水巖作用下庫岸邊坡巖體動(dòng)力特性劣化機(jī)理研究

牛瑞鵬，趙騰云，孫娜科

（中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050227）

大型水庫的蓄水不利于水利水電工程的穩(wěn)定，庫區(qū)蓄水將導(dǎo)致地理區(qū)域內(nèi)應(yīng)力重分布，打破原有的應(yīng)力平衡[1]，從而引發(fā)一系列新的地質(zhì)問題，包括水庫地震以及其他次生災(zāi)害等問題[2-4]。三峽庫區(qū)蓄水近二十年，自運(yùn)行以來該區(qū)域地震頻發(fā)[5]。近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究人員開始關(guān)注岸坡在水巖綜合作用下的物理力學(xué)性能劣化，并進(jìn)行了許多創(chuàng)新性研究。劉新榮等[6]以砂巖為研究對象，試驗(yàn)?zāi)M了庫岸邊坡巖體在庫水變化條件下水—巖作用的過程，得到了砂巖受水巖循環(huán)作用后剪切破壞的規(guī)律。F S Jeng等[7]對砂巖在不同濕度下劣化機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)砂巖物理力學(xué)強(qiáng)度隨飽和度增加而降低。姚華彥等[8]對整個(gè)巖石斷裂過程進(jìn)行系統(tǒng)細(xì)觀力學(xué)測試，對完整和預(yù)制圓孔試件在自然狀態(tài)和改造后的干濕條件下進(jìn)行單軸壓縮斷裂試驗(yàn)，通過顯微鏡觀察了砂巖裂縫，破壞試驗(yàn)的擴(kuò)展和破壞過程。鄧華鋒等[9]基于不同水壓和濕度進(jìn)行了水—巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明水巖相互作用下巖石阻尼系數(shù)、動(dòng)彈性模量呈減少趨勢。

本文以三峽庫區(qū)岸坡水位波動(dòng)帶典型砂巖為研究對象，進(jìn)行一系列水巖試驗(yàn)和循環(huán)加卸載試驗(yàn)來研究巖樣的物理力學(xué)性能，為長期水巖作用和頻繁地震作用下水庫下部物理力學(xué)性能劣化機(jī)理的表現(xiàn)提供理論依據(jù)。

1 水巖作用下巖石物理特性演化研究

本研究設(shè)計(jì)了三種試驗(yàn)方案，其中方案1為周期性水—巖作用下的巖石動(dòng)力特性試驗(yàn)。

考慮通過動(dòng)態(tài)水壓和干濕循環(huán)的水巖作用來模擬庫岸邊坡的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，在水巖作用的不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力的循環(huán)加卸載，分析巖石物理力學(xué)性質(zhì)劣化與周期性水巖作用的相關(guān)性。方案2 為周期性循環(huán)加卸載和水—巖次序作用下巖石動(dòng)力特性試驗(yàn)。通過在初期及不同試驗(yàn)周期時(shí)單軸循環(huán)加載一定頻率和幅值的應(yīng)力，模擬周期性水—巖作用以及低強(qiáng)度水庫地震，分析經(jīng)典水庫邊坡砂巖物理力學(xué)性質(zhì)劣化規(guī)律。方案3 為考慮地震作用初始損傷的水—巖作用試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)早期對研究對象加載一定范圍的頻率和應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上，對巖樣開展多個(gè)周期的水—巖試驗(yàn)，擬合不同強(qiáng)度的地震干擾下巖石的劣化效應(yīng)，分析劣化巖體在水巖作用下的深度劣化效應(yīng)。通過分析三種試驗(yàn)方案下砂巖樣品的密度變化，給巖石動(dòng)力特性劣化機(jī)理的分析提供理論基礎(chǔ)。

依照有關(guān)公式，計(jì)算周期性水巖作用下及地震初期水巖作用下的巖樣密度，結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 周期性水—巖作用

如圖2、圖3 所示，巖樣密度伴隨每次水巖相互作用循環(huán)而降低。在前6 次水—巖相互作用過程中，其巖石樣品密度降低速度在前期較大，后期速度逐漸減小。

圖2 周期性循環(huán)加卸載和水—巖次序作用

圖3 考慮地震作用周期性水—巖作用下巖樣密度變化規(guī)律

兩個(gè)水—巖相互作用循環(huán)結(jié)束后，巖石樣品的密度分別降低了29%和24%。在循環(huán)加卸載和水巖序列中，巖樣密度降低了27%和24%。考慮到地震造成的初始破壞，水巖相互作用下的巖樣密度分別降低了26%和23%；在第4期和第6期周期性水巖作用后，試樣密度降低了19%和12%，周期性循環(huán)加卸載和水—巖次序作用下的巖樣密度降低了18.59%和14.85%，初始損傷地震干擾下巖樣密度降低了18%和15%；在第8期和第10期周期性水—巖作用后，巖樣的密度下降幅度降低了10%和7%，周期性循環(huán)加卸載和水—巖次序作用下的巖樣密度降低了9%和8%，在初始損傷巖樣地震以及周期性水巖作用下，巖樣密度降低了9%和8%。

對初步試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對比分析，方案1重點(diǎn)探索長時(shí)間水巖作用與巖樣劣化的相關(guān)性。巖石受一定范圍的振幅應(yīng)力的循環(huán)載荷的影響而劣化，因此在整個(gè)水巖相互影響過程中，巖石的密度會(huì)發(fā)生變化，其變化趨勢在最短的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定；方案2重點(diǎn)探索地震與水巖的綜合作用。巖石在水巖相互作用過程中承受固定頻率的單軸循環(huán)載荷。方案1與方案2相比，其應(yīng)力幅值更復(fù)雜，循環(huán)次數(shù)更少。方案2中巖石在單一荷載作用下動(dòng)力損傷不斷積累，巖石孔隙進(jìn)一步增大，利于水巖進(jìn)一步相互作用，因此，與方案1相比，巖石的密度降低了更多；方案3重點(diǎn)探索地震干擾下巖土劣化和水—巖的作用。巖石荷載分別加載了不同的頻率和幅值，巖樣在試驗(yàn)前存在一定程度的劣化，故前兩個(gè)時(shí)期巖石密度下降顯著，隨著水巖相互作用的增加，密度變化逐漸趨于平坦。

為確定以上3種試驗(yàn)設(shè)計(jì)中巖石密度變化規(guī)律，選取0.2Hz 和4～25MPa 試樣參數(shù)進(jìn)行比對，對每種工況下的巖石樣品密度進(jìn)行統(tǒng)一處理，如圖4所示。

圖4 三種方案下巖樣的統(tǒng)一密度

整體來看，在前兩次水巖相互作用過程中，巖樣密度前期下降幅度遠(yuǎn)大于后期，巖石密度在第4、6 次水巖作用周期時(shí)明顯減小，且下降趨勢逐漸放緩，在第8次和第10次巖水循環(huán)后，巖樣密度的減小速率呈降低趨勢。具體而言，周期性水巖作用下前4個(gè)時(shí)期巖石密度下降速率較大，考慮地震作用初始損傷的水巖作用下的巖樣與周期性循環(huán)加卸載和水巖次序作用下的巖樣密度在前6個(gè)階段下降速率較大，然后逐漸變小趨近于0。相比之下，周期性循環(huán)加卸載和水巖次序作用下的巖樣密度在水巖周期的劣化程度最大，考慮地震作用初始損傷的水巖作用下的巖樣密度劣化程度次之，周期性水巖作用下的巖樣的密度劣化程度最小。原因如下：巖樣初始狀態(tài)為自然干燥狀態(tài)，不受水侵蝕影響。水巖周期試驗(yàn)開始后，巖樣在一定范圍內(nèi)反復(fù)性水壓作用下，內(nèi)部骨架發(fā)生變軟，前期發(fā)生一定劣化；同時(shí)，試樣內(nèi)部膠結(jié)物在水的軟化及侵蝕作用下，發(fā)生溶解與溶蝕，巖樣質(zhì)量和密度下降。通過水巖相互作用的次數(shù)的增加，巖樣中礦物質(zhì)的溶解產(chǎn)生次生孔隙，巖樣與水的接觸面積進(jìn)一步擴(kuò)大，有利于巖樣中顆粒礦物質(zhì)的進(jìn)一步軟化和崩解，使得巖樣密度進(jìn)一步降低。然而，與初始水巖作用相比，其巖樣密度降低程度有所減小。從總體上看，巖樣密度出現(xiàn)先下降后緩慢下降的變化趨勢，與之前的室內(nèi)試驗(yàn)中樣品巖石動(dòng)力特性的劣化規(guī)律很好地吻合，一定程度上，證明了巖石的宏觀力學(xué)性質(zhì)是由微觀性質(zhì)決定的；另一方面，水巖組合對巖樣影響范圍受限，巖石的力學(xué)性質(zhì)不會(huì)無限延長，而是在特定的時(shí)間段內(nèi)持續(xù)存在。

2 結(jié)論

本文以三峽庫區(qū)岸坡水位波動(dòng)帶典型砂巖為研究對象，進(jìn)行一系列水巖試驗(yàn)和循環(huán)加卸載試驗(yàn)來研究巖樣的物理力學(xué)性能，為長期水巖作用和頻繁地震作用下水庫下部物理力學(xué)性能劣化機(jī)理的表現(xiàn)提供理論依據(jù)。主要得到以下結(jié)論：

（1）隨著水巖相互作用周期的增加，巖樣的密度逐漸減小，圖表表現(xiàn)為先陡后緩。具體表現(xiàn)為：前6次水巖相互作用后，巖樣密度呈減小趨勢，且減小速度較大。經(jīng)過第8、10 次水巖循環(huán)后，下降速率趨于平緩。在每個(gè)水巖循環(huán)中，在循環(huán)裝卸和水巖序列作用下，巖樣的密度下降趨勢最為顯著，考慮地震初始損傷的水巖相互作用下試樣密度減小居其次，循環(huán)水和巖石的作用下巖樣的密度減小最少。

（2）隨著水巖相互作用周期的增加，巖樣孔隙度逐漸增大?？傮w而言，在前6次水巖相互作用后，巖樣孔隙度的增長速率明顯下降并逐漸放緩。第8次和第10次水巖循環(huán)后，增長率趨于平緩。相比較而言，在每個(gè)水巖循環(huán)中，在循環(huán)加卸載和水巖序列的作用下，巖樣的次生孔隙度增加最大，考慮地震初始損傷的水巖作用次之巖樣在水巖作用下二次孔隙度增加最小。