付建軍， 董正東， 楊艷霜，， 易 恒

(1. 中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司 水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室， 長沙 410014； 2. 湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院， 武漢 430068)

本文以不同水巖環(huán)境下砂巖的劣化進程為切入點，對天然狀態(tài)、飽水作用和干濕循環(huán)處理過的砂巖試塊進行單軸壓縮試驗，獲得了不同水巖作用下砂巖的強度和變形參數(shù)變化特征，闡明了砂巖在飽水作用和干濕循環(huán)兩種不同水巖作用下的弱化效應，本文研究成果可為水電站邊坡巖體的穩(wěn)定性分析提供試驗依據(jù).

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料和設(shè)備

本次試驗選取巖樣為某水電站邊坡長英質(zhì)砂巖，微風化，節(jié)理顯著，切片鑒定巖性為絹云母中粒長英砂巖，孔隙式鈣質(zhì)膠結(jié).砂巖粒徑為0.04～0.24 mm，其構(gòu)成成分為石英58%，長石22%，巖屑13%，云母7%.

砂巖通過切磨等程序，制成大小為φ50 mm×100 mm的標準圓柱，要求兩端面平行度小于等于0.002 mm，垂直度小于等于0.001 mm，表面平整度小于等于±0.001 mm.

1.2 試驗方案

本文試驗目的是通過比較天然狀態(tài)、飽水作用以及干濕循環(huán)下巖石試樣的強度和變形參數(shù)，研究不同水巖作用對巖石力學性質(zhì)的影響.三類試驗的具體試驗方案為：1)天然狀態(tài)，試樣處于室溫和自然通風條件下，試樣的含水率為天然含水率；2)飽水作用條件下，采用真空飽和法使試件在pH為7的常溫水中飽和并保持一定的時間，完成一次飽水作用；3)干濕循環(huán)條件，采用真空飽和法，把制備好的巖石試件放進pH為7的常溫水中進行飽和24 h，然后將試件置于80 ℃烘箱中干燥24 h，完成一次干濕循環(huán).

此次試驗共用試樣27塊.將試件均分為9組，每組有3個試件，試驗結(jié)果皆取三個試件的平均值.第1組試樣進行自然干燥條件下的試驗；第2～5組試樣分別進行1、5、10和15次干濕循環(huán)試驗，則對應所需的干濕循環(huán)時間分別為2、10、20和30 d；第6～9組進行飽水作用條件下的試驗，且每組飽水作用條件下的試驗與干濕循環(huán)試驗所對應的時間一致.

取出制備好的砂巖試塊，在MTS815巖石力學試驗機上進行單軸壓縮試驗，試驗中采用軸向位移控制方式加載，加載速率為0.01 mm/s[6].

2 試驗結(jié)果

2.1 應力應變曲線

圖1 飽水作用下砂巖單軸抗壓應力應變曲線Fig.1 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone under saturated-water effect

隨著水巖作用次數(shù)的增加，砂巖的彈性模量(曲線直線段斜率)不斷減小，而應力峰值對應的應變不斷增加，變化范圍為0.6%～0.8%.隨著水巖作用次數(shù)的增加，受水巖作用累積損傷影響，微裂隙壓密階段曲線投影長度變長，彈性變形階段曲線投影長度變短，屈服階段曲線變化不是很明顯，試件塑性變形階段曲線變緩且投影長度顯著變長，即水巖作用使得砂巖在脆性破壞程度上減弱.

圖2 干濕循環(huán)下砂巖單軸抗壓應力應變曲線Fig.2 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone under wet-dry cycle

2.2 單軸抗壓強度和變形參數(shù)

砂巖單軸壓縮強度和彈性模量試驗結(jié)果如表1所示.可以看出，兩種水巖作用對砂巖試件的單軸抗壓強度和彈性模量都有較大影響.天然狀態(tài)的砂巖試件單軸抗壓強度和彈性模量分別為52.35和7 631.13 MPa，飽水作用15次后試件單軸抗壓強度和彈性模量分別減少了27.22%和35.16%，干濕循環(huán)15次后試件單軸抗壓強度和彈性模量分別降低了40.29%和49.79%.

表1 不同水巖作用的砂巖單軸抗壓強度和彈性模量Tab.1 Uniaxial compressive strength and elastic modulus of sandstone subjected to different water-rock interaction MPa

為了比較兩種水巖作用對砂巖單軸抗壓強度和彈性模量的影響，將測得數(shù)據(jù)作為標準(天然狀態(tài)為循環(huán)0次)，對單軸抗壓強度σc、彈性模量E與水巖作用次數(shù)n之間的關(guān)系進行非線性擬合回歸分析.研究可得，飽水作用和干濕循環(huán)條件下，單軸抗壓強度σc與水巖作用次數(shù)n之間的擬合函數(shù)分別為

σc1(n)=44.3-2.08ln(n+0.02)

(1)

σc2(n)=42.42-4.13ln(n+0.09)

(2)

兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.98和0.99.

飽水作用和干濕循環(huán)條件下，彈性模量E與水巖作用次數(shù)n之間的擬合函數(shù)分別為

E1(n)=6 258.54-420.79ln(n+0.04)

(3)

E2(n)=5 789.12-692.31ln(n+0.07)

(4)

兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.99.

擬合曲線與實測數(shù)據(jù)的對比如圖3、4所示.擬合曲線與數(shù)據(jù)點之間比較吻合，可根據(jù)擬合函數(shù)分析水巖作用下的單軸抗壓強度和彈性模量.

水巖作用對砂巖試塊有很強的劣化效應，具體表現(xiàn)為各組砂巖試塊平均單軸抗壓強度、彈性模量與水巖作用次數(shù)之間的負相關(guān)關(guān)系，即隨著水巖作用次數(shù)的增加，砂巖試塊單軸抗壓強度和彈性模量表現(xiàn)為單調(diào)遞減趨勢，而曲線的降低幅度不斷變小，其漸進線趨向于與x軸平行.干濕循環(huán)作用后的砂巖試塊強度和彈性模量比飽水作用的要小得多，說明干濕循環(huán)對砂巖試件的損傷劣化更加嚴重，在實際工程中具體表現(xiàn)為干濕循環(huán)對新鮮裸露的巖石損傷劣化作用更加突出.

圖3 不同水巖作用砂巖單軸抗壓強度與水巖作用次數(shù)關(guān)系

Fig.3 Relationship between uniaxial compressive strength and interaction times of sandstone subjected to different water-rock interaction

圖4 不同水巖作用砂巖彈性模量與水巖作用次數(shù)關(guān)系

Fig.4 Relationship between elastic modulus and interaction times of sandstone subjected to different water-rock interaction

3 結(jié)果分析

飽水作用和干濕循環(huán)是兩種常見的水巖作用，砂巖在這兩種作用下的劣化機理有所不同.飽水作用下，水從試件表面浸入試件內(nèi)部裂隙，親水性礦物顆粒吸附水膜增厚發(fā)生體積膨脹，巖石發(fā)生體積膨脹.除此之外，飽水作用下砂巖內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)的溶蝕導致顆粒間的黏結(jié)減弱，礦物顆粒的內(nèi)部分子之間距離增加，膠結(jié)物質(zhì)的溶解產(chǎn)生不規(guī)則的次生裂隙，而原生裂隙在水的損傷作用下逐漸發(fā)育，也產(chǎn)生新的次生裂隙，新老裂隙不斷擴張延伸并形成融匯貫通，更多的水進入并填充裂隙，加快對裂隙端處的沖蝕.而飽水次數(shù)的增加，是飽水作用對巖石內(nèi)部裂隙的一個累積損傷作用.因此，砂巖試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，試件抵抗變形能力變?nèi)?，強度和彈性模量降?

干濕循環(huán)過程是試件在飽和損傷的基礎(chǔ)上，對試件進行干燥.在干燥過程中，試件裂隙中的自由水蒸發(fā)與親水礦物顆粒內(nèi)部的結(jié)合水升華形成失水耦合作用，氣體沿著裂隙向外擴散.親水性礦物失水產(chǎn)生收縮，且體積收縮.在這種飽和吸水親水礦物顆粒體積膨脹、干燥失水親水礦物顆粒體積收縮和氣體擴散的共同作用下，試件裂隙繼續(xù)發(fā)展，所以，干濕循環(huán)的強度和變形參數(shù)比飽水作用的要低.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，試件內(nèi)部裂隙率及水對其侵蝕損傷程度也隨之增加，裂隙的延伸擴展又反過來促進干濕循環(huán)作用的進行，因此，強度和彈性模量也相應的不斷減小[12-15].

4 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 試驗研究闡明了砂巖單軸抗壓強度和彈性模量在兩種不同水巖作用過程中的弱化現(xiàn)象，并且其弱化程度隨著水巖作用次數(shù)的增加而增加，最終趨向于穩(wěn)定值，干濕循環(huán)對砂巖力學特性的劣化效應強于飽水作用對砂巖力學特性的劣化效應.

2) 砂巖力學參數(shù)在水巖作用初期的弱化響應比較強烈，后期弱化幅度降低.單軸抗壓強度σc、彈性模量E與水巖作用次數(shù)n之間呈對數(shù)關(guān)系.