宿 輝， 劉 闊， 王 翀， 白延杰， 程 方*， 隋智力

(1.河北工程大學水利水電學院， 邯鄲 056021； 2.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，邯鄲 056021； 3.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司， 北京 100024； 4.北京城市學院， 北京 100089)

巖質邊坡工程及深埋隧道工程經常面臨巖體的強烈開挖卸荷，這很可能在開挖擾亂的區(qū)域引起應力破壞危險，如巖體的拉動和剪切[1-2]。所以，對于大型水電項目和露天煤礦開采等重大項目，在選址時會考慮砂巖作為其地基或圍巖。巖石的強度及其變形特性構成了理論計算和施工工作的基礎[3]。因此，研究加載條件下砂巖的損傷和破壞情況意義重大。

近年來，眾多學者從不同角度對巖石力學行為進行了物理實驗研究和數(shù)值仿真實驗研究，主要集中在以下方面:①巖石的加、卸載特性方面，如在不同加載路徑[4]、加載速率[5-6]、荷載方向[7]下，巖石力學性能的變化規(guī)律；②對強度影響因素方面，如不同粒徑分布條件下弱膠結顆粒巖石的力學性質[8]、不同含水率條件下砂巖力學性能的變化[9]、尺寸效應對砂巖劈裂的影響[10]、大粒徑石塊分布對土石混合體穩(wěn)定性的影響[11]以及砂巖在酸性環(huán)境干濕循環(huán)作用下的強度退化規(guī)律[12]等。

中外學者對巖石的各種力學和變形特性進行了大量的研究，但對于荷載條件下不同粒徑砂巖的力學性質和破壞特征的研究相對較少。鑒于此，現(xiàn)以黑岱溝露天煤礦邊坡為工程基礎，取當?shù)?種不同粒徑砂巖進行單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，得到取決于砂巖粒徑的抗壓強度、彈性模量、抗拉強度等的變化規(guī)律，提出黑岱溝露天煤礦邊坡砂巖粒徑與其抗壓強度、抗拉強度的函數(shù)關系，并通過基恩士超景深顯微系統(tǒng)觀察分析這3種砂巖的細觀破壞特性，以期為巖質邊坡穩(wěn)定性和水利工程安全性提供參考信息。

1 試驗條件及方案

1.1 試驗設備

采用長春TAW-2000三軸伺服壓力機作為加載系統(tǒng)，進行3種砂巖的單軸壓縮、巴西劈裂試驗，該壓力機軸向最大荷載為2 000 kN；利用線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer，LVDT)作為加載控制系統(tǒng)，加載速率為0.02 mm/s，并且記錄下軸向應變和徑向應變；基恩士超景深顯微系統(tǒng)VHX-5000對試件破壞后裂紋進行觀察，設定超景深光源為環(huán)形照明，放大倍數(shù)150 倍，試驗照片經過一次高動態(tài)范圍圖像(high-dynamic range，HDR)處理后再進行高畫質深度合成，最終獲取試件破壞圖片。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗設備圖Fig.1 Test equipment diagram

1.2 巖樣制備

試驗所用砂巖取自黑岱溝露天煤礦地下巖石工程邊坡，現(xiàn)場鉆取不同位置的砂巖取芯，按照SL 264—2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》，將巖樣加工成φ50 mm ×100 mm和φ50 mm ×25 mm的標準試樣，并對試樣進行切割、打磨，最終選取無明顯裂隙的試樣進行試驗，為保證試驗數(shù)據(jù)符合統(tǒng)計學條件，將單軸壓縮和巴西劈裂試驗均分成3組，每組巖樣均為3個試件。

通過顯微鏡對5 cm×5 cm砂巖薄片進行粒度分析，薄片上顆粒數(shù)目大約為1 000顆，砂巖內礦物分布比較均勻，但粒徑大小不一，測得3種砂巖巖芯密度及粒徑如表1所示。按粒徑大小，將粒徑為0.062 5～0.003 9 mm的歸為粉顆粒砂巖，0.25～0.062 5 mm的歸為細顆粒砂巖，1.0～0.5 mm的歸為粗顆粒砂巖(以下簡稱粉砂巖、細砂巖和粗砂巖)[13]。粉砂巖、細砂巖和粗砂巖的標準試樣如圖2所示。

表1 3種砂巖的平均密度Table 1 Density of three kinds of sandstone

圖2 砂巖試樣圖Fig.2 Sandstones sample map

2 試驗結果及分析

2.1 單軸壓縮試驗結果分析

為研究不同粒徑砂巖在受載條件下的力學性質，對上述3種不同粒徑砂巖進行單軸壓縮試驗，得出3種砂巖單軸壓縮試驗的應力-應變曲線，如圖3所示。

圖3 3種砂巖應力-應變曲線Fig.3 The stress-strain curves of three sandstones

由圖3看出，粉砂巖、細砂巖、粗砂巖3種巖樣的應力-應變曲線的變化趨勢大體相同，其力學演化過程可分為4個階段：初始壓密階段、彈性變形及微彈性裂隙穩(wěn)定擴展階段、非穩(wěn)定裂隙擴展階段和最終破壞階段[6]。受載時3種砂巖均先進入壓密階段，此時，巖石內部孔隙與微裂隙閉合，導致應力-應變曲線呈現(xiàn)“下凹”形。不同的是，粉砂巖在應變0.06%時由壓密階段進入彈性變形階段，而細砂巖、粉砂巖分別在應變0.09%、0.13%時進入下一階段。從壓密段產生應變由小到大排列分別為粉砂巖、細砂巖、粗砂巖，這主要與組成砂巖的顆粒大小有。粉砂巖組成顆粒小、致密，內部孔隙少，細砂巖次之，粗砂巖組成顆粒大，內部孔隙較大，故產生的變形也較大。彈性階段主要是砂巖顆粒、內部孔隙和微裂隙彈性變形的結果。此時，整個巖樣發(fā)生彈性變形，應力-應變曲線基本呈直線形狀。

3種砂巖都具有明顯的非穩(wěn)定裂隙擴展階段，此時，材料內部孔隙坍塌，特別是粗砂巖中，應變速率突然加快，應力集中從尖端出現(xiàn)并向兩端延伸，應力-應變曲線減慢，表明試樣從非穩(wěn)定階段向破壞階段演化。隨著裂紋的不斷聚集、擴展、貫通，形成宏觀可見的裂紋，試樣喪失承載能力。其中粉砂巖在非穩(wěn)定裂隙擴展階段，其膠結物和顆粒共同承載力，導致其實驗曲線接近峰值處產生小幅度波動。

試驗過程中通過監(jiān)測以及應力-應變曲線得到3種砂巖的抗壓強度、彈性模量、峰值應變等巖石力學參數(shù)，粉砂巖、細砂巖、粗砂巖的平均彈性模量分別為22.0、12.8、7.6 GPa，抗壓強度分別為49.7、37.7、25.2 MPa，對應峰值應變分別為0.313%、0.386%、0.466%，細砂巖較粉砂巖強度降低了24.1%，粗砂巖較粉砂巖強度降低了49.4%，如表2所示。

表2 單軸壓縮下砂巖力學參數(shù)Table 2 Sandstone mechanical parameters under uniaxial compression

3種砂巖的抗壓強度、彈性模量、峰值應變對應關系如圖4所示。3種砂巖的抗壓強度、彈性模量、峰值應變的平均值用直線表示，三角、圓形、方形符號為砂巖試件的結果值。

圖4 砂巖力學參數(shù)圖Fig.4 Mechanical parameter of sandstone map

從圖4中可以看出，粉砂巖、細砂巖、粗砂巖的抗壓強度、彈性模量總體呈線性下降，而峰值應變整體呈線性上升。峰后應力-應變曲線的走勢可以成為判斷巖石脆性破壞標準[14]，粉砂巖應力下降最大，細砂巖次之，粗砂巖最小，即粉砂巖在單軸壓縮條件下發(fā)生脆性破壞，粗砂巖則更多呈現(xiàn)延性破壞。

將平均粒徑作為自變量，平均抗壓強度作為因變量，進行非線性曲線擬合，采用Origin軟件進行計算，可以得到3種砂巖粒徑-抗壓強度曲線(圖5)。

y1為平均抗壓強度；x為平均粒徑圖5 3種砂巖粒徑-抗壓強度曲線Fig.5 The particle size-compressive strength curves of three sandstone

相同實驗條件下，粉砂巖、細砂巖、粗砂巖的抗壓強度與其粒徑大小存在指數(shù)函數(shù)關系，粉砂巖、細砂巖、粗砂巖的抗壓強度依次遞減，說明粒徑越大，抗壓強度越小，粒徑越小，顆粒間膠結依附得越充分，顆粒間接觸面積越大，排列越緊密，內部孔隙率越低，抗壓強度越高。粉砂巖、細砂巖、粗砂巖的峰值應力所對應的應變量是依次遞減的，說明粒徑的大小不僅影響砂巖的強度特性，而且影響砂巖的變形特征，其塑性變形能力不同程度的增加。試樣破壞如圖6所示。

圖6 單軸壓縮破壞圖Fig.6 Uniaxial compression failure diagram

2.2 巴西劈裂試驗結果分析

巴西劈裂是衡量巖石抗拉性能的一種常用手段，工程中巖石的破壞不完全是由壓應力造成的，受拉導致巖石破裂的情況時有發(fā)生。因此，獲取砂巖的抗拉強度是十分必要的，由壓力機得到試樣的峰值荷載后帶入抗拉強度計算公式[15]，求得最終試樣的抗拉強度。3種砂巖的巴西劈裂試驗的結果如表3所示。

表3 巴西劈裂結果Table 3 Brazilian splitting result

由表3可以得出，3種砂巖的抗壓強度均遠超其抗拉強度。粉砂巖、細砂巖、粗砂巖抗拉強度分別為2.98、1.99、1.42 MPa，壓拉比分別為16.7、18.9、17.7。

將平均粒徑作為自變量，平均抗拉強度作為因變量，進行非線性曲線擬合，采用Origin軟件進行計算，可以得到3種砂巖粒徑-抗壓強度曲線如圖7所示。

y2為平均抗拉強度；x為平均粒徑圖7 3種砂巖粒徑-抗拉強度曲線Fig.7 The particle size-tensile strength curves of three sandstone

粉砂巖、細砂巖、粗砂巖的抗拉強度與其粒徑大小存在冪函數(shù)關系，粉砂巖、細砂巖、粗砂巖的抗拉強度整體呈現(xiàn)減小趨勢，隨著組成砂巖的顆粒粒徑的增大，抗拉強度減小，細砂巖較粉砂巖抗拉強度降低了33.2%，粗砂巖較粉砂巖抗拉強度降低了52.3%，主要原因是粉砂巖致密，孔隙結構少，在受拉過程中有效黏結力強；細砂巖、粗砂巖的孔隙結構依次增大，尤其粗砂巖顆粒間間距大，孔隙結構多且明顯，使其黏結力明顯降低，抗拉能力大幅降低。因此，在地下巖石工程中，一定做好周圍巖體因拉應力造成破壞的預防措施。

2.3 砂巖細觀破壞特征

粉砂巖、細砂巖、粗砂巖在受壓、受拉破壞時分別具有不同的破壞特征，肉眼很難觀察到，現(xiàn)借助基恩士超景深顯微系統(tǒng)VHX-5000進一步觀察3種砂巖在受壓、受拉破壞后裂隙周圍巖石結構，放大倍數(shù)150 倍，如圖8、圖9所示。

圖8 砂巖單軸壓縮破壞細觀結構圖Fig.8 Microstructure diagram of sandstone under uniaxial compression failure

圖9 砂巖巴西劈裂破壞細觀結構圖Fig.9 Microstructure diagram of sandstone under Brazilian splitting failure

由圖8、圖9可見，在同等放大倍數(shù)情況下，粉砂巖的破壞模式主要為顆粒間膠結物發(fā)生張拉破壞，進而導致試件整體破壞，其破裂邊緣較為光滑，顆粒完整就是證明，這是由于粉砂巖顆粒微小，由于尺寸效應顆粒自身強度高于膠結物強度，在受拉時膠結物先達到破壞極限；細砂巖破壞模式表現(xiàn)為顆粒間膠結物破壞和少量的顆粒發(fā)生破壞，其裂縫邊緣既有光滑部分同時有少量“毛刺”出現(xiàn)，這是砂巖顆粒和膠結物破壞的標志；粗砂巖的破壞以顆粒破壞和顆粒間交接物破壞同步發(fā)生，從裂縫處可觀察到大量“毛刺”，這是由于粗砂巖組成顆粒成分大，孔隙多，顆粒自身和其膠結物強度相差不大造成的。

3 結論

(1)在組成成分相似條件下，組成砂巖的顆粒粒徑對砂巖的力學性能有較大影響，砂巖抗壓強度隨著粒徑增加呈指數(shù)減小的演化規(guī)律，粉、細、粗砂巖的抗壓強度、彈性模量依次降低，細砂巖較粉砂巖抗壓強度降低了24.1%，粗砂巖較粉砂巖強度降低了49.4%。粉砂巖破壞最突然，為脆性破壞，粗砂巖更多表現(xiàn)為延性破壞。

(2)粉、細、粗砂巖的抗拉強度依次降低，砂巖抗拉強度隨著粒徑增加呈冪函數(shù)減小的演化規(guī)律。細砂巖較粉砂巖抗拉強度降低了33.2%，粗砂巖較粉砂巖強度降低了52.3%。3種砂巖具有較大的壓拉比，在受載時更易發(fā)生受拉破壞，其拉壓比分別為16.7、18.9、17.7。

(3)3種砂巖在受拉破壞時具有不同的破壞特征，粉砂巖由于尺寸效應顆粒強度大于顆粒間膠結物強度，以顆粒間膠結物破壞為主；細砂巖的破壞為顆粒間膠結物破壞和少量顆粒破壞；在粗砂巖中，顆粒較大，顆粒間膠結物破壞和顆粒自身破壞同時發(fā)生。