龍朝輝

（廣東東水工程項(xiàng)目管理有限公司，廣東 東莞 523000）

目前，眾多學(xué)者紛紛展開(kāi)研究，徐千軍等［1］指出通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)研究坡體內(nèi)部巖石的損傷機(jī)理，并總結(jié)水巖作用的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致巖石的力學(xué)性質(zhì)呈下降趨勢(shì)。傅晏等［2］指出巖石在地下水滲流過(guò)后會(huì)產(chǎn)生蝕變現(xiàn)象，從而弱化巖石的力學(xué)性能。姚華彥等［3］指出砂巖會(huì)隨干濕循環(huán)次數(shù)的遞增產(chǎn)生一種由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)，同時(shí)，也指出大理巖、花崗巖等巖石具有相似的劣化趨勢(shì)。宋勇軍等［4］為探究紅砂巖在動(dòng)態(tài)干濕循環(huán)作用下是否會(huì)在抗拉強(qiáng)度上存在顯著的劣化效應(yīng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)試驗(yàn)，設(shè)定不同的加載速率和干濕循環(huán)次數(shù)來(lái)量化對(duì)紅砂巖力學(xué)性能的影響。柴肇云等［5］基于單軸沖擊壓縮試驗(yàn)來(lái)分析煤礦砂巖在干濕循環(huán)作用下的力學(xué)動(dòng)態(tài)演化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)砂巖在首次干濕循環(huán)中其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一個(gè)顯著的增強(qiáng)效應(yīng)，但隨循環(huán)次數(shù)遞增，其單軸抗壓強(qiáng)度逐漸轉(zhuǎn)化成遞減趨勢(shì)。鄧華鋒等［6］利用高速攝像機(jī)來(lái)探究在動(dòng)態(tài)沖擊作用下，砂巖的破壞特征和變形演化趨勢(shì)。柴少波等［7］以三峽庫(kù)區(qū)的砂巖為試驗(yàn)對(duì)象，分析飽水-風(fēng)干循環(huán)對(duì)其影響，發(fā)現(xiàn)隨循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的損傷越顯著。

本文以某水庫(kù)水位波動(dòng)對(duì)庫(kù)岸邊坡的影響為工程背景，將試驗(yàn)對(duì)象設(shè)定為水庫(kù)水位幅變區(qū)域帶的砂巖，通過(guò)巖石三軸壓縮儀器來(lái)研究砂巖在水巖作用下的力學(xué)劣化特性及演化規(guī)律。干濕循環(huán)分別采用飽水和風(fēng)干砂巖試樣來(lái)展開(kāi)試驗(yàn)研究，量化砂巖的力學(xué)演化規(guī)律和劣化特性，并引入劣化率的概念來(lái)闡述水位波動(dòng)時(shí)的砂巖力學(xué)性質(zhì)，旨在還原工程實(shí)際中水位波動(dòng)對(duì)庫(kù)岸砂巖力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水庫(kù)庫(kù)岸邊坡內(nèi)部廣泛分布砂巖，其力學(xué)特性是庫(kù)岸邊坡安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本文試驗(yàn)所用砂巖選自某地區(qū)某水庫(kù)邊坡內(nèi)部巖體，由云母、斜長(zhǎng)石和石英等構(gòu)成，具有典型的代表性，天然密度2.7 g/cm3。試驗(yàn)前基于《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》［8］對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理，規(guī)范規(guī)定巖石試樣尺寸應(yīng)為r=25 mm（半徑）、l=100 mm（高度）的圓柱體，并在試驗(yàn)前，對(duì)預(yù)處理好的巖石試樣展開(kāi)回彈值和縱波波速檢測(cè)，選取達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)分為4 個(gè)試驗(yàn)組，每個(gè)試驗(yàn)組再設(shè)置4 個(gè)巖石試樣進(jìn)行對(duì)照分析；將試樣按15，5，1，0 循環(huán)次數(shù)展開(kāi)干濕循環(huán)試驗(yàn)（通過(guò)設(shè)定飽水條件來(lái)模擬濕潤(rùn)工況及設(shè)定風(fēng)干條件來(lái)模擬干燥工況）。一次飽水-風(fēng)干循環(huán)試驗(yàn)包含試樣浸泡和浸泡風(fēng)干程序，其中浸泡程序是對(duì)試樣浸泡25 d，模擬水位上升階段，以期達(dá)到砂巖試樣飽和狀態(tài)；浸泡風(fēng)干程序是將試樣放置在風(fēng)干試驗(yàn)箱里進(jìn)行5 d 的風(fēng)干，模擬庫(kù)區(qū)水位下降現(xiàn)象。然后將浸泡和浸泡風(fēng)干后的試樣按照20，10，5，0 MPa 圍壓強(qiáng)度進(jìn)行三軸力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)軸向逐級(jí)加載向試樣施加垂直荷載，直至試樣產(chǎn)生斷裂破壞現(xiàn)象，在此期間通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄試樣的應(yīng)力－應(yīng)變演化數(shù)據(jù)，并基于試驗(yàn)后的試樣測(cè)算出試樣破壞時(shí)其破壞面與最大軸向作用面夾角，為推算內(nèi)摩擦角提供校核參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂巖試樣峰值抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

不同圍壓強(qiáng)度下飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下的峰值抗壓強(qiáng)度，其峰值抗壓強(qiáng)度數(shù)值主要受循環(huán)次數(shù)和圍壓強(qiáng)度影響顯著，峰值抗壓強(qiáng)度與圍壓強(qiáng)度呈正比；與循環(huán)次數(shù)呈反比。峰值抗壓強(qiáng)度在圍壓強(qiáng)度為20 MPa，循環(huán)次數(shù)為0 次時(shí)，其達(dá)到試驗(yàn)最大峰值抗壓強(qiáng)度，即185.02 MPa。不同飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下砂巖應(yīng)力－應(yīng)變擬合曲線如圖1。由圖1 可知，循環(huán)次數(shù)與砂巖的峰值強(qiáng)度呈反比，循環(huán)次數(shù)越多，會(huì)引起峰值強(qiáng)度產(chǎn)生更大的應(yīng)變現(xiàn)象。

圖1 不同飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下砂巖應(yīng)力－應(yīng)變擬合曲線

基于圍壓強(qiáng)度的演化和飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)顯著的影響峰值抗壓強(qiáng)度數(shù)值，試驗(yàn)將自變量定義為不同圍壓強(qiáng)度值和不同飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)N，將因變量定義為峰值抗壓強(qiáng)度，而后展開(kāi)試驗(yàn)量化分析峰值抗壓強(qiáng)度所受的影響，其動(dòng)態(tài)演化關(guān)系曲線如圖2。

圖2 飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下峰值抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖2(a)顯示，不同圍壓強(qiáng)度下，總體呈現(xiàn)隨循環(huán)次數(shù)的增加產(chǎn)生應(yīng)力遞降趨勢(shì)，其中峰值抗壓強(qiáng)度在前兩個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，產(chǎn)生較為顯著的應(yīng)力沉降，而后隨循環(huán)次數(shù)的遞增，其峰值抗壓強(qiáng)度逐漸趨于平緩，循環(huán)次數(shù)對(duì)峰值抗壓強(qiáng)度的劣化特性逐漸趨于弱化。

圖2(b)顯示，在不同飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)下，隨圍壓強(qiáng)度的遞增，峰值抗壓強(qiáng)度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，循環(huán)次數(shù)越大，峰值抗壓強(qiáng)度增幅越顯著。說(shuō)明砂巖峰值抗壓強(qiáng)度受?chē)鷫貉莼?guī)律的顯著影響，砂巖的峰值抗壓強(qiáng)度降幅與圍壓強(qiáng)度值呈反比例關(guān)系。

圖2(c)顯示，不同圍壓強(qiáng)度下，飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)和峰值抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，與指數(shù)分布相似，同時(shí)，兩參數(shù)可通過(guò)指數(shù)函數(shù)關(guān)系式來(lái)表達(dá)，即：

式中N 為干濕循環(huán)次數(shù)（飽水－風(fēng)干工況下）；A，B，C 均為試驗(yàn)擬合的常數(shù)。

2.2 砂巖試樣黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 的演化規(guī)律

圖3 顯示三軸試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度基本參數(shù)，基于規(guī)范提出的摩爾-庫(kù)倫基本準(zhǔn)則，可繪制出砂巖試樣的內(nèi)摩擦 角φ 和 黏聚力c，并通過(guò) Origin 進(jìn)行線性擬合得到關(guān)系曲線，如圖3。表1 顯示不同飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c 計(jì)算結(jié)果，由表1 可知，飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)N 與抗剪強(qiáng)度基本參數(shù)黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ呈反比例關(guān)系。

表1 飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c 計(jì)算結(jié)果

圖3 黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 值隨飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)變化擬合曲線

基于圖3的演化曲線和表1 的抗剪強(qiáng)度基本參數(shù)，可推導(dǎo)出砂巖試樣在飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下，隨循環(huán)次數(shù)的遞增，內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c 均呈總體數(shù)值降低趨勢(shì)，但劣化趨勢(shì)呈差異性，其演化關(guān)系符合指數(shù)分布規(guī)律，也可用函數(shù)關(guān)系進(jìn)行表示，即：

內(nèi)摩擦角φ 為：

黏聚力c 為：

在經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)15 次后，內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力c 分別降低15%和30%；由45.75°變?yōu)?8.72°和由18.39 MPa 變?yōu)?2.76 MPa；即為初始值的84.63%和初始值的69.39%。在同一循環(huán)次數(shù)下，內(nèi)摩擦角φ降幅均低于黏聚力c，說(shuō)明飽水－風(fēng)干循環(huán)作用更加顯著的影響?zhàn)ぞ哿 的數(shù)值。

2.3 巖石力學(xué)性質(zhì)劣化的變化分析

基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，砂巖力學(xué)性質(zhì)在飽水－風(fēng)干循環(huán)作用下產(chǎn)生顯著的劣化現(xiàn)象。為定量分析劣化發(fā)展規(guī)律，通過(guò)內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強(qiáng)度τ 參數(shù)來(lái)擬合構(gòu)建劣化率函數(shù)關(guān)系式，如式（4）：

式中F(N)，f(N)，f(0)分別為循環(huán)N 次后的劣化率；循環(huán)N 次后的力學(xué)參數(shù)值和砂巖的初始力學(xué)參數(shù)值。

表2、圖4 和圖5 顯示三軸壓縮試驗(yàn)獲得的砂巖力學(xué)參數(shù)和推導(dǎo)出的各工況下的劣化率。內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強(qiáng)度τ 的劣化率隨飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)的遞增而逐漸增大，前期增幅顯著，后期趨于平緩，說(shuō)明在干濕循環(huán)作用下，其砂巖劣化特性主要集中在試驗(yàn)初期。峰值強(qiáng)度劣化率因圍壓強(qiáng)度不同而呈現(xiàn)差異性，同一循環(huán)次數(shù)下，峰值抗壓強(qiáng)度劣化率隨圍壓的增大而減小，說(shuō)明可通過(guò)提高圍壓強(qiáng)度來(lái)降低劣化率。

表2 砂巖力學(xué)參數(shù)劣化率

圖4 不同圍壓作用下峰值抗壓強(qiáng)度劣化率擬合曲線

圖5 黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ 劣化率擬合曲線

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在水巖作用下，砂巖峰值抗壓強(qiáng)度隨圍壓增大而增大；若圍壓強(qiáng)度相同，內(nèi)摩擦角、黏聚力、砂巖峰值抗壓強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)呈反比例關(guān)系，且在試驗(yàn)初期，其參數(shù)數(shù)值降低幅度較大，后期受水巖作用影響逐漸趨于平緩。

（2）飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)N 與內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強(qiáng)度τ 的演化關(guān)系遵循指數(shù)分布規(guī)律。在同一循環(huán)次數(shù)下，其參數(shù)數(shù)值降低按小到大排列，依次為內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強(qiáng)度τ。說(shuō)明內(nèi)摩擦角φ 受水巖作用影響顯著最小。

（3）在試驗(yàn)初期，水巖作用導(dǎo)致劣化率出現(xiàn)較大增幅趨勢(shì)，而后劣化率逐漸趨于平緩，趨于某一定值，受水巖作用微弱；在同一飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)下，峰值抗壓強(qiáng)度劣化率與圍壓強(qiáng)度呈反比，說(shuō)明圍壓強(qiáng)度的增強(qiáng)可有效降低砂巖的劣化率；內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c 和砂巖峰值抗壓強(qiáng)度τ 隨飽水－風(fēng)干循環(huán)次數(shù)的遞增，其劣化率呈現(xiàn)內(nèi)摩擦角φ 劣化率最小，砂巖峰值抗壓強(qiáng)度τ 劣化率最大趨勢(shì)，說(shuō)明水巖作用顯著影響砂巖峰值抗壓強(qiáng)度τ。