中等風(fēng)化砂巖和泥質(zhì)粉砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究★

張本蛟，梅 燦，傅旭東

(1.湖北省工程咨詢股份有限公司,湖北 武漢 430000;2.中鐵十一局集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430061; 3.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

0 引言

軟巖在世界上的分布非常廣泛,泥巖和頁巖就占地球表面所有巖石的50%左右[1]。Johnston(1989)[2]認(rèn)為軟巖是介于巖和土之間的一種材料,其具有易碎、易膨脹、不連續(xù)等特性。

很多學(xué)者對巖石試樣在豎向靜載和循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度、變形、破壞模式等方面進(jìn)行了研究,取得了豐碩的成果。葛修潤等[3-4]對循環(huán)荷載作用下巖石變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究,認(rèn)為巖石疲勞壽命主要由其本身結(jié)構(gòu)、荷載幅值等因素決定的。賀建清等[5]對摻土煤矸石開展動三軸試驗(yàn),對其在循環(huán)荷載作用下的動力特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,摻土煤矸石的動應(yīng)力-應(yīng)變骨干曲線可采用雙曲線擬合。席道瑛等[6]對南京砂巖、合肥砂巖開展了循環(huán)加載試驗(yàn),得到了試樣在頻率為0.5 Hz～25 Hz 的滯回曲線,闡明了循環(huán)加載的應(yīng)變硬化和軟化響應(yīng)。呂龍龍等[7]對胡麻嶺隧道紅層軟巖進(jìn)行了側(cè)限壓縮與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),分析了該類軟巖的壓縮特性、脆性、擴(kuò)容特性等。

本文以中等風(fēng)化砂巖和泥質(zhì)粉砂巖兩種極軟巖為研究對象,開展了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和豎向循環(huán)荷載試驗(yàn),得到了兩種極軟巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、體變-應(yīng)變曲線、軸向累積塑性應(yīng)變曲線和破壞形態(tài)等特性,研究成果對認(rèn)識極軟巖的力學(xué)參數(shù)、變形特性等具有一定的參考價值。

1 試驗(yàn)方法

在某施工現(xiàn)場采集中等風(fēng)化砂巖和泥質(zhì)粉砂巖巖塊運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,采用水鉆法加工,在巖塊的某一面上密集套鉆取得試樣,其尺寸為φ42 mm×H84 mm。鉆芯取樣后,為防止巖樣開裂,用透明膠將其包裹,并按照GB/T 50266—2013工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[8],在砂輪機(jī)上將芯樣兩端打磨平整,在水中養(yǎng)護(hù)48 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

軟巖試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)是在英國GDS動三軸上進(jìn)行的,如圖1所示。試驗(yàn)采用應(yīng)變式控制,軸向壓力通過荷載傳感器自動采集,軸向變形通過位移傳感器自動采集,每秒采集1個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,巖石試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)以每秒0.5 MPa～1.0 MPa 的加載速度施加軸向荷載,直至試件破壞。由于飽和軟巖試樣的強(qiáng)度較低,若加載速率較大,試樣在十幾秒甚至幾秒內(nèi)就完全破壞了,試驗(yàn)過程難以把握。由于單軸抗壓和三軸壓縮試驗(yàn)是準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn),在一個量級內(nèi)的加載速度對試驗(yàn)結(jié)果基本無影響。故本文中,原狀軟巖試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)以每分鐘軸向應(yīng)變?yōu)?.05%～0.1%的速率來進(jìn)行,使無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在20 min～30 min內(nèi)完成,三軸壓縮試驗(yàn)在60 min內(nèi)完成。

為了研究原狀軟巖在循環(huán)荷載作用下的變形特性,對原狀中等風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖開展單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)。取軟巖循環(huán)荷載試驗(yàn)的頻率f=0.20 Hz、靜偏荷載比SLR=0.30,循環(huán)荷載比分別為CLR=0.30和CLR=0.55。

2 靜荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn):試樣安裝好后開始無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),剪切速率為0.03 mm/min。原狀中等風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線如圖2所示。

由圖2可知,原狀飽和中等風(fēng)化砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為2.89 MPa,峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.832%,變形模量為377.44 MPa;原狀飽和弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為4.93 MPa,峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.978%,變形模量為258.45 MPa。

2)三軸壓縮試驗(yàn):試樣安裝好后施加圍壓進(jìn)行各向等壓固結(jié),當(dāng)外體變不變時,則固結(jié)穩(wěn)定。固結(jié)結(jié)束后施加軸向荷載進(jìn)行剪切,剪切時打開排水排氣閥,剪切速率為0.03 mm/min。軸向變形、軸向荷載、體變等數(shù)據(jù)分別由位移傳感器、荷載傳感器和體變傳感器等自動采集。由于原狀試樣內(nèi)部有少許微裂隙,在試驗(yàn)之前較難發(fā)現(xiàn),會導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散型較大。開展多組三軸試驗(yàn),從中選擇規(guī)律性較好的數(shù)據(jù)繪制莫爾應(yīng)力圓。試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 原狀極軟巖試樣三軸壓縮試驗(yàn)方案及成果

中等風(fēng)化砂巖三軸試驗(yàn)成果如圖3所示。該砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度約為2.89 MPa,屬于極軟巖。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知,較小圍壓下,壓密段顯著,隨著圍壓的增大,壓密段范圍逐漸減小,這是因?yàn)楦邍鷫合?試樣發(fā)生固結(jié)壓密程度也相應(yīng)增大,從而在偏壓荷載下,其壓密段的軸向變形也相應(yīng)減小。從體積應(yīng)變來看,砂巖試樣三軸試驗(yàn)在不同的周圍壓力下先為體縮后變?yōu)轶w脹,試樣開始發(fā)生體脹時對應(yīng)的應(yīng)變比應(yīng)力達(dá)到峰值時的破壞應(yīng)變略小,即先發(fā)生體脹然后應(yīng)力才達(dá)到峰值,這是因?yàn)轶w脹是由剪切面上顆粒錯動引起的,在顆粒錯動一定程度后抗剪強(qiáng)度才發(fā)揮到峰值。圍壓越大,達(dá)到峰值后,其應(yīng)力下降的越快,試樣越“脆”,即脆性越顯著。中等風(fēng)化砂巖試樣三軸加載破壞如圖4所示,剪切面的傾角約為75°,傾角θ與內(nèi)摩擦角φ之間的關(guān)系為θ=45°+φ/2。

中等風(fēng)化砂巖三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為四段:OA段為壓密階段,孔隙或微裂隙壓密,體積縮小;AB段為彈性變形階段,呈彈性變形性質(zhì);BC段為塑性強(qiáng)化階段,出現(xiàn)不可逆的塑性變形;CD段為應(yīng)變軟化階段,強(qiáng)度隨變形的增大而減小,試樣強(qiáng)度從峰值強(qiáng)度下降為殘余強(qiáng)度,形成更大的永久變形,如圖5所示。

弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖試樣的三軸試驗(yàn)成果如圖6所示,三軸試驗(yàn)加載破壞巖樣如圖7所示。

由圖6,圖7和表1可知,弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也屬于應(yīng)變軟化型曲線,但并非典型的四段式,壓密段、直線段及軟化段較為明顯,而塑性段不明顯。圍壓越大,峰值強(qiáng)度越高,破壞應(yīng)變越大。達(dá)到峰值強(qiáng)度后,偏應(yīng)力迅速降低。試樣的剪切面并沒有呈現(xiàn)出非常規(guī)律的角度,這是因?yàn)橄噍^于中等風(fēng)化砂巖,這種泥質(zhì)粉砂巖試樣內(nèi)部的孔隙及微裂隙更加發(fā)育,在軸向應(yīng)力作用下,剪切面在最薄弱面上生成。

3 動荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

原狀中等風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖在豎向循環(huán)荷載作用下的動應(yīng)變εd-循環(huán)次數(shù)N關(guān)系曲線如圖8,圖9所示。試驗(yàn)中,頻率f=0.20 Hz,靜偏荷載比SLR=0.30。

由原狀軟巖的循環(huán)荷載試驗(yàn)可知:中等風(fēng)化砂巖的上限應(yīng)力比為0.6、循環(huán)荷載幅值為0.3σc時,巖樣循環(huán)6 580次未破壞,此時累積塑性應(yīng)變約0.55%;上限應(yīng)力比為0.85、循環(huán)荷載幅值為0.55σc時,497個循環(huán)周期后破壞,破壞瞬間對應(yīng)的累積塑性應(yīng)變約0.51%。弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的上限應(yīng)力比為0.6、循環(huán)荷載幅值為0.3σc時,巖樣循環(huán)810次未破壞,此時累積塑性應(yīng)變約0.31%;上限應(yīng)力比為0.85、循環(huán)荷載幅值為0.55σc時,1 684個循環(huán)周期后破壞,破壞瞬間對應(yīng)的累積塑性應(yīng)變約0.61%。

周期荷載作用下,巖石變形的彈性部分在卸荷的過程中將會得到恢復(fù),但是不可逆變形(累積塑性變形)會殘留下來。不可逆變形的大小、增長趨勢及總的累積量是巖石疲勞力學(xué)性能更本質(zhì)的反映。

4 結(jié)論

通過對原狀中等風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖開展三軸壓縮試驗(yàn)和單軸循環(huán)荷載試驗(yàn),得出以下結(jié)論:

1)圍壓越大,軟巖試樣的峰值應(yīng)力及破壞應(yīng)變越大。

2)在軸向偏應(yīng)力作用下,試樣先發(fā)生體縮再發(fā)生體脹,試樣開始發(fā)生體脹時對應(yīng)的應(yīng)變比應(yīng)力達(dá)到峰值時的破壞應(yīng)變略小。

3)當(dāng)循環(huán)荷載較小時,試樣的軸向累積塑性應(yīng)變表現(xiàn)為穩(wěn)定型;當(dāng)循環(huán)荷載較大時(超過某一閥值),試樣的軸向累積塑性應(yīng)變表現(xiàn)為破壞型。本次試驗(yàn)中,靜偏荷載與循環(huán)荷載之和約為0.85σc時,試樣在循環(huán)荷載作用下達(dá)到破壞。