見表1，由表1可知，砂巖試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著軸向荷載和凍融循環(huán)次數(shù)的增大而逐漸增大。在凍融循環(huán)次數(shù)為0次條件下，當軸向荷載為20MPa時，砂巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為0.63×10-8/h；當軸向荷載為80MPa時，砂巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1.02×10-8/h，較第1級荷載增長61.90%。在軸向荷載40MPa條件下，當凍融循環(huán)次數(shù)為0時，砂巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為0.72×10-8/h；當凍融循環(huán)次數(shù)為60時，砂巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為3.05×10-8/h，是未經(jīng)歷凍融循環(huán)砂巖試樣的4.27倍。

表1 不同試樣穩(wěn)定蠕變速率(×10-8/h)

3 結(jié)論

(1)水利工程壩基砂巖的蠕變應變、穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著軸向荷載的增大而逐漸增大，荷載越大，砂巖的蠕變變形越明顯。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，砂巖的力學參數(shù)逐漸劣化，其蠕變變形效應變得明顯，且蠕變速率越來越快。在軸向荷載40MPa條件下，當凍融循環(huán)次數(shù)為0時，砂巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為0.72×10-8/h；當凍融循環(huán)次數(shù)為60時，砂巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為3.05×10-8/h，是未經(jīng)歷凍融循環(huán)砂巖試樣的4.27倍。

(3)本次研究僅從宏觀力學角度分析了凍融循環(huán)對砂巖長期力學行為的影響，缺乏微觀機理解釋，下一步可考慮開展微觀電鏡掃描試驗。