富水全、強風化砂巖強度特性試驗及本構關系探討

鄒 翀，雷勝友，岳喜軍，宋 妍，高 攀

(1.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009;2.長安大學公路學院，西安 710064)

富水全、強風化砂巖強度特性試驗及本構關系探討

鄒 翀1，雷勝友2，岳喜軍2，宋 妍1，高 攀1

(1.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009;2.長安大學公路學院，西安 710064)

針對富水全、強風化砂巖的特點，進行了該砂巖的基本物理力學性質、化學成分實驗，然后通過單軸、三軸壓縮實驗研究了爆破擾動、含水量、試樣層理對砂巖應力－應變強度特性的影響。發現砂巖遇水軟化，粘聚力大幅度降低，表現出顯著的各向異性;爆破擾動后，巖石試樣的單軸抗壓強度減低，彈模減小，泊松比增大;由于砂巖具有明顯的節理性，按兩種方向加載所得到的巖石試樣強度明顯不同;根據實驗所得應力－應變曲線特點，發現用修正的Duncan－Zhang模型可以很好地描述砂巖的前應力－應變曲線。

砂巖;含水量;強度;爆破擾動;節理;本構關系

1 前言

某新建鐵路隧道圍巖屬強風化砂巖，隧道巖層產狀310°∠3°～280°∠7°，巖層主要發育三組節理:①103 °∠78 °張節理，節理間距為0.5 ～0.6 m，裂隙寬度為1.5～2.0 mm，充填泥質，延長2～3 m;②153 °∠80 °張節理，節理間距為 0.4 ～0.5 m，裂隙寬度為1.5 ～2.0 mm，充填泥質，延長 4～5 m;③250°∠66 °張節理，節理間距為 0.7～0.8 m，裂隙寬度為0.8～1.0 mm，充填泥質，延長5～8 m。

隧道頂部標高位于地下水穩定水位以下，地下水儲量充沛，圍巖裂隙發育，裂隙水流通性好，測得開挖面最大涌水量為322 L/min，靜水壓力最高達到0.7 MPa。全、強風化砂巖遇水后迅速軟化，呈流砂狀，圍巖自穩能力極差，隧道變形不易控制，加之隧道開挖采用爆破法，給隧道施工帶來很大的風險，目前該類研究多集中在砂巖強度參數等方面，未見對風化富水砂巖力學特性的系統研究，對其研究多集中在風化程度的分級上，并無針對隧道施工的相關量化指標的研究。因此很有必要對強風化砂巖在富水情況下及考慮爆破作用下的力學強度特性進行研究，為該新建鐵路隧道施工起指導作用，同時為其他同類工程積累規律性資料。

2 巖樣化學成分分析與物理參數測試

筆者對該處砂巖化學成分進行了X射線衍射分析、pH值測定。得出成分名稱及含量如表1所示。

表1 砂巖化學成分表Table 1 Chemical composition of the sandstone %

通過成分鑒定可以得知，砂巖的主要成分為石英和各種長石、滑石、綠泥石等，石英和長石莫氏硬度處于礦物硬度的中等級別，而像綠泥石、滑石這樣莫氏硬度很低的礦物雖然所占比例很小，但其強度低的性質致使整體巖樣強度較低。另外，砂巖試樣中存在綠泥石、滑石等礦物成分，一方面這些巖石易于風化和軟化，降低巖石本身強度;另一方面這些具有滑感的礦物分布在結構面上，使結構面的抗剪強度大大降低，巖體易于沿結構面產生變形，使巖體失穩［1］。

為了解富水砂巖的物理力學性質，研究中進行了密度、吸水率、含水率以及耐崩解指數試驗。測得富水砂巖的密度為2.172 g/cm3，與巖石力學上砂巖密度的取值(2.10～2.65 g/cm3)進行比較，可知在砂巖中，本試驗所取樣的砂巖密度值較小，試驗測得砂巖干密度 ρd=1.993 g/cm3，土顆粒密度為 ρs=2.635 g/cm3，由公式 e= ρs/ρd－ 1可得到孔隙比e=0.322的土粒間孔隙大、接觸不緊密，粒料間的咬合作用較弱，分子間引力小，剪切時克服的咬合作用小，因此原始內聚力就小。

巖石的吸水率是由其中空隙的數量和大小、顆粒相互排列的方式、巖石是否容易潮濕和從空隙中排除空氣的情況等因素而定［2］。吸水率愈小、巖石愈緊密堅硬，巖石的吸水率愈大，則其工程性質就愈差。飽和吸水率試驗程序是先將巖石試樣充分浸水再烘干，浸水是通過煮沸浸水。由試驗結果可知，取樣砂巖的充分吸水率為7.38%，飽和吸水率為9.24%，值比較大，說明水對其影響明顯，工程性質較差。

試驗得到的砂巖的原狀含水量為9.02%，而測得的充分吸水率僅為7.38%，這一方面與巖石在不同位置沉積的成分差異性有關，另一方面也從側面證明了從工地現場取來的巖石試樣幾近飽和。況且在做吸水率實驗時，由于有些試樣在泡水的過程中已經沿著夾泥層散落掉了，而這些夾泥層中的粒徑較小，更容易吸水，以上兩個原因導致原狀含水量比充分吸水量大。另外，測得試驗砂巖飽和吸水率為9.24%，也可以看出試驗砂巖在原狀情況下含水量大，受水的影響肯定很大。

巖石的崩解性是指巖石與水作用時失去粘結性，變成完全喪失強度的松散物質的性能。這種現象是由于水化過程中削弱了巖石內部的結構聯結引起的，巖石的崩解性一般用耐崩解性指數表示。耐崩解性指數是通過對巖石試樣進行烘干、浸水循環試驗所得到的指數，它直接反映了巖石在浸水、溫度變化和外界力的作用下抵抗風化作用的能力。較真實地模擬了巖石在自然條件下的風化過程。一般情況下，耐崩解指數與巖石成巖的地質年代無明顯關系，而與巖石的密度成正比，與巖石的含水量成反比［3］。經過一次循環試驗求得的耐崩解性指數是56.9%，兩次循環試驗求得的耐崩解性指數是38.2%。所以，可以將富水風化砂巖劃分到低耐久性巖石類。

3 富水砂巖變形、強度特性試驗研究

3.1 單軸抗壓強度試驗

單軸抗壓強度試驗結果如表2所示。從微觀上說是水使砂巖顆粒間自由水增加，結合水膜變厚，分子引力減小，從而使得顆粒之間更容易發生相對錯動，宏觀上表現為粘聚力降低，使得試驗砂巖更容易變形［4］。在原狀含水量和干燥情況下，軸向加載方向平行于試樣層理和垂直試樣層理所得的泊松比不一樣。

表2 單軸抗壓強度試驗結果Table 2 Results of uniaxial compression resistance test

由表2中的數據可以看出，原狀含水量時，加載方向平行于試樣層理的單軸抗壓強度比垂直于試樣層理的小，前者與后者之比為38%;而在干燥情況下，二者之比為85.63%。在原狀含水量下，加載方向平行試樣層理時所得的彈性模量是垂直于試樣層理的44%，在干燥情況下兩者之比為81%。在原狀含水量、干燥情況下，加載方向對所測得砂巖試樣的泊松比影響不很顯著。

3.2 砂巖爆破擾動特性試驗

鉆爆法是山嶺隧道修建中普遍采用的一種方法，對于軟弱圍巖來說，爆破擾動使圍巖強度指標顯著降低［5］。在本次試驗中，通過對爆破擾動試樣及未受爆破擾動試樣分別進行單軸壓縮試驗，得到了爆破擾動前、后應力－應變曲線以及軸向應變－徑向應變曲線，以定量分析爆破擾動對該類圍巖力學指標的影響。試驗實測曲線如圖1至圖4所示。

圖1 未受爆破擾動試樣的應力－應變曲線Fig.1 Stress－strain curve of specimen not disturbed by blasting

圖2 受爆破擾動試樣的應力－應變曲線Fig.2 Stress－strain curve of specimen disturbed by blasting

從圖1至圖4可以看出，受爆破影響的試樣除了強度降低外，曲線形狀變得更為復雜多變，這是爆破產生的裂縫在試驗時多次張開閉合造成的。也可以看出，未經爆破的試樣殘余強度緩慢降低，而經爆破擾動后的試樣殘余強度迅速降低到零。經過比較可以發現，受爆破影響試樣的單軸抗壓強度是未經爆破擾動的38%，受爆破影響試樣的彈性模量是未經爆破擾動的30%，爆破擾動后應變1和應變2都有顯著增大，且泊松比也有相應的增加。由此可見，爆破擾動使巖石的單軸抗壓強度和彈性模量顯著降低、泊松比明顯增大。

圖3 未受爆破擾動試樣的軸向應變－徑向應變曲線Fig.3 Axial strain －radial strain curve of specimen not disturbed by blasting

圖4 受爆破擾動試樣的軸向應變－徑向應變曲線Fig.4 Axial strain －radial strain curve of specimen disturbed by blasting

3.3 砂巖軟化特性試驗

巖石的軟化性是指巖石與水相互作用時強度降低的特性，與其礦物成分、顆粒間聯結方式、空隙率以及微裂隙發育程度等因素有關。軟化作用機理是由于水分子進入顆粒間的間隙，削弱了分子間引力，從而降低了顆粒間的聯結［6］。對于一般的巖石，含水量增加導致強度明顯降低。由試驗數據可得出試樣砂巖應力強度－含水量趨勢線服從指數分布，如圖5和圖6所示，圖中虛線為擬合曲線，實線為實驗曲線。

圖5 加載方向平行于試樣層理時的應力強度－含水量關系曲線Fig.5 Stress strength － water content curves for loading direction parallel to specimen bedding

圖6 加載方向垂直于試樣層理時的應力強度－含水量關系曲線Fig.6 Stress strength － water content curves for loading direction perpendicular to specimen bedding

試驗砂巖泡水發生軟化，主要有兩個方面的原因。一方面，顆粒的吸水改變表面性能。砂巖成分中的綠泥石和泥質膠結物是親水性的礦物，這些顆粒吸水后表面性能發生變化，使得顆粒間及顆粒與膠結物間的吸引力降低，產生弱化。另一方面，毛細管壓力減小。巖樣進行泡水前，內部含有部分水，產生毛細管壓力;當巖樣泡水后，外來水分子的加入使得這種作用力被減弱，從而使毛細管壓力減小，產生弱化［7］。

3.4 砂巖三軸剪切試驗

為進一步解釋巖石在準三軸荷載作用下的破壞機理，對試樣進行了一系列的三軸剪切試驗，三軸實驗曲線如圖7至圖11所示。從試驗結果來看，砂巖在不同應力水平下的應力－應變曲線線形特征明顯不同。當圍壓較小或是在單軸抗壓情況下，曲線屈服點不明顯，且峰值所對應的應變值比較小。當圍壓較大(為3 MPa)時，達到峰值后巖石經歷一定的塑性變形才被破壞，破壞后的應力降低速度較小，表現為峰值前、后曲線的曲率較大，應變軟化不明顯。試驗結果如表3所示。

圖7 原狀試樣、加載方向平行于試樣層理條件下的應力－應變曲線Fig.7 Stress－strain curves of intact sandstone for loading direction parallel to the bedding of specimen

圖8 原狀試樣、加載方向軸向垂直于試樣層理時的應力－應變曲線Fig.8 Stress－strain curves of intact sandstone for loading direction perpendicular to the bedding of specimen

圖9 充分吸水、加載方向軸向平行于試樣層理時的應力－應變曲線Fig.9 Stress－ strain curves of sandstone absorbed water fully for loading direction parallel to the bedding of specimen

圖10 充分吸水、加載方向垂直于試樣層理時的應力－應變曲線Fig.10 Stress－strain curves of sandstone absorbed water fully for loading direction perpendicular to the bedding of specimen

圖11 圍壓為3 MPa時的應力－應變曲線Fig.11 Stress－ strain curves when all round pressure equals 3 MPa

表3 三軸剪切試驗結果Table 3 Results of triaxial shear test

從表3可以得出以下結論:

1)相同圍壓下的原狀含水量試樣在應變相等時，軸向加載方向平行于試樣層理時，所得主應力差比軸向加載方向垂直于試樣層理時所得的主應力差小。

2)通過圖5和圖6可以看出，含水量增大，試樣的強度降低很多，表現在強度指標的變化上，加載方向平行于試樣層理時的粘聚力和內摩擦角都比同種含水量下加載方向垂直于試樣層理的小。而含水量的變化幾乎對內摩擦角影響不大，但是對粘聚力的影響很大，試樣的含水量增大，砂巖的粘聚力顯著降低。在以上4種試驗條件下，砂巖的全過程應力－應變曲線皆呈應變軟化或弱軟化型［8］。

4 富水砂巖本構關系研究

結合試驗數據，研究中選取Duncan本構模型來描述砂巖的力學性質。雖然試驗砂巖全過程中，應力－應變曲線不大符合Duncan－Zhang方程曲線，但是在峰值點之前還是適用的［9］。盡管Duncan－Zhang模型不能考慮初始壓密階段時應力－應變特性，也不能反映峰值應力之后的殘余強度［10］，但是若將Duncan模型的雙曲線方程改為式(1):

式(1)中，σ1、σ3分別代表大主應力和小主應力;a、b為試驗常數;ε1為大主應力方向的變形，即主應變。

對式(1)關于ε1微分，則切線模量Et可表示為

由試驗數據可得出試驗砂巖的應力－應變關系曲線，殘余強度在實際應用中作用微弱，研究只將峰值之后的趨勢表達出來即可。將修正后的模型參數代入本構方程中，可計算出砂巖應力－應變曲線，計算曲線如圖12、圖13所示。

從圖12和圖13可以看出，對砂巖三軸壓縮應力－應變曲線采用改進的Duncan模型進行擬合，試驗曲線與理論曲線非常接近，同時求解過程更簡單。可見，用改進的Duncan－Zhang模型能更好地表達試驗砂巖的應力－應變關系。

5 結語

1)該砂巖屬級配不良細砂，可塑性較差。崩解性實驗表明，該巖石屬于低耐久性巖石，主要成分為石英和各種長石、滑石、綠泥石等。由于綠泥石、滑石硬度低，屬于易風化礦物，具有滑感，隧道開挖后圍巖及其結構面的抗剪強度都大為降低，易使圍巖失穩。

圖12 試驗與計算結果對比(加載方向平行于試樣層理)Fig.12 Comparison between experiment and prediction for loading parallel to the bedding of specimen

圖13 試驗與計算結果對比(加載方向垂直于試樣層理)Fig.13 Comparison between experiment and prediction for loading direction perpendicular to the bedding of specimen

2)通過單軸抗壓強度試驗得出原狀含水量下加載方向平行于試樣層理、垂直于試樣層理以及干燥狀態下加載方向平行于試樣層理、垂直于試樣層理時巖樣的巖石強度、彈性模量、泊松比以及軟化系數。以上4種加載情況得到的壓縮曲線皆呈應變軟化型。

3)通過巖石三軸剪切試驗得到了在原狀含水量下加載方向平行于試樣層理、垂直于試樣層理以及充分吸水加載方向平行于試樣層理、垂直于試樣層理時巖樣的粘聚力和內摩擦角。從強度指標的變化方面可以得出，加載方向平行于試樣層理時的粘聚力和內摩擦角都比同樣含水量下加載方向垂直于試樣層理的小。而含水量的變化幾乎對內摩擦角無影響，但是對粘聚力的影響很大，試樣的含水量增大，砂巖的粘聚力降低很多。砂巖的全過程應力－應變曲線皆呈應變軟化型。

4)爆破擾動使得試樣強度、彈性模量降低很多，泊松比增大，曲線線型變得更為復雜，這就意味著爆破擾動后圍巖更容易發生變形。根據這一特性，在隧道施工中應用試驗分析的爆破擾動曲線調整爆破方案，在掌子面周邊增加隔震空孔，增加裝藥的不耦合系數，最大程度地降低了爆破對圍巖的擾動影響，提高了圍巖的自穩能力，保障了施工安全。

5)用修正的Duncan－Zhang模型可以很好地模擬砂巖的前過程應力－應變曲線關系，其計算值與實驗結果吻合得相當好。

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Experimental investigation on strength of sandstone weathered and absorbed water heavily and its constitutive law

Zou Chong1，Lei Shengyou2，Yue Xijun2，Song Yan1，Gao Pan1

(1.Technology Center，China Railway Tunnel Group，Luoyang，Henan 471009，China;2.School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

According to the feature of sandstone weathered and absorbed water heavily，the authors analyzed the physical and mechanical properties and chemical composition of the sandstone experimentally，then studied influence of blasting disturbance，water content，sample bedding on stress-strain strength characteristics through uniaxial and triaxial compression tests，and found that the sandstone would become weak in the strength when it absorbed water，and its cohesion decreased and showed significant anisotropy while friction angle was not changed.After the sandstone underwent blasting，its uniaxial compressive resistance and elastic modulus decreased，and Poisson ratio increased.As the sandstone has obvious bedding properties，the strengths of sample obtained from two different loading directions are different obviously.Based on the stress-strain curves from the triaxial tests，the authors found the stress-strain curves could be described well by the modified Duncan-Zhang model.

sandstone;water content;strength;disturbed by blasting;bedding;constitutive law

TU425

A

1009－1742(2011)01－0074－07

2010－04－15

鄒 翀(1971—)，男，江西南昌市人，高級工程師，主要從事工程技術及管理工作;E－mail:zouchong0356@126.com