牛傳星，秦　哲，馮佰研，付厚利

(1.山東科技大學(xué) a.土木工程與建筑學(xué)院；b.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.礦山災(zāi)害預(yù)防控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；d.礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島　266590；2.臨沂大學(xué) 建筑學(xué)院，山東 臨沂　276000)

?

水巖作用下蝕變巖力學(xué)性質(zhì)損傷規(guī)律

牛傳星1a,1b，秦哲1c,1d，馮佰研1a,1b，付厚利2

(1.山東科技大學(xué) a.土木工程與建筑學(xué)院；b.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.礦山災(zāi)害預(yù)防控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；d.礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島266590；2.臨沂大學(xué) 建筑學(xué)院，山東 臨沂276000)

為了研究水位升降對(duì)蝕變帶邊坡巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，選取倉(cāng)上露天金礦坑邊坡蝕變巖樣，進(jìn)行了不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的單軸壓縮試驗(yàn)。建立了函數(shù)關(guān)系描述蝕變巖力學(xué)性質(zhì)在水巖作用下的變化規(guī)律，引入損傷率的概念分析了循環(huán)次數(shù)對(duì)蝕變巖力學(xué)性質(zhì)的影響，并利用電鏡掃描技術(shù)從微觀角度分析了水巖作用對(duì)蝕變巖的損傷機(jī)理。結(jié)果表明：水巖作用對(duì)蝕變巖的力學(xué)性質(zhì)有明顯的弱化現(xiàn)象，且水巖作用越強(qiáng)，弱化現(xiàn)象越明顯；不同循環(huán)次數(shù)下，蝕變巖彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增加衰減迅速，峰值強(qiáng)度呈持續(xù)衰減狀態(tài)；隨蝕變、碎裂發(fā)展，水巖作用對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)損傷增加，循環(huán)15次后，彈性模量損傷率最大接近60%，峰值強(qiáng)度接近45%。

蝕變巖；水巖作用；單軸壓縮試驗(yàn)；電鏡掃描；損傷規(guī)律

1　研究背景

地質(zhì)應(yīng)力作用下，地殼里面的深部熱液沿一定路徑涌入與其礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及物理化學(xué)條件差別很大的巖石體后與其發(fā)生一系列作用產(chǎn)生新的巖類，即稱為蝕變巖[1]。蝕變巖屬于軟巖，其力學(xué)特性好壞將直接影響到工程的穩(wěn)定性。王旭東等[2-5]對(duì)蝕變巖的相關(guān)特性進(jìn)行研究，通過三軸壓縮試驗(yàn)分析了蝕變巖力學(xué)性質(zhì)，并結(jié)合工程實(shí)例分析說明了其危害性。水是誘發(fā)工程事故的又一重要影響因素[6]，在水的作用下，巖體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，水對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為2點(diǎn)：一是水影響巖石的強(qiáng)度，從細(xì)觀上分析水造成巖石的損傷；二是水改變巖體中的有效應(yīng)力狀態(tài)，這種水對(duì)巖石的影響作用稱為水對(duì)巖石的損傷效應(yīng)，即水巖作用。劉新榮等[7-14]通過試驗(yàn)對(duì)經(jīng)過飽水-失水循環(huán)的巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，得出了水巖作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)損傷規(guī)律。柴肇云等[15-19]在探索巖石損傷規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行了巖石的損傷機(jī)理分析。綜上所述，水巖作用下的巖體尤其是受蝕變作用影響的巖體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生弱化現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅工程的穩(wěn)定性。

本文依托《三山島倉(cāng)上露天金坑尾礦庫(kù)邊坡安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分析及預(yù)警技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用研究》重大科研項(xiàng)目，選取倉(cāng)上露天坑尾礦庫(kù)邊坡3#蝕變帶處黃鐵絹英化花崗質(zhì)碎裂巖(SγJH)和黃鐵絹英巖化花崗巖(γJH)巖樣，進(jìn)行不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的巖石單軸壓縮試驗(yàn)，模擬了該礦閉坑后坑內(nèi)水位升降對(duì)蝕變巖體邊坡穩(wěn)定性的影響。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理，得到了水巖作用下蝕變巖力學(xué)性質(zhì)的損傷規(guī)律，探究了飽水-失水循環(huán)作用對(duì)蝕變巖的力學(xué)損傷原因。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1巖樣制作及試驗(yàn)準(zhǔn)備

現(xiàn)場(chǎng)采取鉆孔取芯的方法對(duì)蝕變巖SγJH和γJH進(jìn)行巖樣采集，2種巖石工程地質(zhì)特征如表1所示。試樣取回后加工成標(biāo)準(zhǔn)式樣，高100 mm，直徑50 mm，兩端面平整度小于0.05 mm，垂直度小于0.25°。對(duì)制備好的巖樣進(jìn)行肉眼觀察，剔除表面有缺陷的試件，選擇均勻性好、紋理一致的試樣，使用聲波儀測(cè)定試樣的波速，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，選取具有代表性的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

表1　巖石工程地質(zhì)特征

2.2試驗(yàn)方案

本次單軸壓縮試驗(yàn)采用山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院與長(zhǎng)春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司共同研發(fā)的TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)。為了模擬水位升降循環(huán)條件，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)的每種巖樣分4組，每組3個(gè)試件，分別模擬0，1，5，15次的循環(huán)條件?？紤]到試驗(yàn)用水與現(xiàn)場(chǎng)礦坑水質(zhì)差異對(duì)蝕變巖性質(zhì)的影響，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水進(jìn)行了水質(zhì)檢測(cè)分析，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)與礦坑水質(zhì)情況差異不大。一次飽水-失水循環(huán)具體設(shè)計(jì)為首先通過巖石的含水率試驗(yàn)，確定巖樣飽和所需時(shí)間是24 h，采用飽和自由浸水法使試件充分飽和，然后將飽和的試件置于105～110 ℃恒溫的烘箱內(nèi)，12 h后將試件從烘箱內(nèi)取出，用干燥器對(duì)試樣冷卻到室溫，記錄試件質(zhì)量，直到烘干試件至恒重。對(duì)準(zhǔn)備好的巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。對(duì)試件的軸向進(jìn)行緩慢加載并直到巖塊發(fā)生破壞，記錄試件應(yīng)力-應(yīng)變變化，對(duì)破壞狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)描述，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1蝕變巖力學(xué)參數(shù)與飽水-失水循環(huán)次數(shù)關(guān)系

2種巖石的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　飽水-失水循環(huán)作用下單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，2種蝕變巖對(duì)水巖作用的敏感性不同，在飽水-失水循環(huán)15次后，SγJH峰值強(qiáng)度由31.64 MPa降至17.53 MPa，減少了44.6%；而黃鐵絹英巖化花崗巖(γJH)由50.01 MPa下降至32.56 MPa，減少了34.89%；同樣對(duì)于彈性模量SγJH下降了60.2%，而γJH下降了51.58%，說明SγJH對(duì)水的敏感性更大，蝕變程度深的巖石力學(xué)性質(zhì)弱化比例更大。

為了研究飽水-失水循環(huán)條件對(duì)各力學(xué)參數(shù)的作用，分別以單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量為縱坐標(biāo)，以飽水-失水循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，如圖1所示。

從圖1中可以看出，SγJH和γJH在單軸壓縮過程中，單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量有所降低，產(chǎn)生明顯的弱化現(xiàn)象；蝕變巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與飽水-失水循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)表示，即

(1)

式中：A，B，C為擬合常數(shù)；x為飽水-失水循環(huán)次數(shù)。

3.2蝕變巖損傷率和飽水-失水循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由以上分析結(jié)果可以得出，2種巖石在飽水-失水循環(huán)作用下內(nèi)部發(fā)生損傷擴(kuò)展，為分析這種損傷變化的規(guī)律，分別建立以不同指標(biāo)(單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量)進(jìn)行量化的損傷演化規(guī)律，其計(jì)算式為：

(2)

式中：Dc為N次循環(huán)單軸抗壓強(qiáng)度累計(jì)損傷率；σc0為巖石自然條件下單軸抗壓強(qiáng)度；σcn為N次飽水-失水循環(huán)單軸抗壓強(qiáng)度；De為N次循環(huán)彈性模量累計(jì)損傷率；Ec0為巖石自然條件下彈性模量；Ecn為N次飽水-失水循環(huán)彈性模量。

根據(jù)單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果，利用式(2)計(jì)算出了2種巖石在不同次數(shù)飽水-失水循環(huán)作用后巖石的累積損傷率，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，巖石的累積損傷變化具有以下特點(diǎn)：

(1)SγJH經(jīng)過1次循環(huán)后，彈性模量累積損傷為35.71%，而單軸抗壓強(qiáng)度為19.63%，并且循環(huán)次數(shù)相同時(shí)彈性模量損傷率都大于單軸抗壓強(qiáng)度損傷率，對(duì)于γJH也有此規(guī)律，說明采用彈性模量量化的損傷值要比采用單軸抗壓強(qiáng)度量化的損傷值大得多，故水巖作用對(duì)蝕變巖彈性模量的損傷作用更加明顯。

表3　巖石力學(xué)參數(shù)損傷率

注：Dσ=[(σ0-σi)/σ0]×100；DE=[(Ei-E0)/E0]×100。

(2)巖石損傷值增加幅度減緩，即初期進(jìn)行飽水-失水循環(huán)試驗(yàn)時(shí)其損傷發(fā)展較快，越往后其發(fā)展越慢，到后期幾乎不再受飽水-失水循環(huán)的影響。

3.3巖石力學(xué)性質(zhì)損傷變化分析

為分析這種影響程度，分別對(duì)累計(jì)損傷率變化進(jìn)行擬合分析，如圖2所示。

圖2　2種巖石力學(xué)性質(zhì)累積損傷值變化曲線Fig.2　Fitted curves of cumulative damage rates of uniaxial compressive strength and elastic modulus of two rocks

根據(jù)圖2可知，在單軸壓縮試驗(yàn)中蝕變巖的損傷初期擴(kuò)展較為迅速，后期損傷趨于穩(wěn)定，極限損傷值及達(dá)到95%極限損傷值所需要的循環(huán)次數(shù)如表4所示。

表4　2種巖石力學(xué)參數(shù)損傷率變化

由圖2、表4可以得出：

(1)2種蝕變巖在經(jīng)歷不同次數(shù)的飽水-失水循環(huán)作用后，其累積損傷值均增加，但是SγJH受水巖作用的影響大于γJH，蝕變、破碎程度越大，對(duì)水敏感性越強(qiáng)。

(2)2種蝕變巖達(dá)到95%損傷極限值所需要的循環(huán)次數(shù)均不超過20次，γJH單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到95%極限值循環(huán)次數(shù)都大于SγJH的2個(gè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，并且由上面分析可知，SγJH弱化性較明顯，說明在飽水-失水循環(huán)過程中，巖石損傷越小，達(dá)到95%極限損傷值所需要的循環(huán)次數(shù)越少。

(3)SγJH與γJH峰值抗壓強(qiáng)度達(dá)到95%極限值的循環(huán)次數(shù)大于其彈性模量達(dá)到95%極限值的循環(huán)次數(shù)，水巖作用下蝕變巖峰值抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)持續(xù)損傷狀態(tài)，邊坡水位升降對(duì)蝕變帶等薄弱地帶的影響很大。

3.4水巖作用對(duì)蝕變巖力學(xué)特性的影響

在蝕變作用下巖石的礦物成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化進(jìn)而弱化其力學(xué)性質(zhì)，尤其在水巖作用下這種弱化現(xiàn)象更為明顯。

為了更進(jìn)一步探究水對(duì)蝕變巖的損傷機(jī)理，對(duì)單軸試驗(yàn)后的蝕變程度大的黃鐵絹英化花崗質(zhì)碎裂巖(SγJH)的破裂斷口微觀形貌進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)下SγJH細(xì)觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3　Mesostructure diagram of SγJH under different saturation-dehydration cycles

由圖3可以看出，不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)作用下SγJH單軸壓縮破壞后其斷裂口處表現(xiàn)出不同的微觀形態(tài)：自然狀態(tài)下斷裂面較為光滑平整，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)。隨循環(huán)次數(shù)的增多，斷裂面整體性減弱，結(jié)構(gòu)連接力減小，破裂面產(chǎn)生很多裂隙；最終斷裂面產(chǎn)生大量碎屑，結(jié)構(gòu)遭到破壞變得松散，顆粒變小且孔隙增多，說明飽水-失水循環(huán)作用對(duì)蝕變巖具有明顯的損傷作用。

由于蝕變巖較其它沒有受蝕變作用影響的巖石其內(nèi)部含有更多的孔隙裂紋，導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出不均勻性，水更容易貫通到巖石內(nèi)部。水通過其裂隙裂紋進(jìn)入到內(nèi)部，對(duì)不連續(xù)面、邊界產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，直接降低了巖石顆粒間的黏結(jié)力，使得裂隙得以擴(kuò)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，水巖作用對(duì)巖石的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度造成很大影響，嚴(yán)重威脅到邊坡的穩(wěn)定性。

4　結(jié)　論

本文依托倉(cāng)上露天礦坑邊坡治理項(xiàng)目為工程背景，考慮水位升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)該地區(qū)蝕變帶巖樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，得出其基本力學(xué)參數(shù)，并探究了水巖作用對(duì)蝕變巖的力學(xué)特性的影響，所得結(jié)論如下：

(1)飽水-失水循環(huán)作用對(duì)蝕變巖造成不可逆的損傷，不同力學(xué)性質(zhì)對(duì)水巖作用的敏感性不同，彈性模量的敏感性高于單軸抗壓強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)遞減分布。

(2)通過對(duì)典型蝕變巖的單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立了函數(shù)表達(dá)式來表示蝕變巖的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)和飽水-失水循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，引入損傷率概念分析蝕變巖峰值強(qiáng)度、彈性模量隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系。隨著水巖作用的增強(qiáng)，蝕變巖力學(xué)性質(zhì)累積損傷值均增加，后期巖石損傷率增速趨于0，累積損傷值接近最大值；蝕變、破碎程度越大，對(duì)水敏感性越強(qiáng)。

(3)對(duì)于強(qiáng)度的損傷方面，水巖作用對(duì)蝕變巖的彈性模量影響更大；而從長(zhǎng)時(shí)間損傷角度分析，蝕變巖的單軸抗壓強(qiáng)度在水巖作用下表現(xiàn)為持續(xù)損傷狀態(tài)，這對(duì)水位升降頻繁條件下的工程穩(wěn)定性影響很大。

[1]楊根蘭,黃潤(rùn)秋.某工程蝕變巖孔隙特征及其軟弱程度研究[J].礦物巖石,2006,26(4):111-115.

[2]王旭東,付小敏.蝕變巖在三向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)及變形特性研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2007,(10):280-283.

[3]楊燕,付小敏.某工程蝕變巖抗剪強(qiáng)度特性的影響因素[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,(1):42-44.

[4]魏偉,沈軍輝,苗朝,等.風(fēng)化、蝕變對(duì)花崗斑巖物理力學(xué)特性影響分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2012,20(4):599-606.

[5]苗朝,沈軍輝,李文綱,等.大崗山壩區(qū)輝綠巖脈蝕變泥化特征及機(jī)理研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2014,22(1):130-136.

[6]張成渝.洛陽龍門石窟水的賦存對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002，39(6)：829-834.

[7]劉新榮,傅晏,王永新,等.水-巖相互作用對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定的影響研究[J].巖土力學(xué),2009,30(3):613-616.

[8]李鵬,劉建,李國(guó)和,等.水化學(xué)作用對(duì)砂巖抗剪強(qiáng)度特性影響效應(yīng)研究[J].巖土力學(xué),2011,32(2):380-386.

[9]劉業(yè)科.水巖作用下深部巖體的損傷演化與流變特性研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2012.

[10]姚華彥,張振華,朱朝輝,等.干濕交替對(duì)砂巖力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2010,31(12):3704-3708.

[11]曹平,楊慧,江學(xué)良,等.水巖作用下巖石亞臨界裂紋的擴(kuò)展規(guī)律[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,41(2):649-654.

[12]宋勇軍,雷勝友,毛正君,等.干燥和飽水狀態(tài)下炭質(zhì)板巖力學(xué)特性試驗(yàn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(10):48-52.

[13]姜永東,閻宗嶺,劉元雪,等.干濕循環(huán)作用下巖石力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè),2011,20(5):104-106.

[14]郭宏云,李兵,孫崇華,等.深部礦井鈣質(zhì)頁巖吸水特性試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(11):103-107.

[15]柴肇云，張亞濤，張學(xué)堯.泥巖耐崩解性與礦物組成相關(guān)性的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(5):1188-1193.

[16]付金偉，朱維申，曹冠華，等.巖石中三維單裂隙擴(kuò)展過程的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(3):411-417.

[17]秦哲,付厚利,程衛(wèi)民,等.水巖作用下露天坑邊坡巖石蠕變曲線分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2016：待刊.

[18]楊慶,賀潔.非飽和紅粘土和膨脹土抗剪強(qiáng)度的比較研究[J].巖土力學(xué),2003,24(1):13-16.

[19]卞躍威,夏才初,肖維民,等.考慮蠕變效應(yīng)的巖石損傷起始準(zhǔn)則[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2012,29(8):17-23.

(編輯：黃玲)

Regularity of the Damage of Altered Rock’s Mechanical PropertiesUnder Water-Rock Interaction

NIU Chuan-xing1,2,QIN Zhe3,4,FENG Bai-yan1,2,FU Hou-li5

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation for Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China；3.Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China；4.School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 5.School of Architecture,Linyi University，Linyi276000,China)

In order to research the effect of water level fluctuation on the mechanical properties of slope rock at altered zones,we carried out uniaxial compression test on rock samples from open-pit slope in Cangshang under different saturation-dehydration cycles.Moreover,we established the function which describes the variation pattern of mechanical properties of altered rock under water-rock interaction.We also analyzed the influence of circulating times on the mechanical properties of altered rock through introducing the concept of damage rate.Besides,the damage mechanism of water-rock interaction on altered rocks was also analyzed by scanning electron microscopy(SEM).The result indicated that the mechanical properties of altered rocks were obviously weakened by water-rock interaction,and with the increase of water-rock interaction,the phenomenon was more obvious; with the increase of circulating times,the elasticity modulus decayed rapidly while the peak intensity was decaying continuously.As the degree of alteration and fragmentation increased,the degree of damage increased regarding the water-rock interaction to the mechanical properties of rock,and after fifteen saturation-dehydration cycles,the damage rate of elasticity modulus reached 60%,while that of peak intensity was 45%.

altered rock；water-rock interaction；uniaxial compression test；SEM; damage evolution law

2015-07-14；

2015-08-27

牛傳星(1990-)，男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事巖土工程理論與應(yīng)用研究，(電話)17854284783(電子信箱)1205165230@qq.com。

10.11988/ckyyb.201505902016,33(08):75-79

TU458

A

1001-5485(2016)08-0075-05