干濕循環(huán)作用下白鶴灘小壩組紅層砂巖強度特性與結構損傷研究

于 越，李長冬*，洪望兵，孟 杰，付國斌

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)湖北巴東地質災害國家野外科學觀測研究站，湖北 武漢 430074；3.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310014)

水-巖相互作用機制與工程巖土體穩(wěn)定性相關，是巖土工程領域的前沿問題[1]。大量研究表明，水-巖相互作用引起的巖石風化是物理、化學、生物等多種因素綜合作用的結果[2-8]。水-巖作用導致巖石風化的外在表現(xiàn)為巖石的結構松散和各項參數的劣化，在水-巖相互作用各種影響因素中物理因素的影響最為普遍、直觀。隨著我國水利水電建設的發(fā)展，庫岸邊坡穩(wěn)定性問題成為滑坡研究的重點問題[9]。干濕循環(huán)是影響水-巖相互作用的重要因素[10]，庫水位升降導致庫岸消落帶巖體處于天然干濕循環(huán)狀態(tài)，庫水位升降過程中消落帶巖體由于所處高程差異導致巖體浸水過程存在水壓差，從而導致不同的浸水效果。針對干濕循環(huán)導致巖石劣化，國內外眾多學者圍繞干濕循環(huán)過程中巖石物理力學性質、微觀結構、巖石損傷等進行了大量研究。如申培武等[11]對紅層泥巖進行了干濕循環(huán)崩解試驗，并引入分形理論對泥巖崩解過程中顆粒質量、粒徑、形態(tài)分布特征進行了描述；馬芹永等[12]對干濕循環(huán)下粉砂巖的蠕變特性進行了研究，指出隨干濕循環(huán)次數的增加，粉砂巖的破壞特征呈現(xiàn)出由張拉破壞向剪切破壞的轉化；傅晏等[13-14]開展了干濕循環(huán)條件下砂巖的室內力學試驗和CT掃描試驗，對干濕循環(huán)過程中砂巖力學參數的變化規(guī)律進行了函數擬合，并指出干濕循環(huán)過程中砂巖各力學參數的劣化程度存在差異性；Coombes等[15]采用掃描電子顯微鏡(SEM)對多種材料干濕循環(huán)作用下的風化機理進行了研究；Zhang等[16]采用三軸壓縮試驗、超聲波速度測試、孔隙度測量、SEM等方法對三峽庫區(qū)侏羅系紅層砂巖干濕循環(huán)過程中的強度和變形特性進行了研究，試驗結果表明第一次干濕循環(huán)對砂巖強度損傷最大，砂巖黏聚力和強度表現(xiàn)出了劣化的一致性，而砂巖內摩擦角與干濕循環(huán)次數無關；李明[17]、段天柱等[18]對煤系砂巖的強度損傷采用聲波法進行了表征，并提出了損傷變量表征公式，取得了一系列重要成果。

本課題研究區(qū)位于白鶴灘水電站庫區(qū)，白鶴灘水電站建成后將成為我國僅次于三峽水電站的第二大水電站，對我國水資源利用和能源安全具有重大的戰(zhàn)略意義。白鶴灘水電站庫區(qū)廣泛分布三疊系、白堊系紅層軟巖，水理性質較差，蓄水后易失穩(wěn)，對庫區(qū)安全構成威脅，迫切需要對庫區(qū)紅層軟巖進行力學及水理特性分析。為此，本文以白鶴灘水電站庫區(qū)白堊系下統(tǒng)小壩組(K1x)紅層砂巖為研究對象，設計了自然浸水、真空吸水兩組干濕循環(huán)試驗用來反映庫岸消落帶砂巖隨庫水位升降的不同浸水狀態(tài)，并采用吸水試驗研究了砂巖空隙的變化，采用波速法對巖石強度損傷進行表征，分析了干濕循環(huán)作用下白鶴灘水電站庫區(qū)小壩組紅層砂巖力學特性、空隙特性及損傷特性的變化規(guī)律。

1 試驗方案

1. 1 試驗材料與制備

試驗巖樣采用四川省寧南縣白鶴灘水電站庫區(qū)小壩組紫紅色砂巖，砂巖的天然密度為2.629 g/cm3，天然含水率為1.013%，干密度為2.603 g/cm3?，F(xiàn)場剝離風化層取新鮮巖石進行鉆孔取樣，將試樣制成Φ50 mm×100 mm的標準圓柱樣，對制好的巖樣進行聲波測速，篩除聲波差異較大的巖樣。

白鶴灘水電站建成后將成為我國第二大水電站，庫岸消落帶有幾十米。對于庫岸消落帶巖體，庫水位位于最高水位時，消落帶上部巖體與下部巖體浸水會受到不同的水壓，從而導致不同的浸水效果?！白匀唤焙汀罢婵瘴狈謩e是對庫岸消落帶上部巖體和下部巖體不同浸水狀況的放大。因此，在室內樣品處理過程中將圓柱樣分為自然浸水組和真空吸水組兩大組，每一大組又分為5小組，每小組3塊巖樣；另用3組，每組3塊巖樣做初始干樣、初始自然浸水樣、初始真空吸水樣單軸壓縮試驗，共計39個巖樣，如圖1所示。

圖1 白鶴灘水電站庫區(qū)小壩組紅層砂巖巖樣Fig.1 Red sandstone samples of Xiaoba formation in Baihetan hydropower station reservoir region

將獲取的巖樣進行X射線衍射(XRD)分析,得到研究區(qū)小壩組紅層砂巖的礦物含量,見圖2。

圖2 白鶴灘水電站庫區(qū)小壩組紅層砂巖的礦物含量Fig.2 Red sandstone mineral content of Xiaoba formation in Baihetan hydropower station reservoir region

由圖2可見，研究區(qū)小壩組砂巖中黏土礦物的含量較高，為36.6%，說明其易受水的作用影響發(fā)生強度劣化。

1. 2 試驗儀器與試驗方案

研究區(qū)小壩組紅層砂巖巖樣的單軸壓縮試驗、CT掃描試驗、超聲波測速試驗分別采用中國地質大學(武漢)INSTRON-1346型電液伺服巖石實驗系統(tǒng)、通用電氣公司phoenix v|tome|x s工業(yè)CT和Sonic Viewer-SX波速儀。

首先,將小壩組砂巖巖樣分組、編號并測量尺寸；然后，參照國家標準《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)[19]，將巖樣放置于105℃烘箱中烘干24 h后取出放入干燥箱中冷卻后稱重(ms)，測定此時波速為初始波速，而后取初始干燥巖樣組做單軸壓縮試驗，得到初始干巖樣的應力-應變曲線和單軸抗壓強度。其中，自然浸水組及初始自然浸水組巖樣采用自然浸水飽和：將試樣放入水槽中，先注水至試樣高度1/4處，以后每隔2 h注水，使水量分別為浸至試樣高度的1/2、3/4處，6 h后試樣全部浸沒并使水面高出試樣1～2 cm，繼續(xù)浸泡48 h后取出試樣，取初始自然浸水組做單軸壓縮試驗，得到自然浸水狀態(tài)下巖樣的初始單軸抗壓強度；真空吸水組和初始真空吸水組巖樣采用抽真空法真空吸水飽和：將試樣先采用上述自然浸水法飽和后取出沾去表面水分并稱重(m1)，再將試樣放入抽真空容器中，并使水面高于試樣，密封真空容器并抽真空，使得真空壓力表讀數達到100 kPa，直至試樣不再冒出氣泡，持續(xù)抽真空4 h，再將抽真空后的試樣在原容器中標準大氣壓下靜置4 h，取出后沾去表面水分并稱重(m2)，隨后將初始真空吸水組巖樣取出做單軸壓縮試驗，得到真空吸水狀態(tài)下巖樣的初始單軸抗壓強度。完成上述步驟后將巖樣取出放入105℃烘箱烘干24 h后放入干燥箱中冷卻稱重(ms)并測其波速，而后兩大組巖樣分別按上述方法進行飽和并稱重，此為一次干濕循環(huán)。巖樣每次干濕循環(huán)后都測波速并稱重，第1次、3次、6次、10次、15次干濕循環(huán)后取飽和巖樣進行單軸壓縮試驗。對小壩組砂巖不同浸水條件、不同干濕循環(huán)次數的巖樣進行單軸壓縮試驗后再對巖樣進行CT掃描試驗，得到自然浸水和真空吸水兩種飽水條件下不同干濕循環(huán)次數的小壩組砂巖巖樣破裂面擴展的CT圖像。最后，將得到的CT圖像利用VGStudio MAX對砂巖破裂面擴展情況進行提取，再進一步計算砂巖破裂面的分形維數[20]。

2 干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖的力學與空隙特性

干濕循環(huán)伴隨著一系列微觀的物理化學作用，導致巖體的力學特性發(fā)生劣化，且隨著干濕循環(huán)次數的增加巖體的劣化損傷會發(fā)生累積。本文利用單軸壓縮試驗對小壩組紅層砂巖的單軸抗壓強度σ、彈性模量E、泊松比μ等進行研究，探究干濕循環(huán)作用對小壩組紅層砂巖力學特性變化規(guī)律的影響。

2. 1 不同干濕循環(huán)次數下砂巖的應力-應變曲線

兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數下小壩組紅層砂巖的應力-應變曲線，見圖3。

圖3 兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數下小壩組紅層 砂巖的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of red sandstone in Xiaoba formation under two saturation modes and different numbers of wetting-drying cycles

由圖3可知：干燥狀態(tài)下小壩組砂巖的應力-應變曲線類型近似為彈性型，飽和狀態(tài)下其應力-應變曲線類型為彈塑性型，近似無孔隙裂隙壓密階段，反映該巖石孔隙及微裂隙發(fā)育不顯著；小壩組砂巖巖樣飽和后單軸抗壓強度降幅較大，反映該巖石具有較強的軟化性；自然浸水巖樣的應力-應變曲線斜率(彈性模量)隨干濕循環(huán)次數的變化較真空吸水巖樣分布均勻，表明真空吸水方式能更快、更徹底地使巖樣達到飽和狀態(tài)；真空吸水巖樣第15次干濕循環(huán)的應力-應變曲線斜率降低較大，表明巖樣力學特性發(fā)生了顯著劣化。

2.2 砂巖力學特性隨干濕循環(huán)次數n的變化規(guī)律

采用自然浸水和真空吸水兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數下小壩組紅層砂巖巖樣的單軸壓縮試驗結果，見表1。其中，巖樣單軸抗壓強度σc取每小組3個巖樣單軸抗壓強度的平均值；巖樣彈性模量E和泊松比μ均為巖石伺服實驗系統(tǒng)自動計算得出。

表1 兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數下小壩組紅層砂巖的單軸壓縮試驗結果

兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖的力學參數(單軸抗壓強度σc、彈性模量E和泊松比μ)隨干濕循環(huán)次數n的變化曲線以及階段力學參數減小量變化圖，見圖4。

圖4 兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖力學參數隨 干濕循環(huán)次數n的變化圖Fig.4 Changes of mechanical parameters of Xiaoba formation red sandstone with numbers of wetting-drying cycles n under different saturation modes

由圖4可以看出：

(1) 兩種不同飽水方式下小壩組砂巖巖樣的單軸抗壓強度隨干濕循環(huán)次數n的變化規(guī)律表現(xiàn)出了一致性，大致可分為3個階段：在前10次干濕循環(huán)過程中只有第1次干濕循環(huán)巖樣的單軸抗壓強度降低幅度較大，為陡降階段；其后各次干濕循環(huán)巖樣的單軸抗壓強度降低幅度趨緩，為緩降階段(真空吸水方式導致巖樣的單軸抗壓強度的減小量更大，在第6次至第10次干濕循環(huán)之間，巖樣的單軸抗壓強度進入平穩(wěn)階段，基本保持在一定誤差范圍內浮動變化)；第15次干濕循環(huán)巖樣的單軸抗壓強度降低幅度較第10次干濕循環(huán)巖樣大，且真空吸水巖樣的單軸抗壓強度降幅大于自然浸水巖樣，表明在第10次至第15次干濕循環(huán)之間兩種不同浸水方式巖樣的單軸抗壓強度出現(xiàn)了拐點，為轉折階段。

(2) 兩種飽水方式下小壩組砂巖巖樣的彈性模量E隨干濕循環(huán)次數n的變化曲線與σc-n曲線表現(xiàn)出了規(guī)律上的一致性：兩種飽水方式下前10次干濕循環(huán)中第1次干濕循環(huán)使得巖樣的彈性模量E降低幅度較大，以后隨著干濕循環(huán)次數的增加巖樣的彈性模量趨于平穩(wěn)，第15次干濕循環(huán)巖樣的彈性模量出現(xiàn)較大幅度降低，同樣在第10次與第15次干濕循環(huán)之間巖樣的彈性模量E出現(xiàn)拐點。

(3) 小壩組砂巖巖樣的泊松比μ隨干濕循次數n的增加并未發(fā)生明顯改變，且兩種浸水方式下巖樣的泊松比并無明顯差異。

2.3 砂巖空隙特性隨干濕循環(huán)次數n的變化規(guī)律

巖石中存在大大小小的空隙，巖石的空隙可分為孔隙和裂隙；根據巖石空隙與外界的連通情況又可分為開空隙和閉空隙；巖石的開空隙根據開啟程度又分為大開空隙和小開空隙。巖石的開空隙主要通過巖石吸水試驗來測得，具體計算公式如下[21]：

(1)

(2)

(3)

(4)

na=n0-nb

(5)

式中：ωa為巖石的自然吸水率(%)；ωp為巖石的真空飽和吸水率(%)；n0為巖石的總開空隙率(%)；nb為巖石的大開空隙率(%)；na為巖石的小開空隙率(%)；ms為巖石的干質量(g)；m1為巖石浸水48 h后的質量(g)；m2為巖石抽真空飽和后的質量(g)；ρd為巖樣干密度(g/cm3)；ρω為水的密度，取1 g/cm3。

不同干濕循環(huán)次數下小壩組紅層砂巖空隙率的變化曲線，見圖5。

圖5 不同干濕循環(huán)次數下小壩組紅層砂巖空隙率的 變化曲線Fig.5 Xiaoba formation red sandstone void fraction change curves under different numbers of wetting-drying cycles

由圖5可以看出：小壩組砂巖的總開空隙率、大開空隙率、小開空隙率均與干濕循環(huán)次數n呈正相關關系，且其總開空隙率、大開空隙率與n可以較好地用線性函數進行擬合，但砂巖的小開空隙率與n的線性關系不明顯；小壩組砂巖大開空隙率的擬合線較小開空隙率的擬合線陡峭，表明隨干濕循環(huán)次數的增加砂巖大開空隙的增長更為迅速。

2. 4 砂巖空隙對其力學特性的影響

空隙的增加會使巖石結構變得松散，因而巖石的空隙發(fā)育會使巖石的力學特性發(fā)生劣化。由圖5可知，小壩組砂巖總開空隙率n0隨干濕循環(huán)次數n呈線性增加，砂巖大開空隙率nb擬合線的斜率為0.050 33，砂巖小開空隙率na擬合線的斜率為0.018 17，表明隨干濕循環(huán)次數的增加大開空隙對小壩組砂巖強度劣化的貢獻大于小開空隙。

3 干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖強度劣化及損傷特性

3.1 基于CT掃描的砂巖破裂面分形維數分析

針對干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖強度損傷特性進行了三維重建分析，其結果見圖6。

圖6 干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖破壞試樣原始 掃描縱斷面圖Fig.6 Original scan profile of the damaged specimen of Xiaoba formation red sandstone under wetting-drying cycles

由圖6可見：隨著干濕循環(huán)的進行，小壩組砂巖試樣在單軸壓縮下的破壞模式逐漸由局部破壞轉變?yōu)樨炌ㄆ茐?，最后發(fā)展成X型貫通破壞；當干濕循環(huán)次數增加，試樣經加載發(fā)生破壞后，縱斷面中識別出的裂隙數量顯著增加，且更加復雜；兩種不同飽水方式下的巖樣展現(xiàn)了相似的破壞特征，需進一步對其三維破裂面的分形維數進行分析。

干濕循環(huán)作用下小壩組砂巖單軸壓縮破裂面三維重構圖和兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數下小壩組紅層砂巖單軸壓縮破裂面的分形維數，見圖7和圖8。

圖7 干濕循環(huán)作用下小壩組紅層砂巖單軸壓縮破裂面 三維重構圖Fig.7 Three-dimensional reconstruction of the fracture surface of Xiaoba formation red sandstone under uniaxial compression and different numbers of wetting-drying cycles

圖8 兩種飽水方式不同干濕循環(huán)次數下小壩組紅層 砂巖單軸壓縮破裂面的分形維數Fig.8 Fractal dimension of Xiaoba formation red sandstone fracture surface under uniaxial compression under different numbers of wetting-drying cycles under two saturation modes

由圖7和圖8可知：兩種飽水方式下小壩組砂巖巖樣單軸壓縮破裂面的分形維數均隨干濕循環(huán)次數n的增加而增大，從干濕循環(huán)次數0次至15次真空吸水巖樣單軸壓縮破裂面的分形維數由2.29增加至2.54，自然浸水巖樣由2.27增加至2.47，這表明隨著干濕循環(huán)的進行小壩組砂巖單軸壓縮破裂面的不規(guī)則程度增加，破裂面逐漸趨于復雜；隨著干濕循環(huán)次數的增加兩種巖樣單軸壓縮破裂面的分形維數增速均放緩；隨干濕循環(huán)的進行真空吸水巖樣破裂面的分形維數大于自然浸水巖樣，兩者之間的差值隨干濕循環(huán)的進行表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這表明兩種浸水方式對小壩組砂巖單軸壓縮破裂面擴展的影響程度差異表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，即真空吸水加速了干濕循環(huán)對巖樣的影響，但這種影響隨干濕循環(huán)次數增加到一定次數后會減小。

3. 2 干濕循環(huán)過程中砂巖波速變化規(guī)律分析

兩種飽和方式下小壩組紅層砂巖波速隨干濕循環(huán)次數n的變化曲線以及階段波速減小量圖，見圖9。

圖9 兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖波速隨干濕 循環(huán)次數n的變化圖Fig.9 Changes of wave velocity of Xiaoba formation red sandstone with numbers of wetting-drying cycles n under two saturation modes

由圖9可以看出:隨干濕循環(huán)次數n的增加，小壩組砂巖縱波和橫波波速都呈下降趨勢，且前兩次干濕循環(huán)次數下砂巖縱波和橫波波速下降幅度最大，而后下降趨于平緩；對于自然浸水巖樣，隨著干濕循環(huán)次數n從0次至15次，巖樣縱波波速降幅為12.64%，巖樣橫波波速降幅為8.07%，對于真空吸水巖樣，隨著干濕循環(huán)次數n從0次至15次，巖樣縱波波速降幅為17.07%，巖樣橫波波速降幅為9.16%，表明干濕循環(huán)對小壩組砂巖縱波波速的劣化作用更顯著，真空吸水加劇了小壩組砂巖干濕循環(huán)過程中的強度劣化；兩種飽和方式下巖樣橫波和縱波波速隨干濕循環(huán)次數n的變化曲線均出現(xiàn)了拐點，這與巖樣單軸壓縮試驗結果具有一致性，表明隨干濕循環(huán)的進行、空隙的增加，巖樣結構發(fā)生了性質上的改變，且真空吸水巖樣較自然浸水巖樣更早到達曲線拐點，反映在實際工況中便是庫岸消落帶不同高程巖體的差異性風化，此拐點對于庫岸邊坡穩(wěn)定性評價具有重要的意義。

3. 3 干濕循環(huán)對砂巖累積損傷規(guī)律分析

巖石損傷可以用巖石損傷變量來表示，巖石損傷變量作為一個熱力學內變量，無法通過試驗直接測量[22]，而彈性波的變化可以較好地反映巖石的損傷劣化，在工程研究領域已得到廣泛的應用。根據波動理論，在均質連續(xù)各向同性彈性介質中縱波波速vp和橫波波速vs可用下面公式表示[21]：

(6)

(7)

聯(lián)立公式(6)、(7)，可得：

(8)

(9)

(10)

式中：Ed為巖石的動彈性模量(GPa)；μd為巖石的動泊松比；Gd為動剪切模量(GPa);ρ為巖石的密度(g/cm3)；vp為巖石的縱波波速(km/s)；vs為巖石的橫波波速(km/s)。

依據巖石損傷力學，研究區(qū)小壩組砂巖損傷變量D可用下式來表示：

(11)

式中：D為巖石損傷變量；S為初始巖石參數值；Sn為損傷后巖石參數值。

由公式(11)可知,Ed、μd、Gd都可以用來定義巖石損傷變量；由公式(8)、(9)、(10)可知，μd只與vp、vs相關，而Ed、Gd皆與ρ相關，vp、vs、ρ都與巖石的結構相關，同時出現(xiàn)在巖石損傷變量定義公式中不容易控制。砂巖屬于沉積巖，普遍具有層理結構，實際具有各向異性，因而導致在實際的砂巖波速測量中公式(9)一般不可實現(xiàn)。前文所述的砂巖單軸壓縮試驗，砂巖密度和泊松比沒有明顯改變，可近似設為定值，依據公式(8)、(10)本文定義小壩組砂巖隨干濕循環(huán)產生縱向損傷和橫向損傷的累積損傷變量如下：

(12)

(13)

式中：Dvn、Dhn分別為第n次干濕循環(huán)后巖石的縱向和橫向損傷變量；Ed0、Edn分別為巖石的初始動彈性模量和第n次干濕循環(huán)后巖石的動彈性模量(GPa)；Gd0和Gdn分別為巖石的初始動剪切模量和第n次干濕循環(huán)后巖石的動剪切模量(GPa)；vp0、vs0、vpn和vsn分別為巖石的初始縱波波速、巖石的初始橫波波速、第n次干濕循環(huán)后巖石的縱波波速和第n次干濕循環(huán)后巖石的橫波波速(km/s)。

采用波速法得到兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖損傷變量隨干濕循環(huán)次數n的變化曲線以及階段損傷變量增加量變化圖，見圖10。

圖10 兩種飽水方式下小壩組紅層砂巖損傷變量隨干濕 循環(huán)次數n的變化曲線Fig.10 Changes of damage variables of Xiaoba formation red sandstone with numbers of wetting-drying cycles n under two saturation modes

由圖10可知，小壩組砂巖巖樣縱向損傷變量和橫向損傷變量具有一致的變化規(guī)律：前兩次干濕循環(huán)后巖樣的損傷變量陡增其后趨于平緩遞增，其中自然浸水巖樣的損傷變量曲線在第13次干濕循環(huán)后出現(xiàn)轉折，且?guī)r樣損傷變量增速加快，真空吸水巖樣的損傷變量曲線在第12次干濕循環(huán)后出現(xiàn)轉折；真空吸水巖樣的損傷變量普遍大于自然浸水巖樣，表明真空吸水加劇了巖石的損傷；干濕循環(huán)次數n從0次至15次，自然浸水巖樣的縱向損傷變量Dvn增加0.237、橫向損傷變量Dhn增加0.155，真空吸水巖樣的Dvn增加0.312、Dhn增加0.175，表明干濕循環(huán)對巖樣縱向損傷更為顯著，且真空吸水加深了巖石的損傷。

4 小壩組紅層砂巖強度劣化機制分析

小壩組紅層砂巖單軸抗壓強度σc隨干濕循環(huán)次數n的變化在初次干濕循環(huán)時快速下降，而后趨于穩(wěn)定，在n達到一定次數后砂巖強度劣化出現(xiàn)拐點，結合波速隨n的變化曲線可以確定兩種不同飽水方式小壩組砂巖巖樣強度劣化的拐點。Zhang等[16]在干濕循環(huán)試驗中未發(fā)現(xiàn)巖石強度劣化的拐點，這與巖石的水穩(wěn)性有關，巖石的水穩(wěn)性越差后自然浸水越早出現(xiàn)強度劣化拐點；相同n下真空吸水巖樣的σc大于自然浸水巖樣，這是因為自然浸水由于水壓不足只能填充巖樣大開空隙，而真空吸水巖樣大開空隙、小開空隙都可被水分填充從而使得其含水量增大，降低了巖樣的單軸抗壓強度σc；此外，真空吸水加大了水分和巖石的有效接觸面積，加劇了砂巖的強度劣化。

干濕循環(huán)過程中砂巖n0與n、nb與n均呈明顯的線性關系，砂巖na與n的線性關系不顯著，nb大于na且nb隨n的增速大于na隨n的增速，表明在砂巖強度劣化過程中大開空隙的作用較小開空隙顯著，這是由于真空吸水飽和過程使得水分被壓入巖石小開空隙造成不可逆的巖石損傷，從而促進巖樣小開空隙向大開空隙的轉化。由吸水試驗原理可知，兩種飽水巖樣的飽和含水率與空隙率具有規(guī)律上的一致性，當空隙發(fā)展到一定程度后在空隙和水分的共同作用下砂巖出現(xiàn)質的改變也就是出現(xiàn)砂巖強度劣化的拐點。

干濕循環(huán)作用對小壩組砂巖結構產生了影響，從而使得砂巖破裂面的破碎程度隨干濕循環(huán)次數的增加而增大。波速試驗結果表明，干濕循環(huán)作用對小壩組砂巖的縱向損傷大于橫向損傷，這是由于砂巖為沉積巖具有層理構造，層理為潛在的結構面，當縱波穿越結構面時會引起波動能量耗散和能量彌散，因此干濕循環(huán)作用對層理結構的劣化大于不含層理部分，從而導致干濕循環(huán)對砂巖巖樣的縱向損傷與橫向損傷存在差異。

5 結 論

本文通過單軸壓縮試驗、吸水試驗、CT掃描試驗、波速試驗對白鶴灘水電站庫區(qū)小壩組紅層砂巖在干濕循環(huán)條件下的力學性質變化規(guī)律、空隙變化規(guī)律、破裂面分形維數、波速法累積損傷進行了研究，得到的試驗結果可互相驗證補充，主要結論如下：

(1) 通過不同飽水方式下小壩組紅層砂巖的單軸壓縮試驗，分析了砂巖巖樣單軸壓縮應力-應變曲線的變化特征以及單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比等參數的變化規(guī)律，得出小壩組砂巖單軸抗壓強度隨干溫循環(huán)次數n的變化規(guī)律，即：第一次干濕循環(huán)砂巖的單軸抗壓強度下降最快，而后趨于平緩，在n達到10次至15次之間時巖樣的單軸抗壓強度出現(xiàn)拐點。

(2) 小壩組砂巖空隙率隨n的增加而增加，巖樣的總開空隙率和大開空隙率隨n呈現(xiàn)線性增加，巖樣的小開空隙率隨n的線性關系不明顯；巖樣的大開空隙率隨n的增速大于小開空隙率隨n的增速，表明大開空隙率在小壩組砂巖強度劣化中發(fā)揮了主導作用。對于小壩組飽和巖樣，隨著n的增加開空隙增加，水分填充開空隙，巖樣單軸抗壓強度隨n的變化規(guī)律為空隙和含水率綜合作用的結果。

(3) 隨著干濕循環(huán)進行，小壩組砂巖單軸壓縮破裂面的分形維數增大，壓裂后試樣更加破碎，表明干濕循環(huán)作用使得砂巖結構顯著劣化。

(4) 小壩組砂巖波速隨n的變化規(guī)律與砂巖單軸抗壓強度隨n的變化規(guī)律表現(xiàn)出一致性，波速法能較好地表征小壩組砂巖巖樣結構的損傷；自然浸水巖樣在第13次干濕循環(huán)后波速出現(xiàn)拐點，真空吸水巖樣在第12次干濕循環(huán)后波速出現(xiàn)拐點，真空吸水飽和使得巖樣更快到達拐點，加速了小壩組砂巖的強度劣化；干濕循環(huán)對小壩組砂巖的縱向損傷大于橫向損傷，這是由于小壩組砂巖具層理構造，隨n的增加層理構造損傷更大，增大了縱波通過層理構造面時能量消耗和彌散，這是造成小壩組砂巖的縱向損傷大于橫向損傷的原因。