葉四橋 梁炳新 曾 彬 龍小爽 彭 飛

(①重慶交通大學(xué)， 河海學(xué)院， 重慶 400074， 中國(guó))(②重慶交通大學(xué)， 山區(qū)公路水運(yùn)交通地質(zhì)減災(zāi)重慶市高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074， 中國(guó))

0 引 言

三峽庫(kù)區(qū)處于亞熱帶，夏季具有高溫高濕的環(huán)境氣候特征。根據(jù)重慶市氣象局(2020)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 2008～2020年這13年間，每年6～9月份氣溫在35℃以上的高溫天數(shù)達(dá)到35d以上的年份占比為84.61%， 2011年6～9月份高溫天數(shù)更是達(dá)到了61d之多，占全年高溫天數(shù)的50%； 其中： 37～39.9℃高溫天數(shù)平均每年為19.77d； 40℃以上超高溫天氣平均每年為3.8d，最多的是2011年達(dá)到10d(圖1)。同時(shí)，據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)氣溫在35℃以上時(shí)，地表平均溫度超過60℃，極端地表溫度達(dá)到83.4℃。另一方面，三峽庫(kù)區(qū)屬于濕潤(rùn)區(qū)，年平均相對(duì)濕度多在70%～80%，夏季濕度更是達(dá)到90%以上。

圖1 重慶三峽庫(kù)區(qū)6～9月份高溫日數(shù)統(tǒng)計(jì)(數(shù)據(jù)來源于重慶氣象局， 2020)

前人研究表明，溫度、濕度等環(huán)境氣候的交替變化將加速巖石的劣化，特別是對(duì)于軟巖，容易發(fā)生崩解，從而導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)破壞。如，張振華等(2016)采用試驗(yàn)?zāi)M方法研究了三峽水庫(kù)運(yùn)行期消落帶內(nèi)軟巖(中風(fēng)化紫紅色泥巖)的物理特性，結(jié)果表明泥巖在干濕交替作用5個(gè)周期后將不再崩解。劉新榮等(2009)對(duì)干濕循環(huán)作用下的砂巖力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到砂巖黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨循環(huán)作用次數(shù)的增加而不斷下降，從抗剪切參數(shù)因素分析了影響庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性。柴波等(2009)通過統(tǒng)計(jì)獲得三峽庫(kù)區(qū)紅層滑坡的分布規(guī)律，再結(jié)合崩解試驗(yàn)和X射線掃描分析，得出干濕循環(huán)過程中紅層巖土體不僅存在失水收縮的拉破壞，還存在吸水膨脹微裂隙尖端壓應(yīng)力集中引起的壓剪破壞形態(tài)。樊永華(2017)通過對(duì)不同溫度和濕度作用下的泥巖進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，知道濕度對(duì)泥巖強(qiáng)度的影響較大，溫度的影響較小。還有一些學(xué)者采用分維理論，研究了粉砂質(zhì)泥巖在酸雨作用下的崩解特征，結(jié)果表明隨著分維數(shù)的增大，巖樣分解速度越快(趙曉彥等， 2020)。諸多研究對(duì)于濕度條件的考慮主要采取飽和-干燥(或飽和-自然晾干)兩種狀態(tài)的改變來控制，同時(shí)主要針對(duì)溫度或濕度對(duì)巖石物理力學(xué)特性的單因素影響研究，對(duì)于非飽和狀態(tài)的溫濕耦合條件下巖石劣化效應(yīng)的研究較少。

另一方面，巖石的變形破壞過程在本質(zhì)上是能量耗散、釋放，直至斷裂破壞的過程(Steffler et al.，2003； 張雪穎等， 2009； 黎立云等， 2011； 朱澤奇等， 2011； Gao et al.，2012； 李楊等， 2014)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巖石變形破壞的能量演化機(jī)制進(jìn)行了廣泛研究。蘇承東等(2017)對(duì)煤層頂板砂巖在飽水條件下的單軸壓縮破壞能量演化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)飽水后砂巖儲(chǔ)能能力有較大減弱，脆性降低，塑性明顯增強(qiáng)。而砂巖壓縮作用下變形破壞過程中的能量特征方面，體現(xiàn)出巖石的破壞過程是能量的耗散與釋放的結(jié)果(趙寶云等， 2016)。田勇等(2014)研究了灰?guī)r巖樣在不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，巖樣的峰值應(yīng)力和彈性模量與圍壓的線性關(guān)系式。張黎明等(2014)根據(jù)大理巖加荷與卸荷破壞試驗(yàn)結(jié)果，得到了大理巖不同應(yīng)力路徑下的破壞特征和能量演化規(guī)律。張志鎮(zhèn)等(2012， 2015)分別通過煤巖、紅砂巖和花崗巖等3種典型巖石試件的軸向加卸載試驗(yàn)，分析得到了巖石能量演化的非線性特性關(guān)系。蒲超等(2017)研究了三軸壓縮條件下千枚巖破裂與能量演化特征，其特征應(yīng)力點(diǎn)的總能量和儲(chǔ)能的彈性應(yīng)變能均隨圍壓的增大而增大； 圍壓對(duì)巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和峰后能量釋放均有阻礙作用。黃達(dá)等(2012)對(duì)粗晶大理巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到其力學(xué)特性的(準(zhǔn))靜態(tài)加載速率效應(yīng)及能量機(jī)制。杜瑞鋒等(2019)研究了泥質(zhì)砂巖在循環(huán)荷載作用下的3種能量響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明循環(huán)載荷頻率越大， 3種能量變化速率越大。溫韜(2019)根據(jù)不同圍壓下龍馬溪組頁巖的單、三軸試驗(yàn)結(jié)果，分析了頁巖的能量演化、損傷演化和脆性特征，發(fā)現(xiàn)能量的耗散與巖石損傷具有正相關(guān)性，基于能量的損傷演化規(guī)律符合“S”型曲線特征。由以上所述可知，能量演化過程對(duì)于深入揭示巖石變形破壞機(jī)制具有重要意義，以往關(guān)于溫度和濕度對(duì)巖石變形破壞特性的影響鮮有對(duì)于能量演化的影響分析。

因此，為了深入揭示非飽和狀態(tài)的溫濕循環(huán)作用對(duì)三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸巖層的劣化效應(yīng)，以重慶市長(zhǎng)壽區(qū)長(zhǎng)江兩岸廣泛分布的粉砂質(zhì)泥巖為研究對(duì)象，模擬三峽庫(kù)區(qū)夏季高溫高濕環(huán)境及晝夜循環(huán)作用。通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試不同溫濕循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮力學(xué)特性，并進(jìn)一步分析變形破裂特征，結(jié)合能量原理，分析不同溫濕循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮能量演化機(jī)制，揭示溫濕循環(huán)的劣化效應(yīng)。研究成果對(duì)三峽庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)估具有重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)所用粉砂質(zhì)泥巖試樣均取自重慶長(zhǎng)壽長(zhǎng)江二橋工程項(xiàng)目南岸錨碇區(qū)域的中風(fēng)化層，巖樣呈灰褐色或紅色，由黏土礦物組成，砂質(zhì)含量高。根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)(中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2013)中的規(guī)定并結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備的制樣要求，將取自同一巖石塊體的各個(gè)試件加工成直徑為50mm，高100mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣后，使用NM-4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀，測(cè)定粉砂質(zhì)泥巖試件的密度和超聲波波速，然后選擇試樣密度與縱波波速均相近，離散系數(shù)較小的試樣進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，并用記號(hào)筆分組編號(hào)(圖2)。加工試件兩端面不平行度控制在±0.5mm以內(nèi)，沿試件高度直徑誤差控制在±0.3mm以內(nèi)，斷面垂直軸線偏差控制在±0.25°以內(nèi)。

圖2 粉砂質(zhì)泥巖標(biāo)準(zhǔn)巖石試件

1.2 溫濕循環(huán)處理

1.2.1 溫濕循環(huán)作用設(shè)定

針對(duì)重慶三峽庫(kù)區(qū)典型的晝夜及季節(jié)性溫濕循環(huán)氣候特征，將溫濕循環(huán)作用的次數(shù)設(shè)為試驗(yàn)變量。具體試驗(yàn)條件設(shè)定如下：

(1)較高溫濕條件：溫度值設(shè)定為80℃，濕度為90% RH。

(2)較低溫濕條件：溫度值設(shè)定為25℃，濕度為50% RH。

(3)單次溫濕循環(huán)：先將試樣在較高溫濕條件下作用12h，然后調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境為較低溫濕條件并作用12h，以此作為一次溫濕循環(huán)。

(4)粉砂質(zhì)泥巖試樣的溫濕循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1、3、5次共3組，并設(shè)置一組對(duì)照組(對(duì)照組試驗(yàn)環(huán)境恒定為溫度25℃、濕度50% RH)，分別標(biāo)記為Nb、Nc、Nd和N0。每組包含3個(gè)試樣，分別用1、2、3標(biāo)記，如溫濕循環(huán)次數(shù)為5次的3個(gè)試樣分別標(biāo)記為Nd1、Nd2和Nd3。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用SDJ61A型濕熱試驗(yàn)箱(圖3)設(shè)置一定的溫度和濕度環(huán)境條件。該設(shè)備的性能參數(shù)為：溫度可調(diào)節(jié)范圍為-70～150℃，均勻度為±2.0℃； 濕度可調(diào)節(jié)范圍為10%～98% RH，均勻度為±5% RH。試驗(yàn)箱包含恒溫試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、恒定濕熱試驗(yàn)、交變濕熱試驗(yàn)4種功能，本試驗(yàn)是對(duì)粉砂質(zhì)泥巖試樣進(jìn)行變溫濕度循環(huán)，故使用的交變濕熱試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑浼訙亟禍睾臅r(shí)≤80min。

圖3 SDJ61A型濕熱試驗(yàn)箱

2 溫濕循環(huán)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮力學(xué)特性

采用RMT-301巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備對(duì)溫濕循環(huán)作用后的粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定其抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量等參數(shù)，并分析其破裂特征。試驗(yàn)采用0.5MPa·s-1的速率進(jìn)行加載直至試件破壞。

2.1 力學(xué)參數(shù)分析

不同溫濕循環(huán)次數(shù)處理后的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，并得到相應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E(取軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上近于直線段的斜率)和變形模量E50(取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上峰值強(qiáng)度50%處的割線斜率)列于表1。由此可知，在試驗(yàn)的溫濕循環(huán)作用次數(shù)范圍內(nèi)，粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和變形模量與溫濕循環(huán)作用次數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且近似于線性關(guān)系(圖5～圖7)。隨著溫濕循環(huán)作用次數(shù)從0次增加到5次，粉砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度平均值從45.52MPa下降到23.12MPa，減小幅度達(dá)到49.21%； 彈性模量平均值從4.54GPa下降到2.13GPa，減小幅度達(dá)到53.11%； 變形模量平均值從4.36GPa下降到1.84GPa，減小幅度達(dá)到57.78%。同時(shí)，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變與溫濕循環(huán)作用次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。總之，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖彈性削弱，塑性增強(qiáng)。

圖4 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖6 粉砂質(zhì)泥巖彈性模量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7 粉砂質(zhì)泥巖變形模量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

表1 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)

2.2 破裂特征分析

粉砂質(zhì)泥巖經(jīng)過不同溫濕循環(huán)作用后單軸抗壓試驗(yàn)部分試件破壞形態(tài)見圖8。試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)為脆性破壞，自然狀態(tài)下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮破壞形式為一個(gè)較完整的單斜面剪切破壞(圖8a)。經(jīng)歷溫濕循環(huán)作用后，試件破壞過程中難以形成一個(gè)較完整的斜向剪切面，一方面，試樣沿由主裂紋構(gòu)成的1～2個(gè)主要斜向破裂面發(fā)生剪切破壞； 另一方面，試樣在單軸壓縮過程中橫向膨脹，導(dǎo)致張拉破裂，使得試樣在這種橫向膨脹張拉作用下產(chǎn)生橫向張拉型翼裂紋(張拉破壞)，或者在橫向膨脹張拉與縱向剪切共同作用下產(chǎn)生斜向的張拉-剪切混合型翼裂紋(張拉-剪切混合破壞)。當(dāng)溫濕循環(huán)次數(shù)較多時(shí)(如達(dá)到5次，圖8d所示)，試樣橫向膨脹的效應(yīng)更為顯著，甚至使得試樣發(fā)生局部的巖塊崩落現(xiàn)象。

圖8 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮試驗(yàn)部分試件破壞形態(tài)

因此，從試樣破壞的細(xì)觀機(jī)理來看，溫濕循環(huán)顯著降低了粉砂質(zhì)泥巖的巖土體顆粒與顆粒之間的黏結(jié)力，使顆粒間發(fā)生斷裂時(shí)的強(qiáng)度減小、脆性增加、黏性降低甚至消失。這種顆粒間黏結(jié)力的降低，一方面與溫濕循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)，循環(huán)次數(shù)越多，降低的幅度越大； 另一方面，在本文試驗(yàn)的條件下，該黏結(jié)力的降低對(duì)于整個(gè)試樣而言并非是均勻的，而是呈一定的梯度變化，即在同一單位時(shí)間內(nèi)，越靠近試樣表層，顆粒間黏結(jié)力的降低速率越大。由此可見，理論上，溫濕循環(huán)將使得粉砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度減小、脆性增加、塑性降低，而這與圖4中應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示出的試樣強(qiáng)度減小、脆性降低、塑性增加的宏觀特征不一致。其原因在于，溫濕循環(huán)雖然在細(xì)觀上降低了巖土體顆粒間的黏結(jié)力，使之強(qiáng)度減小、脆性增加、黏性降低，但恰恰因?yàn)槿绱耍沟迷嚇釉趩屋S壓縮過程中，隨著力的增加，試樣更容易產(chǎn)生翼裂紋甚至局部崩落破壞，試樣在變形破壞過程中不斷碎裂崩落，破壞后其巖石塊體的碎裂程度比較大，表現(xiàn)出一定的殘余強(qiáng)度和殘余變形。如前所述，由于試樣受影響的程度不是均勻的，而是呈一定的梯度變化，當(dāng)溫濕循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，試樣破壞過程中甚至?xí)霈F(xiàn)巖塊由表及里地一層一層地不斷剝落現(xiàn)象。因此，試樣在細(xì)觀和宏觀上表現(xiàn)出的脆性和塑性變化特征相反。但無論如何，在溫濕循環(huán)作用下，細(xì)觀上的顆粒間破壞強(qiáng)度減小，均使得宏觀上表現(xiàn)出的破壞強(qiáng)度顯著降低。

而對(duì)于未受溫濕循環(huán)作用的試樣，其顆粒間的黏結(jié)力較大，在單軸壓縮過程中只能沿著單一剪切面發(fā)生破裂，峰值應(yīng)力時(shí)其剪切面完全貫通，殘余強(qiáng)度和殘余變形接近于零。因此，其宏觀上表現(xiàn)出的強(qiáng)度更大、脆性更大、塑性更小。

3 溫濕循環(huán)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮能量演化規(guī)律

3.1 巖石單軸壓縮能量特征分析

巖石試樣受壓破壞的能量轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)是試樣在受壓密實(shí)過程中能量不斷累積，當(dāng)達(dá)到能量峰值后一瞬間釋放可釋放彈性能及消耗能等各種能量的全過程。熱力學(xué)定律也表明，能量的轉(zhuǎn)化是物質(zhì)體發(fā)生物理變化的內(nèi)在本質(zhì)，巖石試樣受壓損傷及破壞均是能量驅(qū)動(dòng)下宏觀失穩(wěn)現(xiàn)象的演化(張志鎮(zhèn)等， 2015)。試件加載過程中不斷受壓密實(shí)，在應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)峰值前通過試驗(yàn)機(jī)吸收能量，峰值后壓碎破壞則是釋放能量的過程。在整個(gè)試驗(yàn)壓縮過程中，當(dāng)可釋放彈性能積蓄到超過巖石試樣所能負(fù)載的最大極值，巖石試樣開始失穩(wěn)破裂，同時(shí)向外界釋放能量(黃達(dá)等， 2012)。

從熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，耗散能是單向釋放過程，而可釋放彈性能則是雙向的。耗散能量是巖石變形失穩(wěn)破壞的根本屬性，反映受加載巖石內(nèi)部新生裂隙的不斷孕育、擴(kuò)張、演化、材料強(qiáng)度逐漸弱化并最終發(fā)生巨大破壞的過程。在高溫高濕環(huán)境下，粉砂質(zhì)泥巖顆粒吸濕膨脹，導(dǎo)致其塑性增強(qiáng)且力學(xué)特性發(fā)生劣化，可釋放彈性能儲(chǔ)蓄能力降低，耗散能增大。

3.2 粉砂質(zhì)泥巖能量演化規(guī)律

假設(shè)試樣在試驗(yàn)加載過程中與外界未發(fā)生熱交換，即為完全封閉系統(tǒng)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，試驗(yàn)機(jī)做功總能U(試樣吸收能量)為(謝和平等， 2005)：

U=Ud+Ue

(1)

式中：Ud為耗散能；Ue為可釋放彈性能，其對(duì)應(yīng)于應(yīng)力單位為MPa的單位為MJ·m-3。

粉砂質(zhì)泥巖在單軸壓縮過程中的能量關(guān)系如圖9所示。圖中OC為受壓時(shí)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣做功過程，CA為卸載時(shí)試樣積蓄可釋放彈性能對(duì)試驗(yàn)機(jī)做功過程。此時(shí)試驗(yàn)機(jī)輸入給試樣的總能量為應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變軸圍成的面積(圖9中OCB)：

圖9 粉砂質(zhì)泥巖在單軸壓縮過程中的能量關(guān)系(謝和平等， 2005)

(2)

在實(shí)際巖石試樣受壓達(dá)到破壞時(shí)，除了釋放的可釋放彈性能外，還有其他各種形式的耗散能，比如摩擦熱能，破壞巖塊動(dòng)能等。其中：可釋放彈性能Ue，可用圖9中三角形ABC所圍成的陰影面積計(jì)算：

(3)

式中：E0為卸載時(shí)的模量，為方便計(jì)算，可采用加載時(shí)的彈性模量E近似計(jì)算。此外，其他部分耗散能Ud，可用圖9中OAC所占區(qū)域面積計(jì)算：

Ud=U-Ue

(4)

根據(jù)式(2)～式(4)，可得到不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮能量特征值，如表2和圖10～圖12所示。

圖10 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過程中總能量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖11 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過程中彈性能及其占比與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖12 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過程中耗散能及其占比與溫濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

表2 不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖能量特征值

其中：粉砂質(zhì)泥巖總能量U、可釋放彈性能Ue和彈性能占比平均值的擬合公式為：

U(N)=-0.0197N+0.2625

(5)

Ue(N)=-0.0256N+0.2278

(6)

Ue/U(N)=-5.2847N+88.141

(7)

Nd2試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較大的離散性，故在計(jì)算平均值時(shí)將其剔除，帶下劃線數(shù)據(jù)為剔除數(shù)據(jù)由此可知，在試驗(yàn)的溫濕循環(huán)作用次數(shù)范圍內(nèi)，粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮總能量U、可釋放彈性能Ue及其占比均與溫濕循環(huán)作用次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且近似于線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為： 0.9994、0.9994和0.9597。隨著溫濕循環(huán)作用次數(shù)從0次增加到5次，粉砂質(zhì)泥巖的總能量平均值從0.262MJ·m-3下降到0.150MJ·m-3，減小幅度達(dá)到42.29%； 可釋放彈性能平均值從0.228MJ·m-3下降到0.088MJ·m-3， 減小幅度達(dá)到61.47%； 彈性能平均值占比從86.9%下降到58.7%，減小幅度為32.45%。

同時(shí)，不可恢復(fù)耗散能Ud與耗散能占比平均值的擬合公式為：

Ud=0.0062N+0.034

(8)

Ud/U(N)=5.2847N+11.859

(9)

由此可知，不可恢復(fù)的消耗能及其占比與溫濕循環(huán)作用次數(shù)近似呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.966、0.9597。不難發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的0～5次溫濕循環(huán)作用下，粉砂質(zhì)泥巖的不可恢復(fù)耗散能平均值從0.034MJ·m-3增加到0.062MJ·m-3，增加幅度達(dá)到80.86%； 消耗能平均值占比從13.1%增加到41.3%，增加幅度為215.27%。從式(5)、式(6)和式(8)中可看出，溫濕循環(huán)作用顯著降低了粉砂質(zhì)泥巖的彈性能儲(chǔ)能能力，同時(shí)在一定程度上增加了耗散能，從而促進(jìn)巖石形成宏觀破裂面且強(qiáng)度喪失。溫濕循環(huán)作用對(duì)于粉砂質(zhì)泥巖彈性能的降低速率約為耗散能增加速率的4倍，因此，總體上顯著削弱了粉砂質(zhì)泥巖的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化能力。所以，從能量分析角度也可看出，溫濕循環(huán)作用對(duì)于粉砂質(zhì)泥巖的彈性性能具有顯著削弱作用。

4 結(jié) 論

針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)夏季高溫高濕及晝夜溫濕循環(huán)作用，對(duì)經(jīng)過加工后得到的粉砂質(zhì)泥巖標(biāo)準(zhǔn)試樣，在SDJ61A型濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行一系列循環(huán)次數(shù)的溫濕循環(huán)作用，然后測(cè)試其單軸壓縮力學(xué)性能，分析其應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強(qiáng)度、變形、破裂特征及能量特征，得到以下主要結(jié)論：

(1)粉砂質(zhì)泥巖在不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量和變形模量均有不同程度的影響。單軸抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量與變形模量平均值的降幅分別為49.21%、53.11%和57.78%。

(2)粉砂質(zhì)泥巖在不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下試樣的總能量、彈性量及其消耗量均有不同程度的影響。單軸壓縮總能量U、可釋放彈性能Ue及其占比平均值的降幅分別為42.29%、58.7%和32.45%； 相反，不可恢復(fù)的耗散能Ud與其占比平均值的增幅為80.86%和215.27%。因此，從能量方面看出，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖的脆性性質(zhì)削弱，而塑性性質(zhì)增強(qiáng)。

(3)細(xì)觀上，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖顆粒間的黏結(jié)力降低，從而使其顆粒間發(fā)生破壞時(shí)的強(qiáng)度減小、脆性增加、黏性降低，其變化幅度與溫濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系； 同時(shí)，顆粒間黏結(jié)力降低幅度在巖體內(nèi)不是均勻分布的，而是由表及里呈一定的梯度變化，越靠近表面，其降低幅度越大。

(4)宏觀上，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖試樣在單軸壓縮變形破壞過程中易于產(chǎn)生橫向膨脹的張拉型翼裂紋或斜向的張拉-剪切混合型翼裂紋，破壞時(shí)巖石更為破碎，與一般氣候環(huán)境下的巖樣相比，表現(xiàn)出脆性降低，塑性增加的特征。